本發(fā)明屬于屬于電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SiC的水冷式大功率制動單元。

背景技術(shù)：

大功率制動單元是大型傳動系統(tǒng)能耗制動最關(guān)鍵的設(shè)備之一，它的性能直接影響整個系統(tǒng)的安全。比如在礦用提升機應(yīng)用中，提升機將重物從地面運送到井底時，電動機由電動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，而制動單元就肩負著將電動狀態(tài)下產(chǎn)生的多余能量以能耗散熱的方式泄放的重要任務(wù)，時刻保護提升機的正常運行，責任重大。

目前，使用最多的大功率制動單元產(chǎn)品來自ABB、Vacon和Siemens等國際知名企業(yè)，其價格高、供貨周期長、工作頻率低、功耗高、散熱慢且售后服務(wù)難以保證，這給國內(nèi)用戶帶來了諸多不便。為解決這些問題并且占領(lǐng)國內(nèi)市場，國內(nèi)也推出了小功率制動單元，但因其無法進入大功率應(yīng)用場合，所以與國際知名企業(yè)的產(chǎn)品相比還存在很大差距。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種體積小、噪音小、精度高、效率高、運行穩(wěn)定、可靠性高的基于SiC的水冷式大功率制動單元。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于SiC的水冷式大功率制動單元，包括外殼，所述外殼內(nèi)設(shè)有水冷板，所述水冷板上設(shè)有正公共直流母排、負公共直流母排、輸出直流母排以及與正公共直流母排和負公共直流母排相連的SiC功率器件、過壓檢測電路、過載檢測電路、驅(qū)動電路、控制電路以及方塊式薄膜電容，所述SiC功率器件分別與驅(qū)動電路相連，所述驅(qū)動電路與控制電路相連,所述正公共直流母排、負公共直流母排與外接電控設(shè)備相連且正公共直流母排上設(shè)有過溫保護裝置，所述過壓檢測電路、過載檢測電路和方塊式薄膜電容與控制電路相連并焊接在控制電路板上。

進一步地，所述過溫保護裝置包括設(shè)置在正公共直流母排上的兩個高精度溫控開關(guān)且兩個高精度溫控開關(guān)中的常開觸點串聯(lián)后與控制電路串聯(lián)。

進一步地，所述控制電路還連接有負載比調(diào)節(jié)器、故障復位按鈕、放電閾值切換開關(guān)、全載工作開關(guān)、工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述負載比調(diào)節(jié)器串聯(lián)在過載檢測電路中，所述全載工作開關(guān)并聯(lián)在過載檢測電路中，所述放電閾值切換開關(guān)連接在過壓檢測電路中。

進一步地，所述正公共直流母排、負公共直流母排和輸出直流母排通過母排固定件固定在水冷板上且正公共直流母排、負公共直流母排和輸出直流母排與水冷板之間設(shè)有母排支撐絕緣子。

進一步地，所述外殼包括前擋板、后擋板、左擋板、右擋板、上蓋板和位于底部的制動單元支架，所述制動單元支架上設(shè)有水冷板固定板，所述水冷板固定板上設(shè)有水冷板。

進一步地，所述水冷板的兩側(cè)邊上分別設(shè)有出水口和進水口。

進一步地，所述SiC功率器件為直流斬波電路中大功率制動單元專用的CAS300M17BM2模塊。

進一步地，所述驅(qū)動電路為PT62SCMD17驅(qū)動器。

本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：本發(fā)明主要采用直流斬波電路中大功率制動單元專用的SiC功率器件（CAS300M17BM2）、水冷板、正公共直流母排、負公共直流母排、輸出直流母排、過壓檢測電路、過載檢測電路、驅(qū)動電路（PT62SCMD17）、控制電路以及方塊式薄膜電容、過溫保護裝置組成基于SiC的水冷式大功率制動單元，其中：正公共直流母排和負公共直流母排與外接電控設(shè)備相連，負責把回饋的能量輸送到制動單元，過壓檢測電路檢測到正公共直流母排兩端的電壓高于設(shè)定值時，制動單元的控制電路開始工作，通過比較產(chǎn)生頻率可變的PWM調(diào)制信號，以此作為驅(qū)動信號，在驅(qū)動電路的作用下，SiC功率器件導通并把輸送來的能量通過輸出直流母排傳送給快速散熱型制動電阻（外配），快速散熱型制動電阻（外配）將這部分能量以熱能的形式消耗。同時，在SiC功率器件工作過程中產(chǎn)生的大量熱能通過水冷板傳遞到外界，散熱效果好，以保證SiC功率器件的正常工作。另外，由于SiC功率器件工作頻率高、阻斷電壓高、開關(guān)損耗和通態(tài)比電阻較低且耐高溫工作能力強，所以SiC功率器件不僅可以大大降低制動單元自身的的功耗，縮小體積，延長使用壽命，加快制動單元的響應(yīng)速度，提高工作效率，保證產(chǎn)品的可靠性，而且能使制動單元的最大功率達到3600KW。本發(fā)明能用于對由變頻器供電的電動機制動、大型傳動的能耗制動、大慣性力矩的傳動系統(tǒng)，或需急劇減速、剎車等使用變頻器的場合，或需要快速制動的傳動系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明過溫保護裝置的位置示意圖；

圖3為本發(fā)明外殼結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明外殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明控制電路功能簡圖。

本發(fā)明附圖標記含義如下：1、SiC功率器件；2、驅(qū)動電路；3、控制電路；4、水冷板；5、方塊式薄膜電容；6、母排固定件；7、母排支撐絕緣子；8、正公共直流母排；9、高精度溫控開關(guān)；10、前擋板；11、上蓋板；12、右擋板；13、左擋板；14、制動單元支架；15、水冷板固定板；16、后擋板；17、出水口；18、進水口；19、外殼；20、負公共直流母排；21、輸出直流母排；22、過壓檢測電路；23、過載檢測電路；RP、負載比調(diào)節(jié)器；SB2、故障復位按鈕；S1、放電閾值切換開關(guān)；SB1、全載工作開關(guān)；S2、工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1-5所示，一種基于SiC的水冷式大功率制動單元，包括外殼19，外殼19包括前擋板10、后擋板16、左擋板13、右擋板12、上蓋板11和位于底部的制動單元支架14，制動單元支架14上設(shè)有水冷板固定板15，水冷板固定板15上設(shè)有水冷板4，水冷板4的兩側(cè)邊上分別設(shè)有出水口17和進水口18，水冷板4上設(shè)有正公共直流母排8、負公共直流母排20、輸出直流母排21以及與正公共直流母排8和負公共直流母排20相連的SiC功率器件1、過壓檢測電路22、過載檢測電路23、驅(qū)動電路2、控制電路3以及方塊式薄膜電容5，SiC功率器件1為直流斬波電路中大功率制動單元專用的CAS300M17BM2模塊，驅(qū)動電路2為PT62SCMD17驅(qū)動器，SiC功率器件1分別與驅(qū)動電路2相連，驅(qū)動電路2與控制電路3相連, 正公共直流母排8、負公共直流母排20和輸出直流母排21通過母排固定件6固定在水冷板4上且正公共直流母排8、負公共直流母排20和輸出直流母排21與水冷板4之間設(shè)有母排支撐絕緣子7，正公共直流母排8、負公共直流母排20與外接電控設(shè)備相連且正公共直流母排8上設(shè)有過溫保護裝置，用以檢測正公共直流母排8的溫度，過溫保護裝置包括設(shè)置在正公共直流母排8上的兩個高精度溫控開關(guān)9且兩個高精度溫控開關(guān)9中的常開觸點串聯(lián)后與控制電路3串聯(lián)，過壓檢測電路22、過載檢測電路23和方塊式薄膜電容5與控制電路3相連并焊接在控制電路板上，方塊式薄膜電容5用以儲能和濾波，還能延長制動單元的使用壽命。控制電路3還連接有負載比調(diào)節(jié)器RP、故障復位按鈕SB2、放電閾值切換開關(guān)S1、全載工作開關(guān)SB1、工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)S2，負載比調(diào)節(jié)器RP串聯(lián)在過載檢測電路23中，全載工作開關(guān)SB1并聯(lián)在過載檢測電路23中，放電閾值切換開關(guān)S1連接在過壓檢測電路22中。

主要的工作過程：

當準備運行的綠色指示燈變亮時，說明制動單元連接的正公共直流母排8電壓超過系統(tǒng)設(shè)定值，控制電路3發(fā)送驅(qū)動信號，由信號線將驅(qū)動信號發(fā)送給驅(qū)動電路2，驅(qū)動電路2驅(qū)動SiC功率器件1工作。SiC功率器件1導通后將快速散熱型制動電阻（外配）接入主回路中，快速散熱型制動電阻（外配）把SiC功率器件1輸送過來的能量以熱能的形式消耗掉。以下為幾個功能：

保護功能：

過溫保護：主要是在與SiC功率器件1連接的正公共直流母排8前端安裝兩個常開的高精度溫控開關(guān)9，兩個高精度溫控開關(guān)9的常開觸點先串聯(lián)，然后在與控制電路3串接。系統(tǒng)運行中，當過溫保護的的紅色指示燈變亮時，提醒用戶正公共直流母排8的溫度達到設(shè)定值，這時溫度開關(guān)閉合給控制電路3一個故障信號，控制電路3封鎖驅(qū)動脈沖，使SiC功率器件1停止工作。如果想要制動單元繼續(xù)工作，按下故障復位按鈕SB2不能消除過溫保護故障，只有正公共直流母排8的溫度降到低于溫度開關(guān)報警閾值溫度后，過溫保護指示燈才會自動熄滅，過溫故障自動復位，制動單元才會重新工作。

過載保護：本發(fā)明采用反限時曲線I2t 的方法對制動單元進行過載保護，即動作限時與流入電流大小的平方成反比，流入的電流越大，則動作限時越短。根據(jù)I2t的電流特性曲線控制脈沖的占空比，當驅(qū)動脈沖達到一定的占空比，SiC功率器件1工作相應(yīng)的時間后，由過載檢測電路23產(chǎn)生一個故障信號封鎖脈沖，使SiC功率器件1停止工作，這時會有紅色的過載保護指示燈變亮來提示用戶系統(tǒng)處于過載保護中。如果要使制動單元繼續(xù)工作，按下故障復位按鈕SB2不能立即消除過溫保護故障，而是要根據(jù)工作需要設(shè)置一定的時間來恢復過載故障，大概在60s左右后過載保護故障會自動復位，制動單元重新工作。

過流保護：通過檢測SiC功率器件1的集電極電壓來判斷系統(tǒng)是否過流，同樣和過載保護一樣，控制電路3接收到故障信號并封鎖脈沖，紅色的過流保護故障指示燈變亮，提示用戶系統(tǒng)處于過流保護中。此時按下故障復位按鈕SB2不能消除過流故障，只有把SiC功率器件1故障排除后，按一下故障復位按鈕SB2，過流保護指示燈才會熄滅，制動單元重新工作。

故障報警輸出功能：

為了使上層控制系統(tǒng)能夠及時準確地判斷制動單元是否正常工作，只要制動單元發(fā)生過溫保護、過流保護、過載保護中的一個或多個保護時，系統(tǒng)都會立即向外送出一對長閉量或常開量故障信號，其中一對長閉量故障信號通過端子XT的d與f端子送出輸出，一對常開量故障信號通過端子XT的e與f端子送出。

外部故障封鎖功能：

當外部電控設(shè)備發(fā)生故障時，上層控制系統(tǒng)會給制動單元發(fā)送一個高電平信號來封鎖脈沖，使制動單元停止工作，保護制動單元不被損壞，其中封鎖信號由外接端子XT的b、c端子送進來。

在過載檢測電路23中串聯(lián)一個負載比調(diào)節(jié)器RP，通過調(diào)節(jié)負載比調(diào)節(jié)器RP阻值，就可以控制制動單元在一定時間內(nèi)的負載功率。如當需要制動單元在最大負載下工作一定的時間時，只需調(diào)節(jié)負載比調(diào)節(jié)器RP阻值到最大；當需要制動單元在最小負載下工作一定的時間時，調(diào)節(jié)負載比調(diào)節(jié)器RP阻值到最小。

全載工作開關(guān)SB1并聯(lián)在過載檢測電路23中,如果制動單元想要滿載或短時間超載工作，可按下全載工作開關(guān)SB1，此時過載保護故障被屏蔽，但這樣會使制動單元失去控制，容易發(fā)生被燒毀，造成安全事故，因此一般不允許使用這種工作狀態(tài)。

放電閾值切換開關(guān)S1接在過壓檢測電路22中，可以使制動單元的制動閾值在高、中、低三個擋位間切換。每一擋位工作電壓對應(yīng)一個閾值電阻，當S1接入高檔電阻且短接其他兩檔電阻后，制動單元就在高檔電壓工作；當S1接入中檔電阻且短接其他兩檔電阻后，制動單元就在中檔電壓工作；當S1接入低檔電阻且短接其他兩檔電阻后，制動單元就在低檔電壓工作。

工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)S2可以讓制動單元實現(xiàn)兩種工作模式：單臺工作和多臺并聯(lián)工作。如果想要單臺工作，可以短接工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的a、b端子，如果想要多臺并聯(lián)工作，可以短接工作模式轉(zhuǎn)換開關(guān)S2的b、c端子。