电动机输出扭矩在线检测仪的研制与应用

熊建华王明才冯恩山徐 强

（1.中国石油大学石油工程学院，山东 东营 257061；2.江苏油田分公司试采一厂，江苏 江都 225265；3.江苏油田分公司，江苏 扬州 225009）

电动机输出扭矩在线检测仪的研制与应用

熊建华1，2王明才2冯恩山2徐 强3

（1.中国石油大学石油工程学院，山东 东营 257061；2.江苏油田分公司试采一厂，江苏 江都 225265；3.江苏油田分公司，江苏 扬州 225009）

如何准确测试游梁式抽油机井的地面机械效率是一个难以解决的问题，其主要原因是无法现场在线测试电动机效率。通过电动机扭矩在线检测装置的研制，可动态测量出电动机输出扭矩和转速，方便地计算出电动机输出功率，包括瞬时功率和平均功率。如果同步测量电动机输入功率，可方便计算电动机的机械效率，从而解决了测试抽油机井系统效率时无法准确测试地面效率的问题。现场应用取得了较好的效果，为分析和研究抽油机井系统各节点的能耗情况、提高机采系统效率提供了重要手段。同时，也为准确评价电动机寿命和电动机效率提供了重要手段。

抽油机井；电动机扭矩检测仪；研制；应用

游梁式抽油机是油田机械采油中使用最多的设备之一，而机械采油中所使用的抽油机系统（即机采系统）能耗约占油田能耗的三分之一。所以，提高机采系统效率是降低油田能耗、提高油田开发效益的主要任务之一。抽油机井能耗分地面部分和井下部分，井下能耗可通过示功图测试计算，地面能耗主要是电动机和抽油机。

由于抽油机由四连杆机构组成，其运动特性，受油井井下泵上下往复运动方式的影响，受原油物性、井筒状况及地面条件的影响，抽油机和电动机所承受的载荷十分复杂，现场无法直接获得抽油机功率和电动机功率，也就无法准确分析和计算地面实际运行效率。因此，有必要研究一种装置，目的是在线测试地面功率。通过研制的电动机扭矩测试仪，配合油井无线连续监测示功仪，采用应变扭矩测试和无线数据传输技术，将所测试的电动机输出功率和光杆功率通过无线模块实时同步发送到掌上电脑，解决了地面系统运行效率的测试难题［1-7］。

1 电动机扭矩检测仪的结构与原理

电动机运行效率测试是通过测得电机运行的输入、输出功率来获得，可用式（1）计算。输入功率可利用电能测试仪测得，输出功率通过电动机输出扭矩和转速传感器直接检测，通过式（2）计算。

式中：η为电机效率，%；P1为电动机输入功率，kW；P2为电动机输出功率，kW；T2为电动机输出扭矩，N·m；n为电动机轴转速，r·min-1。

1.1 在线检测装置

扭矩测试装置主要由特殊皮带轮、传力螺丝、弹性体和传力螺丝组成。其主要工作原理是：弹性体通过胀箍与电动机的输出轴连接在一起，而皮带轮通过8个传力螺杆与弹性体相连，当电动机轴旋转时，轴通过涨箍带动弹性体，再由弹性体上的传力螺杆带动皮带轮旋转。

弹性体的薄盘上贴有扭矩应变片，弹性体结构如图1所示。当电动机加载时，强度较低的薄盘将会产生变形，从而带动扭矩应变片产生变形，输出扭矩变化信号。采用这种测量方式可直接检测出从轴部传递出来的扭力。

1.2 电动机转速检测

测量转速的方法，是利用重力加速度传感器来检测电动机转速，加速度传感器采用芯片，直接焊接在电路板上。电动机在转动的过程中，截面上的任意一点P（圆心除外），受到重力G和向心力F，从加速度的角度考虑，它受到了恒定的重力加速度g和向心力加速度a，如图2所示。

若将加速度传感器放在与轴切面P平行的平面Q上，其受力情况与轴上的点P相同，加速度传感器可检测轴切线方向上的加速度。由于向心力加速度的方向垂直于切线，对传感器的输出没有影响，加速度传感器只检测重力加速度沿切线方向的分加速度，如图2所示。其中，θ角为转动过程中传感器相对于轴中心的圆心角，传感器检测到的加速度为：a=g×cos θ,在传感器随轴转动一周的过程中，加速度传感器输出一个周期的余弦波，检测该波形的周期，即可计算出轴的转速。

1.3 检测数据处理与传输

为了满足数据采集、储存、传输要求，将讯号调理、时钟、数据储存、无线模块及电源管理等基本电路设计在同一块电路板上。其主控芯片采用低能耗的MSP430系列，电路板上安装了64 MB储存器，并设有USB接口，扩大了数据储存量，方便了数据交换。短距离无线发射模块采用CC1000模块SmartRF技术。

2 主要技术参数

扭矩测量范围：0～300 N·m，精度：±0.3%；

转速测量范围：0.5～2 500 r·min-1，精度：±0.1%；

测量方式：在线连续检测；

测量图存储量：本机存储器32 MB；

自动保存测量图的时间间隔：10 min～1个月任意设置；

通信距离：100～400 m；

通信频率：ISM频段430～434 MHz；

工作温度范围：-40～85℃；

工作电源：锂离子电池；

电池满容量工作时间：45 d；

工作寿命：5 a。

3 现场应用

抽油机电动机扭矩检测仪现场进行了20井次的应用。其中在5口井上进行了30 d连续检测。以江苏油田XQ1-11井为例，该井采用32 mm泵，产液量15.6 m3·d-1，产油量5.7 t·d-1。采用8型抽油机，工作制度为冲程2.5 m、冲次6次，该井系统效率为31%。为了进一步分析抽油系统各节点的效率，对该井进行了两点同步测试，分别在悬绳器和电机输出轴2个部位安装了无线连续检测示功仪、电机扭矩测试仪，连续检测了15 d，获得了电机输出扭矩相关数据（见表1），电机平均输出功率为2.64 kW。为了进一步分析抽油机在一个冲程内各参数变化情况，将悬点、电机输出2个点测得数据进行叠加，获得了抽油机在一个冲程内的光杆功率、电机输出功率的闭合图（见图3），该图为进一步揭示抽油机地面系统各节点效率情况提供了科学依据。通过分析计算，得出机械效率78.03%，电机效率90.7%。

表1 XQ1-11井测试数据

4 结论

1）电动机输出扭矩在线检测仪可方便地进行电动机输出扭矩的动态检测，用重力加速度方式可检测出电动机的转速，所测数据用无线传输方式发送到电脑，可以准确地得出抽油机井电动机的输出功率、电动机效率和抽油机的机械效率。

2）配合电能测试仪、油井无线连续监测示功仪，可实现同步测试抽油机井电动机输入功率、电动机输出功率、光杆功率，这些数据对分析抽油机井各节点效率和抽油机在一个行程内的功率变化非常重要，可准确分析影响抽油机井系统效率的原因。

3）该仪器集成化程度高，操作方便，测试数据准确、可靠，为分析采油系统各节点效率状况提供了重要依据。

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Huang Jilv，Ji Zhifa，Guo Runqiu，et al.Working principle and application examples of sensors［M］.Beijing：Posts& Telecom Press，1998.

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Zhao Xinming.Intelligent instrument design basis［M］.Harbin：Harbin Engineering University Press，1999.

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Development and application of on-line detector for motor torque

Xiong Jianhua1，2Wang Mingcai2Feng Enshan2Xu Qiang3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Dongying 257061,China;2.No.1 Oil Producing Test Plant of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Jiangdu 225265,China;3.Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Yangzhou 225009,China)

How to test accurately the ground system efficiency in the rod pumped well is a problem difficult to solve.The main reason is that the motor efficiency can not be tested on-line.Through developing the on-line detector for motor torque,the motor output torque and rotate speed can be dynamically measured on-line.The motor output power,including the instantaneous power and average power can be calculated conveniently.If the motor input power can be measured synchronously,the mechanical efficiency of motor can be calculated conveniently.Consequently,the problem of testing the ground system efficiency can be solved accurately during the efficiency testing in the rod pumped well.The field application has achieved a good effect,which can provide important means for analyzing,researching,improving the efficiency of machine-production system and also can provide important method for accurately evaluating the motor efficiency and life.

rod pumped well,detector for motor torque,development,application.

TE933+·1

A

2009-12-27；改回日期：2010-07-27。

熊建华，男，1967年生，高级工程师,毕业于石油大学（华东），主要从事采油工程方面的研究。E-mail：xiongjh@joeco.com.cn。

（编辑 刘 丽）

1005-8907（2010）05-646-03

熊建华，王明才，冯恩山，等.电动机输出扭矩在线检测仪的研制与应用［J］.断块油气田，2010，17（5）：646-648.

Xiong Jianhua，Wang Mingcai，Feng Enshan，et al.Development and application of on-line detector for motor torque［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2010，17（5）：646-648.