涡轮分子泵电源制动单元的研究

　　研究了涡轮分子泵电源制动单元的设计、制动功率和制动电阻的计算方法。为涡轮分子泵选用理想制动电阻提供依据。根据此设计和计算方法为我公司生产的FD系列涡轮分子泵电源选用了最佳的制动电阻，使涡轮分子泵的停车减速时间大为缩短，该泵的性能和效率显著提高。

　　涡轮分子泵是一种靠涡轮高速运转来获得真空的产品。驱动涡轮旋转的一般为高速异步电动机，其转速高达15000～90000 r/min。由于涡轮的转动惯量大，受涡轮叶片的强度及刚度限制，涡轮分子泵必须从低速到高速缓慢启动。同样从高速降速停机也必须缓慢降速。涡轮分子泵电源实际上是一台专用的变频调速器。对其加速时间和减速时间的设定将直接影响涡轮分子泵的性能和寿命。

　　涡轮分子泵在其安全的减速时间内停车有两种方式。一种是自由运转方式停车, 即电动机依靠负载惯性自由运转至停止。但因涡轮分子泵的工作环境和运行特性，一般在这种停车方式下需要很长的减速停车时间，通常需要1～2 h减速停车时间。另一种是减速煞车方式停车, 即涡轮分子泵电源根据安全的减速停车时间设定减速时间，电动机在其减速时间内减速停车。不同型号的涡轮分子泵有不同的减速停车时间，主要是由涡轮惯量大小而定。

　　涡轮分子泵在其安全的减速时间内，以减速煞车方式停车时，如何合理地设计制动单元，配备制动电阻，将关系到涡轮分子泵电源及涡轮分子泵自身安全可靠地使用。

1、制动单元的设计

　　涡轮分子泵以减速煞车方式停车时，由于惯性，电动机运行频率大于涡轮分子泵电源的输出频率，此时电动机运行于发电状态。负载的动能由电机转换成电能，并通过该电源的逆变桥IGBT管的反并联二极管回馈到直流回路，如图1 所示。

图1　分子泵电源主回路

　　由于涡轮分子泵的涡轮惯量较大，回馈能量使电容难以吸收，在此情况就需要使用制动单元。由制动单元监测直流回路电压，控制制动电阻的通断，形成一个斩波电路，如图1虚框所示，使其消耗电机回馈的电能。

　　制动单元的框图如图2所示，制动单元通过监测变频调速器的直流回路电压，从而控制开关管使制动电阻工作。该单元包括电压比较器、放大器、制动晶体管和制动电阻。

图2　制动单元框图

1.1、制动单元电路设计

　　笔者为涡轮分子泵电源设计了一种制动单元如图3所示，该电路的工作原理如下。

图3　制动单元电路图

　　设U_DC为电容C两端电压，电压比较电路直接检测该电压，当被测值超过设定允许值时，电压比较器翻转，输出端接近0 V，经逻辑转换后，触发制动单元的V_b导通。电容上的电荷经电阻R释放，使电压降低。反之，当该电压低于设定允许值时，电压比较器翻转回原先状态，输出端为高电平，经逻辑转换后关断V_b。

1.2、制动单元电路的计算

　　在电压比较器翻转前, 正端的电位为

　　为了使比较器翻转, 比较器的负端输入电压U_-1必须高于正端电压U_+1，因此有

　　一旦式(3) 满足, 电压比较器翻转, 输出接近0V。此时正端的电压为

　　仅当比较器的负端输入电压U_-2低于正端电压U₊₂时, 电压比较器才会恢复到翻转前的状态，因此有

　　设涡轮分子泵电源供电电压为交流220±15%V , 则整流后电容上的最大直流电压为

　　为了使涡轮分子泵电源在上述电网波动条件下仍能正常运行, 制动单元的动作阀值必须大于358 V。假定制动单元在≥390 V 时动作, 而在361V 时停止, 可求出制动单元的元件参数, 此时电压比较器的滞环特性如图4所示。

图4　比较器的电压滞环特性

　　令电压滞环比为K，则

K = U₊₁/U₊₂ = 390V/361V = 1.08 ( 8)

　　设U₊₂= 4.8 V，则U₊₁=1.08×U₊₂= 5.2 V。设电源电压U_C=15 V， 取R₄= 2 k8， 由式(4) 求得R₅= 48 k欧 , 依电阻规格取47 k欧 。又由式(1) 求得R₆= 51 k欧。