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　　摘要：本文介紹了一種采用變頻調(diào)速技術(shù)的全新電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)SIPOS5。它汲取了當(dāng)今電力電子自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的變頻調(diào)速控制技術(shù)，并*融合到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身的研制開發(fā)應(yīng)用中，從而全面提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)電一體化控制性能和智能化程度，是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)過程控制調(diào)節(jié)的現(xiàn)代
　　
　　1引言
　　
　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的存在已有近百余年的歷史，從zui早的單馬達(dá)驅(qū)動(dòng)到后期的雙馬達(dá)多極變速電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，到了近期，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中逐步加入了一些電子控制單元，如單片機(jī)控制器、PLC控制單元等，以此更好地做到自動(dòng)化、智能化、簡(jiǎn)易化。總的趨勢(shì)是機(jī)械結(jié)構(gòu)更趨合理巧妙，防護(hù)等級(jí)能適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，減速機(jī)構(gòu)越做越小，智能化單元的功能更趨增強(qiáng)。然面機(jī)械零件的加工、裝配、材質(zhì)、微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)接觸等因素，都直接影響電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及使用、檢修維護(hù)復(fù)雜系數(shù)及其工作量。為了將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低至閥門開啟所需的緩慢速度，齒輪減速機(jī)構(gòu)這一加工成本高、難度大的機(jī)械部件*。同樣控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的配電裝置及換向控制單元以及繁瑣的機(jī)械保護(hù)力矩的整定無法簡(jiǎn)化，這一切均極大地限制了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展。
　　
　　八十年代末，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速手段有了極大的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在九十年代日臻成熟。嶄新的變頻調(diào)速技術(shù)與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)合，使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在*取代以往所有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，增加了令人耳目一新并且極其寶貴的特性，如柔性起動(dòng)關(guān)閉、運(yùn)行速度隨時(shí)可調(diào)、定位精度高、啟動(dòng)電流平穩(wěn)、無電氣換向單元、力矩行程速度參數(shù)軟件編程設(shè)定可調(diào)、結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單緊湊、有PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線接口、在閥門上使用對(duì)閥門無沖擊等等，變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展水平推到了一個(gè)全新的層次，進(jìn)而大幅度提高了整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平、可靠性、調(diào)節(jié)品質(zhì)。并在此行業(yè)，建立起面向二十一世紀(jì)的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這種新型的變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是德國西門子公司推出的SIPOS5系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。　　
　　2工作原理
　　
　　新型SIPOS5系列變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是以電子設(shè)備代替機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)思想，通過其內(nèi)部集成的一體化變頻單元對(duì)其電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行直接控制，在無需拆解和不改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下，進(jìn)行n級(jí)變速調(diào)節(jié)輸出。
　　
　　其主要由三部分組成，即變頻控制單元、變頻電機(jī)和帶位置檢測(cè)反饋的蝸輪蝸桿機(jī)械傳動(dòng)裝置
　　
　　2．1變頻單元
　　
　　變頻控制單元是變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦，其主要功能之一是接收變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源輸入，并將輸入的交流電整流、逆變成電壓頻率可調(diào)的交流電，進(jìn)而控制變頻電機(jī)的運(yùn)行，zui終輸出執(zhí)行動(dòng)作。另外提供了與外界控制單元如PLC、DCS等模擬開關(guān)量信號(hào)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口。變頻控制單元的接口如右圖所示。
　　
　　變頻單元內(nèi)部分整流、逆變、控制保護(hù)等三部分。
　　
　　整流部分功能就把輸入交流電經(jīng)三相或單相全橋整流成直流電。
　　
　　逆變部分功能就是把穩(wěn)恒的直流電逆變?yōu)殡妷侯l率可調(diào)的交流電。
　　
　　控制保護(hù)部分為變頻單元的大腦，它采用了SIEMENS的DSP信號(hào)處理器與大規(guī)?？删幊剃嚵屑夹g(shù)，承擔(dān)了控制、保護(hù)、一次傳感元件等輸入信號(hào)的采集與PWM脈沖波形的產(chǎn)生與保護(hù)控制輸出。中間的直流部分為電容濾波，當(dāng)電機(jī)快速從高速下降時(shí)，電機(jī)通過逆變回路將電機(jī)的動(dòng)能回饋給變頻單元，致使變頻單元內(nèi)部的中間直流電壓變高，所以在此位置可增加電氣制動(dòng)單元，吸收電機(jī)回饋的能量實(shí)觀緊急剎車制動(dòng)功能。
　　
　　在變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中除了采用一個(gè)位置傳感器外，沒有也無需增設(shè)速度傳感器。當(dāng)今的變頻技術(shù)中有很多很成熟的控制技術(shù)—如磁通控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、無傳感器矢量控制技術(shù)等等，它們的應(yīng)用使得變頻單元控制下的交流電機(jī)的控制精度、動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)甚至超過了對(duì)直流電機(jī)的控制效果。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，對(duì)變頻單元來說，只需改變輸出電壓波形的相序即可實(shí)現(xiàn)。通過輸出頻率的動(dòng)態(tài)變化即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開停。*取代以往手動(dòng)操作、伺服、減速等復(fù)雜裝置。
　　
　　2．2變頻電機(jī)
　　
　　變頻電機(jī)的基本原理同普通異步電機(jī)一樣，但它充分考慮到變頻單元在輸出頻率較低時(shí)，電機(jī)運(yùn)行速度下降，電機(jī)的散熱條件卻大為惡化，于是在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括線圈繞向、布線等均進(jìn)行了優(yōu)化處理，保證在電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，因運(yùn)行電流產(chǎn)生的發(fā)熱在電機(jī)限定范圍內(nèi)，不影響電機(jī)的正常工作。
　　
　　2．3機(jī)械傳動(dòng)裝置
　　
　　變頻單元的輸出控制異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，再由蝸桿—蝸輪裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲚S的旋轉(zhuǎn)輸出，并去帶動(dòng)多回轉(zhuǎn)式的閥門、線，陛單元或曲柄連桿裝置控制被調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
　　
　　250NM力矩輸出以上和以下的分別采用銅質(zhì)蝸輪—鋼質(zhì)蝸桿黃金組合和球墨鑄鐵的蝸輪—鋼質(zhì)蝸桿的組合，具有無磨損、傳動(dòng)效率恒定的優(yōu)良傳動(dòng)性能。其機(jī)械傳動(dòng)部分極為精密，噪音甚低，距離1米以內(nèi)的噪音小于70dB。
　　
　　在輸出軸的旁路增設(shè)塑導(dǎo)電位器，用來采集輸出軸的位置信號(hào)參數(shù)，并送給變頻單元作行程計(jì)算和保護(hù)處理。
　　
　　3硬件接線圖（圖省略）
　　
　　SIPOS5系列的外部電氣電源接線和控制接線非常簡(jiǎn)單，以多回轉(zhuǎn)式調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，說明如下：
　　
　　1）依據(jù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的功率，小功率的用220AC即可，稍大功率的選三相輸入。
　　
　　2）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際輸入信號(hào)類型，可選數(shù)字干接點(diǎn)DC24V輸入，也可選4—20MA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入。
　　
　　3）提供以現(xiàn)場(chǎng)過程控制為目的的過程設(shè)定值和現(xiàn)場(chǎng)值輸入接口，通過軟件設(shè)定，利用內(nèi)置PID功能，直接實(shí)現(xiàn)過程量控制。
　　
　　4）提供PROFIBUS—DP接口，可運(yùn)行于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中。
　　
　　5）SIPOS5系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括多回轉(zhuǎn)、直行程、角行程）硬件接線端口設(shè)計(jì)均已標(biāo)準(zhǔn)化，方便調(diào)試。
　　
　　4軟件操作設(shè)定
　　
　　通過內(nèi)置的LCD液晶顯示器和面板上的按鍵可以對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行靈活的參數(shù)設(shè)定，同樣還可通過調(diào)試軟件COM—SIPOS在手提電腦和個(gè)人PC上對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速調(diào)試，并生成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)資料。主要設(shè)定步驟如下：
　　
　　1）閥門或被控制檔板特性參數(shù)設(shè)定如方向、開速度、關(guān)速度、開力矩、關(guān)力矩等等
　　
　　2）端正行程限位設(shè)定
　　
　　3）過程控制參數(shù)設(shè)定如：輸入輸出信號(hào)類型設(shè)定，功能設(shè)定等
　　
　　4）維護(hù)參數(shù)設(shè)定在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，會(huì)自動(dòng)地出現(xiàn)關(guān)于狀態(tài)、故障、維護(hù)診斷型等信息。
　　
　　5與傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較突出優(yōu)點(diǎn)
　　
　?。?）起動(dòng)電流小
　　
　　系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化，不用配置動(dòng)力柜，線路簡(jiǎn)單，安全可靠，起動(dòng)電流zui多也就是變頻電機(jī)的額定電流，而傳統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能達(dá)到5—7倍左右。
　　
　　（2）接線簡(jiǎn)單
　　
　　電源輸入有單相和三相兩種，無須考慮電源的相序，接線非常簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需考慮相序，配用換向裝置。
　　
　　（3）開或關(guān)速度、力矩參數(shù)編程可調(diào)，在緊急狀態(tài)時(shí)，以設(shè)定的緊急速度到達(dá)設(shè)定的緊急位置。


　　
　　（4）對(duì)被調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)無沖擊
　　
　　變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電子定位技術(shù)，準(zhǔn)確可靠，就好像用了變頻的電梯到達(dá)樓層時(shí)就會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定停止一樣。如在關(guān)閉閥門接近限位時(shí)的減速范圍可編程設(shè)置，既可實(shí)現(xiàn)“行程到達(dá)”自動(dòng)減速停止，也可實(shí)現(xiàn)在“力矩到達(dá)”后電機(jī)方停止，這樣可將閥門真正關(guān)“死”，防止泄漏。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用限位開關(guān)，易超限或出故障，關(guān)閉閥門時(shí)不減速，對(duì)閥門造成沖擊，降低了閥門的使用壽命。
　　
　?。?）電氣制動(dòng)
　　
　　采用電氣制動(dòng)技術(shù)，吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的回饋能量，無磨損，無需維護(hù)。傳統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式抱閘制動(dòng)，機(jī)械磨損大，故障率高，維護(hù)量大。
　　
　?。?）智能化程度高
　　
　　變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩、行程、速度編程可調(diào)，大大簡(jiǎn)化型號(hào)類別，節(jié)約備品件倉貯投資及方便管理。接口功能全部可編程設(shè)定，內(nèi)置PID功能，可直接進(jìn)行過程量控制，并配有PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線接口。
　　
　?。?）安裝靈活
　　
　　控制體變頻單元和機(jī)械傳動(dòng)部分可分體安裝，能適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
　　
　　（8）維護(hù)成本極低。由于新技術(shù)的采用，零器件從傳統(tǒng)需要約450只減少到只有100只，極大地增強(qiáng)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。
　　
　　6主要技術(shù)規(guī)范
　　
　　7結(jié)論
　　
　　我們?cè)趨⑴c了SIPOS5系列變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系列產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之后，深感其智能化程度高、操作使用相當(dāng)簡(jiǎn)易方便，這正是我們?cè)谏a(chǎn)過程控制技術(shù)發(fā)展中所一直追求和倡導(dǎo)的。