摘 要 ：本文闡述了U/F控制變頻調速的基本原理，分析了變頻調速控制器的典型拓撲，進而對采用隔離方案和共地方案設計的變頻調速控制器系統(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)設計進行了詳細的闡述，并給出了兩者之間設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)的應用給予了展望。 1 引言 隨著計算機技術、微電子技術和電力電子技術的發(fā)展，變頻調速技術的應用得到飛速發(fā)展。變頻調速控制技術的應用領域也越來越廣泛，如紡織機械、礦山機械和工業(yè)控制、變頻家電等領域都得到廣泛應用。變頻調速技術作為節(jié)能降耗、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段已經(jīng)深入人心，變頻調速技術在家電產(chǎn)品中的成功應用，大大提高了人們的生活質量。變頻調速產(chǎn)品的巨大市場潛力日漸明顯，但是，由于我國的變頻調速技術的研究和應用起步較晚，尤其是變頻技術產(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，國內的變頻產(chǎn)品一方面有著巨大的國內市場需求，另一方面又面臨著國外和國內的雙重競爭，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。本文將對變頻調速控制器系統(tǒng)設計進行闡述，分析傳統(tǒng)的隔離方案變頻調速控制器系統(tǒng)和采用單電源智能功率模塊實現(xiàn)共地系統(tǒng)設計的變頻調速控制器系統(tǒng)，進而可以看出采用單電源智能功率模塊設計的共地系統(tǒng)變頻調速控制器系統(tǒng)能夠大大簡化硬件電路的設計和降低系統(tǒng)的硬件成本。 2 變頻調速原理 在諸多交流異步電動機調速技術中，如調壓調速、變極調速、串級調速、滑差調速、變頻調速等，其中由于變頻調速具有的優(yōu)點： （1）調速時平滑性好，效率高； （2）調速范圍較大，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，變頻調速技術是當前應用最廣泛的一種調速技術。在中小功率的變頻調速系統(tǒng)中使用最多的變壓變頻調速，簡稱U/F控制，相應的變頻調速控制器為電壓源型變頻調速器（VSI）。由電機學知識可知異步電動機的轉速與電源頻率有以下關系： 式中：n—電機的轉速（r/min）； p—磁極對數(shù)； s—轉差率（％）； 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)調控制。此外，在很多場合，為了保持在調速時，電動機產(chǎn)生最大轉矩不變，也需要維持磁通不變，這亦由頻率和電壓協(xié)調控制來實現(xiàn)。通過改變異步電動機的供電頻率，從而可以任意調節(jié)電機轉速,實現(xiàn)平滑的無級調速。 3 變頻調速控制系統(tǒng)的構成 變頻調速控制系統(tǒng)一般由三部分構成：驅動控制部分、反饋部分和驅動對象。驅動控制部分是整個調速系統(tǒng)的核心，一般也稱之為變頻調速控制器。反饋部分是將驅動對象的相關量如速度、電流等回饋給控制部分，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。驅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。變頻調速系統(tǒng)結構示意圖如圖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)中具體的驅動對象各不相同，反饋部分在應用設計中也不盡相同，在此不進行詳細討論，這里主要討論變頻調速系統(tǒng)中的核心部分即驅動控制部分。根據(jù)調速系統(tǒng)的不同，驅動控制部分可以設計成通用的調速器，如通用變頻器，也可以設計成專用調速器，如紡織行業(yè)用的儲緯器等，但其基本結構是相同或類似的。由于在具體的設計過程中可以采用不同的設計方法，導致其硬件電路的復雜程度存在較大差異，下面將對變頻調速控制器的拓撲結構和設計方法進行闡述。 4 變頻調速控制器設計 4.1 典型拓撲結構 異步電動機的變頻調速或無刷直流電機的調速控制器的功率電路一般都采用典型的交—直—交拓撲結構，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率可調的三相交流電源，輸出到需要調速的電動機上，從而實現(xiàn)對電動機的調速控制。 4.2 隔離方案設計 早期的變頻調速控制器采用分立元器件設計，包括逆變電路部分的設計，使得硬件結構復雜，可靠性降低，相應的產(chǎn)品開發(fā)周期長。隨著電力電子器件的發(fā)展，尤其是大功率開關器件的發(fā)展，如IGBT模塊，使得逆變電路的設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計使用。應用智能功率模塊設計變頻調速控制器，可以大大簡化硬件設計，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，其內部使用的設計技術存在差異，集成的各種保護功能也不盡相同。早期推出的6單元IPM模塊內部的IGBT模塊驅動需要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，這導致系統(tǒng)開關電源的體積和設計難度加大。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計的變頻調速控制器的結構示意圖，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，有關電流檢測和電壓檢測實現(xiàn)都較復雜，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，導致產(chǎn)品市場競爭力下降。 4.3 共地方案的設計 由于功率器件集成技術發(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，推出單電源IPM，使得只需給IPM模塊提供一路驅動電源，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，用于驅動小功率（1.5kW）電動機用DC-AC電力變換。它主要集成驅動、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逆變橋帶有門極驅動電路和保護電路; （2） 上橋臂驅動器電源使用自舉電源技術； （3） 全部驅動共用一個電源； （4） 內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)了單電源驅動，其核心技術就是驅動電源采用自舉電源技術和電平移位電路，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，這種單電源驅動技術為系統(tǒng)采用共地方案設計提供了條件。 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計，圖5給出了基于單電源IPM模塊采用共地方案設計的變頻調速控制器的結構示意圖。 從圖5可以看出，采用共地方案設計的變頻調速控制器，減少了用于PWM信號隔離的光電耦合器和開關電源的電源路數(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 結束語 變頻調速技術是當前應用非常成熟的一種調速技術，由于其在調速方面特有的優(yōu)勢，在諸多調速領域都得到廣泛應用，變頻調速控制器就是一個典型的應用。文中提到的兩種設計方案都具有一定的代表性：隔離方案比較成熟，應用也較多，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計變頻調速控制器是可行和可靠的，非常值得推廣應用。