具有同步觸發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能耗制動最關鍵的設備之一，它的質量好壞將直接影響整個系統的安全及整體性能。當電機進行制動時，它將電能回饋到變頻器或逆變器直流母線上，導致直流母線電壓的升高。當直流母線電壓達到一個預定限值時，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致變頻器故障而停止運行。實際在大功率應用的場合，經常需要多臺制動單元聯合使用，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品，由于制動電壓閾值的差異和電路參數的分散性，當多臺制動單元并聯使用時，均無法實現同步投入和同步觸發，造成制動單元的燒毀，影響系統中其它主要設備的安全運行。

2 大功率制動單元的實現

隨著近幾年IGBT開關器件的不斷發展，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，與其它可控的功率器件比較，這類型的晶體管在應用中具備一系列的優點，如可主動關斷、不需要緩沖網絡、控制單元簡單、開關時間短、開關損耗低等。為了實現制動單元單臺大功率制動，一般由多只IGBT并聯使用，冷卻方式根據應用場合可以采用水冷和強迫風冷等。

制動單元是根據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。其主電路拓撲結構如圖1所示。

直流母線電壓通過控制電路轉變為小電壓信號，與給定電壓閾值比較，通過運放與RC組成的滯環電路網絡進行閉環調節，通過比較器產生PWM（Pulse Width Modulation）驅動信號來驅動功率器件工作，通過制動電阻把能量消耗掉。

圖1 大功率制動單元拓撲結構

3 大功率制動單元并聯工作

3.1 獨立工作的大功率制動單元并聯使用

在許多實際應用場合中，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使用。并聯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的分散性，當多臺制動單元并聯使用時，均無法實現同步投入和同步觸發。這將造成先投入的制動單元負擔過重，甚至過載，如果后續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 具有同步觸發裝置的大功率制動單元

為了實現大功率制動單元并聯使用時，能夠同步觸發和同步投入，在控制系統中加入了自適應主從控制和同步觸發裝置。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中。

圖2中Vin為每臺制動單元自身產生的PWM驅動脈沖，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放大直接驅動三路光纖發送設備A11、A12、A13工作。A11中的U1為光纖發送頭，R4、R5為光纖發送頭的限流電阻，其作用是防止光纖發送頭因過流被燒毀，圖2中的光纖發送設備A11、A12、A13工作原理相同。B11為光纖接受設備，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（控制系統的工作電源，一般為＋15V）相連。根據光纖接受設備的電路原理，我們特意設計U3為同向工作原理，當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的驅動脈沖，去驅動IGBT安全可靠的工作。

圖2 制動單元的同步觸發裝置電路簡圖

3.3 具有同步觸發裝置的大功率制動單元并聯使用

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（脈沖發生單元），U12通過電連接自身的U13（同步觸發裝置），同時通過光纖連接其余制動單元的U23、U33、U43（同步觸發裝置）；剩余制動單元同理。U13、U23、U33、U43的輸出通過電連接去驅動各自的IGBT安全可靠的工作。

圖3 多臺制動單元并聯工作和同步觸發裝置連接簡圖

根據電壓檢測單元和脈沖發生單元工作原理，由于每臺制動單元其制動電壓閾值的差異和電路參數的分散性，每臺制動單元的脈沖發生單元（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，根據同步觸發裝置（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，所以每臺制動單元同步觸發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動信號，必將同時觸發另外三臺制動單元同時投入和同時工作。

4 設計實例

以下是具有同步觸發裝置的兩臺大功率制動單元并聯工作時的情況。

定義：ch1“1＃”制動單元IGBT驅動脈沖

ch2“2＃”制動單元IGBT驅動脈沖

ch3“2＃”制動單元自身產生的工作脈沖（光纖發送）

ch4“1＃”制動單元自身產生的工作脈沖（光纖發送）

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＃”制動單元先工作，先工作的占空比較寬，后工作的較窄，而最終驅動IGBT工作的驅動脈沖又是一致的，說明同步觸發功能起到了作用，實現了兩臺制動單元并聯工作時，能夠實現同步觸發工作。

圖4 并聯工作脈沖波形

由于同步觸發功能的實現有模擬電路和數字電路組成，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 同步觸發工作脈沖延時

從工作波形中可以看出，最終驅動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功能的制動單元完全可以實現多臺制動單元并聯同步工作。

5 結論

通過同步觸發裝置解決了大功率制動單元并聯使用時能夠實現同步投入和同步觸發，使得并聯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不夠快而導致能量不能及時消耗給系統帶來的嚴重威脅。

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

［2］朱衛兵.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［M］.機械工業出版社，2004.

［4］西門子制動單元手冊.