液壓設(shè)備節(jié)能改造中伺服控制技術(shù)應(yīng)用效果測試與分析

周 楓 王小曼 查顧兵

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

1 引言

近年來，我國液壓設(shè)備行業(yè)取得了蓬勃的發(fā)展，其中液壓傳動技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。液壓傳動是通過高壓介質(zhì)（液壓油）實現(xiàn)能量的傳遞，系統(tǒng)壓力和流量可調(diào)，功率質(zhì)量比大，是液壓設(shè)備廣泛采用的動力傳遞形式。液壓機(jī)是成型加工中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，在鍛造，沖壓，管、線、型材擠壓，粉末冶金，塑料及橡膠制品成型等領(lǐng)域中廣泛使用。

液壓傳動技術(shù)在機(jī)械能與壓力能的轉(zhuǎn)換方面已取得很大進(jìn)展，但在能量損失和傳動效率上仍存在不足，具體表現(xiàn)如下：

傳統(tǒng)液壓設(shè)備定量泵系統(tǒng)的液壓部分采用異步電動機(jī)加油泵系統(tǒng)，電動機(jī)帶動油泵從油箱吸油并加壓輸出，經(jīng)各種控制閥控制油的壓力、流量和方向，以保證工作機(jī)構(gòu)以一定的力（或扭矩）和一定的速度按所要求的方向運(yùn)動。從而實現(xiàn)液壓動作。傳統(tǒng)定量泵液壓設(shè)備通常在需要改變負(fù)載流量和壓力時，定量油泵速度不可調(diào)，需要用閥門調(diào)節(jié)，多余的油經(jīng)溢流閥排入油箱，能量以壓力差的形式損耗在閥門上，造成了大量能源浪費。

本文通過對傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)原理分析，探討傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)節(jié)能改造的可行性，并對企業(yè)應(yīng)用液壓伺服控制進(jìn)行技術(shù)節(jié)能改造效果進(jìn)行測試分析。

2 液壓伺服系統(tǒng)的節(jié)能原理

目前傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)主要分為變頻技術(shù)和伺服系統(tǒng)，下面將作具體闡述。

2.1 變頻技術(shù)

（1）變頻技術(shù)節(jié)能原理

由電機(jī)學(xué)原理可知，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

其中，S—電動機(jī)轉(zhuǎn)差率（對于電動機(jī)為常量）；

P—電動機(jī)定子繞組極對數(shù)（對于電動機(jī)為常量）；

f—電動機(jī)的供電頻率（Hz）

所以，只要調(diào)整供給異步電動機(jī)的電源頻率，就可以實現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的控制。

通過流體力學(xué)的基本定律可知泵類設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝N ，H∝N2，P∝N3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

（2）變頻技術(shù)在傳統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)的應(yīng)用

變頻改造就是給異步電機(jī)加一個變頻器，采用變頻器改變異步電機(jī)運(yùn)行頻率，從而改變轉(zhuǎn)速，這時可以開環(huán)也可以閉環(huán)要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統(tǒng)意義上的V/F控制方式。

變頻系統(tǒng)包含：變頻器＋三相鼠籠式異步電動機(jī)。

2.2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動器、伺服油泵這三個部分組成。

（1）電機(jī)的全稱一般為“稀土永磁同步交流伺服電機(jī)”，此類電機(jī)的主要特性有：①額定轉(zhuǎn)速以及低于額定轉(zhuǎn)速下恒扭矩輸出；②2.5-3倍的力矩過載；③轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對同功率的異步電動機(jī)較輕，換向性能突出；④有較高的扭矩、電流比；⑤轉(zhuǎn)子外圈貼耐高溫的燒結(jié)釹鐵硼磁鋼，功率較大（7.5-315kW），有實時的反饋元件。

（2）伺服驅(qū)動器在發(fā)展了變頻技術(shù)的前提下，在驅(qū)動器內(nèi)部的電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)（變頻器沒有該環(huán)）都進(jìn)行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運(yùn)算，在功能上也比傳統(tǒng)的伺服強(qiáng)大很多，可以進(jìn)行精確的位置控制。

（3）伺服泵：可搭配伺服系統(tǒng)的泵主要為高效率的內(nèi)嚙合齒輪泵。

2.3 變頻技術(shù)與伺服系統(tǒng)特點對比

伺服是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而變頻器通常工作于開環(huán)控制，所以無論從速度還是精度上，變頻器都無法和伺服相比。變頻只是伺服的一個部分，伺服是在變頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉環(huán)的精確控制從而達(dá)到更理想的效果。

具體對比如下：

（1）伺服系統(tǒng)一般使用永磁電機(jī)，電機(jī)的特性決定了響應(yīng)時間快。而變頻系統(tǒng)一般使用交流電機(jī)，響應(yīng)時間慢，運(yùn)行效率低；

（2）伺服系統(tǒng)的泵主要為高效率的內(nèi)嚙合齒輪泵，變頻系統(tǒng)經(jīng)常與葉片泵搭配，效率都普遍較低；

（3）變頻改造就是給異步電機(jī)加一個變頻器，而伺服改造則是更換泵，更換電機(jī)，加一個驅(qū)動器，改掉原來油路。伺服系統(tǒng)改造相較于單純的變頻技術(shù)應(yīng)用價格高出幾倍。

綜上所述，利用伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)+伺服齒輪泵作為動力源系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的異步電動機(jī)+定量葉片泵的動力源系統(tǒng)具有更為明顯的節(jié)能效果。

3 伺服系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)能改造項目實例

上海某石油鉆桿生產(chǎn)企業(yè)在工藝過程中需使用管端加厚機(jī)，每臺加厚機(jī)有5臺三相異步電機(jī)協(xié)同工作，其中3臺110kW及2臺75kW。改造前管端加厚機(jī)采用開環(huán)定量泵控制系統(tǒng)，當(dāng)管端加厚機(jī)處于開機(jī)狀態(tài)，液壓泵電機(jī)工頻運(yùn)行，大量液壓油供大于求，溢流回油箱，形成能源浪費。

3.1 節(jié)能改造方案

項目改造采用液壓伺服控制系統(tǒng)，用伺服電機(jī)取代原異步電機(jī)，用齒輪泵取代原葉片泵，另外增加伺服驅(qū)動器，構(gòu)成液壓伺服控制系統(tǒng)，對生產(chǎn)所需的壓力和流量采用閉環(huán)控制。使用伺服系統(tǒng)后，伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)一起，對液壓設(shè)備的壓力信號形成一個閉環(huán)控制，同時由于伺服電機(jī)具有快速啟停的特點，在空載階段，伺服電機(jī)幾乎沒有電耗。

伺服節(jié)能系統(tǒng)所輸出的壓力、流量可以閉環(huán)控制，所以它的壓力重復(fù)精度好，伺服節(jié)能系統(tǒng)所輸出的流量是靠數(shù)字信號來控制的，有很好的線性和低速可控性，其流量的重復(fù)精度也較高。

系統(tǒng)改造后運(yùn)行原理如下：

圖1 管端加厚機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)作原理

3.2 改造前電機(jī)能耗情況

液壓系統(tǒng)每臺電機(jī)均有獨立供電回路，為提供分析數(shù)據(jù)，改造前采用每個回路電源開關(guān)處接入電力測試儀進(jìn)行用電量測試。

有功功率負(fù)荷見圖2（以1#油泵電機(jī)為例），坐標(biāo)軸上連續(xù)柱狀圖為電機(jī)空載功率，峰值柱狀為加載功率。從時間坐標(biāo)軸可以看到每分鐘出現(xiàn)一次峰值柱狀，這符合現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)拍（管端加厚1分鐘/頭）。

圖2 改造前1#油泵電機(jī)功率負(fù)荷圖

由于油泵電機(jī)大部分時間處于空載運(yùn)行，造成功率因數(shù)偏低，大部分時間段功率因數(shù)為0.2左右，詳見圖3。

圖3 改造前1#油泵電機(jī)功率因數(shù)圖

改造前后測試數(shù)據(jù)分析

3.3 改造后電機(jī)能耗情況

項目改造采用伺服電機(jī)＋驅(qū)動器＋伺服油泵方式，空載時間段電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，圖3中的坐標(biāo)軸上連續(xù)柱狀消失，即電機(jī)空載功率為零，圖中每分鐘出現(xiàn)一次的峰值柱狀為加載功率。改造后油泵電機(jī)采用稀土永磁同步交流伺服電機(jī)，功率因數(shù)接近于1（見圖4）。

圖4 改造后1#油泵電機(jī)功率負(fù)荷圖

3.4 改造節(jié)能效果分析

項目改造后伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)可根據(jù)管端加厚機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，以及壓力和速度的設(shè)定要求，自動調(diào)節(jié)油泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)油泵供油量，使油泵實際供油量與實際負(fù)載流量在任何工作階段均能保持一致，使電機(jī)在整個變化的負(fù)荷范圍內(nèi)的能量消耗達(dá)到所需的最小程度，徹底消除了溢流現(xiàn)象，并確保電機(jī)平穩(wěn)、精確地運(yùn)行。

通過改造前后管端加厚機(jī)5臺油泵電機(jī)的測試數(shù)據(jù)分析，平均功率因數(shù)從0.23提高到0.99，節(jié)電率達(dá)到76.3%，達(dá)到了理想的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)液壓工藝的生產(chǎn)成本構(gòu)成中，電費占了相當(dāng)?shù)谋壤楣?jié)省管端加厚機(jī)運(yùn)行能耗、降低運(yùn)行電費成本，企業(yè)采用伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)對管端加厚機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，通過更換電機(jī)和油泵，增加伺服控制器，將原定量泵供油改造成伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了管端加厚機(jī)高節(jié)能率，因此普通液壓設(shè)備的伺服改造將成為今后行業(yè)節(jié)能改造的主導(dǎo)方向。

[1]王春行主.液壓伺服控制系統(tǒng)-2版[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[2]孫友松,何寄平,方雅,等.交流伺服驅(qū)動與成形裝備節(jié)能[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2009,44(5):26-31.

[3]李貴閃.伺服驅(qū)動液壓機(jī)淺析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2011(6):17-19.

[4]張友根.注塑機(jī)交流伺服電機(jī)驅(qū)動液壓泵系統(tǒng)的應(yīng)用及設(shè)計研究[J].塑料制造,2010,30(12):74-85.