基于單片機的中壓變頻器撬裝房散熱系統的改進

趙軍偉（大慶油田管理局力神泵業有限公司）

1 概述

潛油電泵中壓變頻器撬裝系統目前廣泛用于伊拉克綠洲油田石油開采中。在實際應用中發現，伊拉克在每年四月中旬至十月中下旬，日間平均氣溫在38℃以上，午間最高室外溫度達近52℃，夜間7點至次日10點之間，夜平均氣溫低于35℃，且十月中下旬至次年四月中旬氣溫較低，全天平均氣溫在30℃以下。變頻器撬裝房內制冷空調超負荷運轉，室外壓縮機及室內機損壞較多，因空調壓縮機過熱保護停止工作，造成撬裝房內變頻器溫升過高保護停機，嚴重影響油井產量。根據應用經驗，該類型變頻器在室外溫度低于35℃以下時，可采取強迫風冷模式；在氣溫高于此經驗值時采取空調制冷模式；負壓風扇與制冷空調根據室外氣溫環境，采取間歇或混合模式工作。最大限度保障潛油電泵變頻器連續運轉，減小過熱停機概率，在保證石油產量的同時有效延長空調整體壽命，減小電能損耗。其系統原理如圖1所示。

2 電路硬件設計

整個電路由工作電源調理、溫度采樣、設定顯示、數字輸出驅動四大部分構成。

2.1 電路電源

采用金升陽開關電源LH05-10D0505-1。該模塊具有輸出紋波小、效率高、低功耗、高電磁兼容性[1]的性能，高隔離電壓可達3000 V，廣泛用于工業領域。采用該模塊可以減小電路元器件個數，減小電路體積。輸入采用前置濾波，濾波穩壓后輸出兩路隔離+5 V電源，一路供單片機和運放芯片使用，另一路供繼電器等負載使用（圖2）。

圖1 中壓變頻器撬裝房散熱系統原理

2.2 溫度采樣電路

溫度采樣調理電路如圖3所示。溫度采樣電路采用LM35DZ（防水型）作為溫度傳感器，可直接線性校正，每升高1℃，輸出電壓增大10 mV，測量范圍-55～150℃；標定在25℃時輸出電壓為0 V，誤差小于0.5℃，非線性度僅±1/4℃[2]。采樣電路應用HCNR201作為隔離器件，將LM35輸出的電壓信號轉換為電流信號，經HCNR201實現負反饋[3]，同時進行隔離輸出。該方案的優點是采用反相輸入可有效降低共模干擾，缺點是輸入阻抗減小，但經線性光耦隔離后，可有效提高抗干擾性[4]。設計采樣最高溫度為100℃，LM35相應輸出1 V電壓。傳輸特性如式（1）所示，AD采樣參考電壓5 V，可將信號放大5倍，單片機AD為10位，因此溫度分辨率可達0.5℃。

圖2 電源調理電路

圖3 溫度采樣電路

圖4 交互電路設計

式中：Vo——調理后輸出溫度測量信號，V；

R1c——LM35輸出電壓轉為電流后限流電阻，Ω；

R4c——電流轉電壓采樣電阻，Ω；

R5c——采樣電壓微調電阻，Ω；

Vi——輸入信號，V。

2.3 交互顯示電路

圖5 風機、空調控制流程

采用4位數碼管作為顯示，用兩個74HC595作為鎖存器，一個作為段驅動輸出，一個作為位選信號，數碼管驅動串入電阻，控制亮度均勻，采用動態刷新模式[5]。三極管增大驅動電流作用[6]，一次輸出12位數據，其中高4位為位選信號，低8位為段驅動信號。采用兩個按鍵設定風機啟動溫度、空調運行、風機運行（圖4）。

3 軟件設計

風機、空調控制流程如圖5所示。測量室內溫度、室外溫度、變頻器溫度，當室外溫度低于設定的最低溫度時，啟動風機并關閉空調，或者判斷室內溫度與外部溫度的關系，結合變頻器溫度，在最短的時間內空調和風機同時作用以降低室內溫度；當室內溫度與室外溫度接近時，風機停機，空調制冷，在為變頻器降溫的同時達到節能的目的。

4 結論

通過在AD2-4-3和ADM4-5兩口井上實際應用，該系統可有效降低因天氣炎熱造成的變頻器停機次數，可快速降低變頻器撬裝房內溫度；同時一年時間內，空調的運轉時間減少三分之一以上，從而延長了空調的使用壽命，也降低了空調的維修保養成本。由于風機的功率在180 W左右，相比1.5P空調在單位時間內可節電1 kWh，全年可累計節電2880 kWh以上，節能效果明顯。