伺服控制系统与变频控制系统在油田注水系统应用中的对比分析

周鸿雁

(大庆师范学院 物理与电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

油田注水的特点是高压力、小流量，所以目前主要采用容积式泵注水。其依靠泵体容积的变化，由往复运动或旋转运动的活塞或转子挤压液体，使液体能量增加，常用的有离心泵、柱塞泵等。驱动方面主要采用电动机通过皮带轮传动，控制方面采用具有随注水压力调节电机转速和输出电压的变频控制系统[1]。

近几年，油田注水系统广泛采用了柱塞泵加变频技术，取得了明显的节能效果[2]。由于注水系统的不稳定性，使得泵站压力经常发生变化，通过加装变频设备，通过管线压力或者流量信号接入变频器，从而控制电源输出，既实现了稳压注水，又达到了节能的目的。由于柱塞泵是恒转矩负载，功率变化与转速变化成正比，能够实现节能降耗。变频调速是应节能要求而在异步电动机直接驱动的基础上发展起来的，通过调节电动机转速以调节流量、压力来达到节能目的，所消耗的功率将降低很多。其工作原理是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

2009年8月，通过在敖一联注水站进行伺服控制系统代替变频控制系统的试验，来验证伺服控制系统在油田注水系统中应用的优势。伺服控制系统本身是一个闭环控制系统，而变频器通常工作于开环控制模式，伺服电机可以实现位置控制和零速控制，这些变频器均无法实现[3]。伺服控制系统无论从速度控制还是精度控制上，均优于变频控制系统。同时，伺服电机能大幅度降低电机运行中的能耗，在交流伺服控制器驱动下，能量转换效率高于变频器。

1 变频控制和伺服电机控制原理分析

1.1 变频器和伺服控制系统关系

简单的变频器只能调节交流电机的速度，根据控制方式和变频器的情况，可以采用开环控制或是闭环控制，这就是传统意义上的V/F控制方式[4]。现在，很多变频器能够通过建立数学模型，将交流电机的定子磁场U、V、W三相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，对电机的转速和转矩进行控制。通过对U、V、W每相的输出电流进行检测，采样后经过数据处理、分析、建模，然后通过PID控制器，实现对电机转速和转矩的闭环控制。

变频也是伺服控制的一个必须的内部环节，由于要进行无级调速，伺服驱动器中同样存在变频。但伺服将电流环、速度环、位置环都闭合进行控制，这与变频控制系统有很大的区别。除此之外，伺服电机的构造和普通电机也是有区别的。由于要满足快速响应和准确定位，交流异步伺服系统的很多驱动器就是带编码器反馈闭环控制的高端变频器。交流伺服的技术本身就借鉴并应用了变频的技术，在直流电机的伺服控制的基础上通过变频的PWM方式模仿直流电机的控制方式来实现的，也就是说交流伺服电机必然有变频的这一环节[5]。

所谓变频，就是将工频的50Hz的交流电先整流成直流电，然后通过可控制门极的各类晶体管(IGBT，IGCT等)，通过载波频率和PWM调节逆变为频率可调的波形类似于正余弦的脉动电。由于频率可调，所以交流电机的速度就可调了。

伺服驱动器在变频技术的前提下，对驱动器内部的电流环，速度环和位置环都进行了更精确的控制技术和运算算法。在功能上也比传统的伺服强大很多，最主要的一点是可以进行精确的位置控制。伺服驱动器内部的运算算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。

1.2 伺服控制电机

交流电机一般分为同步和异步电机。伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机，也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机。电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然，即使没有过载设定，变频器的输出能力还是有限的。

2 变频控制和伺服电机控制应用效果对比分析

2.1 谐波分析

伺服控制电机谐波电流成分以奇次谐波为主，5、7次谐波电流含量最大。从表1可以看出，除3次外各次谐波电流含量均超出国标限值范围。

表1 伺服控制电机谐波电流表

2.2 节能分析

从表2可以看出，伺服控制系统在运行数据上优于变频控制系统。同样工况条件下伺服控制系统要比变频控制系统节能7.75%，供水压力波动范围小，压力变化调整时间短。

表2 变频控制系统与伺服控制系统运行数据测试表

2.3 投资分析

从表3可以明显看出，变频控制系统在价格上明显低于伺服控制系统，且变频控制系统的电机功率能做到很大，最大的能做到几百千瓦。而伺服控制系统的电机最大就几十千瓦。

表3 变频控制系统与伺服控制系统价格对比表

3 结语

通过实验得出，同样工况条件下伺服控制系统要比变频控制系统节能7.75%，供水压力波动范围小，压力变化调整时间短，伺服控制系统在运行数据上优于变频控制系统。但是，变频控制系统在价格上明显低于伺服控制系统，且变频控制系统的电机功率能做到很大，最大的能做到几百千瓦，而伺服控制系统的电机最大就几十千瓦。因此，中小功率的油田注水系统中，采用伺服控制系统代替变频控制系统，具有一定经济效益和技术优势。

[参考文献]

[1] 李彦璋，谢龙吉.变频器在油田注水系统中的应用[J].电工技术杂志，2001(11):20-21.

[2] 徐秀芬，王艳，侯永强.变频调速技术在油田注水系统中的应用[J].化工进展，2009(S1):529-530.

[3] 刘喜文.伺服技术应用于油田地面系统[J].油气田地面工程，2011(11):71-72.

[4] 李超.油田注水泵变频调速应用及其节电效果分析[J].中国石油和化工标准与质量，2011(2):213.

[5] 李东红.伺服电机在油田抽油井上的应用[J].油气田地面工程，2011(8):82-83.

[6] 赵民.永磁同步电机控制系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士学位论文，2005.