抽油機井變頻柜溫升控制方法

沈偉 袁大慶 熊玉剛

【摘 要】采油現場抽油機變頻柜過熱停機頻繁，造成油井開井時率下降、變頻柜壽命縮短、經濟效益降低的現象，通過對造成變頻柜發熱主要因素分析和判斷，降低因變頻柜溫度上升而導致停井。

【關鍵詞】抽油機井；變頻器；溫度影響；熱源分析

隨著油田“四化”建設，油井生產為了提高采油時率，降低職工的勞動強度，皆安裝了變頻柜對油水井生產參數進行控制和調整（圖1）。在方便調參的同時，使用變頻柜帶來一些明顯的問題：

1、制動電阻消耗再生電能，導致變頻柜內溫度升高；2、電子元件壽命縮短，故障頻發，維修量增加；3、因變頻柜的過熱停機保護導致變頻器頻繁的自動停機。因為這些問題的存在，反過來增加了職工的勞動強度，降低采油時率。

變頻器由主回路、電源回路、IPM驅動及保護回路、冷卻風扇等幾部分組成。其結構多為單元化或模塊化形式。變頻器在額定范圍之內正常運行的損耗。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱。

1.變頻器發熱熱源分析

變頻器在運行中由于內部損耗而產生熱量，這種熱量主電路占98%，控制電路占2%左右。變頻柜中主要存在兩種發熱源：

1.1制動電阻熱源

抽油機在運行過程中，減速箱扭矩隨著懸點載荷所形成的扭矩和平衡扭矩產生周期性變化，導致電動機輸出功率也隨之發生周期的變化，尤其是低液、低參數井，懸點載荷和平衡扭矩變化非常大，造成電動機在上下沖程中的輸出功率總是有差值。

變頻柜內主要發熱部位是制動電阻室，雖然使用變頻器自身排風進入制動電阻室加強散熱，柜底部也安置小型風扇進風，溫度仍可達到115℃，而且明顯存在熱量自上向下的影響。拆解過變頻器可以知道，其上部大都是控制板安裝位置，是電子元件最密集的位置。

1.2變頻器自身發熱

變頻器是電機拖動設備，其內部功率元件IGBT在工作時始終處于開關狀態，其導通阻值會會產生功率損耗造成發熱，該發熱量與變頻器功率有關，功率越大發熱量越高。與功率元件的品質有關，隨使用年限、制造品質不同，發熱量會有所變化。

1.3溫度對變頻器的影響

變頻器處于較高溫度環境中時，會觸發過熱保護。理論上過熱保護值一般設定為85℃，部分進口機型設定值稍高可達到95-100℃，絕不會超過105℃。這主要取決于電子元件對溫度的敏感性。比如變頻器中的電解電容，目前常見高品質電解電容允許最高工作溫度僅為105℃，且溫度每升高10℃，電容壽命會近似減半。高溫也會導致各種半導體元件PN結泄漏電流增大，耐壓值降低等，最終會造成變頻器故障頻發，縮短壽命。

2.主要影響因素

2.1變頻器結構設計的影響

抽油機變頻柜均采用強制通風散熱，各品牌抽油機變頻柜結構大同小異，大部分采用風扇散熱，少量采用軸流風機散熱。從變頻器結構看，所有功率元件IGBT均固定于大塊鋁合金板上，通風道就是由設計在鋁合金板背后的散熱翅構成，本身經過嚴格理論設計，符合說明說安裝條件的都不會有問題。

2.2變頻柜設計的影響

合理的柜體設計應該做到合理布置電器、通風良好兼顧防雨、防異物進入等要求。優秀的設計可以給變頻器提供正常工作的環境，但采油變頻柜大都由供應商自行設計，都是基于正常工作狀況做出的設計，存在問題較多。這方面廠家由于視角問題，優先考慮的是防雨，其次是散熱、再次是防異物進入。

2.3抽油機工況的影響

制動電阻方式，消耗再生電能的途徑就是轉為熱能，其發熱量與三個因素有關：

①抽油機平衡率，越不平衡每個沖次的發熱量越大。

②與沖次頻度有關，每個沖次都會有再生電能，沖次越高累計發熱量越多。

③與電機結構有關，直流永磁電機再生電能高過普通交流電機。

3.控制方法

3.1及時調整平衡，使其合理運行范圍

平衡率有兩種，功率平衡、電流平衡，平衡率B=I下/I上*100%，有時電流平衡調整平衡率在合理區間，但功率平衡不平衡，盡量選擇平衡點，平衡率在90%左右。

3.2變頻器結構改變

一是當制動電阻留在變頻柜內時，應該盡力改善通風提高散熱。如滿足防雨要求的前提下提高制動電阻室頂蓋高度。二是考慮將制動電阻挪出變頻柜，如采用井口加熱裝置替代制動電阻。挪出后可以大幅度降低變頻柜內溫度，可以消除積熱對變頻器的影響。

3.3減少熱輻射強度

夏季，可以采用汽車防嗮罩原理，將其制作成合體尺寸，降低因太陽暴曬導致溫度升高。

使用變頻器，必須認真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數的上升，使用壽命隨溫度升高而成指數的下降。環境溫度升高10度，變頻器平均使用壽命減半。在變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的，變頻器產生的熱量也是非常大的。下面就具體分析一下三菱變頻器發熱問題的解決方法：

降低安裝環境溫度：由于變頻器是電子裝置，內含電子元件、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。通用變頻器的環境運行溫度一般要求-10℃～-50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩定。

采用風扇散熱：變頻器的內裝風扇可將變頻器的箱體內部散熱帶走。一般功率稍微大一點的變頻器，都帶有冷卻風扇。同時，也建議在控制柜上出風口安裝冷卻風扇。進風口要加濾網以防止灰塵進入控制柜。 注意控制柜和三菱變頻器上的風扇都是要的，不能誰替代誰。

溫度控制在適當的范圍：建造單獨的變頻器低壓間，內部安裝空調，保持低壓間溫度在+15℃～+20℃之間。

降低控制柜內的發熱量：當三菱變頻器安裝在控制機柜中時，要考慮變頻器發熱值的問題。根據機柜內產生熱量值的增加，要適當地增加機柜的尺寸。因此，要使控制機柜的尺寸盡量減小，就必須要使機柜中產生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，把三菱變頻器的散熱器部分放到控制機柜的外面，將會使變頻器有70%的發熱量釋放到控制機柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開，使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。這樣效果也很好。

4.結論

變頻器的發熱是由多種原因相互疊加產生的，但總體上是由變頻器的設計決定的。要解決當前變頻器過熱的問題，必須進行系統的管理，減少不利因素的影響，才能確保生產的正常運行。

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