楊 進(jìn)，胡 超，顧 問(wèn)

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)力度的不斷加大，深水海底電纜、軟管及臍帶纜等管纜鋪設(shè)施工裝備的類型和需求越來(lái)越多樣化，裝備驅(qū)動(dòng)變頻器也在不斷優(yōu)化升級(jí)、電氣自動(dòng)化程度越來(lái)越高，海工軟鋪裝備中使用變頻器控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電機(jī)頻率起到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整或剎車作用。

主要對(duì)三種海底管纜鋪設(shè)張緊器驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器、制動(dòng)電阻原理及其散熱模式進(jìn)行介紹以及比較，對(duì)未來(lái)深水油氣田管纜鋪設(shè)裝備國(guó)產(chǎn)化具有借鑒意義。

1 制動(dòng)電阻的工作原理

變頻器一般采用工頻交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，再將直流電源轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電源控制交流電機(jī)變速，固定頻率的三相交流電源經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)整流單元、濾波電容整流并濾波變成直流電源，直流電源經(jīng)過(guò)逆變單元再逆變成頻率和電壓可調(diào)的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)三相異步交流電機(jī)速度調(diào)節(jié)。

交流電機(jī)減速或剎車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量可通過(guò)變頻器逆變單元逆變成直流電源，如果直流側(cè)電能不斷積累，同時(shí)多余能量不能及時(shí)被消耗處理，則將會(huì)導(dǎo)致變頻器跳閘或損壞。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)減速時(shí)，通過(guò)降低變頻器輸出頻率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)降速；當(dāng)要求交流電機(jī)需要以更快加速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，則需要加快變頻器輸出降低速度指令頻率，使輸出頻率對(duì)應(yīng)的速度低于交流電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。在交流電機(jī)緊急制動(dòng)的情況下，電機(jī)負(fù)載的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換為電能反饋給變頻器，當(dāng)制動(dòng)電阻容量需求較大或者系統(tǒng)制動(dòng)要求較高時(shí)，則需要在變頻器外置單獨(dú)的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，將交流電機(jī)減速或剎車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量進(jìn)行消耗。

海洋工程裝備制動(dòng)電阻常選用波紋型電阻和鋁合金型電阻：①波紋電阻采用的是表面立式波紋，利于散熱減低寄生電感量，選用高阻燃無(wú)機(jī)涂層可以防止電阻絲被老化，從而提高電阻的使用壽命；②鋁合金電阻可緊密安裝，易于附加散熱器，全包封式的高散熱鋁合金外盒，具備很強(qiáng)的抗振性，可與外部環(huán)境隔開(kāi)、性能比較穩(wěn)定，常適用于功率大、體積小及高度惡劣工業(yè)環(huán)境。

2 制動(dòng)電阻類型及運(yùn)用

2.1 按制動(dòng)電阻冷卻形式分類

制動(dòng)電阻在消耗交流電機(jī)減速或制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量時(shí)，其自身將產(chǎn)生的大量熱能必需通過(guò)一定的冷卻方式予以消耗。如果裝備設(shè)計(jì)階段未選擇合適的冷卻方式，制動(dòng)電阻產(chǎn)生的熱能將聚集在制動(dòng)電阻內(nèi)部，同時(shí)將會(huì)造成制動(dòng)電阻過(guò)熱擊穿。海洋工程軟鋪裝備常采用變頻器外置制動(dòng)電阻形式。外置制動(dòng)電阻可以根據(jù)實(shí)際需求選擇制動(dòng)電阻冷卻形式，通過(guò)熱交換消耗交流電機(jī)減速或剎車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量，防止因制動(dòng)電阻器過(guò)載導(dǎo)致變頻器內(nèi)部過(guò)熱。按其冷卻形式可分為：自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻和閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻。

2.2 自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻（圖1）

圖1 自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻

自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻的結(jié)構(gòu)為一組或多組制動(dòng)電阻元件布置于相對(duì)開(kāi)放的結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過(guò)空氣對(duì)流或熱交換等傳遞方式向外界環(huán)境排出熱量，從而降低制動(dòng)電阻自身溫度，最終達(dá)到與外界環(huán)境溫度相同。因?yàn)闆](méi)有額外風(fēng)機(jī)對(duì)制動(dòng)電阻進(jìn)行通風(fēng)散熱，不需要額外的能量消耗，其結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單、故障率很低，而且不需要額外監(jiān)控裝置，因此長(zhǎng)期應(yīng)用成本較低。

自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，常適用于較小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝備。公司自有15 t 張緊器就采用自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻，由于其驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載功率（30 kW）較小、系統(tǒng)制動(dòng)功率低，因此選取繞線型制動(dòng)電阻：其表面立式波紋可以縮短傳熱路徑，增大換熱或?qū)崦娣e，將組件內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)組件機(jī)箱和安裝架散發(fā)出去。

自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻特點(diǎn)：①最大限度地利用導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射等簡(jiǎn)單、可靠的冷卻技術(shù)；②設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方便，制動(dòng)電阻螺栓緊固拆卸較為簡(jiǎn)單；③依靠與周圍空氣進(jìn)行熱交換進(jìn)行散熱、散熱效率較低，只適用于制動(dòng)功率較低或制動(dòng)功率較小，但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境寬闊的情況；④自然通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻冷卻效果比較緩慢，制動(dòng)效果不如強(qiáng)迫通風(fēng)冷和閉環(huán)水冷。

2.3 強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻

強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)為一組或幾組制動(dòng)電阻元件封閉在一個(gè)冷卻通風(fēng)道內(nèi)，風(fēng)道的一側(cè)安裝冷卻風(fēng)機(jī)，而另一端則通向大氣環(huán)境，制動(dòng)電阻元件平行布置在冷卻風(fēng)道內(nèi)，從而可減小冷卻風(fēng)阻并提高散熱效率。但強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型散熱需要額外配置一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)工作時(shí)總體能量消耗將增大并同時(shí)產(chǎn)生一定噪音，還必須安裝風(fēng)壓監(jiān)控和溫度監(jiān)控裝置以確保通風(fēng)量滿足制動(dòng)電阻散熱需求。

強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻適用于較大制動(dòng)功率且安裝空間有限的海洋工程裝備，公司自有100 t 張緊器采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻，（單個(gè)電阻值5 Ω，功率90 kW），通過(guò)在制動(dòng)電阻箱一側(cè)增設(shè)散熱風(fēng)機(jī)，對(duì)制動(dòng)電阻箱進(jìn)行強(qiáng)迫性吹風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電阻工作時(shí)產(chǎn)生熱量的強(qiáng)行降溫。

強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型制動(dòng)電阻特點(diǎn)：①冷卻效果較自然通風(fēng)冷卻強(qiáng)，安裝所需空間體積和重量較?。虎谶m用于制動(dòng)功率較大、安裝空間有限的情況；③工作時(shí)風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪聲大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境造成影響。

2.4 閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻

閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻常外置一套淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過(guò)增加一個(gè)空氣與水對(duì)流的熱交換器，把交流電機(jī)減速或剎車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中。水冷熱交換器通常有一組進(jìn)水口和出水口組成，熱交換器內(nèi)可布置多條淡水循環(huán)通道，即可充分利用水循環(huán)冷卻制動(dòng)電阻的功能。

目前多數(shù)海洋工程船舶都自帶有一個(gè)淡水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，而閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻通過(guò)船舶淡水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，而越來(lái)越廣泛應(yīng)用于船舶輪機(jī)、石油鉆機(jī)、船舶起重吊機(jī)等大功率負(fù)載裝備中。公司自有325 t 深水軟鋪系統(tǒng)則選用1600 kW（2×800 kW）水冷卻型制動(dòng)電阻。如圖2 所示，法蘭處接入船舶冷卻水系統(tǒng)。安裝流量監(jiān)控和溫度監(jiān)控傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控制動(dòng)電阻狀態(tài)，防止制動(dòng)電阻由于過(guò)熱導(dǎo)致異常。

閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻特點(diǎn)：①制動(dòng)電阻冷卻效果好，相比較于自然通風(fēng)、強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式，制動(dòng)電阻功率可以大幅度減小、體積和重量相應(yīng)的減少；②對(duì)流量和溫度傳感器進(jìn)行定期檢查校準(zhǔn)，水冷散熱器需要的內(nèi)部部件較多，需要的安裝空間較大，價(jià)錢比風(fēng)冷系統(tǒng)高。

圖2 閉環(huán)水冷型制動(dòng)電阻

3 制動(dòng)電阻種類的選擇

交流電機(jī)減速或剎車制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，因此制動(dòng)電阻在設(shè)計(jì)選型過(guò)程中要考慮散熱通風(fēng)設(shè)置和人員安全的問(wèn)題，制動(dòng)電阻的安裝最小通風(fēng)空間建議上下各100 mm，左右各30 mm。禁止在制動(dòng)電阻周圍安裝或存放易爆、易燃物品，制動(dòng)電阻需安裝在人手不易觸及到的地方，安裝之前時(shí)需要綜合考慮是否會(huì)影響其他設(shè)備的工作。制動(dòng)電阻連接電纜需滿足絕緣等級(jí)要求，導(dǎo)線截面要滿足制動(dòng)電阻泄放電流的標(biāo)準(zhǔn)，直流側(cè)電纜應(yīng)該絞合以減少輻射和電感，連接制動(dòng)電阻導(dǎo)線需用耐熱導(dǎo)線。

根據(jù)選擇不同的電阻功率及工作環(huán)境，選用不同的制動(dòng)電阻冷卻方式，在海洋工程裝備中制動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮海洋環(huán)境對(duì)制動(dòng)電阻設(shè)計(jì)的影響、裝備制動(dòng)能量等因素，對(duì)制動(dòng)電阻進(jìn)行全壽命周期成本分析，以選擇最佳的制動(dòng)電阻類型。并對(duì)裝備的運(yùn)行使用時(shí)間進(jìn)行合理安排，最大程度利用制動(dòng)能量，減少制動(dòng)電阻上的電能損耗。采取自然冷卻的冷卻方式，相比較于其他兩種冷卻方式，需選擇更大的電阻功率，質(zhì)量和體積也更大，對(duì)于海上施工設(shè)備，安裝空間有局限性且負(fù)載功率較大的情況下，更適合采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻型和閉環(huán)水冷型。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海洋工程軟鋪裝備制動(dòng)電阻原理及散熱模式分析，對(duì)于不同種類的制動(dòng)電阻類型具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)選型方法各不相同，但制動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、輕便，同時(shí)具備良好的冷卻效果、高可靠性和易維護(hù)性，并使制動(dòng)電阻全生命周期成本最小化。設(shè)計(jì)選型時(shí)必須對(duì)制動(dòng)電阻溫升進(jìn)行精確分析，使制動(dòng)電阻帶使用量最小化、風(fēng)量及風(fēng)道尺寸最小化、合理的布置電阻絲，為保證制動(dòng)電阻的高可靠性，同時(shí)在全生命周期內(nèi)進(jìn)行細(xì)致的失效模式分析,發(fā)現(xiàn)存在的失效隱患及時(shí)改進(jìn)。