伺服技術(shù)應(yīng)用于油田地面系統(tǒng)

劉喜文 大慶油田采油九廠

伺服技術(shù)應(yīng)用于油田地面系統(tǒng)

劉喜文 大慶油田采油九廠

油田開發(fā)使得地面系統(tǒng)負(fù)荷率下降，傳統(tǒng)技術(shù)不能有效地提高系統(tǒng)效率，在節(jié)能壓力日趨嚴(yán)重的今天，伺服技術(shù)可以滿足這一需求。伺服技術(shù)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值任意變化的自動(dòng)控制。伺服電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、調(diào)速范圍寬、控制精度高和閉環(huán)控制等特點(diǎn)，能夠替代地面系統(tǒng)中的電機(jī)加變頻運(yùn)行方式。大慶油田采油九廠共有變頻器117套，如果采用伺服電機(jī)年可節(jié)電約200×104kW·h。

伺服技術(shù)；調(diào)速；閉環(huán)控制；應(yīng)用；地面系統(tǒng)

油田開發(fā)使得地面系統(tǒng)負(fù)荷率下降，傳統(tǒng)技術(shù)不能有效地提高系統(tǒng)效率，在節(jié)能壓力日趨嚴(yán)重的今天，伺服技術(shù)可以滿足這一需求。伺服技術(shù)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)值任意變化的自動(dòng)控制。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，由驅(qū)動(dòng)器控制的三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)；電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

（1）位置反饋單元。位置反饋單元是交流伺服系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系到系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。

（2）功率驅(qū)動(dòng)單元。功率驅(qū)動(dòng)單元采用全橋不控整流，三相電壓型逆變器的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。

（3）控制單元?？刂茊卧钦麄€(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，包含系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩控制器和電流控制器。

2 與變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)比

改變?nèi)嘟涣麟姷念l率來改變轉(zhuǎn)速，如果輸入電壓頻率改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速就相應(yīng)變化，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這只是開環(huán)速度控制，響應(yīng)頻率和精度都不高。

伺服系統(tǒng)相對(duì)于變頻器的優(yōu)點(diǎn)有：①伺服系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)、外部閉環(huán)控制系統(tǒng)，而變頻器通常只工作于外部控制，所以無論從速度還是精度上，變頻器都無法和伺服電機(jī)相比；②伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)位置控制和零速控制，而變頻器無法實(shí)現(xiàn)；③伺服電機(jī)能大幅度降低電機(jī)運(yùn)行中的能耗，在交流伺服控制器驅(qū)動(dòng)下，能量轉(zhuǎn)換效率都高于變頻。變頻系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的對(duì)比詳見表1。

表1 變頻系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的對(duì)比

3 應(yīng)用效果

（1）高速實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)解耦控制。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子電流可分解為兩個(gè)獨(dú)立的分量：d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通；在控制轉(zhuǎn)子磁通恒定的前提下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比。從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)矩的自適應(yīng)解耦控制，實(shí)現(xiàn)了定子電流扭矩最大化，有功消耗最小化。

（2）電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)同周期控制。同周期控制技術(shù)其核心是提高速度環(huán)、位置環(huán)采樣和處理頻率，在保證電流必要的控制頻率前提下，適當(dāng)降低電流環(huán)的采樣和處理頻率，使機(jī)械環(huán)與電流環(huán)的采樣和處理頻率相同，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的同周期控制；降低機(jī)械環(huán)指令階躍幅值并提高指令階躍頻率；配合同頻率電流環(huán)的電流跟蹤指令修正，使輸出指令電流曲線和輸出轉(zhuǎn)矩曲線更逼近理想控制曲線；消除部分環(huán)路采樣處理速度不同形成的指令時(shí)滯誤差；消除伺服系統(tǒng)整體控制性能的控制滯后現(xiàn)象，同時(shí)柔化輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

（3）永磁電機(jī)全方位多方向退磁保護(hù)。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，合理設(shè)計(jì)電機(jī)工作點(diǎn)，限制電機(jī)工作點(diǎn)的漂移范圍在退磁曲線的線性段，避免進(jìn)入退磁曲線拐點(diǎn)部分，消除不可逆退磁；控制電機(jī)電流的解耦，使d軸電流為零，消除退磁電流；同時(shí)設(shè)計(jì)了電機(jī)的溫度保護(hù)裝置和定子電流極限值控制，防止出現(xiàn)永磁材料的不可逆熱退磁。綜合設(shè)計(jì)、控制、保護(hù)等多方面的考慮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁體的全方位退磁保護(hù)，有效地避免了永磁體的退磁，提高了永磁電機(jī)的長(zhǎng)期使用壽命。

（4）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。選取了敖古拉敖一聯(lián)注水站進(jìn)行試驗(yàn)，2臺(tái)30 kW注水電機(jī)采用一拖二變頻方式運(yùn)行。電機(jī)規(guī)格型號(hào)為Y225M-6，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。采用同功率的伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行節(jié)能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。30 kW伺服電機(jī)在敖古拉注水站運(yùn)行1個(gè)月，日注水單耗由變頻運(yùn)行時(shí)的4.89 kW·h/m3下降到4.08 kW·h/m3。日注水量78 m3，年可節(jié)電2.3×104kW·h。對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行和變頻運(yùn)行的諧波進(jìn)行檢測(cè)表明，伺服電機(jī)諧波電流成分以奇次諧波為主，3次諧波電流含量滿足國(guó)標(biāo)限值，5、7次諧波電流含量最大；電流總諧波畸變率THD由變頻運(yùn)行時(shí)的131.9%下降到58.7%。30 kW異步電機(jī)加變頻投資較30 kW伺服電機(jī)投資高0.24萬元。

表2 節(jié)能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 主要特點(diǎn)及應(yīng)用前景

（1）柔性軟啟動(dòng)，對(duì)供電系統(tǒng)無任何沖擊。系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際力矩，控制三相定子電流，從零速逐漸加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，全部過程中無沖擊電流；對(duì)系統(tǒng)中其他用電設(shè)備無任何影響，實(shí)際應(yīng)用中伺服系統(tǒng)的啟動(dòng)電流是從零逐漸增加，無沖擊波峰。

（2）全部速度區(qū)域可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩因需控制，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，直至最大，沒有其他拖動(dòng)系統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)矩特性不良的現(xiàn)象。

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外環(huán)全閉環(huán)自動(dòng)控制。全數(shù)字化的閉環(huán)控制和快速響應(yīng)特性，能大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載特性的相互配合達(dá)到最佳，大大降低了沖擊負(fù)載形成的疲勞損傷，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少停機(jī)時(shí)間和維修時(shí)間。

（4）寬范圍無級(jí)調(diào)速。運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以在零至最高速（額定轉(zhuǎn)速）之間根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍十分寬泛，調(diào)速設(shè)置非常便捷；同時(shí)消除了類似變頻拖動(dòng)的低頻電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象，伺服系統(tǒng)可在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)高效運(yùn)行。

（5）高精度實(shí)時(shí)控制，降低系統(tǒng)控制參量的波動(dòng)幅度。伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，迅速響應(yīng)系統(tǒng)的控制要求，極大地減低了系統(tǒng)控制參量的波動(dòng)，與其他拖動(dòng)系統(tǒng)相比，控制調(diào)整時(shí)間短，控制參量波動(dòng)極低。

（6）完善的保護(hù)功能。具有過流、過壓、欠壓、超溫、缺相、過載、失載等保護(hù)功能，安全系數(shù)高，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)等異常問題時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷電機(jī)；系統(tǒng)的自我保護(hù)能力強(qiáng)，而且拖動(dòng)系統(tǒng)的各類保護(hù)參數(shù)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)或設(shè)備所需進(jìn)行設(shè)定。

（7）應(yīng)用前景。大慶油田采油九廠共有變頻器117套，其中110 kW以下的變頻器68套，裝機(jī)功率3 555 kW，如果采用伺服電機(jī)年可節(jié)電約200×104kW·h。今后在產(chǎn)能建設(shè)和老區(qū)改造中可大量應(yīng)用伺服電機(jī)代替變頻器。

5 結(jié)語

（1）伺服電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、調(diào)速范圍寬、控制精度高和閉環(huán)控制等特點(diǎn)，能夠替代地面系統(tǒng)中的電機(jī)加變頻運(yùn)行方式。

（2）伺服電機(jī)體積小、占地少，與變頻器的成本相當(dāng)，推廣使用更具有優(yōu)勢(shì)。

（3）伺服電機(jī)調(diào)速響應(yīng)快，功率因數(shù)高，節(jié)能效果顯著，以30 kW電機(jī)為例每年可以節(jié)約電量2.3×104kW·h。

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.033

（欄目主持 關(guān)梅君）