摘要：本文介紹了一種采用變頻調速技術的全新電動執(zhí)行機構SIPOS5。它汲取了當今電力電子自動控制領域發(fā)展的變頻調速控制技術，并*融合到電動執(zhí)行機構自身的研制開發(fā)應用中，從而全面提高了電動執(zhí)行機構的機電一體化控制性能和智能化程度，是當今實現(xiàn)過程控制調節(jié)的現(xiàn)代
　　
　　1引言
　　
　　電動執(zhí)行機構的存在已有近百余年的歷史，從zui早的單馬達驅動到后期的雙馬達多極變速電動驅動，到了近期，電動執(zhí)行機構中逐步加入了一些電子控制單元，如單片機控制器、PLC控制單元等，以此更好地做到自動化、智能化、簡易化?？偟内厔菔菣C械結構更趨合理巧妙，防護等級能適應復雜的現(xiàn)場環(huán)境，減速機構越做越小，智能化單元的功能更趨增強。然面機械零件的加工、裝配、材質、微動開關的觸點接觸等因素，都直接影響電動執(zhí)行機構的質量及使用、檢修維護復雜系數(shù)及其工作量。為了將電動機的轉速降低至閥門開啟所需的緩慢速度，齒輪減速機構這一加工成本高、難度大的機械部件*。同樣控制電機正反轉的配電裝置及換向控制單元以及繁瑣的機械保護力矩的整定無法簡化，這一切均極大地限制了電動執(zhí)行機構的快速發(fā)展。
　　
　　八十年代末，隨著自動控制技術、電力電子技術以及計算機技術發(fā)展，交流電動機的調速手段有了極大的發(fā)展，變頻調速技術應運而生，并在九十年代日臻成熟。嶄新的變頻調速技術與電動執(zhí)行機構的結合，使得電動執(zhí)行機構在*取代以往所有電動執(zhí)行機構功能的基礎上，增加了令人耳目一新并且極其寶貴的特性，如柔性起動關閉、運行速度隨時可調、定位精度高、啟動電流平穩(wěn)、無電氣換向單元、力矩行程速度參數(shù)軟件編程設定可調、結構相當簡單緊湊、有PROFIBUS現(xiàn)場總線接口、在閥門上使用對閥門無沖擊等等，變頻電動執(zhí)行機構的出現(xiàn)將電動執(zhí)行機構的發(fā)展水平推到了一個全新的層次，進而大幅度提高了整個自動控制系統(tǒng)的安全運行水平、可靠性、調節(jié)品質。并在此行業(yè)，建立起面向二十一世紀的生產技術標準。這種新型的變頻電動執(zhí)行機構就是德國西門子公司推出的SIPOS5系列電動執(zhí)行機構。　　
　　2工作原理
　　
　　新型SIPOS5系列變頻電動執(zhí)行機構采用的是以電子設備代替機械設備的設計思想，通過其內部集成的一體化變頻單元對其電機的轉向和轉速進行直接控制，在無需拆解和不改變執(zhí)行機構內部機械結構的前提下，進行n級變速調節(jié)輸出。
　　
　　其主要由三部分組成，即變頻控制單元、變頻電機和帶位置檢測反饋的蝸輪蝸桿機械傳動裝置
　　
　　2．1變頻單元
　　
　　變頻控制單元是變頻電動執(zhí)行機構的大腦，其主要功能之一是接收變頻電動執(zhí)行機構的電源輸入，并將輸入的交流電整流、逆變成電壓頻率可調的交流電，進而控制變頻電機的運行，zui終輸出執(zhí)行動作。另外提供了與外界控制單元如PLC、DCS等模擬開關量信號接口和現(xiàn)場總線通訊接口。變頻控制單元的接口如右圖所示。
　　
　　變頻單元內部分整流、逆變、控制保護等三部分。
　　
　　整流部分功能就把輸入交流電經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率可調的交流電。
　　
　　控制保護部分為變頻單元的大腦，它采用了SIEMENS的DSP信號處理器與大規(guī)模可編程陣列技術，承擔了控制、保護、一次傳感元件等輸入信號的采集與PWM脈沖波形的產生與保護控制輸出。中間的直流部分為電容濾波，當電機快速從高速下降時，電機通過逆變回路將電機的動能回饋給變頻單元，致使變頻單元內部的中間直流電壓變高，所以在此位置可增加電氣制動單元，吸收電機回饋的能量實觀緊急剎車制動功能。
　　
　　在變頻電動執(zhí)行機構中除了采用一個位置傳感器外，沒有也無需增設速度傳感器。當今的變頻技術中有很多很成熟的控制技術—如磁通控制技術、直接轉矩控制技術、無傳感器矢量控制技術等等，它們的應用使得變頻單元控制下的交流電機的控制精度、動靜態(tài)性能指標甚至超過了對直流電機的控制效果。電機的正反轉控制，對變頻單元來說，只需改變輸出電壓波形的相序即可實現(xiàn)。通過輸出頻率的動態(tài)變化即可實現(xiàn)電機的開停。*取代以往手動操作、伺服、減速等復雜裝置。
　　
　　2．2變頻電機
　　
　　變頻電機的基本原理同普通異步電機一樣，但它充分考慮到變頻單元在輸出頻率較低時，電機運行速度下降，電機的散熱條件卻大為惡化，于是在設計時對電機的機械結構包括線圈繞向、布線等均進行了優(yōu)化處理，保證在電機低頻運行時，因運行電流產生的發(fā)熱在電機限定范圍內，不影響電機的正常工作。
　　
　　2．3機械傳動裝置
　　
　　變頻單元的輸出控制異步電機的旋轉，再由蝸桿—蝸輪裝置將電機的旋轉轉變?yōu)檩敵鲚S的旋轉輸出，并去帶動多回轉式的閥門、線，陛單元或曲柄連桿裝置控制被調節(jié)機構。
　　
　　250NM力矩輸出以上和以下的分別采用銅質蝸輪—鋼質蝸桿黃金組合和球墨鑄鐵的蝸輪—鋼質蝸桿的組合，具有無磨損、傳動效率恒定的優(yōu)良傳動性能。其機械傳動部分極為精密，噪音甚低，距離1米以內的噪音小于70dB。
　　
　　在輸出軸的旁路增設塑導電位器，用來采集輸出軸的位置信號參數(shù)，并送給變頻單元作行程計算和保護處理。
　　
　　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單，以多回轉式調節(jié)型電動執(zhí)行機構為例，說明如下：
　　
　　1）依據(jù)電動執(zhí)行機構電機的功率，小功率的用220AC即可，稍大功率的選三相輸入。
　　
　　2）依據(jù)現(xiàn)場實際輸入信號類型，可選數(shù)字干接點DC24V輸入，也可選4—20MA標準模擬信號輸入。
　　
　　3）提供以現(xiàn)場過程控制為目的的過程設定值和現(xiàn)場值輸入接口，通過軟件設定，利用內置PID功能，直接實現(xiàn)過程量控制。
　　
　　4）提供PROFIBUS—DP接口，可運行于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中。
　　
　　5）SIPOS5系列電動執(zhí)行機構（包括多回轉、直行程、角行程）硬件接線端口設計均已標準化，方便調試。
　　
　　4軟件操作設定
　　
　　通過內置的LCD液晶顯示器和面板上的按鍵可以對電動執(zhí)行機構進行靈活的參數(shù)設定，同樣還可通過調試軟件COM—SIPOS在手提電腦和個人PC上對電動執(zhí)行機構進行快速調試，并生成執(zhí)行機構的參數(shù)資料。主要設定步驟如下：
　　
　　1）閥門或被控制檔板特性參數(shù)設定如方向、開速度、關速度、開力矩、關力矩等等
　　
　　2）端正行程限位設定
　　
　　3）過程控制參數(shù)設定如：輸入輸出信號類型設定，功能設定等
　　
　　4）維護參數(shù)設定在電動執(zhí)行機構運行過程中，會自動地出現(xiàn)關于狀態(tài)、故障、維護診斷型等信息。
　　
　　5與傳統(tǒng)執(zhí)行機構比較突出優(yōu)點
　　
　?。?）起動電流小
　　
　　系統(tǒng)的線路設計更加簡化，不用配置動力柜，線路簡單，安全可靠，起動電流zui多也就是變頻電機的額定電流，而傳統(tǒng)的執(zhí)行機構能達到5—7倍左右。
　　
　?。?）接線簡單
　　
　　電源輸入有單相和三相兩種，無須考慮電源的相序，接線非常簡單。傳統(tǒng)電動執(zhí)行機構需考慮相序，配用換向裝置。
　　
　　（3）開或關速度、力矩參數(shù)編程可調，在緊急狀態(tài)時，以設定的緊急速度到達設定的緊急位置。


　　
　?。?）對被調節(jié)機構無沖擊
　　
　　變頻電動執(zhí)行機構采用電子定位技術，準確可靠，就好像用了變頻的電梯到達樓層時就會自動穩(wěn)定停止一樣。如在關閉閥門接近限位時的減速范圍可編程設置，既可實現(xiàn)“行程到達”自動減速停止，也可實現(xiàn)在“力矩到達”后電機方停止，這樣可將閥門真正關“死”，防止泄漏。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構使用限位開關，易超限或出故障，關閉閥門時不減速，對閥門造成沖擊，降低了閥門的使用壽命。
　　
　?。?）電氣制動
　　
　　采用電氣制動技術，吸收電機制動時產生的回饋能量，無磨損，無需維護。傳統(tǒng)的執(zhí)行機構采用機械式抱閘制動，機械磨損大，故障率高，維護量大。
　　
　?。?）智能化程度高
　　
　　變頻電動執(zhí)行機構力矩、行程、速度編程可調，大大簡化型號類別，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定，內置PID功能，可直接進行過程量控制，并配有PROFIBUS現(xiàn)場總線接口。
　　
　?。?）安裝靈活
　　
　　控制體變頻單元和機械傳動部分可分體安裝，能適應各種復雜惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。
　　
　?。?）維護成本極低。由于新技術的采用，零器件從傳統(tǒng)需要約450只減少到只有100只，極大地增強了執(zhí)行機構的可靠性。
　　
　　6主要技術規(guī)范
　　
　　7結論
　　
　　我們在參與了SIPOS5系列變頻電動執(zhí)行機構系列產品的現(xiàn)場調試之后，深感其智能化程度高、操作使用相當簡易方便，這正是我們在生產過程控制技術發(fā)展中所一直追求和倡導的。