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?fù)洌M(jìn)而對(duì)采用隔離方案和共地方案設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，尤其對(duì)采用單電源智能功率模塊實(shí)現(xiàn)共地系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并給出了兩者之間設(shè)計(jì)上的差異和共地系統(tǒng)具有的成本優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)采用單電源智能功率模塊實(shí)現(xiàn)共地系統(tǒng)的應(yīng)用給予了展望。 1 引言 隨著計(jì)算機(jī)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(lái)越廣泛，如紡織機(jī)械、礦山機(jī)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(dòng)技術(shù)進(jìn)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(chǎng)潛力日漸明顯，但是，由于我國(guó)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(guó)外品牌壟斷。因此，國(guó)內(nèi)的變頻產(chǎn)品一方面有著巨大的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，另一方面又面臨著國(guó)外和國(guó)內(nèi)的雙重競(jìng)爭(zhēng)，尤其是在價(jià)格、性能方面的競(jìng)爭(zhēng)更為明顯。因此，低成本、高性能成為變頻產(chǎn)品追求的目標(biāo)。本文將對(duì)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)共地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)，進(jìn)而可以看出采用單電源智能功率模塊設(shè)計(jì)的共地系統(tǒng)變頻調(diào)速控制器系統(tǒng)能夠大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)中，如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)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(diǎn)： （1）調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高； （2）調(diào)速范圍較大，精度高； （3）起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯； （4）易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。 因此，變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)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(jiǎn)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(jī)學(xué)知識(shí)可知異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率有以下關(guān)系： 式中：n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）； p—磁極對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)速。另外，根據(jù)異步電機(jī)的電勢(shì)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(huì)增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過(guò)熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時(shí)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(chǎng)合，為了保持在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，從而可以任意調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)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(dòng)控制部分、反饋部分和驅(qū)動(dòng)對(duì)象。驅(qū)動(dòng)控制部分是整個(gè)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(dòng)對(duì)象的相關(guān)量如速度、電流等回饋給控制部分，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)對(duì)象主要部分為電動(dòng)機(jī)，包括步電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等。變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，如果對(duì)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(dòng)對(duì)象各不相同，反饋部分在應(yīng)用設(shè)計(jì)中也不盡相同，在此不進(jìn)行詳細(xì)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(dòng)控制部分。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的不同，驅(qū)動(dòng)控制部分可以設(shè)計(jì)成通用的調(diào)速器，如通用變頻器，也可以設(shè)計(jì)成專用調(diào)速器，如紡織行業(yè)用的儲(chǔ)緯器等，但其基本結(jié)構(gòu)是相同或類(lèi)似的。由于在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用不同的設(shè)計(jì)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(duì)變頻調(diào)速控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述。 4 變頻調(diào)速控制器設(shè)計(jì) 4.1 典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速或無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速控制器的功率電路一般都采用典型的交—直—交拓?fù)浣Y(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(shí)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(dòng)的直流電壓，脈動(dòng)的直流電壓經(jīng)平滑濾波后得到波動(dòng)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(dòng)機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。