专利名称：一种大功率制动单元的制作方法
技术领域：
本发明属于自动控制技术和电力电子技术领域，涉及一种基于IGBT器件的驱动控制电路，特别涉及一种大功率制动单元并联工作时实现同步触发。
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，它的质量好坏将直接影响整个系统的安全及整体性能。比如在石油钻机系统中，钻头在深入地下数千米的岩层工作，由于地质情况异常复杂和不可控制，钻机电控系统要不断为钻头提供高效可靠的电动力，而制动单元就肩负着将钻机电控系统回馈制动时产生的多余的能量以能耗散热的方式泄放的重要任务，时刻保护整个地下钻探系统的安全乃至整个工程的成败，责任重大。
目前，国内外大功率制动单元主要以Siemens :委托第三方为其制造、ABB、 Vacon等国际大公司产品为主，其价格高、供货周期长、且售后服务难以保证，这给国内用户带来了很大的不便。国内也有公司推出了小功率300kW左右的制动单元，但因为无法进入大功率应用的场合，所以还难以和国际大公司的产品竞争和抗衡。实际在大功率应用的场合，经常需要多台制动单元联合使用，以满足制动转矩和制动功率的需要。综合分析已知的包括国际大公司的产品，由于其制动电压阈值的差异和电路参数的分散性，当多台制动单元并联使用时，均无法实现同步投入和同步触发。这将造成先投入的制动单元负担过重，甚至过载，如果后续的制动单元不能及时投入，则先投入的制动单元损坏的可能性极大，工程实践也证明了这一点。因此，市场急需当多台并联使用时，能实现同步投入和同步触发的制动单元。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率制动单元并联使用时能够实现同步投入和同步触发，使得并联工作的各台制动单元的制动功率均衡大功率制动单元。 为解决上述的技术问题，本发明采用如下的技术方案一种大功率制动单元，由大功率控制单元的控制系统U控制连接直流斩波电路中大功率制动单元专用的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，所述大功率控制单元的控制系统U内的控制系统直流母线的线路上连接有至少两台并联在一起的同步触发装置，所述每个同步触发装置通过导线与一个绝缘栅双极型晶体管IGBT连接。 所述该控制系统U上还设有控制调节同步触发装置的故障复位开关S"放电阈值
切换开关S2，全载工作开关S3，工作模式转换开关S4，负载比调节器PD。 所述控制系统U的公共直流母线电连接至少两个电压检测单元，所述每个电压检
测单元的另一端都连有接一个脉冲发生单元，所述每个脉冲发生单元都并联有至少两个同
步触发装置，所述一个同步触发装置通过导线对应连接一个脉冲发生单元，其他剩余的同
步触发装置通过光纤并联在该脉冲发生单元上，即所述每个脉冲发生单元上都并联有所有
同步触发装置，所述每个同步触发装置上都一一对应连接有绝缘栅双极型晶体管IGBT。
所述同步触发装置接收脉冲发生单元的输出脉冲Vin，输出脉冲Vin通过电阻Rl 电连接作为自身的或门逻辑电路U2的2号端输入信号，同时输出脉冲Vin通过三极管VI 放大直接驱动三路光纤发送设备A11、A12、A13工作，光纤发送设备All中设有光纤发送头 U1，光纤发送头上连有限流电阻R4、 R5，防止光纤发送头U1因过流被烧毁，光纤接受设备 Bll的光纤接受头U3的光纤接受头电源的1、2号端子间设有突波吸收电容C1，作用是防止 因电源的突变而烧毁光纤接受头，光纤接受头的输出电阻R2，其一端与光纤接受头U3的3 号端相连，另外一端与控制系统的工作电源VCC相连，光纤接受头U3接受到高电平信号时， 此时3号端通过电阻R2输出为高电平信号，当光纤接受头U3接受到低电平信号时，其3号 端输出为低电平信号，最终光纤接受头U3的3号端输出信号作为或门逻辑电路U2的3号 端的输入信号，光纤接受设备B11、B12、B13电路原理一样，同理B12的输出信号作为门逻辑 电路U2的4号端的输入信号，光纤接受设备B13的输出信号作为或门逻辑电路U2的5号 端的输入信号，或门逻辑电路U2为四二输入的或门逻辑电路，或门逻辑电路U2的1号端为 同向输出端，通过1号端的输出电阻R3的输出信号Vout作为绝缘栅双极型晶体管IGBT的 驱动脉冲，去驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT安全可靠的工作。 同步触发装置U13中的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U23中光纤接受设备Bll ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光 纤接受设备Bll ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备Bll。同步触发装置U23中的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备Bl 1 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光 纤接受设备B12 ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备B12。同步触发装置中U33的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备B12 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U23中光 纤接受设备B12 ;、光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备B13。同步触发装置中U43的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备B13 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U23中光 纤接受设备B13 ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光纤接受 设备B13。 同时通过光纤连接其余制动单元的同步触发装置U23、 U33、 U43 ;公共直流母线通 过电连接电压检测单元U21 ， U21通过电连接脉冲发生单元U22， U22通过电连接自身的同步 触发装置U23，同时通过光纤连接其余制动单元的同步触发装置U13、U33、U43 ;同理，剩余制 动单元亦之。同步触发装置U13、 U23、 U33、 U43的输出通过电连接去驱动各自的IGBT工作。
本发明它具有自适应主从控制功能，多台并联时会同步触发，特别适合于多台并 联使用，而且其主从控制信号交换采用光纤通讯，从而提高了抗干扰能力和工作可靠性，特 别适用于强干扰的大型电控制系统中。控制部分采用P丽控制技术，使用变频、变脉宽的滞 环控制。本发明采用强迫风冷。其显著优点是系统设计合理、体积小、噪音小、精度高、成 本低、效率高、运行稳定、可靠性高。
图1是本发明实施例的控制系统功能简图。
图2是本发明实施例中控制电路与同步触发装置连接简图。
图3是本发明实施例中同步触发装置电路简图。
具体实施例方式
如图1至图3所示，该大功率制动单元，由大功率控制单元的控制系统U控制连接
直流斩波电路中大功率制动单元专用的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，所述大功率控制
单元的控制系统U内的控制系统直流母线的线路上连接有至少两台并联在一起的同步触
发装置，所述每个同步触发装置通过导线与一个绝缘栅双极型晶体管IGBT连接。 所述该控制系统U上还设有控制调节同步触发装置的故障复位开关S"放电阈值
切换开关S2，全载工作开关S3，工作模式转换开关S4，负载比调节器PD。 所述控制系统U的公共直流母线电连接至少两个电压检测单元，所述每个电压检
测单元的另一端都连有接一个脉冲发生单元，所述每个脉冲发生单元都并联有至少两个同
步触发装置，所述一个同步触发装置通过导线对应连接一个脉冲发生单元，其他剩余的同
步触发装置通过光纤并联在该脉冲发生单元上，即所述每个脉冲发生单元上都并联有所有
同步触发装置，所述每个同步触发装置上都一一对应连接有绝缘栅双极型晶体管IGBT。 控制系统主要功能 系统就绪提示功能当制动单元连接的直流母线电压超过系统设定值后系统就 绪，该功能由一只系统就绪指示灯来提示用户系统就绪。
系统保护功能 过温保护主要是通过在IGBT的输入母排上安装一个常闭的温度开关，温度开关 常闭触点串接到系统电路中，母排的温度升高到使温度开关断开，产生的故障信号最终封 锁驱动脉冲，使IGBT停止工作，同时该功能由一只过温保护指示灯来提示用户系统过温保 护。此时按下故障复位开关S15过温保护指示灯熄灭，松开故障复位开关S工后过温保护指 示灯重新点亮，此时故障复位开关S工不能复位过温保护故障，只有母排的温度降到低于温 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，制动单元重新 工作。 过流保护通过检测绝缘栅双极型晶体管IGBT的C极电压来判断是否过流，同样 和过温保护一样，故障信号最终封锁脉冲，由一只过流保护指示灯来提示用户系统过流保 护。此时按下故障复位开关S15过流保护指示灯熄灭，松开故障复位开关S工后过流保护指 示灯重新点亮，此时故障复位开关S工不能复位过流保护故障，只有把绝缘栅双极型晶体管 IGBT过流故障排除后，按一下故障复位开关Sn过流保护指示灯才会熄灭，制动单元重新工 作。 过载保护检测的为"t，既所谓的占空比，当驱动脉冲达到一定的占空比后，绝缘 栅双极型晶体管IGBT工作相应的时间后，由过载检测电路产生一个故障信号最终封锁脉 冲，由一只过载保护指示灯来提示用户系统过载保护。此时按下故障复位开关Sp过载保护 指示灯熄灭，松开故障复位开关S工后过载保护指示灯重新点亮，此时故障复位开关S工不能 复位过载保护故障，根据工作需要系统设定在一定的时间内恢复过载故障，大概在68s左 右后过载保护故障自动复位，制动单元重新工作。
外部故障封锁功能
当外部电控系统发生故障时，会给制动单元发送一个电平信号来封锁制动单元工 作，保护制动单元不被损坏，封锁信号通过端子X1的1，2号端子送进来。
故障报警输出功能 当系统不论发生过温保护、过流保护、过载保护中任何一个或多个保护时，系统都 会向外送出一个电平信号，为上层控制系统提供判断制动单元是否正常工作的依据，输出 故障信号通过端子XI的4与5号端子送出一对常开量或4与6号端子送出一对常闭量。
放电阈值切换开关S2，为了能让一台制动单元实现制动阈值在多个档位间切换， 我们在图2中电压检测单元Ull中增加了放电阈值切换开关S2，每一档电压都有一个阈值 电阻，每台制动单元可以实现低、中、高三档电压点工作，当需要在最低档电压工作时，通过 放电阈值切换开关S2接入最低档的阈值电阻，短接其他两档的阈值电阻；同理，当需要在中 间档电压工作时，通过放电阈值切换开关S2接入中间档的阈值电阻，短接其他两档的阈值 电阻；当需要在最高档电压工作时，通过放电阈值切换开关S2接入最高档的阈值电阻，短接 其他两档的阈值电阻。 全载工作开关S3，在过载保护检测电路中通过电连接并联有S3开关，当制动单元 不需要过载保护时，按下全载工作开关S3后，过载保护故障被屏蔽，制动单元就可以满载或 超载工作，但这样制动单元就失去了控制，容易被烧毁，而发生安全事故，影响其它设备不 能安全可靠的工作，这种工作状态一般是不允许的。 工作模式转换开关S4，每台制动单元都能实现两种工作模式，单台自身工作和多 台同步触发并联工作。如果短接工作模式转换开关S4的1、2号端子，单台制动单元通过电 连接自身工作；当需要多台同步触发并联工作，短接其2、3号端子，各台之间脉冲信号通过 光纤连接。 负载比调节器PD，在过载保护检测电路中通过电连接串联有一个负载比调节器 PD，当需要制动单元在最大负载下工作一定的时间，调节负载比调节器PD阻值为最大，当 需要制动单元在最小负载下工作一定的时间，调节负载比调节器PD阻值为最小，通过调节 负载比调节器PD阻值，就可以控制制动单元在一定时间内的负载功率。
参见图2所示，公共直流母线通过电连接电压检测单元Ull， Ull通过电连接脉冲 发生单元U12，脉冲发生单元U12通过电连接自身的同步触发装置U13，同时通过光纤连接 其余制动单元的同步触发装置U23、U33、U43 ;公共直流母线通过电连接电压检测单元U21， 电压检测单元U21通过电连接脉冲发生单元U22，脉冲发生单元U22通过电连接自身的同步 触发装置U23，同时通过光纤连接其余制动单元的同步触发装置U13、 U33、 U43 ;同理，剩余 制动单元亦之。同步触发装置U13、U23、U33、U43的输出通过电连接去驱动各自的绝缘栅双 极型晶体管IGBT工作。在图2中，电压检测单元Ull通过电阻串联从公共直流母线上分压 获取低压小信号，低压小信号与控制系统中的其中一路给定信号分别作为绝缘栅双极型晶 体管U11中运算放大器的负、正输入信号，运放的输出又作为脉冲发生单元U12中电压比较 器的其中一路电压给定信号，其与比较器的另一路给定信号比较计算最终输出就是绝缘栅 双极型晶体管IGBT驱动脉冲波形。在增加了同步触发装置U13以后，同步触发装置U12的 输出通过电连接作为同步触发装置U13中或门逻辑电路的一路输入信号，同时同步触发装 置U12的输出脉冲通过光纤传送，送给其余制动单元的同步触发装置U23、 U33、 U43上的光 纤接受设备，光纤接受设备的输出直接作为各自同步触发装置或门逻辑电路的其中一路输
6入信号；同理，电压检测单元U21通过电阻串联从公共直流母线上分压获取低压小信号，低 压小信号与控制系统中的其中一路给定信号分别作为同步触发装置U21中运算放大器的 负、正输入信号，运放的输出又作为脉冲发生单元U22中电压比较器的其中一路电压给定 信号，其与比较器的另一路给定信号比较计算最终输出就是绝缘栅双极型晶体管IGBT驱 动脉冲波形。在增加了同步触发装置U23以后，同步触发装置U22的输出通过电连接作为 同步触发装置U23中或门逻辑电路的一路输入信号，同时同步触发装置U22的输出脉冲通 过光纤传送，送给其余制动单元的同步触发装置U13、 U33、 U43上的光纤接受设备，光纤接 受设备的输出直接作为各自同步触发装置或门逻辑电路的其中一路输入信号；同理，其余 制动单元控制电路与同步触发装置连接亦之。每台制动单元同步触发装置的输出通过电连 接直接作为自身绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动脉冲，驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT安全 可靠的工作。 参见图3所示，所述同步触发装置接收脉冲发生单元的输出脉冲Vin，输出脉冲 Vin通过电阻Rl电连接作为自身的或门逻辑电路U2的2号端输入信号，同时输出脉冲Vin 通过三极管VI放大直接驱动三路光纤发送设备All、 A12、 A13工作，光纤发送设备All中 设有光纤发送头Ul，光纤发送头上连有限流电阻R4、R5，防止光纤发送头Ul因过流被烧毁， 光纤接受设备Bll的光纤接受头U3的光纤接受头电源的1、2号端子间设有突波吸收电容 Cl，作用是防止因电源的突变而烧毁光纤接受头，光纤接受头的输出电阻R2，其一端与光纤 接受头U3的3号端相连，另外一端与控制系统的工作电源VCC相连，光纤接受头U3接受到 高电平信号时，此时3号端通过电阻R2输出为高电平信号，当光纤接受头U3接受到低电平 信号时，其3号端输出为低电平信号，最终光纤接受头U3的3号端输出信号作为或门逻辑 电路U2的3号端的输入信号，光纤接受设备B11、B12、B13电路原理一样，同理B12的输出 信号作为门逻辑电路U2的4号端的输入信号，光纤接受设备B13的输出信号作为或门逻辑 电路U2的5号端的输入信号，或门逻辑电路U2为四二输入的或门逻辑电路，或门逻辑电路 U2的1号端为同向输出端，通过1号端的输出电阻R3的输出信号Vout作为绝缘栅双极型 晶体管IGBT的驱动脉冲，去驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT安全可靠的工作。
同步触发装置U13中的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U23中光纤接受设备Bll ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光 纤接受设备Bll ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备Bll。同步触发装置U23中的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备B11 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光 纤接受设备B12 ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备B12。同步触发装置中U33的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备B12 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U23中光 纤接受设备B12 ;、光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U43中光纤接受 设备B13。同步触发装置中U43的光纤发送设备All通过光纤传输信号送给同步触发装置 U13中光纤接受设备B13 ;光纤发送设备A12通过光纤传输信号送给同步触发装置U23中光 纤接受设备B13 ;光纤发送设备A13通过光纤传输信号送给同步触发装置U33中光纤接受 设备B13。 同时通过光纤连接其余制动单元的同步触发装置U23、 U33、 U43 ;公共直流母线通过电连接电压检测单元U21 ， U21通过电连接脉冲发生单元U22， U22通过电连接自身的同步 触发装置U23，同时通过光纤连接其余制动单元的同步触发装置U13、 U33、 U43 ;同理，剩余 制动单元亦之。同步触发装置U13、U23、U33、U43的输出通过电连接去驱动各自的IGBT工 作。该图l所示为本发明的控制系统功能简图。U为大功率制动单元的控制系统，直流斩波 电路中大功率制动单元专用的绝缘栅双极型晶体管是IGBT。 根据电压检测单元和脉冲发生单元工作原理，由于每台制动单元其制动电压阈值 的差异和电路参数的分散性，每台制动单元的脉冲发生单元U12、U22、U32、U42的输出脉冲 在占空比、频率上各不相同，提前工作的占空比大，最后工作的占空比小，但是，根据同步触 发装置U13、U23、U33、U43中或门逻辑电路工作原理，其输出脉冲只与最大输入占空比的脉 冲有关，所以每台制动单元同步触发装置输出脉冲都与提前工作的制动单元的输出脉冲是 一致的，因此，无论哪台制动单元先工作，其脉冲信号就作为主驱动信号，必将同时触发另 外三台制动单元同时工作。这样就实现了大功率制动单元并联使用时能够同步触发，同步 工作。多台制动单元并联起来使用，制动效率大大提高了 ，整个系统的安全可靠性也大幅度 提高了。该功能大大提高了制动单元使用的灵活性，为大型传动系统能耗制动的硬件冗余 提供了更大的自由度，彻底解决了由于能耗制动制动单元响应不够快而导致能量不能及时 消耗给系统带来的严重威胁。而且其主从控制信号交换采用光纤通讯，从而提高了抗干扰 能力和工作可靠性，特别适用于强干扰的大型电控制系统中。
权利要求
一种大功率制动单元，由大功率控制单元的控制系统U控制连接直流斩波电路中大功率制动单元专用的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，其特征在于所述大功率控制单元的控制系统U内的控制系统直流母线的线路上连接有至少两台并联在一起的同步触发装置，所述每个同步触发装置通过导线与一个绝缘栅双极型晶体管IGBT连接。
2. 根据权利要求1所述的一种大功率制动单元，其特征在于所述该控制系统U上还 设有控制调节同步触发装置的故障复位开关S15放电阈值切换开关S2，全载工作开关S3，工 作模式转换开关S4，负载比调节器PD。
3. 根据权利要求1所述的一种大功率制动单元，其特征在于所述控制系统U的公共 直流母线电连接至少两个电压检测单元，所述每个电压检测单元的另一端都连有接一个脉 冲发生单元，所述每个脉冲发生单元都并联有至少两个同步触发装置，所述一个同步触发 装置通过导线对应连接一个脉冲发生单元，其他剩余的同步触发装置通过光纤并联在该脉 冲发生单元上，即所述每个脉冲发生单元上都并联有所有同步触发装置，所述每个同步触 发装置上都一一对应连接有绝缘栅双极型晶体管IGBT。
全文摘要
本发明公开了一种大功率制动单元，由大功率控制单元的控制系统U控制连接直流斩波电路中大功率制动单元专用的绝缘栅双极型晶体管IGBT组成，所述大功率控制单元的控制系统U内的控制系统直流母线的线路上连接有至少两台并联在一起的同步触发装置，所述每个同步触发装置通过导线与一个绝缘栅双极型晶体管IGBT连接。本发明采用强迫风冷。其显著优点是系统设计合理、体积小、噪音小、精度高、成本低、效率高、运行稳定、可靠性高。
文档编号H02M1/36GK101741230SQ20091026155
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月14日 优先权日2009年12月14日
发明者党怀东, 吴保宁, 杨有涛, 杨荣, 燕伟康, 王有云, 马保慧 申请人:天水电气传动研究所有限责任公司