液压设备节能改造中伺服控制技术应用效果测试与分析

周 枫 王小曼 查顾兵

上海市质量监督检验技术研究院

1 引言

近年来，我国液压设备行业取得了蓬勃的发展，其中液压传动技术起到了至关重要的作用。液压传动是通过高压介质（液压油）实现能量的传递，系统压力和流量可调，功率质量比大，是液压设备广泛采用的动力传递形式。液压机是成型加工中应用最广泛的设备之一，在锻造，冲压，管、线、型材挤压，粉末冶金，塑料及橡胶制品成型等领域中广泛使用。

液压传动技术在机械能与压力能的转换方面已取得很大进展，但在能量损失和传动效率上仍存在不足，具体表现如下：

传统液压设备定量泵系统的液压部分采用异步电动机加油泵系统，电动机带动油泵从油箱吸油并加压输出，经各种控制阀控制油的压力、流量和方向，以保证工作机构以一定的力（或扭矩）和一定的速度按所要求的方向运动。从而实现液压动作。传统定量泵液压设备通常在需要改变负载流量和压力时，定量油泵速度不可调，需要用阀门调节，多余的油经溢流阀排入油箱，能量以压力差的形式损耗在阀门上，造成了大量能源浪费。

本文通过对传统液压系统的节能改造技术原理分析，探讨传统液压系统节能改造的可行性，并对企业应用液压伺服控制进行技术节能改造效果进行测试分析。

2 液压伺服系统的节能原理

目前传统液压系统的节能改造技术主要分为变频技术和伺服系统，下面将作具体阐述。

2.1 变频技术

（1）变频技术节能原理

由电机学原理可知，交流异步电动机的转速公式为：

其中，S—电动机转差率（对于电动机为常量）；

P—电动机定子绕组极对数（对于电动机为常量）；

f—电动机的供电频率（Hz）

所以，只要调整供给异步电动机的电源频率，就可以实现对电动机转速变化的控制。

通过流体力学的基本定律可知泵类设备属于平方转矩负载，其转速N与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝N ，H∝N2，P∝N3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

（2）变频技术在传统液压传动系统的应用

变频改造就是给异步电机加一个变频器，采用变频器改变异步电机运行频率，从而改变转速，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。

变频系统包含：变频器＋三相鼠笼式异步电动机。

2.2 伺服系统

伺服系统由电机、驱动器、伺服油泵这三个部分组成。

（1）电机的全称一般为“稀土永磁同步交流伺服电机”，此类电机的主要特性有：①额定转速以及低于额定转速下恒扭矩输出；②2.5-3倍的力矩过载；③转子质量相对同功率的异步电动机较轻，换向性能突出；④有较高的扭矩、电流比；⑤转子外圈贴耐高温的烧结钕铁硼磁钢，功率较大（7.5-315kW），有实时的反馈元件。

（2）伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的伺服强大很多，可以进行精确的位置控制。

（3）伺服泵：可搭配伺服系统的泵主要为高效率的内啮合齿轮泵。

2.3 变频技术与伺服系统特点对比

伺服是一个闭环控制系统，而变频器通常工作于开环控制，所以无论从速度还是精度上，变频器都无法和伺服相比。变频只是伺服的一个部分，伺服是在变频的基础上进行闭环的精确控制从而达到更理想的效果。

具体对比如下：

（1）伺服系统一般使用永磁电机，电机的特性决定了响应时间快。而变频系统一般使用交流电机，响应时间慢，运行效率低；

（2）伺服系统的泵主要为高效率的内啮合齿轮泵，变频系统经常与叶片泵搭配，效率都普遍较低；

（3）变频改造就是给异步电机加一个变频器，而伺服改造则是更换泵，更换电机，加一个驱动器，改掉原来油路。伺服系统改造相较于单纯的变频技术应用价格高出几倍。

综上所述，利用伺服驱动器+伺服电机+伺服齿轮泵作为动力源系统替代传统的异步电动机+定量叶片泵的动力源系统具有更为明显的节能效果。

3 伺服系统应用于节能改造项目实例

上海某石油钻杆生产企业在工艺过程中需使用管端加厚机，每台加厚机有5台三相异步电机协同工作，其中3台110kW及2台75kW。改造前管端加厚机采用开环定量泵控制系统，当管端加厚机处于开机状态，液压泵电机工频运行，大量液压油供大于求，溢流回油箱，形成能源浪费。

3.1 节能改造方案

项目改造采用液压伺服控制系统，用伺服电机取代原异步电机，用齿轮泵取代原叶片泵，另外增加伺服驱动器，构成液压伺服控制系统，对生产所需的压力和流量采用闭环控制。使用伺服系统后，伺服驱动器与伺服电机一起，对液压设备的压力信号形成一个闭环控制，同时由于伺服电机具有快速启停的特点，在空载阶段，伺服电机几乎没有电耗。

伺服节能系统所输出的压力、流量可以闭环控制，所以它的压力重复精度好，伺服节能系统所输出的流量是靠数字信号来控制的，有很好的线性和低速可控性，其流量的重复精度也较高。

系统改造后运行原理如下：

图1 管端加厚机伺服系统运作原理

3.2 改造前电机能耗情况

液压系统每台电机均有独立供电回路，为提供分析数据，改造前采用每个回路电源开关处接入电力测试仪进行用电量测试。

有功功率负荷见图2（以1#油泵电机为例），坐标轴上连续柱状图为电机空载功率，峰值柱状为加载功率。从时间坐标轴可以看到每分钟出现一次峰值柱状，这符合现场生产节拍（管端加厚1分钟/头）。

图2 改造前1#油泵电机功率负荷图

由于油泵电机大部分时间处于空载运行，造成功率因数偏低，大部分时间段功率因数为0.2左右，详见图3。

图3 改造前1#油泵电机功率因数图

改造前后测试数据分析

3.3 改造后电机能耗情况

项目改造采用伺服电机＋驱动器＋伺服油泵方式，空载时间段电机处于停止状态，图3中的坐标轴上连续柱状消失，即电机空载功率为零，图中每分钟出现一次的峰值柱状为加载功率。改造后油泵电机采用稀土永磁同步交流伺服电机，功率因数接近于1（见图4）。

图4 改造后1#油泵电机功率负荷图

3.4 改造节能效果分析

项目改造后伺服液压驱动系统可根据管端加厚机当前的工作状态，以及压力和速度的设定要求，自动调节油泵的转速，调节油泵供油量，使油泵实际供油量与实际负载流量在任何工作阶段均能保持一致，使电机在整个变化的负荷范围内的能量消耗达到所需的最小程度，彻底消除了溢流现象，并确保电机平稳、精确地运行。

通过改造前后管端加厚机5台油泵电机的测试数据分析，平均功率因数从0.23提高到0.99，节电率达到76.3%，达到了理想的节能效果。

4 结论

在传统液压工艺的生产成本构成中，电费占了相当的比例。为节省管端加厚机运行能耗、降低运行电费成本，企业采用伺服液压驱动系统对管端加厚机进行节能改造，通过更换电机和油泵，增加伺服控制器，将原定量泵供油改造成伺服液压驱动系统，实现了管端加厚机高节能率，因此普通液压设备的伺服改造将成为今后行业节能改造的主导方向。

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