伺服技術應用于油田地面系統

劉喜文 大慶油田采油九廠

伺服技術應用于油田地面系統

劉喜文 大慶油田采油九廠

油田開發使得地面系統負荷率下降，傳統技術不能有效地提高系統效率，在節能壓力日趨嚴重的今天，伺服技術可以滿足這一需求。伺服技術是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值任意變化的自動控制。伺服電機具有啟動轉矩大、啟動電流小、調速范圍寬、控制精度高和閉環控制等特點，能夠替代地面系統中的電機加變頻運行方式。大慶油田采油九廠共有變頻器117套，如果采用伺服電機年可節電約200×104kW·h。

伺服技術；調速；閉環控制；應用；地面系統

油田開發使得地面系統負荷率下降，傳統技術不能有效地提高系統效率，在節能壓力日趨嚴重的今天，伺服技術可以滿足這一需求。伺服技術是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標值任意變化的自動控制。

1 結構與工作原理

伺服電機內部的轉子是永磁鐵，由驅動器控制的三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動；電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。

（1）位置反饋單元。位置反饋單元是交流伺服系統的重要組成部分，直接關系到系統的靜態及動態特性。

（2）功率驅動單元。功率驅動單元采用全橋不控整流，三相電壓型逆變器的AC-DC-AC結構。

（3）控制單元。控制單元是整個交流伺服系統的核心，包含系統位置控制器、速度控制器、轉矩控制器和電流控制器。

2 與變頻調速系統對比

改變三相交流電的頻率來改變轉速，如果輸入電壓頻率改變，電機轉速就相應變化，就可以實現調速，這只是開環速度控制，響應頻率和精度都不高。

伺服系統相對于變頻器的優點有：①伺服系統是一個內、外部閉環控制系統，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相比；②伺服電機可以實現位置控制和零速控制，而變頻器無法實現；③伺服電機能大幅度降低電機運行中的能耗，在交流伺服控制器驅動下，能量轉換效率都高于變頻。變頻系統和伺服系統的對比詳見表1。

表1 變頻系統和伺服系統的對比

3 應用效果

（1）高速實時動態自適應解耦控制。在轉子磁場定向的同步旋轉坐標系下，定子電流可分解為兩個獨立的分量：d軸分量控制轉子磁通；在控制轉子磁通恒定的前提下，電機轉矩與定子電流的q軸分量成正比。從而實現了轉子磁通和轉矩的自適應解耦控制，實現了定子電流扭矩最大化，有功消耗最小化。

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

（3）永磁電機全方位多方向退磁保護。在電機設計時，合理設計電機工作點，限制電機工作點的漂移范圍在退磁曲線的線性段，避免進入退磁曲線拐點部分，消除不可逆退磁；控制電機電流的解耦，使d軸電流為零，消除退磁電流；同時設計了電機的溫度保護裝置和定子電流極限值控制，防止出現永磁材料的不可逆熱退磁。綜合設計、控制、保護等多方面的考慮，實現了對永磁體的全方位退磁保護，有效地避免了永磁體的退磁，提高了永磁電機的長期使用壽命。

（4）現場試驗。選取了敖古拉敖一聯注水站進行試驗，2臺30 kW注水電機采用一拖二變頻方式運行。電機規格型號為Y225M-6，額定轉速1 000 r/min。采用同功率的伺服電機進行運行節能測試，測試數據見表2。30 kW伺服電機在敖古拉注水站運行1個月，日注水單耗由變頻運行時的4.89 kW·h/m3下降到4.08 kW·h/m3。日注水量78 m3，年可節電2.3×104kW·h。對伺服電機運行和變頻運行的諧波進行檢測表明，伺服電機諧波電流成分以奇次諧波為主，3次諧波電流含量滿足國標限值，5、7次諧波電流含量最大；電流總諧波畸變率THD由變頻運行時的131.9%下降到58.7%。30 kW異步電機加變頻投資較30 kW伺服電機投資高0.24萬元。

表2 節能測試數據

4 主要特點及應用前景

（1）柔性軟啟動，對供電系統無任何沖擊。系統在啟動過程中，實時檢測系統實際力矩，控制三相定子電流，從零速逐漸加速到設定轉速，全部過程中無沖擊電流；對系統中其他用電設備無任何影響，實際應用中伺服系統的啟動電流是從零逐漸增加，無沖擊波峰。

（2）全部速度區域可實現最大轉矩。系統最大的特點是輸出轉矩因需控制，在系統運行過程中，隨時根據系統需要提供相應的轉矩，直至最大，沒有其他拖動系統的低速轉矩特性不良的現象。

（3）系統實現內、外環全閉環自動控制。全數字化的閉環控制和快速響應特性，能大幅度降低轉矩波動，電動機機械特性與負載特性的相互配合達到最佳，大大降低了沖擊負載形成的疲勞損傷，可延長設備使用壽命，減少停機時間和維修時間。

（4）寬范圍無級調速。運行轉速可以在零至最高速（額定轉速）之間根據需要任意調節，調速范圍十分寬泛，調速設置非常便捷；同時消除了類似變頻拖動的低頻電機發熱現象，伺服系統可在低轉速區域內高效運行。

（5）高精度實時控制，降低系統控制參量的波動幅度。伺服系統實時控制電機的轉矩，迅速響應系統的控制要求，極大地減低了系統控制參量的波動，與其他拖動系統相比，控制調整時間短，控制參量波動極低。

（6）完善的保護功能。具有過流、過壓、欠壓、超溫、缺相、過載、失載等保護功能，安全系數高，當出現電機堵轉等異常問題時會自動關斷電機；系統的自我保護能力強，而且拖動系統的各類保護參數可根據實際生產或設備所需進行設定。

（7）應用前景。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，裝機功率3 555 kW，如果采用伺服電機年可節電約200×104kW·h。今后在產能建設和老區改造中可大量應用伺服電機代替變頻器。

5 結語

（1）伺服電機具有啟動轉矩大、啟動電流小、調速范圍寬、控制精度高和閉環控制等特點，能夠替代地面系統中的電機加變頻運行方式。

（2）伺服電機體積小、占地少，與變頻器的成本相當，推廣使用更具有優勢。

（3）伺服電機調速響應快，功率因數高，節能效果顯著，以30 kW電機為例每年可以節約電量2.3×104kW·h。

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.033

（欄目主持 關梅君）