具有同步觸發(fā)功能的大功率制動單元

吳保寧

（天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

大功率制動單元是大型交流傳動系統(tǒng)能耗制動最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的質(zhì)量好壞將直接影響整個系統(tǒng)的安全及整體性能。當(dāng)電機進行制動時，它將電能回饋到變頻器或逆變器直流母線上，導(dǎo)致直流母線電壓的升高。當(dāng)直流母線電壓達到一個預(yù)定限值時，制動單元自動開通，通過能耗電阻卸能將直流母線電壓限制到可以接受的水平，避免由于直流回路過壓導(dǎo)致變頻器故障而停止運行。實際在大功率應(yīng)用的場合，經(jīng)常需要多臺制動單元聯(lián)合使用，以滿足制動功率的需要。綜合分析已知的包括國際大公司的產(chǎn)品，由于制動電壓閾值的差異和電路參數(shù)的分散性，當(dāng)多臺制動單元并聯(lián)使用時，均無法實現(xiàn)同步投入和同步觸發(fā)，造成制動單元的燒毀，影響系統(tǒng)中其它主要設(shè)備的安全運行。

2 大功率制動單元的實現(xiàn)

隨著近幾年IGBT開關(guān)器件的不斷發(fā)展，其電流、電壓等級不斷提高，目前大功率制動單元主要由專用的IGBT基于降壓斬波電路（Buck Chopper）來實現(xiàn)，與其它可控的功率器件比較，這類型的晶體管在應(yīng)用中具備一系列的優(yōu)點，如可主動關(guān)斷、不需要緩沖網(wǎng)絡(luò)、控制單元簡單、開關(guān)時間短、開關(guān)損耗低等。為了實現(xiàn)制動單元單臺大功率制動，一般由多只IGBT并聯(lián)使用，冷卻方式根據(jù)應(yīng)用場合可以采用水冷和強迫風(fēng)冷等。

制動單元是根據(jù)直流母線電壓獨立運行的，用絞合電纜把其連接到公共直流回路中，其控制電路電源由直流母線電壓供電，無需外接。其主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

直流母線電壓通過控制電路轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰妷盒盘?，與給定電壓閾值比較，通過運放與RC組成的滯環(huán)電路網(wǎng)絡(luò)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過比較器產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulation）驅(qū)動信號來驅(qū)動功率器件工作，通過制動電阻把能量消耗掉。

圖1 大功率制動單元拓撲結(jié)構(gòu)

3 大功率制動單元并聯(lián)工作

3.1 獨立工作的大功率制動單元并聯(lián)使用

在許多實際應(yīng)用場合中，由于回饋到直流母線上的能量非常大，單臺制動單元無法及時響應(yīng)和卸掉公共直流母線上多于的能量，為了提高制動功率，需要多臺制動單元并聯(lián)使用。并聯(lián)的制動單元所用的電纜長度和截面必須一致，以保證電流的均衡分配。但在實際控制中，由于控制電路器件精度、制動電壓閾值的差異和電路參數(shù)的分散性，當(dāng)多臺制動單元并聯(lián)使用時，均無法實現(xiàn)同步投入和同步觸發(fā)。這將造成先投入的制動單元負擔(dān)過重，甚至過載，如果后續(xù)的制動單元不能及時投入，則先投入的制動單元損壞的可能性極大，工程實踐也證明了這一點。

3.2 具有同步觸發(fā)裝置的大功率制動單元

為了實現(xiàn)大功率制動單元并聯(lián)使用時，能夠同步觸發(fā)和同步投入，在控制系統(tǒng)中加入了自適應(yīng)主從控制和同步觸發(fā)裝置。而且其主從控制的信號交換采用光纖通訊，從而提高了抗干擾能力和工作可靠性，特別適用于強干擾的大型交流控制系統(tǒng)中。

圖2中Vin為每臺制動單元自身產(chǎn)生的PWM驅(qū)動脈沖，其通過電阻R1連接作為自身U2（或門邏輯電路）的2號端輸入信號，同時Vin通過三極管V1放大直接驅(qū)動三路光纖發(fā)送設(shè)備A11、A12、A13工作。A11中的U1為光纖發(fā)送頭，R4、R5為光纖發(fā)送頭的限流電阻，其作用是防止光纖發(fā)送頭因過流被燒毀，圖2中的光纖發(fā)送設(shè)備A11、A12、A13工作原理相同。B11為光纖接受設(shè)備，U3為光纖接受頭，C1為光纖接受頭電源1、2號端子間的突波吸收電容，作用是防止因電源的突變而燒毀光纖接受頭，R2為光纖接受頭的輸出電阻，其一端與光纖接受頭U3的3號端相連，另外一端與電源VCC（控制系統(tǒng)的工作電源，一般為＋15V）相連。根據(jù)光纖接受設(shè)備的電路原理，我們特意設(shè)計U3為同向工作原理，當(dāng)U3接受到高電平信號時，此時3號端通過電阻R2輸出為高電平信號，當(dāng)U3接受到低電平信號時，其3號端輸出為低電平信號，最終U3的3號端輸出信號作為U2（或門邏輯電路）的3號端的輸入信號，圖2中的B11、B12、B13電路原理一樣，都是光纖接受設(shè)備，同理B12的輸出信號作為U2的4號端的輸入信號，B13的輸出信號作為U2的5號端的輸入信號，U2為四二輸入的或門邏輯電路，U2的1號端為同向輸出端，R3為1號端的輸出電阻，通過R3的輸出信號Vout作為IGBT的驅(qū)動脈沖，去驅(qū)動IGBT安全可靠的工作。

圖2 制動單元的同步觸發(fā)裝置電路簡圖

3.3 具有同步觸發(fā)裝置的大功率制動單元并聯(lián)使用

圖3中公共直流母線通過電連接U11（電壓檢測單元），U11通過電連接U12（脈沖發(fā)生單元），U12通過電連接自身的U13（同步觸發(fā)裝置），同時通過光纖連接其余制動單元的U23、U33、U43（同步觸發(fā)裝置）；剩余制動單元同理。U13、U23、U33、U43的輸出通過電連接去驅(qū)動各自的IGBT安全可靠的工作。

圖3 多臺制動單元并聯(lián)工作和同步觸發(fā)裝置連接簡圖

根據(jù)電壓檢測單元和脈沖發(fā)生單元工作原理，由于每臺制動單元其制動電壓閾值的差異和電路參數(shù)的分散性，每臺制動單元的脈沖發(fā)生單元（U12、U22、U32、U42）的輸出脈沖在占空比、頻率上各不相同，提前工作的占空比大，最后工作的占空比小，但是，根據(jù)同步觸發(fā)裝置（U13、U23、U33、U43）或門邏輯電路工作原理，其輸出脈沖只與最大輸入占空比的脈沖有關(guān)，所以每臺制動單元同步觸發(fā)裝置輸出脈沖都與提前工作的制動單元的輸出脈沖是一致的，因此，無論哪臺制動單元先工作，其脈沖信號就作為主驅(qū)動信號，必將同時觸發(fā)另外三臺制動單元同時投入和同時工作。

4 設(shè)計實例

以下是具有同步觸發(fā)裝置的兩臺大功率制動單元并聯(lián)工作時的情況。

定義：ch1“1?！敝苿訂卧狪GBT驅(qū)動脈沖

ch2“2?！敝苿訂卧狪GBT驅(qū)動脈沖

ch3“2＃”制動單元自身產(chǎn)生的工作脈沖（光纖發(fā)送）

ch4“1?！敝苿訂卧陨懋a(chǎn)生的工作脈沖（光纖發(fā)送）

從工作波形可以看出，ch1、ch2、ch3波形的占空比基本一致，ch4波形的占空比相對窄，因為兩臺制動單元的放電閾值不一樣，所以在同一電壓源下，較低的即“2?！敝苿訂卧裙ぷ?，先工作的占空比較寬，后工作的較窄，而最終驅(qū)動IGBT工作的驅(qū)動脈沖又是一致的，說明同步觸發(fā)功能起到了作用，實現(xiàn)了兩臺制動單元并聯(lián)工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)同步觸發(fā)工作。

圖4 并聯(lián)工作脈沖波形

由于同步觸發(fā)功能的實現(xiàn)有模擬電路和數(shù)字電路組成，所以工作脈沖在傳送過程中有一定的延時，具體如圖5所示。

圖5 同步觸發(fā)工作脈沖延時

從工作波形中可以看出，最終驅(qū)動IGBT工作脈沖ch1延遲ch2不到500ns，這主要是由器件造成的，但這么短的時間完全可以忽略。所以增加了同步觸發(fā)功能的制動單元完全可以實現(xiàn)多臺制動單元并聯(lián)同步工作。

5 結(jié)論

通過同步觸發(fā)裝置解決了大功率制動單元并聯(lián)使用時能夠?qū)崿F(xiàn)同步投入和同步觸發(fā)，使得并聯(lián)工作的各臺制動單元的制動功率均衡。制動效率大大提高了，整個系統(tǒng)的安全可靠性也大幅度提高了。該功能大大提高了制動單元使用的靈活性，為大型傳動系統(tǒng)能耗制動的硬件冗余提供了更大的自由度，徹底解決了由于能耗制動制動單元響應(yīng)不夠快而導(dǎo)致能量不能及時消耗給系統(tǒng)帶來的嚴(yán)重威脅。

［1］方涌奎，屈敏娟，張支鋼.變頻器控制系統(tǒng)的制動單元及其應(yīng)用［J］.精密制造與自動化，2009.

［2］朱衛(wèi)兵.變頻器制動單元的使用及其計算［J］.江蘇冶金，2006.

［3］王兆安，黃 俊.電力電子變流技術(shù)［M］.機械工業(yè)出版社，2004.

［4］西門子制動單元手冊.