1200BC2-14/690制動(dòng)斬波器應(yīng)用研究

楊榮，劉浩，朱奇先

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1200BC2-14/690制動(dòng)斬波器應(yīng)用研究

楊榮，劉浩，朱奇先

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

簡(jiǎn)要分析了1200BC2-14/690制動(dòng)過(guò)程中脈沖的產(chǎn)生和封鎖、脈寬和頻率控制的工作原理及其影響要素；根據(jù)要求的工作條件，指出了限制其使用的關(guān)鍵因素——發(fā)熱，針對(duì)引起IGBT發(fā)熱的負(fù)載配置和連線超過(guò)1 m后因感應(yīng)過(guò)電壓引起電解電容發(fā)熱的2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，給出了連續(xù)工作時(shí)負(fù)載電阻和吸收過(guò)電壓所需電容容量的工程算法。

脈沖產(chǎn)生；特殊應(yīng)用調(diào)整；電容計(jì)算

1 引言

1200BC2-14/690（以下簡(jiǎn)稱 BC2）是德國(guó)TRANSOMIK系列里的一款制動(dòng)斬波器，因其通、斷設(shè)計(jì)巧妙、原理簡(jiǎn)單、工作可靠、制動(dòng)功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、使用方便而得到廣泛應(yīng)用?；谶@些特點(diǎn)，西門子將其買斷后作為S120等新一代系列變頻器的制動(dòng)配套產(chǎn)品。該系列斬波器尤其適用于單臺(tái)、大功率制動(dòng)的場(chǎng)合。但是，當(dāng)規(guī)定的使用條件不能滿足，例如需要用在其他的變頻器上、離變頻器直流母線較遠(yuǎn)、要求大功率、連續(xù)制動(dòng)（比如港機(jī)、鉆機(jī)等）等情況下使用時(shí)，如果對(duì)其用法不做調(diào)整，不但不能達(dá)到制動(dòng)目的，反而斬波器很容易損壞。本文就其在此類特殊場(chǎng)合的調(diào)整用法做研究探討。

2 BC2工作過(guò)程

BC2由兩部分組成：第1部分為集成在1塊印制板上的電子控制單元，包括工作電源、直流母線采樣、電容濾波、IGBT通斷控制、故障保護(hù)等電路；第2部分為集成在鋁型材散熱器上的功率單元，包括8只并聯(lián)的1 700 V/200 A IGBT模塊、冷卻風(fēng)機(jī)等?？傃b在一起的最大外形尺寸為寬260 mm，深200 mm，高800 mm，重量30 kg，結(jié)構(gòu)非常緊湊。只需2根電纜連接到變頻器的直流母線，不需要外部控制電源，使用非常方便。

當(dāng)直流母線電壓大于230 V時(shí)，電子控制單元首先建立+5 V，+10 V，+15 V的工作電源，接近480 V及其以上時(shí)BC2即處于待機(jī)工作狀態(tài)。隨著母線電壓的繼續(xù)升高，達(dá)到設(shè)定的開(kāi)通電壓上限時(shí)，通斷控制電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，IGBT功率模塊接收到該脈沖后即將直流母線和電阻負(fù)載接通實(shí)施制動(dòng)，維持母線電壓穩(wěn)定并不再升高；當(dāng)母線電壓低于設(shè)定的開(kāi)通電壓下限時(shí)，取消脈沖發(fā)送并斷開(kāi)電阻負(fù)載，等待下一次母線電壓的升高。制動(dòng)工作期間，保護(hù)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電子控制單元、IGBT的狀態(tài)、散熱器溫度、外部故障信息等，任何超越保護(hù)閥值的故障發(fā)生后，立即封鎖觸發(fā)脈沖、斷開(kāi)電阻負(fù)載并發(fā)出制動(dòng)斬波器故障信號(hào)。

脈沖寬度和頻率不但與母線電壓有關(guān)，還與電路參數(shù)有關(guān)。當(dāng)母線電壓在導(dǎo)通閥值上限并保持不變時(shí)，改變電路參數(shù)可以改變脈沖的寬度和頻率；當(dāng)電路參數(shù)不變時(shí)，隨著超過(guò)閥值的母線電壓升高，脈沖的寬度增大，頻率降低。這部分電路很有特色，下面就這一電路做一分析。

簡(jiǎn)化后的脈沖產(chǎn)生和控制電路見(jiàn)圖1。圖1中V2，V3，V4為固定偏置，在BC2的1200-14/690這一檔分別為+10 V；+5.5 V，320 V；N77為比較器，N78為運(yùn)放器；Vcc=+15 V。

圖1 脈沖產(chǎn)生和控制電路Fig.1 Pulse generating and control circuit

當(dāng)BC2待機(jī)時(shí)，直流母線采樣電位V1＜V2，N78的輸出端1#電位VB≈VCC

VC＞V3，N77的輸出端1#為0 V，通過(guò)V135的鉗位使VE≈0 V。

當(dāng)直流母線電壓升高，采樣電壓則按比例相應(yīng)升高，但仍然有V1＜V2，由于N78的放大調(diào)節(jié)作用，VB也相應(yīng)降低，此時(shí)

相應(yīng)于此，VC，VD的電位按式（1）、式（2）也變化，但此時(shí)仍有VC＞V3，因而N77的1#和VE仍然為0V；

當(dāng)采樣電壓V1繼續(xù)升高，由式（3）得到的VB繼續(xù)下降，由式（1）得到的VC也下降，直到V3＞VC時(shí)，N77的1#變?yōu)閂CC，通過(guò)V135的鉗位，VE≈VCC，輸出高電平給IGBT的控制極，接通直流母線和負(fù)載電阻，釋放母線能量以維持電壓穩(wěn)定不再升高。同時(shí)由于R37的正反饋?zhàn)饔?，使得N77的7#電位變?yōu)?/p>

由于VC小于VN777#的持續(xù)，也就是VE脈沖有了寬度。另外，由于VE≈VCC的出現(xiàn)，VE將通過(guò)R45對(duì)C44充電，VD的新電位為

式中：τ1為充電的時(shí)間常數(shù)。

隨著VD電位的升高，將通過(guò)R43對(duì)C42充電，充電的作用將使VC的新電位為

當(dāng)VC2≥VN777#時(shí)，N77的1#端變?yōu)? V，VE≈0 V ，脈沖停止，IGBT關(guān)斷，斬波制動(dòng)結(jié)束。

當(dāng)脈沖結(jié)束但采樣電壓不變時(shí)，由于VE≈0 V ，VN777#=V3，VC2＞V3，C42，C44開(kāi)始放電，由于C42很小，放電很快結(jié)束，相對(duì)于C42，C44很大，因此VC的放電電位主要由C44的放電過(guò)程決定，VD的放電電位為當(dāng)電位降到略低于脈沖開(kāi)始產(chǎn)生的電位時(shí)，又將產(chǎn)生脈沖，重復(fù)上述過(guò)程。

由此可見(jiàn)，在采樣電壓不變時(shí)，脈沖出現(xiàn)的時(shí)間和寬度取決于R41與R43+R45的比值，R37與R038的比值，τ1，C44充電到VN777#的時(shí)間，脈沖頻率取決于C44的充電和放電時(shí)間之和；當(dāng)上述參數(shù)不變時(shí)，脈沖出現(xiàn)的時(shí)間和寬度、頻率取決于采樣電壓的大小，采樣電壓越大，脈沖出現(xiàn)越早、寬度越寬，頻率越低。各點(diǎn)波形見(jiàn)圖2。

圖2 各點(diǎn)波形圖Fig.2 Oscillogram of all parts

3 主要性能參數(shù)

BC2的性能指標(biāo)很多，與制動(dòng)能力有關(guān)的主要參數(shù)如下：1）對(duì)應(yīng)變頻器輸入電壓：（600～690 V）+10%，50/60 Hz；2）額定制動(dòng)能力對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率：1 200 kW；只需0.7倍制動(dòng)功率時(shí)可達(dá)1 700 kW；如果需要1.3倍制動(dòng)功率時(shí)則只有1 000 kW；3）準(zhǔn)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)能力對(duì)應(yīng)電機(jī)功率：不帶風(fēng)機(jī)時(shí)只有45 kW，帶風(fēng)機(jī)時(shí)400 kW；4）在導(dǎo)通閥值為1 065～1 155 V時(shí)制動(dòng)的尖峰電流：負(fù)載電阻為0.7～0.8 Ω、制動(dòng)時(shí)間15 s、循環(huán)周期1 800 s（不帶風(fēng)機(jī)）或600 s（帶風(fēng)機(jī)）的偶爾制動(dòng)時(shí)1 500 A；負(fù)載電阻為0.9～1.0 Ω、循環(huán)時(shí)間120 s、制動(dòng)時(shí)間4.8 s（不帶風(fēng)機(jī)）或42 s（帶風(fēng)機(jī)）的重復(fù)制動(dòng)時(shí)1 200 A；負(fù)載電阻為1.05～1.15 Ω、循環(huán)時(shí)間600 s、制動(dòng)時(shí)間21 s和36 s（不帶風(fēng)機(jī)）或180 s和300 s（帶風(fēng)機(jī)）的準(zhǔn)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)時(shí)1 000 A和630A；此時(shí)的功率損耗為180 W（不帶風(fēng)機(jī)）和1 600 W（帶風(fēng)機(jī)）；5）BC2的直流輸入端與變頻器直流母線的距離不能超過(guò)1 m。

4 特殊應(yīng)用場(chǎng)合的改進(jìn)

由上可知，BC2對(duì)使用的條件要求比較嚴(yán)格，如果不對(duì)使用參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即使最短120 s的循環(huán)周期，還是屬于間斷性使用，何況630 A 300 s制動(dòng)時(shí)的600 s周期，對(duì)一些特殊場(chǎng)合更是無(wú)法接受。另外小于1 m的要求，更是嚴(yán)重制約了使用范圍。為了方便靈活地應(yīng)用BC2，需要針對(duì)這些缺點(diǎn)采取相應(yīng)對(duì)策。

規(guī)定一定負(fù)載電流下的循環(huán)周期，是為了保證BC2安全可靠的工作。在選定了IGBT模塊以后，影響其安全使用的最主要因素就是模塊內(nèi)管芯的結(jié)溫，任何工作狀態(tài)下允許的最高結(jié)溫不能被超過(guò)，一旦超過(guò)，熱失效引起的模塊損壞不可恢復(fù)。影響結(jié)溫的主要因素為流過(guò)模塊的電流、熱阻（包括散熱器、接觸面）、通風(fēng)、環(huán)境溫度等。其中環(huán)境溫度容易保證，熱阻已經(jīng)確定，因此只有負(fù)載電流和通風(fēng)可以調(diào)整和改進(jìn)。電流根據(jù)制動(dòng)要求的能力決定，為了持續(xù)不間斷的工作，即使是電阻性負(fù)載，為了保證安全，通過(guò)選擇開(kāi)通電壓、負(fù)載電阻，應(yīng)使流過(guò)模塊的電流在其額定值的1/2～1/3（即530～800 A）以下。改進(jìn)通風(fēng)可以通過(guò)加大風(fēng)速、風(fēng)量實(shí)現(xiàn)。

1 m的限制是指BC2只能承受電纜上1 m以內(nèi)因分布電感引起的附加電壓在濾波電容上所產(chǎn)生的諧波電流，由于結(jié)構(gòu)緊湊，電容量只有C1=2 080 μF ，由單只400 V，390 μF，1.55 A的3串16并組成，吸收諧波的能力相當(dāng)有限。如果由于諧波的影響造成單只電容的電流增加30%，發(fā)熱將增加約70%，這個(gè)熱量通過(guò)專門冷卻雖然可以改善，但不能從根本上解決，仍然會(huì)由于熱量在電容內(nèi)部的積累進(jìn)而引起電解液沸騰使內(nèi)部壓力過(guò)大造成爆裂損壞。因此對(duì)于超過(guò)1 m的應(yīng)用，需要加裝一定量的電容來(lái)吸收超過(guò)的諧波電流。

5 改進(jìn)方法

下面就2個(gè)改進(jìn)方面的具體計(jì)算做一探討，供使用參考。

5.1 電流調(diào)整和改進(jìn)通風(fēng)

BC2的斬波功能是由其內(nèi)部8個(gè)并聯(lián)的1 700 V/200 A IGBT模塊周期性通斷完成的。IGBT為混合型器件，由大功率的晶體管與功率MOSFET混合而成。由于其輸出級(jí)具有達(dá)林頓連接方式，作為其輸出的PNP晶體管不會(huì)進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)，因此它的導(dǎo)通壓降比過(guò)飽和的SCR導(dǎo)通壓降要高，同時(shí)還受溫度影響，也與器件流過(guò)的電流有關(guān)，電流越大，導(dǎo)通壓降越大，功耗越高。由于導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)熱量就越多，因此為了連續(xù)制動(dòng)，必須調(diào)整負(fù)載電流。精確的電流調(diào)整比較困難，因?yàn)闋可娴胶芏嘁蛩兀热缰绷髂妇€上的能量、斬波頻率等。本文以BC2自帶的一組數(shù)據(jù)即：帶有風(fēng)機(jī)、600 s周期、300 s導(dǎo)通、630 A時(shí)的功耗1 600 W為根據(jù)。假設(shè)以630 A為中心，從580～680 A之間的導(dǎo)通壓降不變、300 s導(dǎo)通期間和連續(xù)導(dǎo)通時(shí)有效的發(fā)熱量不變，來(lái)說(shuō)明近似的電流調(diào)整計(jì)算方法。由于假設(shè)了導(dǎo)通壓降不變，因此300 s導(dǎo)通期間平均發(fā)熱量為

式中：T1為周期，600 s；t1為導(dǎo)通時(shí)間，300 s；U630A為630A時(shí)的導(dǎo)通壓降；R0為630A時(shí)的等效導(dǎo)通電阻。

仍然以T1為周期，但連續(xù)導(dǎo)通，發(fā)熱量為

式中：I2為連續(xù)導(dǎo)通時(shí)的電流；U2為連續(xù)導(dǎo)通電流時(shí)的壓降。

由于445 A小于580 A較多，因此在445 A時(shí)，其導(dǎo)通壓降要小于580 A時(shí)的壓降，發(fā)熱量相應(yīng)也要降低。如果將降低的部分作為儲(chǔ)備裕量，根據(jù)脈沖產(chǎn)生和控制部分原理，通過(guò)調(diào)整采樣電壓，使制動(dòng)開(kāi)始時(shí)的直流電壓為1 000 V，則需要的負(fù)載電阻為

如果選擇為2.2 Ω，連續(xù)制動(dòng)的功率為

當(dāng)需要的制動(dòng)功率大于455 kW時(shí)，可以選用2個(gè)BC2并聯(lián)，當(dāng)然每個(gè)BC2必須有自己的負(fù)載電阻。在Q1中，負(fù)載電流只有300 s在發(fā)熱，另外300 s只有冷卻，而在Q2中負(fù)載電流都在發(fā)熱，Q1=Q2的假設(shè)有些勉強(qiáng)，為了彌補(bǔ)這部分散熱的不足，需要加大通風(fēng)量，也就是增加風(fēng)機(jī)功率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，需要增加大約20%。

5.2 增加電容的計(jì)算

斬波工作時(shí)，負(fù)載電流從變頻器的直流母線通過(guò)連接電纜、BC2到達(dá)電阻，電路連接見(jiàn)圖3，連接電纜存在有自感，其值為

式中：D為兩電纜線之間的中心距；r為導(dǎo)體半徑；l為電纜總長(zhǎng)度，包括輸入電纜、與負(fù)載電阻連接的 電 纜 ；μ 為 銅 線 的 磁 導(dǎo) 率 ，μ=μr·μ0≈μ0=4π×10-7H m。

圖3 主電路連接圖Fig.3 The main circuit connection diagram

由BC2的工作過(guò)程可知，當(dāng)忽略電纜上的延遲時(shí)間時(shí)，負(fù)載電阻上的電壓上升時(shí)間取決于IGBT的開(kāi)通時(shí)間，一般為0.2～0.4 μs，波形為一系列脈沖；由于L的存在，電流比電壓略有滯后，上升期間電流為

式中：ΔU為開(kāi)通閥值電壓；R為負(fù)載回路總電阻；τ為電流回路時(shí)間常數(shù)，τ=L/R。穩(wěn)態(tài)后波形與電壓相似，上升期間電流的變化率為

隨著時(shí)間變化，這個(gè)電壓疊加到BC2的輸入端，在BC2濾波電容的等效串聯(lián)電阻ESR上產(chǎn)生紋波電流Iw=ΔU1/RESR，紋波電流將引起電容的發(fā)熱?？梢愿鶕?jù)計(jì)算的紋波電流選擇所需增加的電容。另外，也可以根據(jù)BC2帶有C1=2 080 μF，允許有1 m連接電纜的條件，進(jìn)行大致的估算，即在1 m時(shí)，可以承受的最高紋波電流為

式中：n為并聯(lián)的電容支路數(shù)，n=16；Iw1為單個(gè)電容允許的最大紋波電流，I＝1.55A。

當(dāng)連接電纜超過(guò)1 m，例如超過(guò)k倍的1 m時(shí)，需要增加的電容容量大致為

確定容量時(shí)需靠近系列并留有一定的余量；同時(shí)，電容的類別最好與BC2的相同，工作電壓也要與BC2內(nèi)串聯(lián)后的電壓一致。在安裝增加的電容時(shí)，盡量要靠近BC2的輸入端。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)BC2工作過(guò)程和性能指標(biāo)的分析研究，提出了在連續(xù)工作、不受1 m限制的特殊場(chǎng)合使用的解決方案，給出了調(diào)整、改進(jìn)的工程算法，對(duì)實(shí)際使用具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 西門子電氣傳動(dòng)有限公司（SEDL）.PTBC0409 1109-101/02-V產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)［Z］.2005.

［2］ 陳永真.電容器及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］ 袁立強(qiáng)，趙爭(zhēng)鳴，宋高升，等.電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Application and Research of 1200BC2-14/690 Braking Choppers

YANG Rong，LIU Hao，ZHU Qi-xian
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，Gansu，China）

The working theory and impact factors of pulse generating and blockading，pulse width and frequency control of 1200BC2-14/690 brake unit in braking process were analyzed briefly.According to the required working conditions，the key factor limiting its use-fever was pointed out.For two key aspects that are IGBT fever caused by load configuration and electrolytic capacitors fever caused by induction over-voltage when the connection is more than 1 m，the engineering algorithms of load resistance and capacitor charge required by absorbing over-voltage in continuous working were given out.

pulse generating；special application adjustment；capacity calculation

TP2

A

2013-08-23

修改稿日期：2014-02-14

楊榮（1982-），女 ，本科 ，工程師，Email：yr915@126.com