電動機溫度控制系統在生產現場的應用

張樹起

（中國石油天然氣集團公司大港油田公司第二采油廠電力管理站，河北黃驊 061103）

1 概述與現狀

目前生產現場運行的電動機，特別是大功率電動機的電流測大多是通過過電流保護器來完成的，但始終不知道電動機運行時的溫度，如果電動機在運行中出現問題，電流不會增加很多，但是溫度會上升很快，這樣會使電動機燒毀。即使電動機運行電流正常，由于電動機的制造質量或安裝接線不規范，會使接線端子溫度過高也會造成的電動機燒毀。總之，電動機燒毀的主要原因是因溫度過高而造成的絕緣破壞。

現場中使用過流保護器來保護電動機時，在電動機運行的過程中，電流沒有超過閾值，而溫度上升了很多，同樣也會導致電動機的使用性能下降，甚至燒毀電動機。由于電動機保護器只有斷相、過載、過壓、欠壓保護而沒有超溫保護，每年因超溫運行燒毀的電動機損失達幾十萬元至上百萬元。

2 需要解決的關鍵技術

（1）電動機運行過程中無溫度控制，經常因超溫燒毀電動機，增加電動機溫度控制系統。

（2）電動機超溫后發出聲光報警，提醒工作人員停機或采取措施。

（3）電動機超溫后斷開電動機控制電路。

3 組建攻關團隊

為了該項目能高效有序的開展工作，優選了理論功底扎實、實踐經驗豐富、長期工作在一線的兩名集團級專家、兩名首席技師、一名高級工程師為團隊的攻關隊伍。

工作分工是：隊長負責該參賽項目的總體策劃與指導工作。隊員分別負責該項目實施過程的監督工作隊員，“項目攻關模式”匯報工作以及項目資料整理、課件的指導策劃工作，負責“項目成果展示”、“創新方法應用”的匯報工作。

4 團隊工作的開展

（1）團隊成員對板橋油田、王徐莊油田的注水泵、輸油泵、抽油機等設備的電動機進行現場測溫采集數據。在注水大功率泵電動機運行狀態下進行溫度測試，制定攻關過程中檢測元件在運行的電動機中安裝位置的合理性和安全性進行評估。確保實現測溫保護等功能實現的同時保證電動機的正常運轉。整理現場檢測數據，制作圖表，對“電動機溫度控制系統”的電路設計提供基礎資料。

（2）團隊成員針對難題發生原因進行分析，對該項目進行了分析論證，確定將存在的問題，組織小組成員對難題進行分析研究，討論出解決難題的可行性方式和方法作為下步攻關的思路，最終確定攻關方案。

（3）數據采集。

團隊成員繼續對板橋油田、王徐莊油田的注水泵、輸油泵、抽油機等設備的電動機進行現場測溫采集數據；對現場檢測數據進行收集整理，制作圖表，便于后期對“電動機溫度控制系統”的電路設計提供基礎資料；

由于項目進度受到各采油廠及電力管理站相關領導的高度重視，團隊對該項目的進展情況進行初期匯報。

通過數據測量、采集分析，電動機最早發熱部位為軸承，軸承間隙變大或軸承缺油造成電動機溫度升高，進而造成電動機掃膛。定子、轉子相互摩擦造成在電動機電流不會增大很多的情況下發熱，電動機保護器不動作。軸承不損壞電動機溫度不升高，所以主要監控軸承溫度、定子溫度。

5 產品制造方案

經過團隊集體通論，確定采用性能好、價格廉的單片機為控制系統。該系統由4個控制單元，每個單元連接一個探頭，分別測量電動機4個不同位置的溫度。因為軸承損壞時溫度最先發熱，特別是注重軸承端溫度的測量。

（1）該系統由耐溫200℃，體積小、便于安裝的（長2 cm直徑? 為0.3 cm）的溫度探頭安裝在電動機定子繞組槽楔處、電動機軸承端，采用熱熔膠粘接固定，保證測溫正確，電動機運行安全。探頭與控制系統連接采用直徑1 mm 外層耐高溫軟線作為信號傳輸導線，保證信號傳輸正確。信號傳輸導線耐高溫、強度高，適合各種場所使用。

（2）該系統精準檢測電動機運行溫度并在控制柜和設備管理人員值班室安裝報警警鈴，當電動機溫度高于設定溫度1℃時，報警警鈴發出報警提醒工作人員根據情況進行處理。當高于設定溫度5℃時，控制系統斷開電動機控制電路，電動機停止運行，保護電動機不被燒毀。同時面板顯示各溫度探頭的溫度，以便工作人員判斷電動機超溫報警的原因。

6 改造及創新點

采用單片機作為電動機溫度控制系統，包括單片機以及與單片機連接的檢測芯片、報警蜂鳴器、LED 報警燈、電動機控制電路、LCD 顯示器、程序調試接口、鍵盤輸入接口，電動機溫度控制原理如圖1所示。

圖1 電動機溫度控制原理圖

檢測芯片用于檢測電動機溫度的，設置在芯片支座上；芯片支座與電動機的接線端子連接；通過接線端子及芯片支座將電動機運行溫度傳導到檢測芯片上。檢測芯片將溫度信號傳送至所述單片機，單片機將信號傳輸至LCD 顯示屏，LCD顯示屏顯示電動機運行檢測溫度；通過程序調試接口和鍵盤輸入接口給單片機上為電動機設定溫度；設定溫度在LCD 顯示屏上顯示；當檢測溫度大于設定溫度時，單片機輸出信號給報警蜂鳴器或LED 報警燈或電動機控制電路。

（1）當檢測溫度大于設定溫度時，單片機輸出脈沖波驅動報警蜂鳴器發出報警聲音，同時單片機輸出脈沖波驅動LED報警燈發出報警燈光。

（2）當檢測溫度大于設定溫度，單片機驅動電動機控制電路控制電動機停止。

（3）鍵盤輸入接口包括4個設置鍵，分別為S1、S2、S3、S4；設置鍵S1為設定鍵，按下需要設定的數值后開始閃爍；設置鍵S2為平移鍵，可以水平移動光標；設置鍵S3為上升鍵，進行數值的增加；設置鍵S4為下降鍵，進行數值的減少。

7 現場安裝應用效果

（1）第一次性能測試。對測元件的準確性能和安全性能進行測試并做好分析，為項目推進做好技術支撐和理論論據。所述檢測芯片用于檢測電動機溫度的，設置在芯片支座上；芯片支座與電動機的接線端子連接。

檢查接線端子及芯片支座將電動機運行溫度傳導到檢測芯片上，檢測芯片將溫度信號傳送至所述單片機，單片機將信號傳輸至所述LCD 顯示屏，檢查LCD 顯示屏顯示電動機運行檢測溫度；通過所述程序調試接口和鍵盤輸入接口給在所述單片機上為電動機設定溫度；所述設定溫度在所述LCD顯示屏上顯示；當所述檢測溫度大于設定溫度時，所述單片機輸出信號給所述報警蜂鳴器或LED 報警燈或電動機控制電路。

用示波器檢查當所述檢測溫度大于設定溫度時，單片機輸出脈沖波驅動所述報警蜂鳴器發出報警聲音，同時單片機輸出脈沖波驅動所述LED 報警燈發出報警燈光。

檢測溫度大于設定溫度，并運行超過3 min 時，單片機是否驅動電動機控制電路控制電動機停止。

（2）第二次性能測試。團隊成員對新到貨的YY-460型四通道智能溫控儀表進行測試安裝，四路溫度控制儀可以同時配接4路傳感器，獨立的自整定模式和獨立的PID 參數，對高溫電動機進行溫度測試。

團隊成員繼續對單片機進行程序編制工作，包括檢測芯片、報警蜂鳴器、LED 報警燈、電動機控制電路、LCD 顯示器多次調試，并記錄正常生產電動機溫度統計，并做好分析，為項目推進做好技術支撐和理論論據。

在塘一注水站185 kW 注水電動機和板26站185 kW 注水電動機進行測試并做好運轉電動機定子溫度。做好記錄，并分析溫度高（除天氣溫度外）的原因。將檢測芯片用于檢測電動機溫度的，通過檢測原件將電動機運行溫度傳導到所述檢測芯片上，檢測芯片將溫度信號傳送至單片機，單片機再將信號傳輸至所述LCD 顯示屏，LCD 顯示屏顯示電動機運行溫度，并做好測試記錄。做好測試安全保障工作和測試工作的應急預案，確保測試電動機運行經濟、平穩。

（3）第三次性能測試。對測元件的準確性能和安全性能進行測試并做好分析，為項目推進做好技術支撐和理論論據。自2020 年6 月在大港油田羊二莊地區、板橋地區安裝試驗，共安裝控制系統10臺。

8 現場應用

8.1 電動機溫度控制系統在抽油機上的應用

大港油田在用抽油機井3000口，每年因超溫燒毀的電動機500臺以上，造成經濟損失200萬元，有效解決抽油機電動機超溫燒毀問題意義重大。抽油機的系統效率分為地面效率和井下效率兩部分，抽油系統的地面效率損失主要發生在電動機、皮帶、減速器和四連桿機構中。從機、電、井系統工程的角度研究。第一，對常年不停連續工作的抽油機，降低配套動力是節能的關鍵。降低配套動力既減少自身空載損耗，又提高電網質量，實現雙重節能作用。第二，達到井下液面動態平衡是抽油機的最佳抽汲參數，大沖程理論有局限性。大沖程不適合低滲油田抽油工況，會造成嚴重空抽能耗。抽油機只有在上行時才出力，下行狀態處于發電狀態。根據抽油機的生產特點，選取抽油機的電動機皮帶輪端受力處作為溫度測量點，檢測其變化溫度最早的位置，一有問題立即停止電動機運轉。

8.2 電動機溫度控制系統在注水系統上的應用

油田輸配系統是電能消耗大戶。注水系統方面，一是根據生產實際進行注水管網改造。系統壓力為21.5 MPa，每臺機泵日耗電1.2萬kW·h。輸摻系統方面，根據機泵效率調整，更換用電設施，280 kW 電動機供輸摻系統生產。油田注水設備負荷率較高、電動機大，注水電動機采用溫度控制意義重大。先后有板17站、板21站、白一站等3個中轉站的輸油280 kW電動機上進行安裝，選取電動機的皮帶輪端進行四點測溫。經過3個月的運行，電動機溫度保護動作3次。事后經檢查，原因全部為電動機掃膛造成溫度過高，電動機溫度控制系統保護了電動機不被燒毀，創造經濟效益50萬元。

經過試驗證明，電動機溫度控制系統檢測電動機運行溫度可靠，是保護電動機安全運行的必備系統。

9 結束語

電動機溫度控制系統保護了電動機安裝運行，避免了電動機故障發生，延長了電動機使用壽命，減少維護更換次數，減少成本投入，減低勞動強度，具有良好的社會效益。電動機控制系統在解決電動機燒毀重大生產技術難題成果達到領先水平，本技術成果在本行業及中油集團公司首創，實用性強，適合集團公司各種抽油機生產場所推廣應用。不但適合戶內電動機使用，同樣適合在戶外電動機應用，具有在本行業及集團公司推廣的前景。