抽油機(jī)井變頻柜溫升控制方法

沈偉 袁大慶 熊玉剛

【摘 要】采油現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)變頻柜過(guò)熱停機(jī)頻繁，造成油井開(kāi)井時(shí)率下降、變頻柜壽命縮短、經(jīng)濟(jì)效益降低的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)造成變頻柜發(fā)熱主要因素分析和判斷，降低因變頻柜溫度上升而導(dǎo)致停井。

【關(guān)鍵詞】抽油機(jī)井；變頻器；溫度影響；熱源分析

隨著油田“四化”建設(shè)，油井生產(chǎn)為了提高采油時(shí)率，降低職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，皆安裝了變頻柜對(duì)油水井生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)整（圖1）。在方便調(diào)參的同時(shí)，使用變頻柜帶來(lái)一些明顯的問(wèn)題：

1、制動(dòng)電阻消耗再生電能，導(dǎo)致變頻柜內(nèi)溫度升高；2、電子元件壽命縮短，故障頻發(fā)，維修量增加；3、因變頻柜的過(guò)熱停機(jī)保護(hù)導(dǎo)致變頻器頻繁的自動(dòng)停機(jī)。因?yàn)檫@些問(wèn)題的存在，反過(guò)來(lái)增加了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低采油時(shí)率。

變頻器由主回路、電源回路、IPM驅(qū)動(dòng)及保護(hù)回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)多為單元化或模塊化形式。變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運(yùn)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(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱。

1.變頻器發(fā)熱熱源分析

變頻器在運(yùn)行中由于內(nèi)部損耗而產(chǎn)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(fā)熱源：

1.1制動(dòng)電阻熱源

抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，減速箱扭矩隨著懸點(diǎn)載荷所形成的扭矩和平衡扭矩產(chǎn)生周期性變化，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)輸出功率也隨之發(fā)生周期的變化，尤其是低液、低參數(shù)井，懸點(diǎn)載荷和平衡扭矩變化非常大，造成電動(dòng)機(jī)在上下沖程中的輸出功率總是有差值。

變頻柜內(nèi)主要發(fā)熱部位是制動(dòng)電阻室，雖然使用變頻器自身排風(fēng)進(jìn)入制動(dòng)電阻室加強(qiáng)散熱，柜底部也安置小型風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)，溫度仍可達(dá)到115℃，而且明顯存在熱量自上向下的影響。拆解過(guò)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(fā)熱

變頻器是電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備，其內(nèi)部功率元件IGBT在工作時(shí)始終處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其導(dǎo)通阻值會(huì)會(huì)產(chǎn)生功率損耗造成發(fā)熱，該發(fā)熱量與變頻器功率有關(guān)，功率越大發(fā)熱量越高。與功率元件的品質(zhì)有關(guān)，隨使用年限、制造品質(zhì)不同，發(fā)熱量會(huì)有所變化。

1.3溫度對(duì)變頻器的影響

變頻器處于較高溫度環(huán)境中時(shí)，會(huì)觸發(fā)過(guò)熱保護(hù)。理論上過(guò)熱保護(hù)值一般設(shè)定為85℃，部分進(jìn)口機(jī)型設(shè)定值稍高可達(dá)到95-100℃，絕不會(huì)超過(guò)105℃。這主要取決于電子元件對(duì)溫度的敏感性。比如變頻器中的電解電容，目前常見(jiàn)高品質(zhì)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(huì)近似減半。高溫也會(huì)導(dǎo)致各種半導(dǎo)體元件PN結(jié)泄漏電流增大，耐壓值降低等，最終會(huì)造成變頻器故障頻發(fā)，縮短壽命。

2.主要影響因素

2.1變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

抽油機(jī)變頻柜均采用強(qiáng)制通風(fēng)散熱，各品牌抽油機(jī)變頻柜結(jié)構(gòu)大同小異，大部分采用風(fēng)扇散熱，少量采用軸流風(fēng)機(jī)散熱。從變頻器結(jié)構(gòu)看，所有功率元件IGBT均固定于大塊鋁合金板上，通風(fēng)道就是由設(shè)計(jì)在鋁合金板背后的散熱翅構(gòu)成，本身經(jīng)過(guò)嚴(yán)格理論設(shè)計(jì)，符合說(shuō)明說(shuō)安裝條件的都不會(huì)有問(wèn)題。

2.2變頻柜設(shè)計(jì)的影響

合理的柜體設(shè)計(jì)應(yīng)該做到合理布置電器、通風(fēng)良好兼顧防雨、防異物進(jìn)入等要求。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)可以給變頻器提供正常工作的環(huán)境，但采油變頻柜大都由供應(yīng)商自行設(shè)計(jì)，都是基于正常工作狀況做出的設(shè)計(jì)，存在問(wèn)題較多。這方面廠家由于視角問(wèn)題，優(yōu)先考慮的是防雨，其次是散熱、再次是防異物進(jìn)入。

2.3抽油機(jī)工況的影響

制動(dòng)電阻方式，消耗再生電能的途徑就是轉(zhuǎn)為熱能，其發(fā)熱量與三個(gè)因素有關(guān)：

①抽油機(jī)平衡率，越不平衡每個(gè)沖次的發(fā)熱量越大。

②與沖次頻度有關(guān)，每個(gè)沖次都會(huì)有再生電能，沖次越高累計(jì)發(fā)熱量越多。

③與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，直流永磁電機(jī)再生電能高過(guò)普通交流電機(jī)。

3.控制方法

3.1及時(shí)調(diào)整平衡，使其合理運(yùn)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(shí)電流平衡調(diào)整平衡率在合理區(qū)間，但功率平衡不平衡，盡量選擇平衡點(diǎn)，平衡率在90%左右。

3.2變頻器結(jié)構(gòu)改變

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

3.3減少熱輻射強(qiáng)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(yáng)暴曬導(dǎo)致溫度升高。

使用變頻器，必須認(rèn)真地考慮散熱的問(wèn)題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升，使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)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(shí)，流過(guò)變頻器的電流是很大的，變頻器產(chǎn)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(fā)熱問(wèn)題的解決方法：

降低安裝環(huán)境溫度：由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元件、電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響比較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)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(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(zhǎng)，性能也比較穩(wěn)定。

采用風(fēng)扇散熱：變頻器的內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走。一般功率稍微大一點(diǎn)的變頻器，都帶有冷卻風(fēng)扇。同時(shí)，也建議在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。 注意控制柜和三菱變頻器上的風(fēng)扇都是要的，不能誰(shuí)替代誰(shuí)。

溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶航ㄔ靻为?dú)的變頻器低壓間，內(nèi)部安裝空調(diào)，保持低壓間溫度在+15℃～+20℃之間。

降低控制柜內(nèi)的發(fā)熱量：當(dāng)三菱變頻器安裝在控制機(jī)柜中時(shí)，要考慮變頻器發(fā)熱值的問(wèn)題。根據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。因此，要使控制機(jī)柜的尺寸盡量減小，就必須要使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時(shí)，把三菱變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會(huì)使變頻器有70%的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對(duì)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(kāi)，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(jié)論

變頻器的發(fā)熱是由多種原因相互疊加產(chǎn)生的，但總體上是由變頻器的設(shè)計(jì)決定的。要解決當(dāng)前變頻器過(guò)熱的問(wèn)題，必須進(jìn)行系統(tǒng)的管理，減少不利因素的影響，才能確保生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

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