液壓設備節能改造中伺服控制技術應用效果測試與分析

周 楓 王小曼 查顧兵

上海市質量監督檢驗技術研究院

1 引言

近年來，我國液壓設備行業取得了蓬勃的發展，其中液壓傳動技術起到了至關重要的作用。液壓傳動是通過高壓介質（液壓油）實現能量的傳遞，系統壓力和流量可調，功率質量比大，是液壓設備廣泛采用的動力傳遞形式。液壓機是成型加工中應用最廣泛的設備之一，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域中廣泛使用。

液壓傳動技術在機械能與壓力能的轉換方面已取得很大進展，但在能量損失和傳動效率上仍存在不足，具體表現如下：

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

本文通過對傳統液壓系統的節能改造技術原理分析，探討傳統液壓系統節能改造的可行性，并對企業應用液壓伺服控制進行技術節能改造效果進行測試分析。

2 液壓伺服系統的節能原理

目前傳統液壓系統的節能改造技術主要分為變頻技術和伺服系統，下面將作具體闡述。

2.1 變頻技術

（1）變頻技術節能原理

由電機學原理可知，交流異步電動機的轉速公式為：

其中，S—電動機轉差率（對于電動機為常量）；

P—電動機定子繞組極對數（對于電動機為常量）；

f—電動機的供電頻率（Hz）

所以，只要調整供給異步電動機的電源頻率，就可以實現對電動機轉速變化的控制。

通過流體力學的基本定律可知泵類設備屬于平方轉矩負載，其轉速N與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝N ，H∝N2，P∝N3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。

（2）變頻技術在傳統液壓傳動系統的應用

變頻改造就是給異步電機加一個變頻器，采用變頻器改變異步電機運行頻率，從而改變轉速，這時可以開環也可以閉環要視控制方式和變頻器而定，這就是傳統意義上的V/F控制方式。

變頻系統包含：變頻器＋三相鼠籠式異步電動機。

2.2 伺服系統

伺服系統由電機、驅動器、伺服油泵這三個部分組成。

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

（2）伺服驅動器在發展了變頻技術的前提下，在驅動器內部的電流環，速度環和位置環（變頻器沒有該環）都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算，在功能上也比傳統的伺服強大很多，可以進行精確的位置控制。

（3）伺服泵：可搭配伺服系統的泵主要為高效率的內嚙合齒輪泵。

2.3 變頻技術與伺服系統特點對比

伺服是一個閉環控制系統，而變頻器通常工作于開環控制，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上進行閉環的精確控制從而達到更理想的效果。

具體對比如下：

（1）伺服系統一般使用永磁電機，電機的特性決定了響應時間快。而變頻系統一般使用交流電機，響應時間慢，運行效率低；

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

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

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

3 伺服系統應用于節能改造項目實例

上海某石油鉆桿生產企業在工藝過程中需使用管端加厚機，每臺加厚機有5臺三相異步電機協同工作，其中3臺110kW及2臺75kW。改造前管端加厚機采用開環定量泵控制系統，當管端加厚機處于開機狀態，液壓泵電機工頻運行，大量液壓油供大于求，溢流回油箱，形成能源浪費。

3.1 節能改造方案

項目改造采用液壓伺服控制系統，用伺服電機取代原異步電機，用齒輪泵取代原葉片泵，另外增加伺服驅動器，構成液壓伺服控制系統，對生產所需的壓力和流量采用閉環控制。使用伺服系統后，伺服驅動器與伺服電機一起，對液壓設備的壓力信號形成一個閉環控制，同時由于伺服電機具有快速啟停的特點，在空載階段，伺服電機幾乎沒有電耗。

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

系統改造后運行原理如下：

圖1 管端加厚機伺服系統運作原理

3.2 改造前電機能耗情況

液壓系統每臺電機均有獨立供電回路，為提供分析數據，改造前采用每個回路電源開關處接入電力測試儀進行用電量測試。

有功功率負荷見圖2（以1#油泵電機為例），坐標軸上連續柱狀圖為電機空載功率，峰值柱狀為加載功率。從時間坐標軸可以看到每分鐘出現一次峰值柱狀，這符合現場生產節拍（管端加厚1分鐘/頭）。

圖2 改造前1#油泵電機功率負荷圖

由于油泵電機大部分時間處于空載運行，造成功率因數偏低，大部分時間段功率因數為0.2左右，詳見圖3。

圖3 改造前1#油泵電機功率因數圖

改造前后測試數據分析

3.3 改造后電機能耗情況

項目改造采用伺服電機＋驅動器＋伺服油泵方式，空載時間段電機處于停止狀態，圖3中的坐標軸上連續柱狀消失，即電機空載功率為零，圖中每分鐘出現一次的峰值柱狀為加載功率。改造后油泵電機采用稀土永磁同步交流伺服電機，功率因數接近于1（見圖4）。

圖4 改造后1#油泵電機功率負荷圖

3.4 改造節能效果分析

項目改造后伺服液壓驅動系統可根據管端加厚機當前的工作狀態，以及壓力和速度的設定要求，自動調節油泵的轉速，調節油泵供油量，使油泵實際供油量與實際負載流量在任何工作階段均能保持一致，使電機在整個變化的負荷范圍內的能量消耗達到所需的最小程度，徹底消除了溢流現象，并確保電機平穩、精確地運行。

通過改造前后管端加厚機5臺油泵電機的測試數據分析，平均功率因數從0.23提高到0.99，節電率達到76.3%，達到了理想的節能效果。

4 結論

在傳統液壓工藝的生產成本構成中，電費占了相當的比例。為節省管端加厚機運行能耗、降低運行電費成本，企業采用伺服液壓驅動系統對管端加厚機進行節能改造，通過更換電機和油泵，增加伺服控制器，將原定量泵供油改造成伺服液壓驅動系統，實現了管端加厚機高節能率，因此普通液壓設備的伺服改造將成為今后行業節能改造的主導方向。

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