摘 要 ：本文闡述了U/F控制變頻調(diào)速的基本原理，分析了變頻調(diào)速控制器的典型拓撲，進而對采用隔離方案和共地方案設(shè)計的變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)進行了介紹，尤其對采用單電源智能功率模塊實現(xiàn)共地系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細的闡述，并給出了兩者之間設(shè)計上的差異和共地系統(tǒng)具有的成本優(yōu)勢，最后對采用單電源智能功率模塊實現(xiàn)共地系統(tǒng)的應(yīng)用給予了展望。 1 引言 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用得到飛速發(fā)展。變頻調(diào)速控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如紡織機械、礦山機械和工業(yè)控制、變頻家電等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)作為節(jié)能降耗、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段已經(jīng)深入人心，變頻調(diào)速技術(shù)在家電產(chǎn)品中的成功應(yīng)用，大大提高了人們的生活質(zhì)量。變頻調(diào)速產(chǎn)品的巨大市場潛力日漸明顯，但是，由于我國的變頻調(diào)速技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，尤其是變頻技術(shù)產(chǎn)品化更為滯后，高端的變頻產(chǎn)品基本上都被國外品牌壟斷。因此，國內(nèi)的變頻產(chǎn)品一方面有著巨大的國內(nèi)市場需求，另一方面又面臨著國外和國內(nèi)的雙重競爭，尤其是在價格、性能方面的競爭更為明顯。因此，低成本、高性能成為變頻產(chǎn)品追求的目標。本文將對變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計進行闡述，分析傳統(tǒng)的隔離方案變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)和采用單電源智能功率模塊實現(xiàn)共地系統(tǒng)設(shè)計的變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)，進而可以看出采用單電源智能功率模塊設(shè)計的共地系統(tǒng)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)能夠大大簡化硬件電路的設(shè)計和降低系統(tǒng)的硬件成本。 2 變頻調(diào)速原理 在諸多交流異步電動機調(diào)速技術(shù)中，如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中由于變頻調(diào)速具有的優(yōu)點： （1）調(diào)速時平滑性好，效率高； （2）調(diào)速范圍較大，精度高； （3）起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯； （4）易于實現(xiàn)過程自動化。 因此，變頻調(diào)速技術(shù)是當前應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速技術(shù)。在中小功率的變頻調(diào)速系統(tǒng)中使用最多的變壓變頻調(diào)速，簡稱U/F控制，相應(yīng)的變頻調(diào)速控制器為電壓源型變頻調(diào)速器（VSI）。由電機學知識可知異步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率有以下關(guān)系： 式中：n—電機的轉(zhuǎn)速（r/min）； p—磁極對數(shù)； s—轉(zhuǎn)差率（％）； f—電源頻率（Hz）。 從式（1）可以看出，改變電源頻率就可以改變電機轉(zhuǎn)速。另外，根據(jù)異步電機的電勢公式知道，外加電壓近似地與頻率和磁通的乘積成正比。即 U∝E≈C1fφ （2） 式中C1為常數(shù)。 因此有: φ∝E/f≈U/f （3） 若外加電壓不變，則磁通φ隨頻率而改變，如頻率f下降，磁通φ會增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在很多場合，為了保持在調(diào)速時，電動機產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，也需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)。通過改變異步電動機的供電頻率，從而可以任意調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。 3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成：驅(qū)動控制部分、反饋部分和驅(qū)動對象。驅(qū)動控制部分是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心，一般也稱之為變頻調(diào)速控制器。反饋部分是將驅(qū)動對象的相關(guān)量如速度、電流等回饋給控制部分，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動對象主要部分為電動機，包括步電動機、無刷直流電動機等。變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，如果對控制精度要求不是很高的情況下，圖1中反饋部分可以省去。由于系統(tǒng)中具體的驅(qū)動對象各不相同，反饋部分在應(yīng)用設(shè)計中也不盡相同，在此不進行詳細討論，這里主要討論變頻調(diào)速系統(tǒng)中的核心部分即驅(qū)動控制部分。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的不同，驅(qū)動控制部分可以設(shè)計成通用的調(diào)速器，如通用變頻器，也可以設(shè)計成專用調(diào)速器，如紡織行業(yè)用的儲緯器等，但其基本結(jié)構(gòu)是相同或類似的。由于在具體的設(shè)計過程中可以采用不同的設(shè)計方法，導(dǎo)致其硬件電路的復(fù)雜程度存在較大差異，下面將對變頻調(diào)速控制器的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法進行闡述。 4 變頻調(diào)速控制器設(shè)計 4.1 典型拓撲結(jié)構(gòu) 異步電動機的變頻調(diào)速或無刷直流電機的調(diào)速控制器的功率電路一般都采用典型的交—直—交拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示（圖2中只給出單相交流的全橋整流電路）。其由整流部分、濾波部分和逆變部分組成，在其工作時首先將三相或單相交流電經(jīng)橋式整流為頻率為電網(wǎng)電壓頻率兩倍的脈動的直流電壓，脈動的直流電壓經(jīng)平滑濾波后得到波動較小的穩(wěn)定的直流電壓，然后在微控制器的控制下，用逆變器將直流電再逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電源，輸出到需要調(diào)速的電動機上，從而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速控制。 4.2 隔離方案設(shè)計 早期的變頻調(diào)速控制器采用分立元器件設(shè)計，包括逆變電路部分的設(shè)計，使得硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低，相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)周期長。隨著電力電子器件的發(fā)展，尤其是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，如IGBT模塊，使得逆變電路的設(shè)計得到一定程度的簡化。但隨著生產(chǎn)的需要，又推出了集成度更高、功能更強的IGBT模塊，這就是智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）。它具有體積小、功能多、使用方便等諸多優(yōu)點，適用于不同功率的逆變器設(shè)計使用。應(yīng)用智能功率模塊設(shè)計變頻調(diào)速控制器，可以大大簡化硬件設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的性能。不同階段推出的IPM模塊，其內(nèi)部使用的設(shè)計技術(shù)存在差異，集成的各種保護功能也不盡相同。早期推出的6單元IPM模塊內(nèi)部的IGBT模塊驅(qū)動需要4路獨立的隔離電源，3個上橋臂各需要一路獨立的電源，3個下橋臂共用一路電源，這導(dǎo)致系統(tǒng)開關(guān)電源的體積和設(shè)計難度加大。另外，系統(tǒng)控制部分即MCU或DSP控制電路和功率電路部分需要電氣隔離，以保證控制電路的安全。需要隔離的信號主要有：實現(xiàn)逆變控制的6路PWM信號；IPM模塊輸出的故障保護信號；電壓檢測信號等。下面給出采用隔離方案設(shè)計的變頻調(diào)速控制器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。 由于系統(tǒng)功率部分和控制部分的電源的參考電源地不同，因此，有關(guān)電流檢測和電壓檢測實現(xiàn)都較復(fù)雜，一般采用霍爾電流傳感器和電壓互感器來實現(xiàn)，硬件成本很難降低，導(dǎo)致產(chǎn)品市場競爭力下降。 4.3 共地方案的設(shè)計 由于功率器件集成技術(shù)發(fā)展，一些生產(chǎn)廠家，如日本三菱，日本東芝，美國仙童等，采用自舉電源技術(shù)，推出單電源IPM，使得只需給IPM模塊提供一路驅(qū)動電源，這為實現(xiàn)系統(tǒng)共地提供了可能。下面以日本三菱公司的單電源模塊PS21255-E為例，介紹其新特點。PS21255-E是日本三菱公司的第四代IGBT功率模塊，用于驅(qū)動小功率（1.5kW）電動機用DC-AC電力變換。它主要集成驅(qū)動、保護和系統(tǒng)控制等功能，具體包括以下這些特點： （1） 三相IGBT逆變橋帶有門極驅(qū)動電路和保護電路; （2） 上橋臂驅(qū)動器電源使用自舉電源技術(shù)； （3） 全部驅(qū)動共用一個電源； （4） 內(nèi)含隔離高壓的快速電平移位電路（level shifter）; （5） 控制信號不需要光耦隔離等。 第四代IPM模塊的最大的特點就是實現(xiàn)了單電源驅(qū)動，其核心技術(shù)就是驅(qū)動電源采用自舉電源技術(shù)和電平移位電路，其原理示意圖如圖4所示。其中，自舉電源由圖4中的R1、D1、C1組成，IGBT1和IGBT2組成其中的一相橋臂。從圖4中可以看出自舉電源的充電回路為R1、D1、C1、IGBT2和N，這種單電源驅(qū)動技術(shù)為系統(tǒng)采用共地方案設(shè)計提供了條件。 采用共地方案的好處就是在很大程度上簡化硬件電路的設(shè)計，圖5給出了基于單電源IPM模塊采用共地方案設(shè)計的變頻調(diào)速控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。 從圖5可以看出，采用共地方案設(shè)計的變頻調(diào)速控制器，減少了用于PWM信號隔離的光電耦合器和開關(guān)電源的電源路數(shù)；簡化了電流檢測和電壓檢測電路，整個系統(tǒng)硬件設(shè)計在成本和性能上都得到很大程度的優(yōu)化，滿足了低成本、高性能要求。 5 結(jié)束語 變頻調(diào)速技術(shù)是當前應(yīng)用非常成熟的一種調(diào)速技術(shù)，由于其在調(diào)速方面特有的優(yōu)勢，在諸多調(diào)速領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，變頻調(diào)速控制器就是一個典型的應(yīng)用。文中提到的兩種設(shè)計方案都具有一定的代表性：隔離方案比較成熟，應(yīng)用也較多，但硬件成本相對較高；基于單電源IPM模塊的共地方案具有更大有吸引力，在滿足性能的前提下，能夠最大程度地降低硬件成本，極大地提高了產(chǎn)品的市場競爭力。而且，共地方案已經(jīng)成功應(yīng)用到的工業(yè)變頻器產(chǎn)品開發(fā)中，并且已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，實踐證明采用共地方案設(shè)計變頻調(diào)速控制器是可行和可靠的，非常值得推廣應(yīng)用。