抽油机井变频柜温升控制方法

沈伟 袁大庆 熊玉刚

【摘 要】采油现场抽油机变频柜过热停机频繁，造成油井开井时率下降、变频柜寿命缩短、经济效益降低的现象，通过对造成变频柜发热主要因素分析和判断，降低因变频柜温度上升而导致停井。

【关键词】抽油机井；变频器；温度影响；热源分析

随着油田“四化”建设，油井生产为了提高采油时率，降低职工的劳动强度，皆安装了变频柜对油水井生产参数进行控制和调整（图1）。在方便调参的同时，使用变频柜带来一些明显的问题：

1、制动电阻消耗再生电能，导致变频柜内温度升高；2、电子元件寿命缩短，故障频发，维修量增加；3、因变频柜的过热停机保护导致变频器频繁的自动停机。因为这些问题的存在，反过来增加了职工的劳动强度，降低采油时率。

变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。变频器在额定范围之内正常运行的损耗。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热。

1.变频器发热热源分析

变频器在运行中由于内部损耗而产生热量，这种热量主电路占98%，控制电路占2%左右。变频柜中主要存在两种发热源：

1.1制动电阻热源

抽油机在运行过程中，减速箱扭矩随着悬点载荷所形成的扭矩和平衡扭矩产生周期性变化，导致电动机输出功率也随之发生周期的变化，尤其是低液、低参数井，悬点载荷和平衡扭矩变化非常大，造成电动机在上下冲程中的输出功率总是有差值。

变频柜内主要发热部位是制动电阻室，虽然使用变频器自身排风进入制动电阻室加强散热，柜底部也安置小型风扇进风，温度仍可达到115℃，而且明显存在热量自上向下的影响。拆解过变频器可以知道，其上部大都是控制板安装位置，是电子元件最密集的位置。

1.2变频器自身发热

变频器是电机拖动设备，其内部功率元件IGBT在工作时始终处于开关状态，其导通阻值会会产生功率损耗造成发热，该发热量与变频器功率有关，功率越大发热量越高。与功率元件的品质有关，随使用年限、制造品质不同，发热量会有所变化。

1.3温度对变频器的影响

变频器处于较高温度环境中时，会触发过热保护。理论上过热保护值一般设定为85℃，部分进口机型设定值稍高可达到95-100℃，绝不会超过105℃。这主要取决于电子元件对温度的敏感性。比如变频器中的电解电容，目前常见高品质电解电容允许最高工作温度仅为105℃，且温度每升高10℃，电容寿命会近似减半。高温也会导致各种半导体元件PN结泄漏电流增大，耐压值降低等，最终会造成变频器故障频发，缩短寿命。

2.主要影响因素

2.1变频器结构设计的影响

抽油机变频柜均采用强制通风散热，各品牌抽油机变频柜结构大同小异，大部分采用风扇散热，少量采用轴流风机散热。从变频器结构看，所有功率元件IGBT均固定于大块铝合金板上，通风道就是由设计在铝合金板背后的散热翅构成，本身经过严格理论设计，符合说明说安装条件的都不会有问题。

2.2变频柜设计的影响

合理的柜体设计应该做到合理布置电器、通风良好兼顾防雨、防异物进入等要求。优秀的设计可以给变频器提供正常工作的环境，但采油变频柜大都由供应商自行设计，都是基于正常工作状况做出的设计，存在问题较多。这方面厂家由于视角问题，优先考虑的是防雨，其次是散热、再次是防异物进入。

2.3抽油机工况的影响

制动电阻方式，消耗再生电能的途径就是转为热能，其发热量与三个因素有关：

①抽油机平衡率，越不平衡每个冲次的发热量越大。

②与冲次频度有关，每个冲次都会有再生电能，冲次越高累计发热量越多。

③与电机结构有关，直流永磁电机再生电能高过普通交流电机。

3.控制方法

3.1及时调整平衡，使其合理运行范围

平衡率有两种，功率平衡、电流平衡，平衡率B=I下/I上*100%，有时电流平衡调整平衡率在合理区间，但功率平衡不平衡，尽量选择平衡点，平衡率在90%左右。

3.2变频器结构改变

一是当制动电阻留在变频柜内时，应该尽力改善通风提高散热。如满足防雨要求的前提下提高制动电阻室顶盖高度。二是考虑将制动电阻挪出变频柜，如采用井口加热装置替代制动电阻。挪出后可以大幅度降低变频柜内温度，可以消除积热对变频器的影响。

3.3减少热辐射强度

夏季，可以采用汽车防嗮罩原理，将其制作成合体尺寸，降低因太阳暴晒导致温度升高。

使用变频器，必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升，使用壽命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器平均使用寿命减半。在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的，变频器产生的热量也是非常大的。下面就具体分析一下三菱变频器发热问题的解决方法：

降低安装环境温度：由于变频器是电子装置，内含电子元件、电解电容等，所以温度对其寿命影响比较大。通用变频器的环境运行温度一般要求-10℃～-50℃，如果能够采取措施尽可能降低变频器运行温度，那么变频器的使用寿命就延长，性能也比较稳定。

采用风扇散热：变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走。一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和三菱变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。

温度控制在适当的范围：建造单独的变频器低压间，内部安装空调，保持低压间温度在+15℃～+20℃之间。

降低控制柜内的发热量：当三菱变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把三菱变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70%的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开，使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。

4.结论

变频器的发热是由多种原因相互叠加产生的，但总体上是由变频器的设计决定的。要解决当前变频器过热的问题，必须进行系统的管理，减少不利因素的影响，才能确保生产的正常运行。

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