海洋工程软铺装备制动电阻原理及散热模式分析

杨 进，胡 超，顾 问

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

随着世界范围内海洋油气资源开发力度的不断加大，深水海底电缆、软管及脐带缆等管缆铺设施工装备的类型和需求越来越多样化，装备驱动变频器也在不断优化升级、电气自动化程度越来越高，海工软铺装备中使用变频器控制技术驱动电机旋转，通过改变电机频率起到对电机转速的调整或刹车作用。

主要对三种海底管缆铺设张紧器驱动电机变频器、制动电阻原理及其散热模式进行介绍以及比较，对未来深水油气田管缆铺设装备国产化具有借鉴意义。

1 制动电阻的工作原理

变频器一般采用工频交流电源转换成直流电源，再将直流电源转换成其他频率的交流电源控制交流电机变速，固定频率的三相交流电源经过变频器内整流单元、滤波电容整流并滤波变成直流电源，直流电源经过逆变单元再逆变成频率和电压可调的交流电源，从而实现三相异步交流电机速度调节。

交流电机减速或刹车制动过程中产生的能量可通过变频器逆变单元逆变成直流电源，如果直流侧电能不断积累，同时多余能量不能及时被消耗处理，则将会导致变频器跳闸或损坏。当变频器驱动交流电机控制转动机构减速时，通过降低变频器输出频率实现转动机构降速；当要求交流电机需要以更快加速度进行制动时，则需要加快变频器输出降低速度指令频率，使输出频率对应的速度低于交流电机实际的转速，从而对交流电机进行制动。在交流电机紧急制动的情况下，电机负载的机械能被转换为电能反馈给变频器，当制动电阻容量需求较大或者系统制动要求较高时，则需要在变频器外置单独的制动单元和制动电阻，将交流电机减速或刹车制动过程中产生的能量进行消耗。

海洋工程装备制动电阻常选用波纹型电阻和铝合金型电阻：①波纹电阻采用的是表面立式波纹，利于散热减低寄生电感量，选用高阻燃无机涂层可以防止电阻丝被老化，从而提高电阻的使用寿命；②铝合金电阻可紧密安装，易于附加散热器，全包封式的高散热铝合金外盒，具备很强的抗振性，可与外部环境隔开、性能比较稳定，常适用于功率大、体积小及高度恶劣工业环境。

2 制动电阻类型及运用

2.1 按制动电阻冷却形式分类

制动电阻在消耗交流电机减速或制动过程中产生的能量时，其自身将产生的大量热能必需通过一定的冷却方式予以消耗。如果装备设计阶段未选择合适的冷却方式，制动电阻产生的热能将聚集在制动电阻内部，同时将会造成制动电阻过热击穿。海洋工程软铺装备常采用变频器外置制动电阻形式。外置制动电阻可以根据实际需求选择制动电阻冷却形式，通过热交换消耗交流电机减速或刹车制动过程中产生的能量，防止因制动电阻器过载导致变频器内部过热。按其冷却形式可分为：自然通风冷却型制动电阻、强迫通风冷却型制动电阻和闭环水冷型制动电阻。

2.2 自然通风冷却型制动电阻（图1）

图1 自然通风冷却型制动电阻

自然通风冷却型制动电阻的结构为一组或多组制动电阻元件布置于相对开放的结构内，通过空气对流或热交换等传递方式向外界环境排出热量，从而降低制动电阻自身温度，最终达到与外界环境温度相同。因为没有额外风机对制动电阻进行通风散热，不需要额外的能量消耗，其结构最为简单、故障率很低，而且不需要额外监控装置，因此长期应用成本较低。

自然通风冷却型制动电阻设计制造简单、应用广泛，常适用于较小功率电机驱动装备。公司自有15 t 张紧器就采用自然通风冷却型制动电阻，由于其驱动电机负载功率（30 kW）较小、系统制动功率低，因此选取绕线型制动电阻：其表面立式波纹可以缩短传热路径，增大换热或导热面积，将组件内产生的热量通过组件机箱和安装架散发出去。

自然通风冷却型制动电阻特点：①最大限度地利用导热、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术；②设备维护保养方便，制动电阻螺栓紧固拆卸较为简单；③依靠与周围空气进行热交换进行散热、散热效率较低，只适用于制动功率较低或制动功率较小，但现场环境宽阔的情况；④自然通风冷却型制动电阻冷却效果比较缓慢，制动效果不如强迫通风冷和闭环水冷。

2.3 强迫通风冷却型制动电阻

强迫通风冷却型制动电阻结构为一组或几组制动电阻元件封闭在一个冷却通风道内，风道的一侧安装冷却风机，而另一端则通向大气环境，制动电阻元件平行布置在冷却风道内，从而可减小冷却风阻并提高散热效率。但强迫通风冷却型散热需要额外配置一台冷却风机，系统工作时总体能量消耗将增大并同时产生一定噪音，还必须安装风压监控和温度监控装置以确保通风量满足制动电阻散热需求。

强迫通风冷却型制动电阻适用于较大制动功率且安装空间有限的海洋工程装备，公司自有100 t 张紧器采用强迫通风冷却型制动电阻，（单个电阻值5 Ω，功率90 kW），通过在制动电阻箱一侧增设散热风机，对制动电阻箱进行强迫性吹风，从而实现制动电阻工作时产生热量的强行降温。

强迫通风冷却型制动电阻特点：①冷却效果较自然通风冷却强，安装所需空间体积和重量较小；②适用于制动功率较大、安装空间有限的情况；③工作时风扇所产生的噪声大，对现场工作环境造成影响。

2.4 闭环水冷型制动电阻

闭环水冷型制动电阻常外置一套淡水循环冷却系统，通过增加一个空气与水对流的热交换器，把交流电机减速或刹车制动过程中产生的能量转移到循环冷却水系统中。水冷热交换器通常有一组进水口和出水口组成，热交换器内可布置多条淡水循环通道，即可充分利用水循环冷却制动电阻的功能。

目前多数海洋工程船舶都自带有一个淡水冷却循环系统，而闭环水冷型制动电阻通过船舶淡水冷却循环系统，而越来越广泛应用于船舶轮机、石油钻机、船舶起重吊机等大功率负载装备中。公司自有325 t 深水软铺系统则选用1600 kW（2×800 kW）水冷却型制动电阻。如图2 所示，法兰处接入船舶冷却水系统。安装流量监控和温度监控传感器，用于实时监控制动电阻状态，防止制动电阻由于过热导致异常。

闭环水冷型制动电阻特点：①制动电阻冷却效果好，相比较于自然通风、强迫通风冷却方式，制动电阻功率可以大幅度减小、体积和重量相应的减少；②对流量和温度传感器进行定期检查校准，水冷散热器需要的内部部件较多，需要的安装空间较大，价钱比风冷系统高。

图2 闭环水冷型制动电阻

3 制动电阻种类的选择

交流电机减速或刹车制动过程中会产生大量热能，因此制动电阻在设计选型过程中要考虑散热通风设置和人员安全的问题，制动电阻的安装最小通风空间建议上下各100 mm，左右各30 mm。禁止在制动电阻周围安装或存放易爆、易燃物品，制动电阻需安装在人手不易触及到的地方，安装之前时需要综合考虑是否会影响其他设备的工作。制动电阻连接电缆需满足绝缘等级要求，导线截面要满足制动电阻泄放电流的标准，直流侧电缆应该绞合以减少辐射和电感，连接制动电阻导线需用耐热导线。

根据选择不同的电阻功率及工作环境，选用不同的制动电阻冷却方式，在海洋工程装备中制动电阻的设计时，要综合考虑海洋环境对制动电阻设计的影响、装备制动能量等因素，对制动电阻进行全寿命周期成本分析，以选择最佳的制动电阻类型。并对装备的运行使用时间进行合理安排，最大程度利用制动能量，减少制动电阻上的电能损耗。采取自然冷却的冷却方式，相比较于其他两种冷却方式，需选择更大的电阻功率，质量和体积也更大，对于海上施工设备，安装空间有局限性且负载功率较大的情况下，更适合采用强迫通风冷却型和闭环水冷型。

4 结语

通过对海洋工程软铺装备制动电阻原理及散热模式分析，对于不同种类的制动电阻类型具体的优化设计选型方法各不相同，但制动电阻结构应尽量紧凑、轻便，同时具备良好的冷却效果、高可靠性和易维护性，并使制动电阻全生命周期成本最小化。设计选型时必须对制动电阻温升进行精确分析，使制动电阻带使用量最小化、风量及风道尺寸最小化、合理的布置电阻丝，为保证制动电阻的高可靠性，同时在全生命周期内进行细致的失效模式分析,发现存在的失效隐患及时改进。