能耗制动在石油钻机中的应用

能耗制动在石油钻机中的应用在当今的石油钻机行业，大量新技术、新产品不断涌现，交流数字变频技术作为电动钻机电传动系统的发展方向，已越来越多地在石油钻机上得到应用，而能耗制动技术则拓展了交流数字变频钻机的功能，特别是为游车下放速度的精确控制和自动送钻的实现提供了必要的条件。交流变频电动钻机使用的电机一般为异步电动机。从电工学中有关知识可知：异步电机在运行时，电动状态的转子转速NM总是低于同步转速N0，当转子转速NM超过同步转速N0时，电动机便处于再生制动状态。其基本特性是：（1）N0与NM同方向；（2）N0NM当起重机放下重物时，因为转子转速超过了同步转速，故工作点顺着原机械待性曲线向第二象限移动，直至电磁制动转矩-TM与重物的牵引转矩TG相等，这时的工作点已移至G点(-TM＝TG，nG)。当变频调速系统降速时，由于频率降低，机械特性变成了曲线②。但由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线①上的Q点(TQ、nQ)按转速末变的原则“跳转”到曲线②上。由于曲线②上与转速nQ对应的点是第二象限的B点，于是得到反方向的制动转矩TB，使拖动系统迅速降速。当NMN0时，转子绕组切割旋转磁场的磁力线的方向和电动机状态NMN0时正好相反。所以，转子绕组中的感应电动势和电流的方向也都相反，所产生的电磁转矩的方向也就和旋转方向相反。由于定子电流的相位要随转子电流而变。所以，这时的异步电动机实际上处于发电的状态，或者说，拖动系统的动能被“再生”成电能了。在交流变频系统中，异步电动机在两种情况下处于发电状态。第一，给定频率下降时，将出现电动机的同步转速低于转速的情况。这时，就电动机而言，它处于发电的状态；第二，当异步电动机用于提升负载使用而处于下放重物工况时，由于重力加速度的原因，电动机转子的转速可能超过同步转速而处于发电运行状态。交流数控变频钻机绞车系统中的异步电动机，降速是通过降低频率来实现的。在给定频率降低后，由于变频系统反应时间很快，加于电动机定子的电源频率也很快跟随给定频率，而拖动系统的转速则由于惯性而尚未下降，出现转子转速大于同步转速的情况，这时电动机处于发电状态，发电功率与dn/dt成正比；当绞车处于下放工况时，由于重力加速度的原因，异步电动机转子的转速可能超过同步转速而处于发电运行状态，发电功率与悬重和下放速度成正比。处于送钻状态下的送钻电机（异步电动机），其工作的绝大部分时将也处于发电运行状态，发电功率与悬重和送钻速度成正比。在一般情况下电动机与电网之间通过开关设备直接连接（如部分不需要调速提升机），异步电动机在发电状态时产生的电能均能回馈到供电电网，供电网内其他用电设备使用，这就要求电网容量足够大，从而将电网内由异步电动机在发电状态产生的电能供给其他负载使用，这样非但节省了电能，还增大了制动转矩。而石油钻机工作现场一般都远离大电网，各种用电设备的电能一般由钻机的自备电站提供，且形成专供本钻机使用的独立电网。如果钻机电网在运行，某些负载又处于发电状态，且功率较大，并将负载在发电状态产生的电能回馈到电网，由于钻机电网负载时常变化，负载功率有限，这样就有可能出现回馈功率大于电网的有功功率，从而造成发电机逆功率，即使回馈功率小于电网有功功率，也会对电网和设备造成干扰、波形畸变，甚至发生事故。所以，对于像钻机这样的小电网，尽量不采用将再生能量回馈到电网的方式来进行制动，而是将回馈电能通过其他方式进行消耗。从变频调速系统的角度看，如果电动机再生电能并未回馈到电网，而是通过其他方式消耗掉的话，则就调速系统而言，属于能耗制动的范畴，这与普遍意义上的能耗制动有本质的区别（后者是需要消耗电网电能来达到制动的目的，而前者不需要消耗电网电能）。由于数控变频电动钻机电传动系统采用的电动机的功率相对于钻机电网来说较大，所以不能采用四象限变频装置来将电动机产生的电能回馈到钻机电网，一般采用单象限变频装置就能满足要求，为能使单象限变频装置工作在发电状态，需要一个（组）接在直流电压母线上的制动单元，该制动单元的功能是将电动机回馈到直流母线的再生电能转换为热能而消耗掉，保证直流电压母线电压不会因回馈能量的积累而产生过电压故障。制动单元实际上是一套将固定直流电变为可调直流电的斩波器装置，内部主回路器件采用的是IGBT（绝缘栅双极晶体管），电压的调制采用的是PWM（脉宽调制），制动单元根据直流母线电压高低自动改变脉冲占空比（幅值、频率不变），从而调节输出电压，输出电压的高低与脉冲占空比成正比，制动电阻的功率为：k=0；Ud阈值，脉冲封锁，输出电压为0k=CUd；Ud≥阈值,C为常数U=kUd；U为输出平均电压，k为脉冲占空比，Ud为直流母线电压P=U2/R；R为制动电阻阻值在石油钻机中，具有提升功能的主要是绞车系统和自动送钻系统，从我公司近几年推出的DBS系列电驱动钻机来看，由于能耗制动技术配合矢量控制技术（或直接转矩控制），能够对游车空载至最大构载的下放速度进行精确控制，且绞车在运行时，不需要其他刹车装置，司钻只需前推后拉绞车速度给定手柄即可对游车进行上提、下放、悬持的操作，既提高了工效，也减轻了劳动强度，而自动送钻功能的实现也融合了能耗制动技术。由于能耗制动功率的配置与额定载荷下的下钻速度和变频系统的配置有关，功率选择过小将直接影响到下钻速度，而选择过大则会对变频器产生不良影响，所以，能耗制动功率应根据相关规定和实际情况选择，不可过小或过大，能耗制动系统功率（长时）的选择按下式计算：P≥0.7vG；v为游车下放速度，G为大钩悬重P≤0.6P变；P变为变频器功率PMAX≤2.4P变；PMAX为最大制动功率另外，同一变频系统中的制动单元数量不得超过5组。在实际运用中采用功率闭环，变频系统可自动根据实际负载情况限制下放的最高速度，从而避免制动单元和制动电阻过载，能耗制动的投入和调制是根据变频装置直流母线电压的高低自动完成的。西门子和ABB等厂家均有各种规格的制动单元和制动电阻供用户选择，能够满足石油钻机对制动功率的要求。综上所述，利用异步电动机再生制动的特性与数字变频技术相结合而成的能耗制动，使石油钻机的性能得到较大的提高，为石油钻机全数字控制的实现提供了有利条件。