伺服控制系統(tǒng)與變頻控制系統(tǒng)在油田注水系統(tǒng)應(yīng)用中的對(duì)比分析

周鴻雁

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

油田注水的特點(diǎn)是高壓力、小流量，所以目前主要采用容積式泵注水。其依靠泵體容積的變化，由往復(fù)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的活塞或轉(zhuǎn)子擠壓液體，使液體能量增加，常用的有離心泵、柱塞泵等。驅(qū)動(dòng)方面主要采用電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)，控制方面采用具有隨注水壓力調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出電壓的變頻控制系統(tǒng)[1]。

近幾年，油田注水系統(tǒng)廣泛采用了柱塞泵加變頻技術(shù)，取得了明顯的節(jié)能效果[2]。由于注水系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使得泵站壓力經(jīng)常發(fā)生變化，通過(guò)加裝變頻設(shè)備，通過(guò)管線壓力或者流量信號(hào)接入變頻器，從而控制電源輸出，既實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓注水，又達(dá)到了節(jié)能的目的。由于柱塞泵是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，功率變化與轉(zhuǎn)速變化成正比，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。變頻調(diào)速是應(yīng)節(jié)能要求而在異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量、壓力來(lái)達(dá)到節(jié)能目的，所消耗的功率將降低很多。其工作原理是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。

2009年8月，通過(guò)在敖一聯(lián)注水站進(jìn)行伺服控制系統(tǒng)代替變頻控制系統(tǒng)的試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證伺服控制系統(tǒng)在油田注水系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。伺服控制系統(tǒng)本身是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而變頻器通常工作于開(kāi)環(huán)控制模式，伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)位置控制和零速控制，這些變頻器均無(wú)法實(shí)現(xiàn)[3]。伺服控制系統(tǒng)無(wú)論從速度控制還是精度控制上，均優(yōu)于變頻控制系統(tǒng)。同時(shí)，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)換效率高于變頻器。

1 變頻控制和伺服電機(jī)控制原理分析

1.1 變頻器和伺服控制系統(tǒng)關(guān)系

簡(jiǎn)單的變頻器只能調(diào)節(jié)交流電機(jī)的速度，根據(jù)控制方式和變頻器的情況，可以采用開(kāi)環(huán)控制或是閉環(huán)控制，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式[4]。現(xiàn)在，很多變頻器能夠通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，將交流電機(jī)的定子磁場(chǎng)U、V、W三相轉(zhuǎn)化為可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)電流的分量，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)U、V、W每相的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，采樣后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理、分析、建模，然后通過(guò)PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

變頻也是伺服控制的一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，由于要進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣存在變頻。但伺服將電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制，這與變頻控制系統(tǒng)有很大的區(qū)別。除此之外，伺服電機(jī)的構(gòu)造和普通電機(jī)也是有區(qū)別的。由于要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位，交流異步伺服系統(tǒng)的很多驅(qū)動(dòng)器就是帶編碼器反饋閉環(huán)控制的高端變頻器。交流伺服的技術(shù)本身就借鑒并應(yīng)用了變頻的技術(shù)，在直流電機(jī)的伺服控制的基礎(chǔ)上通過(guò)變頻的PWM方式模仿直流電機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)交流伺服電機(jī)必然有變頻的這一環(huán)節(jié)[5]。

所謂變頻，就是將工頻的50Hz的交流電先整流成直流電，然后通過(guò)可控制門極的各類晶體管(IGBT，IGCT等)，通過(guò)載波頻率和PWM調(diào)節(jié)逆變?yōu)轭l率可調(diào)的波形類似于正余弦的脈動(dòng)電。由于頻率可調(diào)，所以交流電機(jī)的速度就可調(diào)了。

伺服驅(qū)動(dòng)器在變頻技術(shù)的前提下，對(duì)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)都進(jìn)行了更精確的控制技術(shù)和運(yùn)算算法。在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強(qiáng)大很多，最主要的一點(diǎn)是可以進(jìn)行精確的位置控制。伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的運(yùn)算算法和更快更精確的計(jì)算以及性能更優(yōu)良的電子器件使之更優(yōu)越于變頻器。

1.2 伺服控制電機(jī)

交流電機(jī)一般分為同步和異步電機(jī)。伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)，也就是說(shuō)當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出電流、電壓、頻率變化很快的電源時(shí)，伺服電機(jī)就能根據(jù)電源變化產(chǎn)生響應(yīng)的動(dòng)作變化，響應(yīng)特性和抗過(guò)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)。電機(jī)方面的嚴(yán)重差異也是兩者性能不同的根本。就是說(shuō)不是變頻器輸出不了變化那么快的電源信號(hào)，而是電機(jī)本身就反應(yīng)不了，所以在變頻的內(nèi)部算法設(shè)定時(shí)為了保護(hù)電機(jī)做了相應(yīng)的過(guò)載設(shè)定。當(dāng)然，即使沒(méi)有過(guò)載設(shè)定，變頻器的輸出能力還是有限的。

2 變頻控制和伺服電機(jī)控制應(yīng)用效果對(duì)比分析

2.1 諧波分析

伺服控制電機(jī)諧波電流成分以奇次諧波為主，5、7次諧波電流含量最大。從表1可以看出，除3次外各次諧波電流含量均超出國(guó)標(biāo)限值范圍。

表1 伺服控制電機(jī)諧波電流表

2.2 節(jié)能分析

從表2可以看出，伺服控制系統(tǒng)在運(yùn)行數(shù)據(jù)上優(yōu)于變頻控制系統(tǒng)。同樣工況條件下伺服控制系統(tǒng)要比變頻控制系統(tǒng)節(jié)能7.75%，供水壓力波動(dòng)范圍小，壓力變化調(diào)整時(shí)間短。

表2 變頻控制系統(tǒng)與伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)試表

2.3 投資分析

從表3可以明顯看出，變頻控制系統(tǒng)在價(jià)格上明顯低于伺服控制系統(tǒng)，且變頻控制系統(tǒng)的電機(jī)功率能做到很大，最大的能做到幾百千瓦。而伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)最大就幾十千瓦。

表3 變頻控制系統(tǒng)與伺服控制系統(tǒng)價(jià)格對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，同樣工況條件下伺服控制系統(tǒng)要比變頻控制系統(tǒng)節(jié)能7.75%，供水壓力波動(dòng)范圍小，壓力變化調(diào)整時(shí)間短，伺服控制系統(tǒng)在運(yùn)行數(shù)據(jù)上優(yōu)于變頻控制系統(tǒng)。但是，變頻控制系統(tǒng)在價(jià)格上明顯低于伺服控制系統(tǒng)，且變頻控制系統(tǒng)的電機(jī)功率能做到很大，最大的能做到幾百千瓦，而伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)最大就幾十千瓦。因此，中小功率的油田注水系統(tǒng)中，采用伺服控制系統(tǒng)代替變頻控制系統(tǒng)，具有一定經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

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