CN106655716A - 一种基于SiC的水冷式大功率制动单元 - Google Patents

一种基于SiC的水冷式大功率制动单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，包括外壳，所述外壳内设有水冷板，所述水冷板上设有正公共直流母排、负公共直流母排、输出直流母排以及与正公共直流母排和负公共直流母排相连的SiC功率器件、过压检测电路、过载检测电路、驱动电路、控制电路以及方块式薄膜电容，所述SiC功率器件分别与驱动电路相连，所述驱动电路与控制电路相连,所述正公共直流母排、负公共直流母排与外接电控设备相连且正公共直流母排上设有过温保护装置，所述过压检测电路、过载检测电路和方块式薄膜电容与控制电路相连并焊接在控制电路板上。本发明体积小、噪音小、精度高、效率高、运行稳定、可靠性高，还可以大大降低制动单元自身的功耗，延长使用寿命。

Description

一种基于SiC的水冷式大功率制动单元
技术领域
本发明属于属于电力电子技术和自动控制技术领域，具体涉及一种基于SiC的水冷式大功率制动单元。
背景技术
大功率制动单元是大型传动系统能耗制动最关键的设备之一，它的性能直接影响整个系统的安全。比如在矿用提升机应用中，提升机将重物从地面运送到井底时，电动机由电动状态转为发电状态，而制动单元就肩负着将电动状态下产生的多余能量以能耗散热的方式泄放的重要任务，时刻保护提升机的正常运行，责任重大。
目前，使用最多的大功率制动单元产品来自ABB、Vacon和Siemens等国际知名企业，其价格高、供货周期长、工作频率低、功耗高、散热慢且售后服务难以保证，这给国内用户带来了诸多不便。为解决这些问题并且占领国内市场，国内也推出了小功率制动单元，但因其无法进入大功率应用场合，所以与国际知名企业的产品相比还存在很大差距。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的技术问题，提供一种体积小、噪音小、精度高、效率高、运行稳定、可靠性高的基于SiC的水冷式大功率制动单元。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，包括外壳，所述外壳内设有水冷板，所述水冷板上设有正公共直流母排、负公共直流母排、输出直流母排以及与正公共直流母排和负公共直流母排相连的SiC功率器件、过压检测电路、过载检测电路、驱动电路、控制电路以及方块式薄膜电容，所述SiC功率器件分别与驱动电路相连，所述驱动电路与控制电路相连,所述正公共直流母排、负公共直流母排与外接电控设备相连且正公共直流母排上设有过温保护装置，所述过压检测电路、过载检测电路和方块式薄膜电容与控制电路相连并焊接在控制电路板上。
进一步地，所述过温保护装置包括设置在正公共直流母排上的两个高精度温控开关且两个高精度温控开关中的常开触点串联后与控制电路串联。
进一步地，所述控制电路还连接有负载比调节器、故障复位按钮、放电阈值切换开关、全载工作开关、工作模式转换开关，所述负载比调节器串联在过载检测电路中，所述全载工作开关并联在过载检测电路中，所述放电阈值切换开关连接在过压检测电路中。
进一步地，所述正公共直流母排、负公共直流母排和输出直流母排通过母排固定件固定在水冷板上且正公共直流母排、负公共直流母排和输出直流母排与水冷板之间设有母排支撑绝缘子。
进一步地，所述外壳包括前挡板、后挡板、左挡板、右挡板、上盖板和位于底部的制动单元支架，所述制动单元支架上设有水冷板固定板，所述水冷板固定板上设有水冷板。
进一步地，所述水冷板的两侧边上分别设有出水口和进水口。
进一步地，所述SiC功率器件为直流斩波电路中大功率制动单元专用的CAS300M17BM2模块。
进一步地，所述驱动电路为PT62SCMD17驱动器。
本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明主要采用直流斩波电路中大功率制动单元专用的SiC功率器件（CAS300M17BM2）、水冷板、正公共直流母排、负公共直流母排、输出直流母排、过压检测电路、过载检测电路、驱动电路（PT62SCMD17）、控制电路以及方块式薄膜电容、过温保护装置组成基于SiC的水冷式大功率制动单元，其中：正公共直流母排和负公共直流母排与外接电控设备相连，负责把回馈的能量输送到制动单元，过压检测电路检测到正公共直流母排两端的电压高于设定值时，制动单元的控制电路开始工作，通过比较产生频率可变的PWM调制信号，以此作为驱动信号，在驱动电路的作用下，SiC功率器件导通并把输送来的能量通过输出直流母排传送给快速散热型制动电阻（外配），快速散热型制动电阻（外配）将这部分能量以热能的形式消耗。同时，在SiC功率器件工作过程中产生的大量热能通过水冷板传递到外界，散热效果好，以保证SiC功率器件的正常工作。另外，由于SiC功率器件工作频率高、阻断电压高、开关损耗和通态比电阻较低且耐高温工作能力强，所以SiC功率器件不仅可以大大降低制动单元自身的的功耗，缩小体积，延长使用寿命，加快制动单元的响应速度，提高工作效率，保证产品的可靠性，而且能使制动单元的最大功率达到3600KW。本发明能用于对由变频器供电的电动机制动、大型传动的能耗制动、大惯性力矩的传动系统，或需急剧减速、刹车等使用变频器的场合，或需要快速制动的传动系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明过温保护装置的位置示意图；
图3为本发明外壳结构示意图；
图4为本发明外壳内部结构示意图；
图5为本发明控制电路功能简图。
本发明附图标记含义如下：1、SiC功率器件；2、驱动电路；3、控制电路；4、水冷板；5、方块式薄膜电容；6、母排固定件；7、母排支撑绝缘子；8、正公共直流母排；9、高精度温控开关；10、前挡板；11、上盖板；12、右挡板；13、左挡板；14、制动单元支架；15、水冷板固定板；16、后挡板；17、出水口；18、进水口；19、外壳；20、负公共直流母排；21、输出直流母排；22、过压检测电路；23、过载检测电路；RP、负载比调节器；SB2、故障复位按钮；S1、放电阈值切换开关；SB1、全载工作开关；S2、工作模式转换开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1-5所示，一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，包括外壳19，外壳19包括前挡板10、后挡板16、左挡板13、右挡板12、上盖板11和位于底部的制动单元支架14，制动单元支架14上设有水冷板固定板15，水冷板固定板15上设有水冷板4，水冷板4的两侧边上分别设有出水口17和进水口18，水冷板4上设有正公共直流母排8、负公共直流母排20、输出直流母排21以及与正公共直流母排8和负公共直流母排20相连的SiC功率器件1、过压检测电路22、过载检测电路23、驱动电路2、控制电路3以及方块式薄膜电容5，SiC功率器件1为直流斩波电路中大功率制动单元专用的CAS300M17BM2模块，驱动电路2为PT62SCMD17驱动器，SiC功率器件1分别与驱动电路2相连，驱动电路2与控制电路3相连, 正公共直流母排8、负公共直流母排20和输出直流母排21通过母排固定件6固定在水冷板4上且正公共直流母排8、负公共直流母排20和输出直流母排21与水冷板4之间设有母排支撑绝缘子7，正公共直流母排8、负公共直流母排20与外接电控设备相连且正公共直流母排8上设有过温保护装置，用以检测正公共直流母排8的温度，过温保护装置包括设置在正公共直流母排8上的两个高精度温控开关9且两个高精度温控开关9中的常开触点串联后与控制电路3串联，过压检测电路22、过载检测电路23和方块式薄膜电容5与控制电路3相连并焊接在控制电路板上，方块式薄膜电容5用以储能和滤波，还能延长制动单元的使用寿命。控制电路3还连接有负载比调节器RP、故障复位按钮SB2、放电阈值切换开关S1、全载工作开关SB1、工作模式转换开关S2，负载比调节器RP串联在过载检测电路23中，全载工作开关SB1并联在过载检测电路23中，放电阈值切换开关S1连接在过压检测电路22中。
主要的工作过程：
当准备运行的绿色指示灯变亮时，说明制动单元连接的正公共直流母排8电压超过系统设定值，控制电路3发送驱动信号，由信号线将驱动信号发送给驱动电路2，驱动电路2驱动SiC功率器件1工作。SiC功率器件1导通后将快速散热型制动电阻（外配）接入主回路中，快速散热型制动电阻（外配）把SiC功率器件1输送过来的能量以热能的形式消耗掉。以下为几个功能：
保护功能：
过温保护：主要是在与SiC功率器件1连接的正公共直流母排8前端安装两个常开的高精度温控开关9，两个高精度温控开关9的常开触点先串联，然后在与控制电路3串接。系统运行中，当过温保护的的红色指示灯变亮时，提醒用户正公共直流母排8的温度达到设定值，这时温度开关闭合给控制电路3一个故障信号，控制电路3封锁驱动脉冲，使SiC功率器件1停止工作。如果想要制动单元继续工作，按下故障复位按钮SB2不能消除过温保护故障，只有正公共直流母排8的温度降到低于温度开关报警阈值温度后，过温保护指示灯才会自动熄灭，过温故障自动复位，制动单元才会重新工作。
过载保护：本发明采用反限时曲线I²t 的方法对制动单元进行过载保护，即动作限时与流入电流大小的平方成反比，流入的电流越大，则动作限时越短。根据I²t的电流特性曲线控制脉冲的占空比，当驱动脉冲达到一定的占空比，SiC功率器件1工作相应的时间后，由过载检测电路23产生一个故障信号封锁脉冲，使SiC功率器件1停止工作，这时会有红色的过载保护指示灯变亮来提示用户系统处于过载保护中。如果要使制动单元继续工作，按下故障复位按钮SB2不能立即消除过温保护故障，而是要根据工作需要设置一定的时间来恢复过载故障，大概在60s左右后过载保护故障会自动复位，制动单元重新工作。
过流保护：通过检测SiC功率器件1的集电极电压来判断系统是否过流，同样和过载保护一样，控制电路3接收到故障信号并封锁脉冲，红色的过流保护故障指示灯变亮，提示用户系统处于过流保护中。此时按下故障复位按钮SB2不能消除过流故障，只有把SiC功率器件1故障排除后，按一下故障复位按钮SB2，过流保护指示灯才会熄灭，制动单元重新工作。
故障报警输出功能：
为了使上层控制系统能够及时准确地判断制动单元是否正常工作，只要制动单元发生过温保护、过流保护、过载保护中的一个或多个保护时，系统都会立即向外送出一对长闭量或常开量故障信号，其中一对长闭量故障信号通过端子XT的d与f端子送出输出，一对常开量故障信号通过端子XT的e与f端子送出。
外部故障封锁功能：
当外部电控设备发生故障时，上层控制系统会给制动单元发送一个高电平信号来封锁脉冲，使制动单元停止工作，保护制动单元不被损坏，其中封锁信号由外接端子XT的b、c端子送进来。
在过载检测电路23中串联一个负载比调节器RP，通过调节负载比调节器RP阻值，就可以控制制动单元在一定时间内的负载功率。如当需要制动单元在最大负载下工作一定的时间时，只需调节负载比调节器RP阻值到最大；当需要制动单元在最小负载下工作一定的时间时，调节负载比调节器RP阻值到最小。
全载工作开关SB1并联在过载检测电路23中,如果制动单元想要满载或短时间超载工作，可按下全载工作开关SB1，此时过载保护故障被屏蔽，但这样会使制动单元失去控制，容易发生被烧毁，造成安全事故，因此一般不允许使用这种工作状态。
放电阈值切换开关S1接在过压检测电路22中，可以使制动单元的制动阈值在高、中、低三个挡位间切换。每一挡位工作电压对应一个阈值电阻，当S1接入高档电阻且短接其他两档电阻后，制动单元就在高档电压工作；当S1接入中档电阻且短接其他两档电阻后，制动单元就在中档电压工作；当S1接入低档电阻且短接其他两档电阻后，制动单元就在低档电压工作。
工作模式转换开关S2可以让制动单元实现两种工作模式：单台工作和多台并联工作。如果想要单台工作，可以短接工作模式转换开关S2的a、b端子，如果想要多台并联工作，可以短接工作模式转换开关S2的b、c端子。

Claims (8)

1.一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，包括外壳（19），其特征在于：所述外壳（19）内设有水冷板（4），所述水冷板（4）上设有正公共直流母排（8）、负公共直流母排（20）、输出直流母排（21）以及与正公共直流母排（8）和负公共直流母排（20）相连的SiC功率器件（1）、过压检测电路（22）、过载检测电路（23）、驱动电路（2）、控制电路（3）以及方块式薄膜电容（5），所述SiC功率器件（1）分别与驱动电路（2）相连，所述驱动电路（2）与控制电路（3）相连,所述正公共直流母排（8）、负公共直流母排（20）与外接电控设备相连且正公共直流母排（8）上设有过温保护装置，所述过压检测电路（22）、过载检测电路（23）和方块式薄膜电容（5）与控制电路（3）相连并焊接在控制电路板上。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述过温保护装置包括设置在正公共直流母排（8）上的两个高精度温控开关（9）且两个高精度温控开关（9）中的常开触点串联后与控制电路（3）串联。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述控制电路（3）还连接有负载比调节器（RP）、故障复位按钮（SB2）、放电阈值切换开关（S1）、全载工作开关（SB1）、工作模式转换开关（S2），所述负载比调节器（RP）串联在过载检测电路（23）中，所述全载工作开关（SB1）并联在过载检测电路（23）中，所述放电阈值切换开关（S1）连接在过压检测电路（22）中。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述正公共直流母排（8）、负公共直流母排（20）和输出直流母排（21）通过母排固定件（6）固定在水冷板（4）上且正公共直流母排（8）、负公共直流母排（20）和输出直流母排（21）与水冷板（4）之间设有母排支撑绝缘子（7）。
5.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述外壳（19）包括前挡板（10）、后挡板（16）、左挡板（13）、右挡板（12）、上盖板（11）和位于底部的制动单元支架（14），所述制动单元支架（14）上设有水冷板固定板（15），所述水冷板固定板（15）上设有水冷板（4）。
6.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述水冷板（4）的两侧边上分别设有出水口（17）和进水口（18）。
7.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述SiC功率器件（1）为直流斩波电路中大功率制动单元专用的CAS300M17BM2模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于SiC的水冷式大功率制动单元，其特征在于：所述驱动电路（2）为PT62SCMD17驱动器。
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