海洋工程軟鋪裝備制動電阻原理及散熱模式分析

楊 進，胡 超，顧 問

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷加大，深水海底電纜、軟管及臍帶纜等管纜鋪設施工裝備的類型和需求越來越多樣化，裝備驅動變頻器也在不斷優(yōu)化升級、電氣自動化程度越來越高，海工軟鋪裝備中使用變頻器控制技術驅動電機旋轉，通過改變電機頻率起到對電機轉速的調(diào)整或剎車作用。

主要對三種海底管纜鋪設張緊器驅動電機變頻器、制動電阻原理及其散熱模式進行介紹以及比較，對未來深水油氣田管纜鋪設裝備國產(chǎn)化具有借鑒意義。

1 制動電阻的工作原理

變頻器一般采用工頻交流電源轉換成直流電源，再將直流電源轉換成其他頻率的交流電源控制交流電機變速，固定頻率的三相交流電源經(jīng)過變頻器內(nèi)整流單元、濾波電容整流并濾波變成直流電源，直流電源經(jīng)過逆變單元再逆變成頻率和電壓可調(diào)的交流電源，從而實現(xiàn)三相異步交流電機速度調(diào)節(jié)。

交流電機減速或剎車制動過程中產(chǎn)生的能量可通過變頻器逆變單元逆變成直流電源，如果直流側電能不斷積累，同時多余能量不能及時被消耗處理，則將會導致變頻器跳閘或損壞。當變頻器驅動交流電機控制轉動機構減速時，通過降低變頻器輸出頻率實現(xiàn)轉動機構降速；當要求交流電機需要以更快加速度進行制動時，則需要加快變頻器輸出降低速度指令頻率，使輸出頻率對應的速度低于交流電機實際的轉速，從而對交流電機進行制動。在交流電機緊急制動的情況下，電機負載的機械能被轉換為電能反饋給變頻器，當制動電阻容量需求較大或者系統(tǒng)制動要求較高時，則需要在變頻器外置單獨的制動單元和制動電阻，將交流電機減速或剎車制動過程中產(chǎn)生的能量進行消耗。

海洋工程裝備制動電阻常選用波紋型電阻和鋁合金型電阻：①波紋電阻采用的是表面立式波紋，利于散熱減低寄生電感量，選用高阻燃無機涂層可以防止電阻絲被老化，從而提高電阻的使用壽命；②鋁合金電阻可緊密安裝，易于附加散熱器，全包封式的高散熱鋁合金外盒，具備很強的抗振性，可與外部環(huán)境隔開、性能比較穩(wěn)定，常適用于功率大、體積小及高度惡劣工業(yè)環(huán)境。

2 制動電阻類型及運用

2.1 按制動電阻冷卻形式分類

制動電阻在消耗交流電機減速或制動過程中產(chǎn)生的能量時，其自身將產(chǎn)生的大量熱能必需通過一定的冷卻方式予以消耗。如果裝備設計階段未選擇合適的冷卻方式，制動電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動電阻內(nèi)部，同時將會造成制動電阻過熱擊穿。海洋工程軟鋪裝備常采用變頻器外置制動電阻形式。外置制動電阻可以根據(jù)實際需求選擇制動電阻冷卻形式，通過熱交換消耗交流電機減速或剎車制動過程中產(chǎn)生的能量，防止因制動電阻器過載導致變頻器內(nèi)部過熱。按其冷卻形式可分為：自然通風冷卻型制動電阻、強迫通風冷卻型制動電阻和閉環(huán)水冷型制動電阻。

2.2 自然通風冷卻型制動電阻（圖1）

圖1 自然通風冷卻型制動電阻

自然通風冷卻型制動電阻的結構為一組或多組制動電阻元件布置于相對開放的結構內(nèi)，通過空氣對流或熱交換等傳遞方式向外界環(huán)境排出熱量，從而降低制動電阻自身溫度，最終達到與外界環(huán)境溫度相同。因為沒有額外風機對制動電阻進行通風散熱，不需要額外的能量消耗，其結構最為簡單、故障率很低，而且不需要額外監(jiān)控裝置，因此長期應用成本較低。

自然通風冷卻型制動電阻設計制造簡單、應用廣泛，常適用于較小功率電機驅動裝備。公司自有15 t 張緊器就采用自然通風冷卻型制動電阻，由于其驅動電機負載功率（30 kW）較小、系統(tǒng)制動功率低，因此選取繞線型制動電阻：其表面立式波紋可以縮短傳熱路徑，增大換熱或導熱面積，將組件內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過組件機箱和安裝架散發(fā)出去。

自然通風冷卻型制動電阻特點：①最大限度地利用導熱、自然對流和輻射等簡單、可靠的冷卻技術；②設備維護保養(yǎng)方便，制動電阻螺栓緊固拆卸較為簡單；③依靠與周圍空氣進行熱交換進行散熱、散熱效率較低，只適用于制動功率較低或制動功率較小，但現(xiàn)場環(huán)境寬闊的情況；④自然通風冷卻型制動電阻冷卻效果比較緩慢，制動效果不如強迫通風冷和閉環(huán)水冷。

2.3 強迫通風冷卻型制動電阻

強迫通風冷卻型制動電阻結構為一組或幾組制動電阻元件封閉在一個冷卻通風道內(nèi)，風道的一側安裝冷卻風機，而另一端則通向大氣環(huán)境，制動電阻元件平行布置在冷卻風道內(nèi)，從而可減小冷卻風阻并提高散熱效率。但強迫通風冷卻型散熱需要額外配置一臺冷卻風機，系統(tǒng)工作時總體能量消耗將增大并同時產(chǎn)生一定噪音，還必須安裝風壓監(jiān)控和溫度監(jiān)控裝置以確保通風量滿足制動電阻散熱需求。

強迫通風冷卻型制動電阻適用于較大制動功率且安裝空間有限的海洋工程裝備，公司自有100 t 張緊器采用強迫通風冷卻型制動電阻，（單個電阻值5 Ω，功率90 kW），通過在制動電阻箱一側增設散熱風機，對制動電阻箱進行強迫性吹風，從而實現(xiàn)制動電阻工作時產(chǎn)生熱量的強行降溫。

強迫通風冷卻型制動電阻特點：①冷卻效果較自然通風冷卻強，安裝所需空間體積和重量較??；②適用于制動功率較大、安裝空間有限的情況；③工作時風扇所產(chǎn)生的噪聲大，對現(xiàn)場工作環(huán)境造成影響。

2.4 閉環(huán)水冷型制動電阻

閉環(huán)水冷型制動電阻常外置一套淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過增加一個空氣與水對流的熱交換器，把交流電機減速或剎車制動過程中產(chǎn)生的能量轉移到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中。水冷熱交換器通常有一組進水口和出水口組成，熱交換器內(nèi)可布置多條淡水循環(huán)通道，即可充分利用水循環(huán)冷卻制動電阻的功能。

目前多數(shù)海洋工程船舶都自帶有一個淡水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，而閉環(huán)水冷型制動電阻通過船舶淡水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，而越來越廣泛應用于船舶輪機、石油鉆機、船舶起重吊機等大功率負載裝備中。公司自有325 t 深水軟鋪系統(tǒng)則選用1600 kW（2×800 kW）水冷卻型制動電阻。如圖2 所示，法蘭處接入船舶冷卻水系統(tǒng)。安裝流量監(jiān)控和溫度監(jiān)控傳感器，用于實時監(jiān)控制動電阻狀態(tài)，防止制動電阻由于過熱導致異常。

閉環(huán)水冷型制動電阻特點：①制動電阻冷卻效果好，相比較于自然通風、強迫通風冷卻方式，制動電阻功率可以大幅度減小、體積和重量相應的減少；②對流量和溫度傳感器進行定期檢查校準，水冷散熱器需要的內(nèi)部部件較多，需要的安裝空間較大，價錢比風冷系統(tǒng)高。

圖2 閉環(huán)水冷型制動電阻

3 制動電阻種類的選擇

交流電機減速或剎車制動過程中會產(chǎn)生大量熱能，因此制動電阻在設計選型過程中要考慮散熱通風設置和人員安全的問題，制動電阻的安裝最小通風空間建議上下各100 mm，左右各30 mm。禁止在制動電阻周圍安裝或存放易爆、易燃物品，制動電阻需安裝在人手不易觸及到的地方，安裝之前時需要綜合考慮是否會影響其他設備的工作。制動電阻連接電纜需滿足絕緣等級要求，導線截面要滿足制動電阻泄放電流的標準，直流側電纜應該絞合以減少輻射和電感，連接制動電阻導線需用耐熱導線。

根據(jù)選擇不同的電阻功率及工作環(huán)境，選用不同的制動電阻冷卻方式，在海洋工程裝備中制動電阻的設計時，要綜合考慮海洋環(huán)境對制動電阻設計的影響、裝備制動能量等因素，對制動電阻進行全壽命周期成本分析，以選擇最佳的制動電阻類型。并對裝備的運行使用時間進行合理安排，最大程度利用制動能量，減少制動電阻上的電能損耗。采取自然冷卻的冷卻方式，相比較于其他兩種冷卻方式，需選擇更大的電阻功率，質量和體積也更大，對于海上施工設備，安裝空間有局限性且負載功率較大的情況下，更適合采用強迫通風冷卻型和閉環(huán)水冷型。

4 結語

通過對海洋工程軟鋪裝備制動電阻原理及散熱模式分析，對于不同種類的制動電阻類型具體的優(yōu)化設計選型方法各不相同，但制動電阻結構應盡量緊湊、輕便，同時具備良好的冷卻效果、高可靠性和易維護性，并使制動電阻全生命周期成本最小化。設計選型時必須對制動電阻溫升進行精確分析，使制動電阻帶使用量最小化、風量及風道尺寸最小化、合理的布置電阻絲，為保證制動電阻的高可靠性，同時在全生命周期內(nèi)進行細致的失效模式分析,發(fā)現(xiàn)存在的失效隱患及時改進。