1 引言 隨著微電子、電力電子技術的發(fā)展，高性能大功率半導體模塊等產(chǎn)品制造工藝水平及性價比的提高，IC芯片功能的日益強大，伺服控制系統(tǒng)的功能及技術也在不斷的完善和提高，其應用領域也越來越廣闊。 交流異步電機伺服控制器具有全方位的伺服控制功能，其控制對象是三相交流異步電機，使異步電機的控制精度達到同步伺服電機的水平。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。三相交流異步電動機結構簡單，價格低廉，運行可靠，免維護及使用壽命長的優(yōu)點使得交流異步伺服系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，成為未來伺服控制技術發(fā)展的主要方向之一。 近年來我國用電情況緊張，而作為用電大戶的油田，其用電量一直居高不下。抽油機是油田使用最多的采油設備，目前我國各油田在用的抽油機有10萬臺以上，每臺電動機容量一般都在30kW以上，照這樣計算，總裝機容量在300萬kW以上，是油田耗電量最大的設備群。 2 抽油機的調(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，抽油機的工況，沖次、沖程、電機功率也各不相同。抽油機產(chǎn)品的沖次設定一般在6～8次/min，而實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)整抽油機的沖次，目前油田采用的辦法有幾種: （1） 更換傳動皮帶輪。 此辦法的缺點是需要停機更換，耗費時間，影響產(chǎn)量。在較低沖次的情況下，由于主動帶輪過小而無法實現(xiàn)或效率降低，有的油田采用增加一級皮帶傳動的方法，增加了機械成本，效果也不好。 （2） 采用變極二（三）速電機，通過改變電機的極對數(shù)調(diào)整轉(zhuǎn)速。 此辦法的缺點是電機的變速是階躍式的,沖擊很大,且只有二或三個固定速度,無法達到需求的速度,也無法低速運行。 （3） 采用電磁調(diào)速電機調(diào)整轉(zhuǎn)速。 此辦法的缺點是電機在低速運行時耗能與工頻運行時相同，效率低，易發(fā)熱。電磁調(diào)速電機不適用于室外環(huán)境，易損壞。 （4） 使用變頻器控制電機調(diào)速。 此辦法的缺點是由于變頻器自身的弱點，在低頻時輸出轉(zhuǎn)矩有所下降，低速負載特性差。 抽油機提高效率、節(jié)約電能的途徑，除了在本身機械結構上做文章以外，就是對電機系統(tǒng)進行改造升級。對電機控制系統(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)過了測試。該控制柜克服了上面幾種調(diào)速方法的缺點，達到了良好、簡便的調(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在油田抽油機的應用的實際外形圖。 3 抽油機電機采用伺服控制的優(yōu)勢 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，油田抽油機的交流異步電機采用伺服控制，可以準確地控制電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)整抽油機沖次的目的。時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)矩的過載能力，因此在很低的輸出頻率下，電機輸出的轉(zhuǎn)矩，足以滿足了抽油機的負載要求。 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，在抽油機電機啟動的過程中，控制器可以驅(qū)動電機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速從0上升到設定值，電流平穩(wěn)，實現(xiàn)真正的軟啟動。在負荷較輕的油井，在伺服軟啟動的基礎上，通過測試，確認完全可以用較小功率的電機取代原有的電機，達到進一步的節(jié)能。 3.3 可對電機的輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)不同的控制方式 在抽油機一個抽油沖次中，由于平衡塊和位能負載的影響，電機兩次處于發(fā)電狀態(tài)。電機電流的變化說明其負載轉(zhuǎn)矩在抽油作功和位能負載之間的急劇變化。根據(jù)對轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律的分析，利用時光交流伺服控制器具有的內(nèi)部PLC功能，編制了抽油機的運行程序，對抽油機轉(zhuǎn)矩進行監(jiān)測，按轉(zhuǎn)矩的變化趨勢，伺服控制器可對電機輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)不同的控制方式，以達到節(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，直流側并有大容量電容，從而大大提高了電機系統(tǒng)的功率因數(shù)，減小了無功電流，又節(jié)省一部分電力開支。 3.5 在低沖次、需要調(diào)速的抽油機上使用伺服控制有三個優(yōu)勢 （1） 與更換皮帶輪和改變電機極對數(shù)相比, 調(diào)速方法簡單、方便，調(diào)速連續(xù)、平滑、無沖擊。 （2） 與變頻器控制電機相比，調(diào)速范圍寬，低速轉(zhuǎn)矩性能好，負載能力大。 （3） 與電磁調(diào)速電機比, 伺服控制普通異步電機節(jié)電效果明顯。根據(jù)公式, 轉(zhuǎn)矩T保持不變, 當轉(zhuǎn)速n減小時, 輸出功率P也相應減小。電機轉(zhuǎn)速越低, 消耗電力越少。而電磁調(diào)速電機不論轉(zhuǎn)速是多少, 功率P基本不變。 4 應用實例 4.1 實驗一 地點:Z油田2-102井 測試日期:2003.3.29 使用電機:6極 37kW普通異步電機 抽油機沖次:5次/min 測試時間:10min。 4.2 實驗二 地點:S油田35-4206井 測試日期:2004.1.4～1.12 使用電機:6極 30kW普通異步電機 抽油機沖次:7次/min 測試時間:工頻和時光伺服控制輪換運行，各24小時，共8天。 4.3 實驗三 地點:S油田24-14井 測試日期:2004.7.21 使用電機:8極 30kW電磁調(diào)速電機 6極 30kW普通異步電機 抽油機沖次:2.5次/min 測試時間:40小時 4.4 實驗四 地點:S油田28-7井 測試日期:2004.7.22 使用電機:8極 30kW電磁調(diào)速電機 6極 30kW普通異步電機 抽油機沖次:1.3次/min 測試時間:24小時 結束語 通過實踐和理論分析，可以得出以下結論: （1） 伺服控制器應用在油田抽油機可以達到節(jié)電的效果。根據(jù)油井井況的不同，工頻運行的節(jié)電率為10%～20%（包括無功功率部分）。變頻器的節(jié)電效果不會高于伺服控制。見實驗一和實驗二。 （2） 對于要求調(diào)速的抽油機，伺服控制器具有輸出低速大扭矩的功能，調(diào)速簡便，可以完全滿足抽油機調(diào)速的要求。在幾種調(diào)速方法中最具有優(yōu)勢的一種。我們在實驗三和實驗四中均進行了8極電磁調(diào)速電機和6極普通異步電機的測試，結論是一致的。 （3） 在不改變機械結構的條件下, 實現(xiàn)抽油機低沖次調(diào)速運行, 伺服控制的節(jié)電效果明顯。與電磁調(diào)速電機相比，節(jié)電率隨轉(zhuǎn)速降低而增加, 遠大于20%。見實驗三和實驗四。