万能制动电阻的研发与应用
摘 要：万能制动电阻是通过对公司目前所有的交流变频电动钻机制动单元型号和制动电阻参数归纳总结，通过分析研究一种经组合可以满足目前所有制动电阻的不同参数值，制作在移动式房体内，以作紧急替换使用，缩短故障间断时间。
关键词：交流变频；制动电阻；制动单元；斩波器；逆变模块
1 制动电阻的作用及选型
交流变频电动钻机在起下钻作业时，绞车电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电流经变频器续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分可以消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压升高。过高的直流电压会使各部分器件受到损害，变频器也会报故障并停机。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。
变频器的制动单元作为接通制动电阻的“开关”，由大功率晶体管及其驱动电路构成，其功能是为放电电流环节电容器在规定的电压范围内储存不了或者内接的制动电阻来不及消耗掉而使直流部分“过压”时，接通外部制动组件即制动电阻，以加快消耗再生电能的速度。
制动电阻作为电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通过对制动电阻阻值和功率的确定，保证制动过程使变频器直流母线电压恒定，且电阻不因发热而快速老化。电阻阻值主要根据所需制动转矩的大小选择，功率则根据阻值和使用率确定，其计算过程复杂烦琐且与变频器本身参数关系密切。因此，通常变频器厂家会给出制动电阻阻值和功率的建议参数值，方便用户选择合适的外接制动电阻安装使用。
2 万能制动电阻的目的及其重要性
起下钻作业时绞车频繁降速和停机的工作特点决定了制动电阻的必要性，而制动电阻阻值和功率的保证决定了变频器能否正常工作。2014年先后有两支井队在下钻作业时制动电阻损坏无法消耗再生电能，导致变频器的直流母线电压过高，引起变频器报故障并停机无法使用，当时因没有电阻阻值和功率参数相匹配的备用制动电阻，而只好紧急加工改造，使下钻作业等停近5小时。所以，能否研发制作一套电阻阻值和功率参数可变可选、安装替换灵活方便的通用型制动电阻成为一项具有现实意义的科技研究课题。
2.1 万能制动电阻的理论分析
针对钻井一公司现有的23部交流变频电动钻机，根据不同变频器生产厂家、不同变频器型号和不同制动方案归纳出所有的制动单元数量及制动电阻参数。如果可以制作一套满足所有制动单元数量和制动电阻参数的通用型制动电阻，那么该制动电阻即可为目前公司所有的交流变频电动钻机所使用。
2.2 万能制动电阻的分析方法与计算过程
为满足现有钻机的制动电阻通用性，至少需要搭接出5种不同阻值（4.45Ω、1.1Ω、0.647Ω、2.72Ω、2.2Ω）的电阻，其中单元数量最多、阻值为4.45Ω的电阻需要21组。根据所有情况的阻值最大值选择4.45Ω作为搭接其他阻值电阻的基础单元阻值，再根据电阻并联、串联计算公式找出其他四种阻值的合理搭接方式。
2.3 万能制动电阻房
制动电阻房用于安装万能制动电阻，此房具有防雨、防火、防震、防潮等措施，符合安全操作要求。制动电阻位于房体中间部位，有足够的散热空间，接线位置位于制动电阻正前方，并装有端子防护罩，接线端下面预留电缆穿线位置。从正前方看，制动电阻的进风口在右侧、出风口在左侧，即风向为从右往左吹。制动电阻房四面开门，门上装有散热片，出风口对应的门带有不锈钢材质的散热片。房内保证足够的维修空间，电缆出线直接连到电控房。
3 功能配置
制动电阻装置由48组电阻单元、8台2.2kW交流轴流通风机、骨架等组成，强迫风冷。冷却风机从装置侧面进入，流经轴流通风机、电阻单元，最后由另一侧排出。每种电阻单元主要由电阻带、引出铜排、绝缘瓷件及各钣金外框组成。
制动电阻房顶安装有自动声光报警灯，对因制动电阻风机故障等原因的失风进行报警，避免制动电阻因失风无法冷却造成电阻烧毁。考虑到该制动电阻的主要目的是紧急替换原有电阻、保证生产不间断进行，特将冷却风机的24VDC控制信号取消，改为380VAC上电即工作，提高时效。
制动电阻保留温度测试传感器及温度显示单元，温度显示单元具有485通讯接口，配备Modbus-RTU协议的温度表。制动电阻的风压和温度信号可靠的以Modbus协议输出至PROFIBUS总线桥。
4 结论
该万能制动电阻解决了不同年代变频器产品、不同制动电阻参数值而无法一一备用的尴尬问题，其时效性等特点对公司生产保障的经济效益是不可估量的，其移动性、易用性和通用性等特点对公司设备管理是一项具有现实意义且影响深远的科技创新。
参考文献：
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作者简介：
许文言（1988—），女，供职于渤海装备辽河重工有限公司，助理工程师，技术员。