1200BC2-14/690制动斩波器应用研究

杨荣，刘浩，朱奇先

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

1200BC2-14/690制动斩波器应用研究

杨荣，刘浩，朱奇先

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

简要分析了1200BC2-14/690制动过程中脉冲的产生和封锁、脉宽和频率控制的工作原理及其影响要素；根据要求的工作条件，指出了限制其使用的关键因素——发热，针对引起IGBT发热的负载配置和连线超过1 m后因感应过电压引起电解电容发热的2个关键环节，给出了连续工作时负载电阻和吸收过电压所需电容容量的工程算法。

脉冲产生；特殊应用调整；电容计算

1 引言

1200BC2-14/690（以下简称 BC2）是德国TRANSOMIK系列里的一款制动斩波器，因其通、断设计巧妙、原理简单、工作可靠、制动功率大、结构紧凑、价格低廉、使用方便而得到广泛应用。基于这些特点，西门子将其买断后作为S120等新一代系列变频器的制动配套产品。该系列斩波器尤其适用于单台、大功率制动的场合。但是，当规定的使用条件不能满足，例如需要用在其他的变频器上、离变频器直流母线较远、要求大功率、连续制动（比如港机、钻机等）等情况下使用时，如果对其用法不做调整，不但不能达到制动目的，反而斩波器很容易损坏。本文就其在此类特殊场合的调整用法做研究探讨。

2 BC2工作过程

BC2由两部分组成：第1部分为集成在1块印制板上的电子控制单元，包括工作电源、直流母线采样、电容滤波、IGBT通断控制、故障保护等电路；第2部分为集成在铝型材散热器上的功率单元，包括8只并联的1 700 V/200 A IGBT模块、冷却风机等。总装在一起的最大外形尺寸为宽260 mm，深200 mm，高800 mm，重量30 kg，结构非常紧凑。只需2根电缆连接到变频器的直流母线，不需要外部控制电源，使用非常方便。

当直流母线电压大于230 V时，电子控制单元首先建立+5 V，+10 V，+15 V的工作电源，接近480 V及其以上时BC2即处于待机工作状态。随着母线电压的继续升高，达到设定的开通电压上限时，通断控制电路产生触发脉冲，IGBT功率模块接收到该脉冲后即将直流母线和电阻负载接通实施制动，维持母线电压稳定并不再升高；当母线电压低于设定的开通电压下限时，取消脉冲发送并断开电阻负载，等待下一次母线电压的升高。制动工作期间，保护电路实时检测电子控制单元、IGBT的状态、散热器温度、外部故障信息等，任何超越保护阀值的故障发生后，立即封锁触发脉冲、断开电阻负载并发出制动斩波器故障信号。

脉冲宽度和频率不但与母线电压有关，还与电路参数有关。当母线电压在导通阀值上限并保持不变时，改变电路参数可以改变脉冲的宽度和频率；当电路参数不变时，随着超过阀值的母线电压升高，脉冲的宽度增大，频率降低。这部分电路很有特色，下面就这一电路做一分析。

简化后的脉冲产生和控制电路见图1。图1中V2，V3，V4为固定偏置，在BC2的1200-14/690这一档分别为+10 V；+5.5 V，320 V；N77为比较器，N78为运放器；Vcc=+15 V。

图1 脉冲产生和控制电路Fig.1 Pulse generating and control circuit

当BC2待机时，直流母线采样电位V1＜V2，N78的输出端1#电位VB≈VCC

VC＞V3，N77的输出端1#为0 V，通过V135的钳位使VE≈0 V。

当直流母线电压升高，采样电压则按比例相应升高，但仍然有V1＜V2，由于N78的放大调节作用，VB也相应降低，此时

相应于此，VC，VD的电位按式（1）、式（2）也变化，但此时仍有VC＞V3，因而N77的1#和VE仍然为0V；

当采样电压V1继续升高，由式（3）得到的VB继续下降，由式（1）得到的VC也下降，直到V3＞VC时，N77的1#变为VCC，通过V135的钳位，VE≈VCC，输出高电平给IGBT的控制极，接通直流母线和负载电阻，释放母线能量以维持电压稳定不再升高。同时由于R37的正反馈作用，使得N77的7#电位变为

由于VC小于VN777#的持续，也就是VE脉冲有了宽度。另外，由于VE≈VCC的出现，VE将通过R45对C44充电，VD的新电位为

式中：τ1为充电的时间常数。

随着VD电位的升高，将通过R43对C42充电，充电的作用将使VC的新电位为

当VC2≥VN777#时，N77的1#端变为0 V，VE≈0 V ，脉冲停止，IGBT关断，斩波制动结束。

当脉冲结束但采样电压不变时，由于VE≈0 V ，VN777#=V3，VC2＞V3，C42，C44开始放电，由于C42很小，放电很快结束，相对于C42，C44很大，因此VC的放电电位主要由C44的放电过程决定，VD的放电电位为当电位降到略低于脉冲开始产生的电位时，又将产生脉冲，重复上述过程。

由此可见，在采样电压不变时，脉冲出现的时间和宽度取决于R41与R43+R45的比值，R37与R038的比值，τ1，C44充电到VN777#的时间，脉冲频率取决于C44的充电和放电时间之和；当上述参数不变时，脉冲出现的时间和宽度、频率取决于采样电压的大小，采样电压越大，脉冲出现越早、宽度越宽，频率越低。各点波形见图2。

图2 各点波形图Fig.2 Oscillogram of all parts

3 主要性能参数

BC2的性能指标很多，与制动能力有关的主要参数如下：1）对应变频器输入电压：（600～690 V）+10%，50/60 Hz；2）额定制动能力对应的电机功率：1 200 kW；只需0.7倍制动功率时可达1 700 kW；如果需要1.3倍制动功率时则只有1 000 kW；3）准长时制动能力对应电机功率：不带风机时只有45 kW，带风机时400 kW；4）在导通阀值为1 065～1 155 V时制动的尖峰电流：负载电阻为0.7～0.8 Ω、制动时间15 s、循环周期1 800 s（不带风机）或600 s（带风机）的偶尔制动时1 500 A；负载电阻为0.9～1.0 Ω、循环时间120 s、制动时间4.8 s（不带风机）或42 s（带风机）的重复制动时1 200 A；负载电阻为1.05～1.15 Ω、循环时间600 s、制动时间21 s和36 s（不带风机）或180 s和300 s（带风机）的准长时制动时1 000 A和630A；此时的功率损耗为180 W（不带风机）和1 600 W（带风机）；5）BC2的直流输入端与变频器直流母线的距离不能超过1 m。

4 特殊应用场合的改进

由上可知，BC2对使用的条件要求比较严格，如果不对使用参数进行调整，即使最短120 s的循环周期，还是属于间断性使用，何况630 A 300 s制动时的600 s周期，对一些特殊场合更是无法接受。另外小于1 m的要求，更是严重制约了使用范围。为了方便灵活地应用BC2，需要针对这些缺点采取相应对策。

规定一定负载电流下的循环周期，是为了保证BC2安全可靠的工作。在选定了IGBT模块以后，影响其安全使用的最主要因素就是模块内管芯的结温，任何工作状态下允许的最高结温不能被超过，一旦超过，热失效引起的模块损坏不可恢复。影响结温的主要因素为流过模块的电流、热阻（包括散热器、接触面）、通风、环境温度等。其中环境温度容易保证，热阻已经确定，因此只有负载电流和通风可以调整和改进。电流根据制动要求的能力决定，为了持续不间断的工作，即使是电阻性负载，为了保证安全，通过选择开通电压、负载电阻，应使流过模块的电流在其额定值的1/2～1/3（即530～800 A）以下。改进通风可以通过加大风速、风量实现。

1 m的限制是指BC2只能承受电缆上1 m以内因分布电感引起的附加电压在滤波电容上所产生的谐波电流，由于结构紧凑，电容量只有C1=2 080 μF ，由单只400 V，390 μF，1.55 A的3串16并组成，吸收谐波的能力相当有限。如果由于谐波的影响造成单只电容的电流增加30%，发热将增加约70%，这个热量通过专门冷却虽然可以改善，但不能从根本上解决，仍然会由于热量在电容内部的积累进而引起电解液沸腾使内部压力过大造成爆裂损坏。因此对于超过1 m的应用，需要加装一定量的电容来吸收超过的谐波电流。

5 改进方法

下面就2个改进方面的具体计算做一探讨，供使用参考。

5.1 电流调整和改进通风

BC2的斩波功能是由其内部8个并联的1 700 V/200 A IGBT模块周期性通断完成的。IGBT为混合型器件，由大功率的晶体管与功率MOSFET混合而成。由于其输出级具有达林顿连接方式，作为其输出的PNP晶体管不会进入过饱和状态，因此它的导通压降比过饱和的SCR导通压降要高，同时还受温度影响，也与器件流过的电流有关，电流越大，导通压降越大，功耗越高。由于导通时间越长，发热量就越多，因此为了连续制动，必须调整负载电流。精确的电流调整比较困难，因为牵涉到很多因素，比如直流母线上的能量、斩波频率等。本文以BC2自带的一组数据即：带有风机、600 s周期、300 s导通、630 A时的功耗1 600 W为根据。假设以630 A为中心，从580～680 A之间的导通压降不变、300 s导通期间和连续导通时有效的发热量不变，来说明近似的电流调整计算方法。由于假设了导通压降不变，因此300 s导通期间平均发热量为

式中：T1为周期，600 s；t1为导通时间，300 s；U630A为630A时的导通压降；R0为630A时的等效导通电阻。

仍然以T1为周期，但连续导通，发热量为

式中：I2为连续导通时的电流；U2为连续导通电流时的压降。

由于445 A小于580 A较多，因此在445 A时，其导通压降要小于580 A时的压降，发热量相应也要降低。如果将降低的部分作为储备裕量，根据脉冲产生和控制部分原理，通过调整采样电压，使制动开始时的直流电压为1 000 V，则需要的负载电阻为

如果选择为2.2 Ω，连续制动的功率为

当需要的制动功率大于455 kW时，可以选用2个BC2并联，当然每个BC2必须有自己的负载电阻。在Q1中，负载电流只有300 s在发热，另外300 s只有冷却，而在Q2中负载电流都在发热，Q1=Q2的假设有些勉强，为了弥补这部分散热的不足，需要加大通风量，也就是增加风机功率，根据经验，需要增加大约20%。

5.2 增加电容的计算

斩波工作时，负载电流从变频器的直流母线通过连接电缆、BC2到达电阻，电路连接见图3，连接电缆存在有自感，其值为

式中：D为两电缆线之间的中心距；r为导体半径；l为电缆总长度，包括输入电缆、与负载电阻连接的 电 缆 ；μ 为 铜 线 的 磁 导 率 ，μ=μr·μ0≈μ0=4π×10-7H m。

图3 主电路连接图Fig.3 The main circuit connection diagram

由BC2的工作过程可知，当忽略电缆上的延迟时间时，负载电阻上的电压上升时间取决于IGBT的开通时间，一般为0.2～0.4 μs，波形为一系列脉冲；由于L的存在，电流比电压略有滞后，上升期间电流为

式中：ΔU为开通阀值电压；R为负载回路总电阻；τ为电流回路时间常数，τ=L/R。稳态后波形与电压相似，上升期间电流的变化率为

随着时间变化，这个电压叠加到BC2的输入端，在BC2滤波电容的等效串联电阻ESR上产生纹波电流Iw=ΔU1/RESR，纹波电流将引起电容的发热。可以根据计算的纹波电流选择所需增加的电容。另外，也可以根据BC2带有C1=2 080 μF，允许有1 m连接电缆的条件，进行大致的估算，即在1 m时，可以承受的最高纹波电流为

式中：n为并联的电容支路数，n=16；Iw1为单个电容允许的最大纹波电流，I＝1.55A。

当连接电缆超过1 m，例如超过k倍的1 m时，需要增加的电容容量大致为

确定容量时需靠近系列并留有一定的余量；同时，电容的类别最好与BC2的相同，工作电压也要与BC2内串联后的电压一致。在安装增加的电容时，尽量要靠近BC2的输入端。

6 结论

通过对BC2工作过程和性能指标的分析研究，提出了在连续工作、不受1 m限制的特殊场合使用的解决方案，给出了调整、改进的工程算法，对实际使用具有一定的指导意义。

［1］ 西门子电气传动有限公司（SEDL）.PTBC0409 1109-101/02-V产品使用说明书［Z］.2005.

［2］ 陈永真.电容器及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［3］ 袁立强，赵争鸣，宋高升，等.电力半导体器件原理与应用［M］.北京：机械工业出版社，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

杨荣（1982-），女 ，本科 ，工程师，Email：yr915@126.com