能耗制動(dòng)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用

1、能耗制動(dòng)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用在當(dāng)今的石油鉆機(jī)行業(yè)，大量新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，交流數(shù)字變頻技術(shù)作為電動(dòng)鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，已越來越多地在石油鉆機(jī)上得到應(yīng)用，而能耗制動(dòng)技術(shù)則拓展了交流數(shù)字變頻鉆機(jī)的功能，特別是為游車下放速度的精確控制和自動(dòng)送鉆的實(shí)現(xiàn)提供了必要的條件。交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)使用的電機(jī)一般為異步電動(dòng)機(jī)。從電工學(xué)中有關(guān)知識可知：異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速NM總是低于同步轉(zhuǎn)速N0，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速NM超過同步轉(zhuǎn)速N0時(shí)，電動(dòng)機(jī)便處于再生制動(dòng)狀態(tài)。其基本特性是： （1）N0與NM同方向； （2）N0<NM 當(dāng)起重機(jī)放下重物時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，故工作點(diǎn)順著原機(jī)械待性曲線

2、向第二象限移動(dòng)，直至電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩-TM與重物的牽引轉(zhuǎn)矩TG相等，這時(shí)的工作點(diǎn)已移至G點(diǎn)(-TMTG，nG)。當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)降速時(shí)，由于頻率降低，機(jī)械特性變成了曲線。但由于拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不可能突變，因而工作點(diǎn)將從曲線上的Q點(diǎn)(TQ、nQ)按轉(zhuǎn)速末變的原則“跳轉(zhuǎn)”到曲線上。由于曲線上與轉(zhuǎn)速nQ對應(yīng)的點(diǎn)是第二象限的B點(diǎn)，于是得到反方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TB，使拖動(dòng)系統(tǒng)迅速降速。當(dāng)NM>N0時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線的方向和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)NM<N0時(shí)正好相反。所以，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流的方向也都相反，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也就和旋轉(zhuǎn)方向相反。由于定子電流的相位要隨轉(zhuǎn)子電流而變

3、。所以，這時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于發(fā)電的狀態(tài)，或者說，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能被“再生”成電能了。在交流變頻系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)在兩種情況下處于發(fā)電狀態(tài)。第一，給定頻率下降時(shí)，將出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)速的情況。這時(shí)，就電動(dòng)機(jī)而言，它處于發(fā)電的狀態(tài)；第二，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)用于提升負(fù)載使用而處于下放重物工況時(shí)，由于重力加速度的原因，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能超過同步轉(zhuǎn)速而處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。交流數(shù)控變頻鉆機(jī)絞車系統(tǒng)中的異步電動(dòng)機(jī)，降速是通過降低頻率來實(shí)現(xiàn)的。在給定頻率降低后，由于變頻系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間很快，加于電動(dòng)機(jī)定子的電源頻率也很快跟隨給定頻率，而拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速則由于慣性而尚未下降，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速的情況，這時(shí)

4、電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電功率與dn/dt成正比；當(dāng)絞車處于下放工況時(shí)，由于重力加速度的原因，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能超過同步轉(zhuǎn)速而處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電功率與懸重和下放速度成正比。處于送鉆狀態(tài)下的送鉆電機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)），其工作的絕大部分時(shí)將也處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電功率與懸重和送鉆速度成正比。在一般情況下電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)之間通過開關(guān)設(shè)備直接連接（如部分不需要調(diào)速提升機(jī)），異步電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電能均能回饋到供電電網(wǎng)，供電網(wǎng)內(nèi)其他用電設(shè)備使用，這就要求電網(wǎng)容量足夠大，從而將電網(wǎng)內(nèi)由異步電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能供給其他負(fù)載使用，這樣非但節(jié)省了電能，還增大了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而石油鉆機(jī)工作現(xiàn)場一般都遠(yuǎn)離大

5、電網(wǎng)，各種用電設(shè)備的電能一般由鉆機(jī)的自備電站提供，且形成專供本鉆機(jī)使用的獨(dú)立電網(wǎng)。如果鉆機(jī)電網(wǎng)在運(yùn)行，某些負(fù)載又處于發(fā)電狀態(tài)，且功率較大，并將負(fù)載在發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)，由于鉆機(jī)電網(wǎng)負(fù)載時(shí)常變化，負(fù)載功率有限，這樣就有可能出現(xiàn)回饋功率大于電網(wǎng)的有功功率，從而造成發(fā)電機(jī)逆功率，即使回饋功率小于電網(wǎng)有功功率，也會(huì)對電網(wǎng)和設(shè)備造成干擾、波形畸變，甚至發(fā)生事故。所以，對于像鉆機(jī)這樣的小電網(wǎng)，盡量不采用將再生能量回饋到電網(wǎng)的方式來進(jìn)行制動(dòng)，而是將回饋電能通過其他方式進(jìn)行消耗。從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度看，如果電動(dòng)機(jī)再生電能并未回饋到電網(wǎng)，而是通過其他方式消耗掉的話，則就調(diào)速系統(tǒng)而言，屬于能耗制動(dòng)的范疇

6、，這與普遍意義上的能耗制動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別（后者是需要消耗電網(wǎng)電能來達(dá)到制動(dòng)的目的，而前者不需要消耗電網(wǎng)電能）。由于數(shù)控變頻電動(dòng)鉆機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)采用的電動(dòng)機(jī)的功率相對于鉆機(jī)電網(wǎng)來說較大，所以不能采用四象限變頻裝置來將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能回饋到鉆機(jī)電網(wǎng)，一般采用單象限變頻裝置就能滿足要求，為能使單象限變頻裝置工作在發(fā)電狀態(tài)，需要一個(gè)（組）接在直流電壓母線上的制動(dòng)單元，該制動(dòng)單元的功能是將電動(dòng)機(jī)回饋到直流母線的再生電能轉(zhuǎn)換為熱能而消耗掉，保證直流電壓母線電壓不會(huì)因回饋能量的積累而產(chǎn)生過電壓故障。制動(dòng)單元實(shí)際上是一套將固定直流電變?yōu)榭烧{(diào)直流電的斬波器裝置，內(nèi)部主回路器件采用的是IGBT （絕緣柵雙極晶體管），

7、電壓的調(diào)制采用的是PWM （脈寬調(diào)制），制動(dòng)單元根據(jù)直流母線電壓高低自動(dòng)改變脈沖占空比（幅值、頻率不變），從而調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓的高低與脈沖占空比成正比，制動(dòng)電阻的功率為：k=0 ；Ud<閾值，脈沖封鎖，輸出電壓為0 k=CUd ；Ud閾值,C為常數(shù)U=kUd ；U為輸出平均電壓，k為脈沖占空比，Ud為直流母線電壓P=U2/R ；R為制動(dòng)電阻阻值在石油鉆機(jī)中，具有提升功能的主要是絞車系統(tǒng)和自動(dòng)送鉆系統(tǒng)，從我公司近幾年推出的DBS系列電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)來看，由于能耗制動(dòng)技術(shù)配合矢量控制技術(shù)（或直接轉(zhuǎn)矩控制），能夠?qū)τ诬嚳蛰d至最大構(gòu)載的下放速度進(jìn)行精確控制，且絞車在運(yùn)行時(shí)，不需要其他剎車裝置，司

8、鉆只需前推后拉絞車速度給定手柄即可對游車進(jìn)行上提、下放、懸持的操作，既提高了工效，也減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而自動(dòng)送鉆功能的實(shí)現(xiàn)也融合了能耗制動(dòng)技術(shù)。由于能耗制動(dòng)功率的配置與額定載荷下的下鉆速度和變頻系統(tǒng)的配置有關(guān)，功率選擇過小將直接影響到下鉆速度，而選擇過大則會(huì)對變頻器產(chǎn)生不良影響，所以，能耗制動(dòng)功率應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定和實(shí)際情況選擇，不可過小或過大，能耗制動(dòng)系統(tǒng)功率（長時(shí)）的選擇按下式計(jì)算：P0.7vG ； v為游車下放速度，G為大鉤懸重P0.6P變 ； P變?yōu)樽冾l器功率PMAX2.4P變 ； PMAX為最大制動(dòng)功率另外，同一變頻系統(tǒng)中的制動(dòng)單元數(shù)量不得超過5組。在實(shí)際運(yùn)用中采用功率閉環(huán)，變頻系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況限制下放的最高速度，從而避免制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻過載，能耗制動(dòng)的投入和調(diào)制是根據(jù)變頻裝置直流母線電壓的高低