研究了渦輪分子泵電源制動(dòng)單元的設(shè)計(jì)、制動(dòng)功率和制動(dòng)電阻的計(jì)算方法。為渦輪分子泵選用理想制動(dòng)電阻提供依據(jù)。根據(jù)此設(shè)計(jì)和計(jì)算方法為我公司生產(chǎn)的FD系列渦輪分子泵電源選用了最佳的制動(dòng)電阻，使渦輪分子泵的停車減速時(shí)間大為縮短，該泵的性能和效率顯著提高。

　　渦輪分子泵是一種靠渦輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)來獲得真空的產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的一般為高速異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速高達(dá)15000～90000 r/min。由于渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，受渦輪葉片的強(qiáng)度及剛度限制，渦輪分子泵必須從低速到高速緩慢啟動(dòng)。同樣從高速降速停機(jī)也必須緩慢降速。渦輪分子泵電源實(shí)際上是一臺專用的變頻調(diào)速器。對其加速時(shí)間和減速時(shí)間的設(shè)定將直接影響渦輪分子泵的性能和壽命。

　　渦輪分子泵在其安全的減速時(shí)間內(nèi)停車有兩種方式。一種是自由運(yùn)轉(zhuǎn)方式停車, 即電動(dòng)機(jī)依靠負(fù)載慣性自由運(yùn)轉(zhuǎn)至停止。但因渦輪分子泵的工作環(huán)境和運(yùn)行特性，一般在這種停車方式下需要很長的減速停車時(shí)間，通常需要1～2 h減速停車時(shí)間。另一種是減速煞車方式停車, 即渦輪分子泵電源根據(jù)安全的減速停車時(shí)間設(shè)定減速時(shí)間，電動(dòng)機(jī)在其減速時(shí)間內(nèi)減速停車。不同型號的渦輪分子泵有不同的減速停車時(shí)間，主要是由渦輪慣量大小而定。

　　渦輪分子泵在其安全的減速時(shí)間內(nèi)，以減速煞車方式停車時(shí)，如何合理地設(shè)計(jì)制動(dòng)單元，配備制動(dòng)電阻，將關(guān)系到渦輪分子泵電源及渦輪分子泵自身安全可靠地使用。

1、制動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

　　渦輪分子泵以減速煞車方式停車時(shí)，由于慣性，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率大于渦輪分子泵電源的輸出頻率，此時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)。負(fù)載的動(dòng)能由電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，并通過該電源的逆變橋IGBT管的反并聯(lián)二極管回饋到直流回路，如圖1 所示。

圖1　分子泵電源主回路

　　由于渦輪分子泵的渦輪慣量較大，回饋能量使電容難以吸收，在此情況就需要使用制動(dòng)單元。由制動(dòng)單元監(jiān)測直流回路電壓，控制制動(dòng)電阻的通斷，形成一個(gè)斬波電路，如圖1虛框所示，使其消耗電機(jī)回饋的電能。

　　制動(dòng)單元的框圖如圖2所示，制動(dòng)單元通過監(jiān)測變頻調(diào)速器的直流回路電壓，從而控制開關(guān)管使制動(dòng)電阻工作。該單元包括電壓比較器、放大器、制動(dòng)晶體管和制動(dòng)電阻。

圖2　制動(dòng)單元框圖

1.1、制動(dòng)單元電路設(shè)計(jì)

　　筆者為渦輪分子泵電源設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)單元如圖3所示，該電路的工作原理如下。

圖3　制動(dòng)單元電路圖

　　設(shè)U_DC為電容C兩端電壓，電壓比較電路直接檢測該電壓，當(dāng)被測值超過設(shè)定允許值時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，輸出端接近0 V，經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換后，觸發(fā)制動(dòng)單元的V_b導(dǎo)通。電容上的電荷經(jīng)電阻R釋放，使電壓降低。反之，當(dāng)該電壓低于設(shè)定允許值時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)回原先狀態(tài)，輸出端為高電平，經(jīng)邏輯轉(zhuǎn)換后關(guān)斷V_b。

1.2、制動(dòng)單元電路的計(jì)算

　　在電壓比較器翻轉(zhuǎn)前, 正端的電位為

　　為了使比較器翻轉(zhuǎn), 比較器的負(fù)端輸入電壓U_-1必須高于正端電壓U_+1，因此有

　　一旦式(3) 滿足, 電壓比較器翻轉(zhuǎn), 輸出接近0V。此時(shí)正端的電壓為

　　僅當(dāng)比較器的負(fù)端輸入電壓U_-2低于正端電壓U₊₂時(shí), 電壓比較器才會恢復(fù)到翻轉(zhuǎn)前的狀態(tài)，因此有

　　設(shè)渦輪分子泵電源供電電壓為交流220±15%V , 則整流后電容上的最大直流電壓為

　　為了使渦輪分子泵電源在上述電網(wǎng)波動(dòng)條件下仍能正常運(yùn)行, 制動(dòng)單元的動(dòng)作閥值必須大于358 V。假定制動(dòng)單元在≥390 V 時(shí)動(dòng)作, 而在361V 時(shí)停止, 可求出制動(dòng)單元的元件參數(shù), 此時(shí)電壓比較器的滯環(huán)特性如圖4所示。

圖4　比較器的電壓滯環(huán)特性

　　令電壓滯環(huán)比為K，則

K = U₊₁/U₊₂ = 390V/361V = 1.08 ( 8)

　　設(shè)U₊₂= 4.8 V，則U₊₁=1.08×U₊₂= 5.2 V。設(shè)電源電壓U_C=15 V， 取R₄= 2 k8， 由式(4) 求得R₅= 48 k歐 , 依電阻規(guī)格取47 k歐 。又由式(1) 求得R₆= 51 k歐。