萬能制動電阻的研發(fā)與應(yīng)用

摘 要：萬能制動電阻是通過對公司目前所有的交流變頻電動鉆機(jī)制動單元型號和制動電阻參數(shù)歸納總結(jié)，通過分析研究一種經(jīng)組合可以滿足目前所有制動電阻的不同參數(shù)值，制作在移動式房體內(nèi)，以作緊急替換使用，縮短故障間斷時間。

關(guān)鍵詞：交流變頻；制動電阻；制動單元；斬波器；逆變模塊

1 制動電阻的作用及選型

交流變頻電動鉆機(jī)在起下鉆作業(yè)時，絞車電機(jī)的降速和停機(jī)是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180度，電機(jī)從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，電機(jī)處于再生制動狀態(tài)。電機(jī)再生的電流經(jīng)變頻器續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無法通過整流橋回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分可以消耗電能，但電容仍有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓升高。過高的直流電壓會使各部分器件受到損害，變頻器也會報(bào)故障并停機(jī)。因此，對于負(fù)載處于發(fā)電制動狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。

變頻器的制動單元作為接通制動電阻的“開關(guān)”，由大功率晶體管及其驅(qū)動電路構(gòu)成，其功能是為放電電流環(huán)節(jié)電容器在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)儲存不了或者內(nèi)接的制動電阻來不及消耗掉而使直流部分“過壓”時，接通外部制動組件即制動電阻，以加快消耗再生電能的速度。

制動電阻作為電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)。通過對制動電阻阻值和功率的確定，保證制動過程使變頻器直流母線電壓恒定，且電阻不因發(fā)熱而快速老化。電阻阻值主要根據(jù)所需制動轉(zhuǎn)矩的大小選擇，功率則根據(jù)阻值和使用率確定，其計(jì)算過程復(fù)雜煩瑣且與變頻器本身參數(shù)關(guān)系密切。因此，通常變頻器廠家會給出制動電阻阻值和功率的建議參數(shù)值，方便用戶選擇合適的外接制動電阻安裝使用。

2 萬能制動電阻的目的及其重要性

起下鉆作業(yè)時絞車頻繁降速和停機(jī)的工作特點(diǎn)決定了制動電阻的必要性，而制動電阻阻值和功率的保證決定了變頻器能否正常工作。2014年先后有兩支井隊(duì)在下鉆作業(yè)時制動電阻損壞無法消耗再生電能，導(dǎo)致變頻器的直流母線電壓過高，引起變頻器報(bào)故障并停機(jī)無法使用，當(dāng)時因沒有電阻阻值和功率參數(shù)相匹配的備用制動電阻，而只好緊急加工改造，使下鉆作業(yè)等停近5小時。所以，能否研發(fā)制作一套電阻阻值和功率參數(shù)可變可選、安裝替換靈活方便的通用型制動電阻成為一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的科技研究課題。

2.1 萬能制動電阻的理論分析

針對鉆井一公司現(xiàn)有的23部交流變頻電動鉆機(jī)，根據(jù)不同變頻器生產(chǎn)廠家、不同變頻器型號和不同制動方案歸納出所有的制動單元數(shù)量及制動電阻參數(shù)。如果可以制作一套滿足所有制動單元數(shù)量和制動電阻參數(shù)的通用型制動電阻，那么該制動電阻即可為目前公司所有的交流變頻電動鉆機(jī)所使用。

2.2 萬能制動電阻的分析方法與計(jì)算過程

為滿足現(xiàn)有鉆機(jī)的制動電阻通用性，至少需要搭接出5種不同阻值（4.45Ω、1.1Ω、0.647Ω、2.72Ω、2.2Ω）的電阻，其中單元數(shù)量最多、阻值為4.45Ω的電阻需要21組。根據(jù)所有情況的阻值最大值選擇4.45Ω作為搭接其他阻值電阻的基礎(chǔ)單元阻值，再根據(jù)電阻并聯(lián)、串聯(lián)計(jì)算公式找出其他四種阻值的合理搭接方式。

2.3 萬能制動電阻房

制動電阻房用于安裝萬能制動電阻，此房具有防雨、防火、防震、防潮等措施，符合安全操作要求。制動電阻位于房體中間部位，有足夠的散熱空間，接線位置位于制動電阻正前方，并裝有端子防護(hù)罩，接線端下面預(yù)留電纜穿線位置。從正前方看，制動電阻的進(jìn)風(fēng)口在右側(cè)、出風(fēng)口在左側(cè)，即風(fēng)向?yàn)閺挠彝蟠?。制動電阻房四面開門，門上裝有散熱片，出風(fēng)口對應(yīng)的門帶有不銹鋼材質(zhì)的散熱片。房內(nèi)保證足夠的維修空間，電纜出線直接連到電控房。

3 功能配置

制動電阻裝置由48組電阻單元、8臺2.2kW交流軸流通風(fēng)機(jī)、骨架等組成，強(qiáng)迫風(fēng)冷。冷卻風(fēng)機(jī)從裝置側(cè)面進(jìn)入，流經(jīng)軸流通風(fēng)機(jī)、電阻單元，最后由另一側(cè)排出。每種電阻單元主要由電阻帶、引出銅排、絕緣瓷件及各鈑金外框組成。

制動電阻房頂安裝有自動聲光報(bào)警燈，對因制動電阻風(fēng)機(jī)故障等原因的失風(fēng)進(jìn)行報(bào)警，避免制動電阻因失風(fēng)無法冷卻造成電阻燒毀?？紤]到該制動電阻的主要目的是緊急替換原有電阻、保證生產(chǎn)不間斷進(jìn)行，特將冷卻風(fēng)機(jī)的24VDC控制信號取消，改為380VAC上電即工作，提高時效。

制動電阻保留溫度測試傳感器及溫度顯示單元，溫度顯示單元具有485通訊接口，配備Modbus-RTU協(xié)議的溫度表。制動電阻的風(fēng)壓和溫度信號可靠的以Modbus協(xié)議輸出至PROFIBUS總線橋。

4 結(jié)論

該萬能制動電阻解決了不同年代變頻器產(chǎn)品、不同制動電阻參數(shù)值而無法一一備用的尷尬問題，其時效性等特點(diǎn)對公司生產(chǎn)保障的經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的，其移動性、易用性和通用性等特點(diǎn)對公司設(shè)備管理是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義且影響深遠(yuǎn)的科技創(chuàng)新。

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作者簡介：

許文言（1988—），女，供職于渤海裝備遼河重工有限公司，助理工程師，技術(shù)員。