能耗制動在變頻鉆機中的應用

鄧月婷

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水 741020）

1 引言

石油鉆機多工作在遠離城市的陸地、沙漠或海洋，工作場所具有極強的機動性，因此大部分鉆機都是由獨立的自備電源供電。鉆機自備電源系統(tǒng)的容量都是按鉆機實際需要的動力來配置的，從電網的短路容量、電網容量及單臺變流裝置的容量之值來衡量，構成了典型的小電網供電系統(tǒng)，所以對于絞車、轉盤等設備的制動，不能采取再生制動的形式，否則過多的回饋能量會使電網電壓大幅度波動，導致用電設備不能正常工作。對于鉆機小電網系統(tǒng)，通過能耗制動消耗掉再生的直流電路的能量是常用的措施。

2 能耗制動原理及過程

變頻鉆機拖動系統(tǒng)中絞車在下放工作時，由于負載的帶動產生動能，此時電動機就工作在發(fā)電狀態(tài)。異步電動機在發(fā)電狀態(tài)時，轉化的電能通過續(xù)流二極管向中間直流回路上的電容充電使中間直流回路電壓不斷升高，甚至可能達到產生危險的地步，為使中間電壓保持在允許的范圍內，必須將再生的直流電路的能量消耗掉，當電壓升高到設置值時，使制動回路里的制動單元導通，將回饋的能量消耗在制動電阻上，即所謂能耗制動。

由于鉆機是小電網供電，不允許再生制動的特點，變頻器的整流部分可以選用無能量回饋能力的三相橋式不可逆整流電路。在絞車和自動送鉆的應用中：當位勢負載的重物下放時，電動機出現再生發(fā)電過程，電機再生的電能經續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，使濾波儲能電容充電而電壓升高，稱為“泵升電壓”。一般采用設置過壓點的方法來限制這種過電壓。當直流側電壓高于預設置的最高值時，由制動單元（制動斬波器）以直流PWM方式接通制動電阻，將回饋能量以發(fā)熱的形式消耗掉，從而限制了直流電壓進一步升高。

制動過程的原理圖如圖1所示。

變頻鉆機中的絞車和自動送鉆的傳動系統(tǒng)采用了能耗制動功能，可以自動投入制動運行，工作可靠，制動迅速平穩(wěn)，實現了快速停車與正反轉，以及零速額定轉矩的“懸?！惫δ?。以能耗制動代替電磁剎車等其它輔助剎車，不僅使鉆臺重量減輕，節(jié)省了鉆臺空間，減少了投資，而且制動特性好。這也是交流變頻傳動系統(tǒng)最顯著的特點。

圖1 制動原理圖

3 制動單元和制動電阻的選型原則

3.1 Siemens制動產品

在選型時根據負載可以計算出制動所需的功率，從而選擇滿足最大制動要求的制動單元和制動電阻。

（1）制動單元的選擇要保證其峰值功率和連續(xù)功率滿足制動要求，即PBUmax≥Pmax，式中PBUmax為制動單元的峰值功率，Pmax為制動過程峰值功率；PDB≥PNBR，式中PDB為制動單元的連續(xù)制動功率，PNBR為制動周期內平均功率。

（2）制動電阻要保證最大制動電流不超過制動單元的最大制動電流IBUmax，同時又要保證其能夠吸收連續(xù)制動功率PNBR和峰值功率Pmax，即（VBR／IBUmax）≤RBR＜（VBR／Imax），式中 VBR為制動單元導通門檻電壓，IBUmax為制動單元的峰值電流，Imax為制動時間內最大制動電流；電阻功率一般為：PBR＞PNBR。

采用矢量控制的變頻器，可以利用調試軟件drivemonitor記錄傳動系統(tǒng)在制動過程中的各種參數曲線，從而得出制動過程中的功率曲線，然后利用這些曲線對制動單元和制動電阻的選型進行校驗。

通常設計多臺制動單元和多臺制動電阻并聯接到一臺變頻柜使用。多臺制動單元之間的制動功率均衡分配，需要精確調節(jié)每臺制動單元的導通電壓值來解決問題，才能實現可靠的電氣能耗制動。在選用制動單元時，各供貨廠家（公司）的制動單元，其標稱功率的定義各不相同，需要經過換算。例如：西門子的制動單元，其接線方式以及線的長短都要嚴格遵照選型要求，接至直流母線的電纜必須是雙心絞合線，最長3m，制動單元和外部制動電阻間連接電纜長度小于15m。對于存放時間超過一年的制動單元，使用前要及時充電，充電時間取決于制動單元停機時間如圖2所示。

圖2 充電時間是制動單元停機事件的函數

3.2 ABB公司制動產品

（1）首先計算在制動過程中，負載產生的最大峰值功率Pmax和平均功率PNBR。

（2）選擇合適的制動單元，必須滿足下面的條件：PBUmax≥Pmax。

式中PBUmax是ABB制動單元手冊中的一個標準參數，它適用于給定的制動周期。如果實際工作周期和給定周期不同，制動單元需要通過計算選型：根據以下公式

式（1）-（3）中：IDC為制動單元持續(xù)工作電流；IAC為折合到電機上的制動電流；IBUmax為制動單元峰值電流；I2為間歇工作電流；t為工作周期；t1為制動時間；t2為間歇時間。

可以算出電流IBUmax，然后再選擇制動單元；反之，在已選制動單元的前提下，可通過以上公式算出IAC值，把IAC和電機的實際制動電流IACT做比較，來校驗所選制動單元是否滿足實際的制動需要。

（3）選擇制動單元后，推薦的制動電阻阻值RBR是制動單元允許的最小電阻值，電阻額定功率要大于由負載制動周期定義的持續(xù)功率。

4 能耗制動能力計算

變頻鉆機現場絞車在下放工作時，電動機作為發(fā)電機產生電能，而電動機的驅動是來自于重物的勢能，根據能量守恒定律，產生的電能應等于重物勢能的釋放，又等于電阻的熱能耗（不考慮功率損耗）。所以只需計算重物勢能產生的功率就是所需的制動功率。對于下降物體勢能產生的功率很容易計算。

重力勢能：

熱能耗：

制動時間：

下降勢能產生的功率：

根據能量守恒定律：

在實際應用中，常用以下公式計算制動功率，來配置制動單元和制動電阻。

制動功率：

式（4）-（9）中：m 為負載重量，單位：kg；g為重力加速度 9.8m／s2；h 為負載下降高度，單位：m；n 為制動單元數量；I為制動單元工作時的電流，單位：A；R為制動電阻，單位：Ω；Pe為制動單元額定功率，單位：kW；V為負載下放速度，單位 ：m／s；η為 從變頻器到大鉤效率，η＝變頻器效率×電機效率×齒輪一效率×齒輪二效率×離合器效率×滾筒效率×天車效率×滑輪效率＝0.98×0.96×0.95×0.98×0.98×0.95×0.95×0.95≈0.75。

計算出制動功率P后再依據廠家提供的手冊配置相應的制動單元和制動電阻，電阻數量與制動單元數量一一對應，即每個制動單元都必須具有獨立的制動電阻。對于容量鄰近的制動單元和容量相同的制動單元，允許在同一條直流母線上并聯運行，在帶有外部制動電阻的變頻器中，制動單元允許的功率為：

式中：PCONV為變頻器容量。

制動電阻的負載圖如圖3所示。負載最大的制動功率PDBmax、P20max，應滿足電阻負載圖3中PDB和P20為產品允許值。所以要嚴格按照手冊數據配置制動單元，否則可能為會因配置不當導致制動單元電流過大而燒壞。

以7000m變頻鉆機為例，通常使用西門子變頻器、西門子制動單元配外部制動電阻方案，依據以上計算公式及西門子制動單元手冊配置制動單元和制動電阻。在70DB鉆機的實際現場運行中，考慮到位勢性負載長時間連續(xù)下放的工況，配置了16組額定功率P20為200kW，持續(xù)功率PDB為50kW的制動單元，這些單元并聯使用均能投入穩(wěn)定的工作；電阻數量與制動單元數量一一對應，制動電阻選用R＝4.45Ω，在制動過程中制動電阻溫升劇烈，在了解制動電阻的負載特性后，可以采取相應的冷卻措施。在變頻鉆機系統(tǒng)中一般采取強制風冷，風機隨著制動過程啟動，在制動結束后風機延時停止，可以保證制動電阻冷卻效果。實踐證明此配置避免了制動單元的頻繁燒毀，使設備可以可靠地運行。

圖3 外接制動電阻制動單元功率負載圖

圖4 負載重量與速度的曲線圖

5 絞車負載重量與下放速度的曲線關系

由式（9）可以看出絞車負載重量mg與下放速度v存在一定的曲線關系。現根據絞車負載不同工況做如下計算，繪制出曲線如圖4所示。

（1）絞車最大載荷若按450t考慮，則有如下計算公式：

（2）絞車額定工作若按200t考慮，則有如下計算公式：

（3）絞車最小載荷若按130t考慮，則有如下計算公式：

從圖4的曲線中，可以看出絞車負載下放的速度隨著其重量的增大而減小，若實際下放重物的重量有所增加，它的下放速度就要減小，反之，就要增大速度。在鉆機的實際現場應用中，常常利用這一特性曲線控制絞車的下放速度，避免了制動單元因過載而頻繁燒毀的現象，增加了工作的可靠性。

6 結束語

能耗制動具有實現容易、投資小、結構簡單等優(yōu)點，其制動的關鍵在于各制動單元制動功率的均衡分配，由于各個制動單元存在個體差異，閥值電壓存在偏差，閥值電壓較低的制動單元可能會提前投入工作，致使其過載，嚴重時可能會損壞制動單元，影響整個設備的運行。鑒于200kW制動單元存在以上缺點，可采用TRANSOMIK BC2大功率系列制動單元，此制動單元體積較小，可以節(jié)約大量的安裝空間，使單柜結構簡單，故障點少，性價比高。對于7000m變頻鉆機可采用1200BC2／690（1200kW）制動單元，此制動單元瞬時功率為1200kW（60s，周期 180s），持續(xù)功率為 350kW；與之相對應的制動電阻選用1.1Ω，冷卻方式采用強制風冷。目前此方案已在變頻鉆機中廣泛應用。

［1］天津電氣傳動設計研究所編著.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］王廣大.石油鉆機成套（配套）手冊.天水電氣傳動研究所.