用TRIZ理论解决抽油机控制柜变频器过热停机故障

用TRIZ理论解决抽油机控制柜变频器过热停机故障

贾宁生1   贾小宁2

1长庆油田分公司第五采油厂

2长庆油田分公司第三采油厂

摘要：应用TRIZ理论可以帮助我们系统地分析和解决抽油机控制柜变频器过热停机故障。通过深入理解问题的本质和应用TRIZ的原理和方法，我们可以找到创新的解决方案，提高变频器的可靠性和性能。

关键词：TRIZ理论；抽油机；变频器；故障

一、问题背景

由于开采条件限制，长庆油田机采井占总开采油井数的98%以上，为远程控制、设备运行安全、节能降耗和减少电网冲击的需要，一般采用变频器拖动电机运行。据2022年-2023年一线生产难题调查统计，变频器故障导致停机难题占比难题总数12%,现场判断和统计分析原因是由于长庆油田开采环境夏季气温较高，变频器控制柜工频变频控制电路、数字化电路都安装在控制柜内，通风和散热条件不好，有1/3是由于变频器过热导致内部控制集成电路过热保护停机和变频器内部电路烧坏停机。2023年长庆油田将此项难题列入2023年一线生产难题。

二、问题产生的原因

抽油机变频控制系统结构及工作原理： ①抽油机专用变频控制系统(a)抽油机专用变频器(b)制动单元(c)制动电阻(d)浪涌保护器②智能RTU控制系统(a)RTU控制器(b)语音模块(c)无限数传模块(d)独立显示模块③工频控制系统及附件

图1交-直-交型变频器典型结构图

变频器是一种电能变换设备，其功能是将工频电源转换成频率和电压可调的电源，驱动电动机运转并实现调速控制。种类很多，现场主要一般使用(U/f控制)交-值-交型变频器,运行过程中产生大量热量，一般变频器内部安装强制冷却风扇通风降温，大型变频器为保证变频器正常工作还采用安装外部强制风冷设备，强制通风降温。

长庆油田开采环境夏季气温较高，变频器控制柜工频变频控制电路、数字化电路都安装在控制柜内，通风和散热条件不好，过热是变频器常见故障，主要原因除自身内部电气系统运行产生的热量，还可能是周围环境温度高，散热风扇停转，温度传感器不良，电动机过热。变频器工作时最高温度可达150℃，要求环境温度不超过-10℃~50℃，应保留足够的安装空间，安装在不可燃表面。

三、可能采取的针对措施

1.检查负载类型和大小，选用额定容量合适的变频器。额定容量与负载类型、载荷是否匹配，查询现场故障代码，选择参数Pr设置值，Pr14=0恒转矩，Pr14=2提升类负载。

2．变频器工作时最高温度可达150℃，要求环境温度不超过-10℃~50℃，应保留足够的安装空间，安装在不可燃表面。现场控制柜安装时存在安装空间狭小、自带风扇故障多，散热不好，可采取在配电柜开通风口，安装风机，上下吸正对变频器强制通风，使控制柜内空气通过变频器强制流动散热。

3.电子过流保护电流参数值Pr9设定为1.2倍的电动机额定电流值，一般（1~1.2），温度传感器安装测试。

4.不用电子过流保护，变频器出口线路安装热继电器保护。

5.检查电动机与负荷是否匹配，防止负荷超重（现场使用注意载荷变化），电动机过热，检测输入输出电压、电流是否平衡。

图2变频器操作面板

四、预防控制设计目标

存在的问题及核心技术难点：受抽油机操作范围限制变频器安装空间受限，电器元件、电力设备、变频器运行时所产生的大量热量处于局部空间近似封闭状态，受变频器安装空间和功率限制，自带风扇功率有限，由于变频器过热负荷影响故障多，油田所处环境夏季气温较高，变频器控制柜直接受到夏季高温辐射，局部空间气温更高，也是导致变频器故障的直接原因。

创新目标：变频器控制柜温度能根据工作环境温度自动调节，使变频器控制柜基本处于恒温系统，工作空间环境温度不超过-10℃~50℃。

五、解题流程

5.1 建立变频器工作系统模型对危害因素进行风险识别，因果分析、评价，风险消减与预防控制措施

变频器工作系统分内部工作系统、外部工作系统，环境。油机专用变频控制系统(a)抽油机专用变频器(b)制动单元(c)制动电阻(d)浪涌保护器②智能RTU控制系统(a)RTU控制器(b)语音模块(c)无限数传模块(d)独立显示模块

图3变频器控制柜内部      图4 抽油机控制柜系统模型

5.2 系统分析核心技术问题，变频器过热导致的故障停机，对要求保证开井时率的抽油机有重大危害因素和风险

图5系统关键问题示意图   图6系统黑箱示意图

5.3 组件分析

图7变频器工作内部系统和外部系统背景图片

5.3.1 组件分析

表1 系统组件分析表

5.3.3 功能缺点列表

表2 功能缺点列表

5.4 组件分析解题方案

问题描述：抽油机变频柜夏季运行，因气温高，配电柜内部无散热装置，依靠通风口散热，效果不佳，过热保护，变频器故障，抽油机频繁停机。

方案设想：变频器是一种电能变换设备，其功能是将工频电源转换成频率和电压可调的电源，驱动电动机运转并实现调速控制。种类很多，现场主要一般使用(U/f控制)交-值-交型变频器,运行过程中产生大量热量，一般变频器内部安装强制冷却风扇通风降温，大型变频器为保证变频器正常工作还采用安装外部强制风冷设备，强制通风降温。过热是变频器常见故障，主要原因可能是周围环境温度高，散热风扇停转，温度传感器不良，电动机过热。变频器工作时最高温度可达150℃，要求环境温度不超过-10℃~50℃，应保留足够的安装空间，安装在不可燃表面。

方案3：不用电子过流保护，变频器出口线路安装热继电器保护。

方案4：变频器控制柜改造，增加变频器容积，变频控制柜电气元件产生热量有足够的的散热空间，柜体材料外形波纹式改造增加散热面积，控制柜壳体上下开通风口。

方案5：抽油机平衡率实施调整，抽油机载荷变化能够随时检测，异常情况能及时采取控制措施，防止因载荷变化导致变频器检测电路发生故障，输出异常。

5.5 因果链分析

图8因果链分析列表

六、总结

变频器功能和控制预防有害作用进行分离，安装独立恒温控制系统，采用电子降温制冷器设备，接入远程局域网控制或现场控制，带载能力按照变频器拖动电机功率、设备负荷与旋转或提升类选择参数设置，电源进线加装阻抗器，出线可根据需要加装热继电器保护。

按照Tirs理论推导最优创新方案设计，能实现“变频器控制柜温度能根据工作环境温度自动调节，使变频器控制柜基本处于恒温系统，工作空间环境温度不超过-10℃~50℃的设计目标。

参考文献：

[1]刘建明.抽油机变频控制柜在采油管理中的应用.建筑技术科学,2023-10.

[2]许洋宗.抽油机变频控制柜在采油管理中的应用.建筑技术科学,2023-12.

[3]何志国.抽油机变频控制柜的应用[J].化学工程与装备.2022(01).161-162