1 引言 隨著微電子、電力電子技術(shù)的發(fā)展，高性能大功率半導(dǎo)體模塊等產(chǎn)品制造工藝水平及性價(jià)比的提高，IC芯片功能的日益強(qiáng)大，伺服控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)也在不斷的完善和提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣闊。 交流異步電機(jī)伺服控制器具有全方位的伺服控制功能，其控制對(duì)象是三相交流異步電機(jī)，使異步電機(jī)的控制精度達(dá)到同步伺服電機(jī)的水平。交流伺服控制器調(diào)速范圍廣，定位精度高，低速轉(zhuǎn)矩大，軟件功能完善。三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，免維護(hù)及使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)使得交流異步伺服系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，成為未來(lái)伺服控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 近年來(lái)我國(guó)用電情況緊張，而作為用電大戶的油田，其用電量一直居高不下。抽油機(jī)是油田使用最多的采油設(shè)備，目前我國(guó)各油田在用的抽油機(jī)有10萬(wàn)臺(tái)以上，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量一般都在30kW以上，照這樣計(jì)算，總裝機(jī)容量在300萬(wàn)kW以上，是油田耗電量最大的設(shè)備群。 2 抽油機(jī)的調(diào)速和節(jié)能 由于油井的井深、油質(zhì)、粘稠度、含沙量、含水量等各不相同，抽油機(jī)的工況，沖次、沖程、電機(jī)功率也各不相同。抽油機(jī)產(chǎn)品的沖次設(shè)定一般在6～8次/min，而實(shí)際油井的沖次范圍要求在1～12次/min。根據(jù)井況的變化需要調(diào)整抽油機(jī)的沖次，目前油田采用的辦法有幾種: （1） 更換傳動(dòng)皮帶輪。 此辦法的缺點(diǎn)是需要停機(jī)更換，耗費(fèi)時(shí)間，影響產(chǎn)量。在較低沖次的情況下，由于主動(dòng)帶輪過(guò)小而無(wú)法實(shí)現(xiàn)或效率降低，有的油田采用增加一級(jí)皮帶傳動(dòng)的方法，增加了機(jī)械成本，效果也不好。 （2） 采用變極二（三）速電機(jī)，通過(guò)改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)速。 此辦法的缺點(diǎn)是電機(jī)的變速是階躍式的,沖擊很大,且只有二或三個(gè)固定速度,無(wú)法達(dá)到需求的速度,也無(wú)法低速運(yùn)行。 （3） 采用電磁調(diào)速電機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速。 此辦法的缺點(diǎn)是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)耗能與工頻運(yùn)行時(shí)相同，效率低，易發(fā)熱。電磁調(diào)速電機(jī)不適用于室外環(huán)境，易損壞。 （4） 使用變頻器控制電機(jī)調(diào)速。 此辦法的缺點(diǎn)是由于變頻器自身的弱點(diǎn)，在低頻時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩有所下降，低速負(fù)載特性差。 抽油機(jī)提高效率、節(jié)約電能的途徑，除了在本身機(jī)械結(jié)構(gòu)上做文章以外，就是對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本要求:能夠大范圍穩(wěn)定調(diào)速、有顯著的節(jié)電效果。交流異步伺服控制器制造了油田抽油機(jī)專用調(diào)速、節(jié)能伺服控制柜，在中原、勝利油田使用，并經(jīng)過(guò)了測(cè)試。該控制柜克服了上面幾種調(diào)速方法的缺點(diǎn)，達(dá)到了良好、簡(jiǎn)便的調(diào)速要求，節(jié)電效果也十分明顯。附圖所示為交流伺服控制柜和普通異步電機(jī)在油田抽油機(jī)的應(yīng)用的實(shí)際外形圖。 3 抽油機(jī)電機(jī)采用伺服控制的優(yōu)勢(shì) 3.1 調(diào)速范圍大 大范圍的控制速度是伺服控制的基本功能之一，油田抽油機(jī)的交流異步電機(jī)采用伺服控制，可以準(zhǔn)確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整抽油機(jī)沖次的目的。時(shí)光交流伺服控制器在零至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，有三倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力，因此在很低的輸出頻率下，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，足以滿足了抽油機(jī)的負(fù)載要求。 3.2 低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性 交流伺服控制器具有低速大轉(zhuǎn)矩的控制特性，在抽油機(jī)電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，控制器可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到設(shè)定值，電流平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)。在負(fù)荷較輕的油井，在伺服軟啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)完全可以用較小功率的電機(jī)取代原有的電機(jī)，達(dá)到進(jìn)一步的節(jié)能。 3.3 可對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式 在抽油機(jī)一個(gè)抽油沖次中，由于平衡塊和位能負(fù)載的影響，電機(jī)兩次處于發(fā)電狀態(tài)。電機(jī)電流的變化說(shuō)明其負(fù)載轉(zhuǎn)矩在抽油作功和位能負(fù)載之間的急劇變化。根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律的分析，利用時(shí)光交流伺服控制器具有的內(nèi)部PLC功能，編制了抽油機(jī)的運(yùn)行程序，對(duì)抽油機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，伺服控制器可對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，以達(dá)到節(jié)電的目的。由于速度與轉(zhuǎn)矩可解耦，分別控制，伺服控制器對(duì)于抽油的沖程采取了下慢上快的速度控制，提高了出油量。 3.4 采用交-直-交變頻主電路 交流伺服控制器采用交-直-交變頻調(diào)速的主電路，直流側(cè)并有大容量電容，從而大大提高了電機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)，減小了無(wú)功電流，又節(jié)省一部分電力開支。 3.5 在低沖次、需要調(diào)速的抽油機(jī)上使用伺服控制有三個(gè)優(yōu)勢(shì) （1） 與更換皮帶輪和改變電機(jī)極對(duì)數(shù)相比, 調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，調(diào)速連續(xù)、平滑、無(wú)沖擊。 （2） 與變頻器控制電機(jī)相比，調(diào)速范圍寬，低速轉(zhuǎn)矩性能好，負(fù)載能力大。 （3） 與電磁調(diào)速電機(jī)比, 伺服控制普通異步電機(jī)節(jié)電效果明顯。根據(jù)公式, 轉(zhuǎn)矩T保持不變, 當(dāng)轉(zhuǎn)速n減小時(shí), 輸出功率P也相應(yīng)減小。電機(jī)轉(zhuǎn)速越低, 消耗電力越少。而電磁調(diào)速電機(jī)不論轉(zhuǎn)速是多少, 功率P基本不變。 4 應(yīng)用實(shí)例 4.1 實(shí)驗(yàn)一 地點(diǎn):Z油田2-102井 測(cè)試日期:2003.3.29 使用電機(jī):6極 37kW普通異步電機(jī) 抽油機(jī)沖次:5次/min 測(cè)試時(shí)間:10min。 4.2 實(shí)驗(yàn)二 地點(diǎn):S油田35-4206井 測(cè)試日期:2004.1.4～1.12 使用電機(jī):6極 30kW普通異步電機(jī) 抽油機(jī)沖次:7次/min 測(cè)試時(shí)間:工頻和時(shí)光伺服控制輪換運(yùn)行，各24小時(shí)，共8天。 4.3 實(shí)驗(yàn)三 地點(diǎn):S油田24-14井 測(cè)試日期:2004.7.21 使用電機(jī):8極 30kW電磁調(diào)速電機(jī) 6極 30kW普通異步電機(jī) 抽油機(jī)沖次:2.5次/min 測(cè)試時(shí)間:40小時(shí) 4.4 實(shí)驗(yàn)四 地點(diǎn):S油田28-7井 測(cè)試日期:2004.7.22 使用電機(jī):8極 30kW電磁調(diào)速電機(jī) 6極 30kW普通異步電機(jī) 抽油機(jī)沖次:1.3次/min 測(cè)試時(shí)間:24小時(shí) 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)實(shí)踐和理論分析，可以得出以下結(jié)論: （1） 伺服控制器應(yīng)用在油田抽油機(jī)可以達(dá)到節(jié)電的效果。根據(jù)油井井況的不同，工頻運(yùn)行的節(jié)電率為10%～20%（包括無(wú)功功率部分）。變頻器的節(jié)電效果不會(huì)高于伺服控制。見實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二。 （2） 對(duì)于要求調(diào)速的抽油機(jī)，伺服控制器具有輸出低速大扭矩的功能，調(diào)速簡(jiǎn)便，可以完全滿足抽油機(jī)調(diào)速的要求。在幾種調(diào)速方法中最具有優(yōu)勢(shì)的一種。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四中均進(jìn)行了8極電磁調(diào)速電機(jī)和6極普通異步電機(jī)的測(cè)試，結(jié)論是一致的。 （3） 在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下, 實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)低沖次調(diào)速運(yùn)行, 伺服控制的節(jié)電效果明顯。與電磁調(diào)速電機(jī)相比，節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速降低而增加, 遠(yuǎn)大于20%。見實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四。