變頻技術(shù)在電動(dòng)執行機構上的應用
本文提出了一種改進(jìn)措施，將變頻技術(shù)應用于電動(dòng)執行機構，使電動(dòng)執行機構實(shí)現軟啟動(dòng)軟關(guān)閉功能，在改善控制品 質(zhì)的同時(shí)實(shí)現節能減排效果。
在自動(dòng)調節系統中，執行單元的工作質(zhì)量至關(guān)重要。每套自調系統的對象特性、時(shí)間常數、滯后時(shí)間、放大倍數都不同。因此，作為執行單元的電動(dòng)執行器也應有各種工作速度與之對應才是。但電動(dòng)調節閥一旦確定選型，工作速度、行程時(shí)間就相對固定，無(wú)法滿(mǎn)足系統要求。結果只有通過(guò)頻繁的啟動(dòng)、停止來(lái)滿(mǎn)足給定值附近的微調，造成了系統的振蕩，容易發(fā)生電機燒毀事故。采用變頻式電動(dòng)調節閥能很方便的解決這個(gè)問(wèn)題。電動(dòng)執行器要實(shí)現高質(zhì)量和高精度的控制，對控制信號的微小變化要反應靈敏。實(shí)現動(dòng)態(tài)響應好，執行機構運行速度必須和控制信號幅度成比例。要克服系統靜差，執行機構只有以低速運行通過(guò)極強的微調作用才能修正給定值微小偏差。顯然，不具有變速功能的電動(dòng)執行器是難以滿(mǎn)足上述要求的。
1、系統主要特點(diǎn)及其工作原理
智能型變頻電動(dòng)執行器是利用數字化變頻、單片機技術(shù)，改造目前現有的電動(dòng)執行器，使之具有智能化、變速運行、動(dòng)態(tài)響應好、調節定位精度高、穩定性好、故障率低、壽命長(cháng)及應用場(chǎng)合更加廣泛的特點(diǎn)。
1.1、主要特點(diǎn)
1)起動(dòng)電流小
系統的線(xiàn)路設計更加簡(jiǎn)化，不用配置專(zhuān)用動(dòng)力柜，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，安全可靠，起動(dòng)電流最多也就是變頻電機的額定電流，而傳統的執行機構能達到5-7倍左右。
2)實(shí)現控制過(guò)程最優(yōu)化減少電機起停次數，減少閥門(mén)磨損
變頻控制電路使動(dòng)作過(guò)程始終隨控制信號和閥位反饋信號偏差自適應調整�？纱_保以最小的啟停次數來(lái)實(shí)現最高的控制精度，從而實(shí)現控制過(guò)程最優(yōu)化，并因起停次數的減少而減少閥門(mén)的磨損。
3)“軟啟動(dòng)”和“軟關(guān)閉”在確保最大力矩的同時(shí)可避免對閥門(mén)的沖撞
以最大力矩的低速度漸進(jìn)調整閥門(mén)開(kāi)度，并柔性軟起動(dòng)使起動(dòng)電流大大減少。即使頻繁起動(dòng)次數很多的流量，壓力系統也不會(huì )燒毀電機。這就是變頻、軟啟動(dòng)、軟關(guān)閉的特色。這一傳統執行器難以實(shí)現的功能，因內置一體化變頻器的采用而得以實(shí)現。在接近設定或極限位置時(shí)，變頻器自動(dòng)調整電機供電的頻率和電壓，降低電機轉速，以最低速度慢慢到達位置。避免因慣性對閥門(mén)造成的過(guò)調和沖撞而施加電制動(dòng)功能，使執行機構的輸出力矩永遠都不會(huì )超過(guò)事先設定的關(guān)斷力矩。
4)執行機構可改善閥門(mén)的線(xiàn)性特性，使用較為簡(jiǎn)單的閥門(mén)，完成復雜的控制
對于復雜的控制過(guò)程，總是希望閥門(mén)的開(kāi)度與介質(zhì)的流速成比例。根據閥門(mén)的特性，內置智能控制模塊自動(dòng)調整全行程過(guò)程中的運行速度，將全行程運行時(shí)間分為10檔。每一檔都以不同的速度運行。通過(guò)參數設定來(lái)完成設置。這一功能被稱(chēng)為“行程—速度特性”，主要被用來(lái)改善閥門(mén)線(xiàn)性特性。同時(shí)還具備改善閥門(mén)的流量特性。
5)智能程度高，應用軟件性能豐富可靠
變頻電動(dòng)執行機構力矩、行程、速度編程可調，大大簡(jiǎn)化型號類(lèi)別，節約備品件倉貯投資及方便管理。軟件系統針對執行器和調節閥各種應用場(chǎng)合的要求開(kāi)發(fā)。輸入信號標準化，為4～20mA，1～5V;位置反饋信號標準化;斷線(xiàn)保護;作用方式可現場(chǎng)任意設定;聯(lián)鎖控制;斷相、過(guò)熱、過(guò)力矩、閥卡等多重保護;具有看門(mén)狗、掉電保護等多項功能。
1.2、系統工作原理
圖1為智能型變頻電動(dòng)執行器的工作原理圖。智能型變頻電動(dòng)執行器由減速器部分和控制部分構成�？刂撇糠钟址譃殡姍C控制電路和控制回路電路。
圖1 執行機構工作原理圖
其簡(jiǎn)單工作過(guò)程是：輸入信號(或數字通信信號)和位置反饋信號，同時(shí)進(jìn)入智能控制器A/D轉換電路，CPU將二者進(jìn)行比較、運算，輸出一個(gè)和偏差方向一致的開(kāi)關(guān)信號及一個(gè)與偏差大小成比例的數字信號去電機控制電路，電機控制電路控制電機運行速度和運行方向，從而達到連續變速控制執行器開(kāi)度，實(shí)現自動(dòng)調節的目的。電機控制電路對于電機過(guò)載、短路、斷相均可進(jìn)行保護并輸出相應報警信號。RS485通信接口是智能型變頻電動(dòng)執行器與外部按照通信協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系的標準通信接口。智能型變頻執行器通過(guò)顯示屏和旋鈕操作來(lái)設定滿(mǎn)足各種使用場(chǎng)合的性能參數。CPU工作按照預定程序和參數來(lái)指揮執行器工作。
2、系統硬件方案
2.1、變頻控制電路
變頻控制單元是變頻電動(dòng)執行機構的大腦，其主要功能是接收變頻電動(dòng)執行機構的電源輸入，并將輸入的交流電整流成電壓頻率可控的直流電，進(jìn)而控制變頻電機的運行，最終輸出執行動(dòng)作。另外提供了與外界控制單元如PLC、DCS等模擬開(kāi)關(guān)量信號接口和現場(chǎng)總線(xiàn)通迅接口。變頻控制單元的接口如圖2所示。
圖2 變頻控制原理
變頻單元內部分整流、調壓、控制保護等三部分。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。調壓部分的功能是把穩恒的直流電通過(guò)開(kāi)關(guān)高頻控制調節成電機需要的電壓�？刂票Ｗo部分采用了SIEMENS最先進(jìn)的DSP信號處理器與大規�？删幊剃嚵屑夹g(shù)，承擔了控制、保護、一次傳感元件等輸入信號的采集、PWM脈沖波形的產(chǎn)生與保護控制輸出的那個(gè)任務(wù)。中間的直流部分為電容濾波，當電機快速從高速下降時(shí)，電機通過(guò)逆變回路將電機的動(dòng)能回饋給變頻器，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(dòng)單元，吸收電機回饋的能量實(shí)現緊急剎車(chē)制動(dòng)功能。在變頻電動(dòng)執行機構中除了采用一個(gè)位置傳感器外，沒(méi)有也無(wú)需增設速度傳感器。當今的變頻技術(shù)中有很多很成熟的控制技術(shù)如磁通控制技術(shù)、直接轉矩控制技術(shù)、無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)等等，它們的應用使得變頻器控制下的交流電機的控制精度、動(dòng)靜態(tài)性能指標甚至超過(guò)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(lái)說(shuō)，只需改變輸出電壓波形的相序即可實(shí)現。通過(guò)輸出頻率的動(dòng)態(tài)變化即可實(shí)現電機的電機的開(kāi)停。完全取代以往手動(dòng)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，但充分考慮到變頻器在輸出頻率較低時(shí)，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(shí)對電機的機械結構包括線(xiàn)圈繞向布線(xiàn)等均進(jìn)行了優(yōu)化處理，保證在電機低頻運行時(shí)，因運行電流產(chǎn)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(dòng)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，帶動(dòng)多回轉式的閥門(mén)、線(xiàn)性單元或曲柄連桿裝置控制被調節機構。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(wú)磨損、傳動(dòng)效率恒定的優(yōu)良傳動(dòng)性能。其機械傳動(dòng)部分極為精密，噪音甚低，距離1米以?xún)鹊脑胍粜∮?0dB。在輸出軸的旁路增設專(zhuān)用霍爾感應元件，用來(lái)采集輸出軸的位置信號參數，并送給變頻器作行程計算和保護處理。
3、系統軟件設計
智能變頻電動(dòng)執行器的軟件由三部分構成：電機驅動(dòng)軟件、人機對話(huà)軟件和控制程序軟件。
3.1、電機驅動(dòng)軟件
主要解決電機的轉動(dòng)方向、轉動(dòng)速度問(wèn)題，同時(shí)還能夠根據預先設定好的觸發(fā)條件，將過(guò)力矩、過(guò)熱、堵轉、缺相、斷相等事件和即時(shí)的轉向、轉速、電機電流情況傳遞給控制電路。
3.2、人機對話(huà)軟件
主要用來(lái)設定智能變頻電動(dòng)執行器常用的一些參數。
執行機構的轉向：用來(lái)設定執行機構輸出的開(kāi)關(guān)方向，主要目的是適應執行機構由于現場(chǎng)安裝方式不同而造成的輸出方向差異。
死區：執行機構允許的信號要求與實(shí)際輸出位置之間的誤差值。死區過(guò)大，控制品質(zhì)會(huì )變差;死區過(guò)小，容易引起電動(dòng)執行機構的震蕩，長(cháng)期處于震蕩狀態(tài)會(huì )使執行機構的電機因發(fā)熱而損壞。使用變頻技術(shù)后，死區可設定在0.1～0.5之間，而不會(huì )發(fā)生超調、震蕩等情況。
零點(diǎn)：執行機構可以到達的輸出位置最低(小)點(diǎn)。
滿(mǎn)度：執行機構可以到達的輸出位置最高(大)點(diǎn)。
報警輸出設置：用來(lái)設置繼電器的動(dòng)作，以便在各類(lèi)故障發(fā)生時(shí)，繼電器能將執行機構的某些狀態(tài)輸出，用以指示使用者發(fā)現和排除故障。
輸入信號整定：可根據執行機構應用現場(chǎng)的實(shí)際情況，對輸入信號進(jìn)行修正，以保證執行機構的控制精度。輸出信號整定：可根據執行機構應用現場(chǎng)的實(shí)際情況，對輸出信號進(jìn)行修正，以保證能夠將執行機構的位置狀態(tài)真實(shí)的反饋給使用者。
反轉保護時(shí)間：該參數是為了保證電機在接收到反向轉動(dòng)命令時(shí)，電源相之間不發(fā)生短路。同時(shí)也是為了避免執行器運動(dòng)慣性而造成執行器頻繁正、反轉動(dòng)而影響調節系統穩定而設計的。
故障查詢(xún)：用來(lái)查詢(xún)最近發(fā)生的故障情況，以方便現場(chǎng)維護人員及時(shí)發(fā)現、排除故障隱患。
恢復設置：為了方便現場(chǎng)調試和使用，當發(fā)生誤操作、誤設置等情況時(shí)，可用該功能恢復初始設置。
過(guò)力矩保護設置：通過(guò)讀取電機電流值，計算出電機即時(shí)的出力情況，并利用處理器將執行機構的輸出力矩以百分比的形式顯示出來(lái)，使用者設置該參數后，輸出力矩大于設定值，則發(fā)生過(guò)力矩保護，令電機停止轉動(dòng)，直到過(guò)力矩狀態(tài)解除。
轉速設置：該參數是能夠體現變頻電動(dòng)執行機構特點(diǎn)的最主要參數，參數設定的是執行機構工作時(shí)的最大輸出轉速。該轉速對機構的最終輸出力矩，行程時(shí)間以及控制精度都有很大的影響。通常設定范圍為額定轉速的50%-120%之間。
加速位置設定：該參數是能夠體現變頻電動(dòng)執行機構特點(diǎn)的主要參數之一。設定的是執行機構從低速開(kāi)始向高速變化的起點(diǎn)位置。
減速位置設定：該參數是能夠體現變頻電動(dòng)執行機構特點(diǎn)的主要參數之一。設定的是執行機構從高速開(kāi)始向低速變化的起點(diǎn)位置。
最低速度設定：該參數是能夠體現變頻電動(dòng)執行機構特點(diǎn)的主要參數之一。設定的是執行機構能夠保證正常工作時(shí)最低的轉動(dòng)速度。
通過(guò)對“轉速”、“加速位置”、“減速位置”和“最低速度”參數的調整，可以很靈活的設定一條執行機構啟/停特性曲線(xiàn)，如圖3所示。以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合對電動(dòng)執行機構的要求。
圖3 電動(dòng)執行機構啟/停特性曲線(xiàn)
3.3 控制程序軟件
根據設定好的參數和一些即時(shí)信息來(lái)決定執行機構的控制策略和動(dòng)作。相當于電動(dòng)執行機構的大腦，是決定整個(gè)控制品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。
4、結束語(yǔ)
本文介紹了變頻技術(shù)應用在電動(dòng)執行機構上的一些優(yōu)勢，這是當代電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展以及執行器技術(shù)發(fā)展的結晶，具有高度智能化、現代化、操作使用簡(jiǎn)易化等特點(diǎn)，也是當今生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展中所一直追求和倡導的。
