钻井绞车的数控能耗制动

       在绞车的数控能耗制动中，PLC工控机通过分析采集的数字信号，感知游动系统的悬重，控制主电机的反转速度，使钻具以设定的速度平稳安全下放。主电机的转速在零时也能输出1.5倍以上的额定扭矩，从而可实现钻具的悬停。
       能耗制动方式中,盘刹、带刹仅作为安全驻车的紧急刹动。相对于液压盘刹做主刹车的方式，它克服后者手动送钻手感差、刹车片需经常调整间隙且磨损的缺点。相对于带车刹车作主刹车的方式，它具有更多大的优势，把司钻从繁重的体力中解脱出来，并且提高了可靠安全性。更重要的是，可实现绞车刹车系统的自动控制，避免因误操作引起的溜、蹾钻事故，使操作平稳、安全、可靠。使用能耗制动功能，制动平稳迅速，实现了快速停车与正反转。以能耗制动代替电磁刹车，不仅使钻台重量减轻，节省钻台空间，并且制动特性好。
      在钻机变频调速系统中，当电动机减速或者负载下放时，变频电机处于再生发电制动状态。传动系统中的机械能经变频电机转换为电能，如下图所示。逆变器的6个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧。此时的逆变器处于整流状态。绞车下放过快时，将导致中间回路的储能电容器电压上升过高，或者烧坏电机，因此将认真对待这部分能量。
在变频器中，对再生能量的处理方法有三种：
（1） 在直流回路中认为设置“制动电阻”，与电容器并联，再生能量耗散到该电阻中。
（2） 再生能量由并联在直流回路的其他传动系统吸收。
（3） 再生能量回馈到电网。
       如果属于前两种工作状态，成为动力制动状态；如果属于一种工作状态，则称为回馈制动状态（也叫能耗制动状态），即利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能，如下图所示。制动单元包括晶体管VB二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或者要求强制动，还可以选用H、G两点上的外制动电阻REB。当电动机制动，能量经逆变器回馈到直流侧时，直流回路电容器上的电压将升高，当该值超过设定值时，给VB施加基极信号使之导通，将RB（REB）与电容器并连起来，存储在电容中的回馈能量经RB（REB）消耗掉。控制回路具有控制制动单元的软件功能，可通过特定的功能吗，予以恰当的设定。
      接入SCR有源逆变器(NGP)可以将电动及再生制动时回馈到直流侧的有功能量回馈到交流电网。在SCR有源逆变器的控制角α＞900 (即β＜900)可以实现这种能量回馈。（注α-晶闸管的整流延迟角；β-晶闸管的逆变控制）。电动状态与回馈状态的转换可以通过控制β角来实现。这种制动方式对于向绞车这样的位能负载来说，节能十分可观，但使用却有局限性，只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网压制动运行时将不大于10%）才可以采用这种方式。在发电制动运行时，若电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，烧断熔断器。也可采用斩控式整流器进行回馈制动，虽然从性能上优于NGP，但控制复杂，目前成本较高，随着元器件机控制系统工艺的进一步成熟，将会在钻机上逐步采用。
       大部分数控变频钻机是一种多电机系统，每台电机都有一台变频器单独驱动，他们可能出于电动状态，也可能出于制动状态。对这样得多级系统再生能量的处理，除可以对每台单机都采用制动电阻或能量回馈之外，也常用共用“直流均衡母线”和“共用直流回路母线”方式。均衡母线方式是利用连接模块连接到直流回路母线上。连接模块中包括电抗器、熔断器和接触器，它必须根据具体情况单独设计；每台变频器具有相对的独立性，按需要可接入或切离直流母线。回路母线方式是仅将逆变器部分连接到一个公共的直流回路上。由于PWM的中间直流电压稳定，所以此方案是可行的。

能耗制动原理图
      公用直流均衡母线方式有如下的优点：（1）多机传动系统中每台额的再生能量可以被充分利用。因为多台逆变器一般不会同时出于制动状态，少数制动的逆变器回馈到直流侧的能量，可以直接被另一些工作状态的逆变器回收。（2）制动引起的再生能量可以耗散于集中的制动电阻上，已可以通过集中得到NGP回馈到电网。(3) 也可以利用蓄电池或者电容器实现对电源瞬时停电的集中缓冲。对于这种设计方案，制造厂家只提供个单独部分，总体的设计需要用户自己完成。目前西门子公司已将整流器逆变器分开，以提供对“共用母线”方式的技术支持。