驱动器安全通断电路优化方案

1.驱动器的逆变形式

数控机床所使用的伺服驱动、主轴驱动、变频器等驱动器的安全通断控制要求不同于电动机。驱动器内部都带有完整的整流、逆变主回路和控制电路，利用PWM变频技术实现电动机的调速控制，电动机可在逆变晶体管（如IGBT等）的控制下，实现起动、运行和停止、制动。

驱动器一般不建议用断开电动机电枢线的方式实现紧急停机，因为，电枢线一旦断开，电动机便成为自由停车方式，驱动器无法通过动力制动使之快速停止，即使安装机械制动器，也会使得制动时间较长。因此，驱动器根据其逆变方式，通常利用如下两种方式实现紧急停止控制。

（1）电流控制型

大型数控机床、电力机车等设备的交流同步电动机控制用驱动器，一般采用图5.3-19所示电流控制型逆变方式，此类驱动器的直流母线上安装有大型平波电抗器。电动机运行时，整流部分可根据电动机输出转矩，通过控制整流晶闸管、调节电流幅值；逆变部分通过功率管的开关作用，向电动机提供幅值固定、频率和宽度可变的方波电流。

电流控制形逆变器的最大优点是电机制动的能量可返回电网，实现回馈制动。电动机正常运行时（电动状态）的U_d＞E_d，电能将从电网输入电机。电动机制动时，由于平波电抗器的作用，其电流方向可保持不变，因此，只要控制晶闸管触发角，使得│-U_d│＜│-E_d│，电能就可从电动机回馈到电网，同时实现快速制动。

图5.3-19 电流控制型逆变的运行与制动

a）电动状态 b）制动状态

（2）电压控制形

中小型数控机床进给、主轴驱动器一般采用图5.3-20所示的电压控制型逆变方式。

图5.3-20 电压控制形逆变的运行与制动

a）电动状态 b）制动状态

电动机运行时，驱动器可通过整流晶闸管和直流母线上的大容量电容器，提供所需的电动机输出电压；逆变部分利用功率管的开关作用，向电动机输出幅值固定、频率和宽度可变的方波电压。由于直流母线的电容不允许反向充电，故电压控制形逆变器不能用于回馈制动，电动机制动时的能量需要通过与逆变功率管并联的续流二极管返回至直流母线，通过母线上的制动电阻实施能耗制动，使电动机快速停机。

由以上原理可知，对于电流控制型逆变的驱动器，电动机紧急分断时既不可以直接断开电动机电枢线，也不能立即断开驱动器的主电源，因此，此类驱动器的安全通断需要通过带有延时输出触点的安全继电器进行控制，如Pilz公司的PNOZ XV系列、SIEMENS公司的3TK27/28系列等，而电压型逆变的驱动器无此要求。(www.xing528.com)

2.PNOZ XV安全继电器

电流控制型逆变的驱动器安全通断需要采用专门的安全继电器，这种安全继电器需要具备瞬时动作和延时动作的安全触点输出，瞬时动作的安全触点用来控制驱动器对电动机进行紧急制动，延时动作的安全触点在电动机制动完成后，断开驱动器电源。

以Pilz公司的PNOZ XV1P为例，驱动器安全通断继电器的外形和电路原理如图5.3-21所示。PNOZ XV1P安全继电器内部设计有2通道紧急分断输入和1通道起动控制电路，其安全触点输出为2对瞬时动作和1对断电延时断开的安全冗余触点；延时断开安全触点的延时可设定和调整。

图5.3-21 PNOZ XV1P安全继电器

a）外形 b）电路原理

安全继电器用于双通道紧急分断和带自动起动功能的防护门控制时，其外部连接要求如图5.3-22所示。安全继电器同样可通过继电器进行安全触点的扩展，此时应将两只控制继电器的常闭触点和起动按钮S2串联后，接入到起动回路S33/S34，或者，将两只控制继电器的常闭触点和防护门自动起动输入S1/S2串联后，接入到自动起动回路S11/S14。

3.驱动器安全通断电路

PNOZ XV1P用于电流控制型驱动器安全通断的典型电路如图5.3-23所示。安全继电器的紧急分断输入通道可通过急停按钮S11、S12，进行输入冗余控制；瞬时动作的安全触点连接到驱动器的紧急停止（E-STOP）控制输入端上；延时断开的安全触点通过接触器KM1、KM2控制驱动器的主回路安全通断；KM1、KM2的常闭触点和起动按钮S2串联，作为驱动器的起动条件。

图5.3-22 PNOZ XV1P的连接

a）紧急分断 b）自动起动防护门控制

驱动器紧急停止时，安全继电器的瞬时动作安全触点首先断开，电动机将在驱动器的控制下，通过回馈制动紧急停止；电动机完全停止后，安全继电器的延时触点断开KM1、KM2，使得驱动器的主电源输入安全断开。驱动器急停的回馈制动时间，可根据系统的实际需要，利用安全继电器的延时设定进行调整。电路在满足前述的安全通断基本条件时，同样可达到ISO13849标准规定的安全等级PLd和IEC EN62061安全完整性水平SIL 2的要求。

图5.3-23 驱动器安全通断电路