能耗制動(dòng)在變頻鉆機(jī)中的應(yīng)用

鄧月婷

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水 741020）

1 引言

石油鉆機(jī)多工作在遠(yuǎn)離城市的陸地、沙漠或海洋，工作場(chǎng)所具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，因此大部分鉆機(jī)都是由獨(dú)立的自備電源供電。鉆機(jī)自備電源系統(tǒng)的容量都是按鉆機(jī)實(shí)際需要的動(dòng)力來(lái)配置的，從電網(wǎng)的短路容量、電網(wǎng)容量及單臺(tái)變流裝置的容量之值來(lái)衡量，構(gòu)成了典型的小電網(wǎng)供電系統(tǒng)，所以對(duì)于絞車、轉(zhuǎn)盤等設(shè)備的制動(dòng)，不能采取再生制動(dòng)的形式，否則過(guò)多的回饋能量會(huì)使電網(wǎng)電壓大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作。對(duì)于鉆機(jī)小電網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)能耗制動(dòng)消耗掉再生的直流電路的能量是常用的措施。

2 能耗制動(dòng)原理及過(guò)程

變頻鉆機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中絞車在下放工作時(shí)，由于負(fù)載的帶動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)就工作在發(fā)電狀態(tài)。異步電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)化的電能通過(guò)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(dá)到產(chǎn)生危險(xiǎn)的地步，為使中間電壓保持在允許的范圍內(nèi)，必須將再生的直流電路的能量消耗掉，當(dāng)電壓升高到設(shè)置值時(shí)，使制動(dòng)回路里的制動(dòng)單元導(dǎo)通，將回饋的能量消耗在制動(dòng)電阻上，即所謂能耗制動(dòng)。

由于鉆機(jī)是小電網(wǎng)供電，不允許再生制動(dòng)的特點(diǎn)，變頻器的整流部分可以選用無(wú)能量回饋能力的三相橋式不可逆整流電路。在絞車和自動(dòng)送鉆的應(yīng)用中：當(dāng)位勢(shì)負(fù)載的重物下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)再生發(fā)電過(guò)程，電機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，使濾波儲(chǔ)能電容充電而電壓升高，稱為“泵升電壓”。一般采用設(shè)置過(guò)壓點(diǎn)的方法來(lái)限制這種過(guò)電壓。當(dāng)直流側(cè)電壓高于預(yù)設(shè)置的最高值時(shí)，由制動(dòng)單元（制動(dòng)斬波器）以直流PWM方式接通制動(dòng)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(jìn)一步升高。

制動(dòng)過(guò)程的原理圖如圖1所示。

變頻鉆機(jī)中的絞車和自動(dòng)送鉆的傳動(dòng)系統(tǒng)采用了能耗制動(dòng)功能，可以自動(dòng)投入制動(dòng)運(yùn)行，工作可靠，制動(dòng)迅速平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)了快速停車與正反轉(zhuǎn)，以及零速額定轉(zhuǎn)矩的“懸停”功能。以能耗制動(dòng)代替電磁剎車等其它輔助剎車，不僅使鉆臺(tái)重量減輕，節(jié)省了鉆臺(tái)空間，減少了投資，而且制動(dòng)特性好。這也是交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。

圖1 制動(dòng)原理圖

3 制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選型原則

3.1 Siemens制動(dòng)產(chǎn)品

在選型時(shí)根據(jù)負(fù)載可以計(jì)算出制動(dòng)所需的功率，從而選擇滿足最大制動(dòng)要求的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。

（1）制動(dòng)單元的選擇要保證其峰值功率和連續(xù)功率滿足制動(dòng)要求，即PBUmax≥Pmax，式中PBUmax為制動(dòng)單元的峰值功率，Pmax為制動(dòng)過(guò)程峰值功率；PDB≥PNBR，式中PDB為制動(dòng)單元的連續(xù)制動(dòng)功率，PNBR為制動(dòng)周期內(nèi)平均功率。

（2）制動(dòng)電阻要保證最大制動(dòng)電流不超過(guò)制動(dòng)單元的最大制動(dòng)電流IBUmax，同時(shí)又要保證其能夠吸收連續(xù)制動(dòng)功率PNBR和峰值功率Pmax，即（VBR／IBUmax）≤RBR＜（VBR／Imax），式中 VBR為制動(dòng)單元導(dǎo)通門檻電壓，IBUmax為制動(dòng)單元的峰值電流，Imax為制動(dòng)時(shí)間內(nèi)最大制動(dòng)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(diào)試軟件drivemonitor記錄傳動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)曲線，從而得出制動(dòng)過(guò)程中的功率曲線，然后利用這些曲線對(duì)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選型進(jìn)行校驗(yàn)。

通常設(shè)計(jì)多臺(tái)制動(dòng)單元和多臺(tái)制動(dòng)電阻并聯(lián)接到一臺(tái)變頻柜使用。多臺(tái)制動(dòng)單元之間的制動(dòng)功率均衡分配，需要精確調(diào)節(jié)每臺(tái)制動(dòng)單元的導(dǎo)通電壓值來(lái)解決問(wèn)題，才能實(shí)現(xiàn)可靠的電氣能耗制動(dòng)。在選用制動(dòng)單元時(shí)，各供貨廠家（公司）的制動(dòng)單元，其標(biāo)稱功率的定義各不相同，需要經(jīng)過(guò)換算。例如：西門子的制動(dòng)單元，其接線方式以及線的長(zhǎng)短都要嚴(yán)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(zhǎng)3m，制動(dòng)單元和外部制動(dòng)電阻間連接電纜長(zhǎng)度小于15m。對(duì)于存放時(shí)間超過(guò)一年的制動(dòng)單元，使用前要及時(shí)充電，充電時(shí)間取決于制動(dòng)單元停機(jī)時(shí)間如圖2所示。

圖2 充電時(shí)間是制動(dòng)單元停機(jī)事件的函數(shù)

3.2 ABB公司制動(dòng)產(chǎn)品

（1）首先計(jì)算在制動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載產(chǎn)生的最大峰值功率Pmax和平均功率PNBR。

（2）選擇合適的制動(dòng)單元，必須滿足下面的條件：PBUmax≥Pmax。

式中PBUmax是ABB制動(dòng)單元手冊(cè)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，它適用于給定的制動(dòng)周期。如果實(shí)際工作周期和給定周期不同，制動(dòng)單元需要通過(guò)計(jì)算選型：根據(jù)以下公式

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

可以算出電流IBUmax，然后再選擇制動(dòng)單元；反之，在已選制動(dòng)單元的前提下，可通過(guò)以上公式算出IAC值，把IAC和電機(jī)的實(shí)際制動(dòng)電流IACT做比較，來(lái)校驗(yàn)所選制動(dòng)單元是否滿足實(shí)際的制動(dòng)需要。

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

4 能耗制動(dòng)能力計(jì)算

變頻鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)絞車在下放工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，而電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)是來(lái)自于重物的勢(shì)能，根據(jù)能量守恒定律，產(chǎn)生的電能應(yīng)等于重物勢(shì)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(jì)算重物勢(shì)能產(chǎn)生的功率就是所需的制動(dòng)功率。對(duì)于下降物體勢(shì)能產(chǎn)生的功率很容易計(jì)算。

重力勢(shì)能：

熱能耗：

制動(dòng)時(shí)間：

下降勢(shì)能產(chǎn)生的功率：

根據(jù)能量守恒定律：

在實(shí)際應(yīng)用中，常用以下公式計(jì)算制動(dòng)功率，來(lái)配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。

制動(dòng)功率：

式（4）-（9）中：m 為負(fù)載重量，單位：kg；g為重力加速度 9.8m／s2；h 為負(fù)載下降高度，單位：m；n 為制動(dòng)單元數(shù)量；I為制動(dòng)單元工作時(shí)的電流，單位：A；R為制動(dòng)電阻，單位：Ω；Pe為制動(dòng)單元額定功率，單位：kW；V為負(fù)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(jī)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(jì)算出制動(dòng)功率P后再依據(jù)廠家提供的手冊(cè)配置相應(yīng)的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，電阻數(shù)量與制動(dòng)單元數(shù)量一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)制動(dòng)單元都必須具有獨(dú)立的制動(dòng)電阻。對(duì)于容量鄰近的制動(dòng)單元和容量相同的制動(dòng)單元，允許在同一條直流母線上并聯(lián)運(yùn)行，在帶有外部制動(dòng)電阻的變頻器中，制動(dòng)單元允許的功率為：

式中：PCONV為變頻器容量。

制動(dòng)電阻的負(fù)載圖如圖3所示。負(fù)載最大的制動(dòng)功率PDBmax、P20max，應(yīng)滿足電阻負(fù)載圖3中PDB和P20為產(chǎn)品允許值。所以要嚴(yán)格按照手冊(cè)數(shù)據(jù)配置制動(dòng)單元，否則可能為會(huì)因配置不當(dāng)導(dǎo)致制動(dòng)單元電流過(guò)大而燒壞。

以7000m變頻鉆機(jī)為例，通常使用西門子變頻器、西門子制動(dòng)單元配外部制動(dòng)電阻方案，依據(jù)以上計(jì)算公式及西門子制動(dòng)單元手冊(cè)配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。在70DB鉆機(jī)的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，考慮到位勢(shì)性負(fù)載長(zhǎng)時(shí)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(dòng)單元，這些單元并聯(lián)使用均能投入穩(wěn)定的工作；電阻數(shù)量與制動(dòng)單元數(shù)量一一對(duì)應(yīng)，制動(dòng)電阻選用R＝4.45Ω，在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)電阻溫升劇烈，在了解制動(dòng)電阻的負(fù)載特性后，可以采取相應(yīng)的冷卻措施。在變頻鉆機(jī)系統(tǒng)中一般采取強(qiáng)制風(fēng)冷，風(fēng)機(jī)隨著制動(dòng)過(guò)程啟動(dòng)，在制動(dòng)結(jié)束后風(fēng)機(jī)延時(shí)停止，可以保證制動(dòng)電阻冷卻效果。實(shí)踐證明此配置避免了制動(dòng)單元的頻繁燒毀，使設(shè)備可以可靠地運(yùn)行。

圖3 外接制動(dòng)電阻制動(dòng)單元功率負(fù)載圖

圖4 負(fù)載重量與速度的曲線圖

5 絞車負(fù)載重量與下放速度的曲線關(guān)系

由式（9）可以看出絞車負(fù)載重量mg與下放速度v存在一定的曲線關(guān)系。現(xiàn)根據(jù)絞車負(fù)載不同工況做如下計(jì)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(jì)算公式：

（2）絞車額定工作若按200t考慮，則有如下計(jì)算公式：

（3）絞車最小載荷若按130t考慮，則有如下計(jì)算公式：

從圖4的曲線中，可以看出絞車負(fù)載下放的速度隨著其重量的增大而減小，若實(shí)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(jī)的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(dòng)單元因過(guò)載而頻繁燒毀的現(xiàn)象，增加了工作的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

能耗制動(dòng)具有實(shí)現(xiàn)容易、投資小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其制動(dòng)的關(guān)鍵在于各制動(dòng)單元制動(dòng)功率的均衡分配，由于各個(gè)制動(dòng)單元存在個(gè)體差異，閥值電壓存在偏差，閥值電壓較低的制動(dòng)單元可能會(huì)提前投入工作，致使其過(guò)載，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞制動(dòng)單元，影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。鑒于200kW制動(dòng)單元存在以上缺點(diǎn)，可采用TRANSOMIK BC2大功率系列制動(dòng)單元，此制動(dòng)單元體積較小，可以節(jié)約大量的安裝空間，使單柜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)少，性價(jià)比高。對(duì)于7000m變頻鉆機(jī)可采用1200BC2／690（1200kW）制動(dòng)單元，此制動(dòng)單元瞬時(shí)功率為1200kW（60s，周期 180s），持續(xù)功率為 350kW；與之相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電阻選用1.1Ω，冷卻方式采用強(qiáng)制風(fēng)冷。目前此方案已在變頻鉆機(jī)中廣泛應(yīng)用。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所編著.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］王廣大.石油鉆機(jī)成套（配套）手冊(cè).天水電氣傳動(dòng)研究所.