變頻技術(shù)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用

2013-11-23 金雷 天津津伯儀表技術(shù)有限公司

  本文提出了一種改進(jìn)措施,將變頻技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)節(jié)能減排效果。

  在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,執(zhí)行單元的工作質(zhì)量至關(guān)重要。每套自調(diào)系統(tǒng)的對(duì)象特性、時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí)間、放大倍數(shù)都不同。因此,作為執(zhí)行單元的電動(dòng)執(zhí)行器也應(yīng)有各種工作速度與之對(duì)應(yīng)才是。但電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一旦確定選型,工作速度、行程時(shí)間就相對(duì)固定,無法滿足系統(tǒng)要求。結(jié)果只有通過頻繁的啟動(dòng)、停止來滿足給定值附近的微調(diào),造成了系統(tǒng)的振蕩,容易發(fā)生電機(jī)燒毀事故。采用變頻式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥能很方便的解決這個(gè)問題。電動(dòng)執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的控制,對(duì)控制信號(hào)的微小變化要反應(yīng)靈敏。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度必須和控制信號(hào)幅度成比例。要克服系統(tǒng)靜差,執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有以低速運(yùn)行通過極強(qiáng)的微調(diào)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(zhí)行器是難以滿足上述要求的。

1、系統(tǒng)主要特點(diǎn)及其工作原理

  智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器是利用數(shù)字化變頻、單片機(jī)技術(shù),改造目前現(xiàn)有的電動(dòng)執(zhí)行器,使之具有智能化、變速運(yùn)行、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)定位精度高、穩(wěn)定性好、故障率低、壽命長及應(yīng)用場合更加廣泛的特點(diǎn)。

  1.1、主要特點(diǎn)

  1)起動(dòng)電流小

  系統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)更加簡化,不用配置專用動(dòng)力柜,線路簡單,安全可靠,起動(dòng)電流最多也就是變頻電機(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)實(shí)現(xiàn)控制過程最優(yōu)化減少電機(jī)起停次數(shù),減少閥門磨損

  變頻控制電路使動(dòng)作過程始終隨控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)偏差自適應(yīng)調(diào)整?纱_保以最小的啟停次數(shù)來實(shí)現(xiàn)最高的控制精度,從而實(shí)現(xiàn)控制過程最優(yōu)化,并因起停次數(shù)的減少而減少閥門的磨損。

  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(duì)閥門的沖撞

  以最大力矩的低速度漸進(jìn)調(diào)整閥門開度,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(shù)很多的流量,壓力系統(tǒng)也不會(huì)燒毀電機(jī)。這就是變頻、軟啟動(dòng)、軟關(guān)閉的特色。這一傳統(tǒng)執(zhí)行器難以實(shí)現(xiàn)的功能,因內(nèi)置一體化變頻器的采用而得以實(shí)現(xiàn)。在接近設(shè)定或極限位置時(shí),變頻器自動(dòng)調(diào)整電機(jī)供電的頻率和電壓,降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,以最低速度慢慢到達(dá)位置。避免因慣性對(duì)閥門造成的過調(diào)和沖撞而施加電制動(dòng)功能,使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩永遠(yuǎn)都不會(huì)超過事先設(shè)定的關(guān)斷力矩。

  4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可改善閥門的線性特性,使用較為簡單的閥門,完成復(fù)雜的控制

  對(duì)于復(fù)雜的控制過程,總是希望閥門的開度與介質(zhì)的流速成比例。根據(jù)閥門的特性,內(nèi)置智能控制模塊自動(dòng)調(diào)整全行程過程中的運(yùn)行速度,將全行程運(yùn)行時(shí)間分為10檔。每一檔都以不同的速度運(yùn)行。通過參數(shù)設(shè)定來完成設(shè)置。這一功能被稱為“行程—速度特性”,主要被用來改善閥門線性特性。同時(shí)還具備改善閥門的流量特性。

  5)智能程度高,應(yīng)用軟件性能豐富可靠

  變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩、行程、速度編程可調(diào),大大簡化型號(hào)類別,節(jié)約備品件倉貯投資及方便管理。軟件系統(tǒng)針對(duì)執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥各種應(yīng)用場合的要求開發(fā)。輸入信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化,為4~20mA,1~5V;位置反饋信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化;斷線保護(hù);作用方式可現(xiàn)場任意設(shè)定;聯(lián)鎖控制;斷相、過熱、過力矩、閥卡等多重保護(hù);具有看門狗、掉電保護(hù)等多項(xiàng)功能。

  1.2、系統(tǒng)工作原理

  圖1為智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器的工作原理圖。智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器由減速器部分和控制部分構(gòu)成?刂撇糠钟址譃殡姍C(jī)控制電路和控制回路電路。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理圖

  其簡單工作過程是:輸入信號(hào)(或數(shù)字通信信號(hào))和位置反饋信號(hào),同時(shí)進(jìn)入智能控制器A/D轉(zhuǎn)換電路,CPU將二者進(jìn)行比較、運(yùn)算,輸出一個(gè)和偏差方向一致的開關(guān)信號(hào)及一個(gè)與偏差大小成比例的數(shù)字信號(hào)去電機(jī)控制電路,電機(jī)控制電路控制電機(jī)運(yùn)行速度和運(yùn)行方向,從而達(dá)到連續(xù)變速控制執(zhí)行器開度,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。電機(jī)控制電路對(duì)于電機(jī)過載、短路、斷相均可進(jìn)行保護(hù)并輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。RS485通信接口是智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器與外部按照通信協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。智能型變頻執(zhí)行器通過顯示屏和旋鈕操作來設(shè)定滿足各種使用場合的性能參數(shù)。CPU工作按照預(yù)定程序和參數(shù)來指揮執(zhí)行器工作。

2、系統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦,其主要功能是接收變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源輸入,并將輸入的交流電整流成電壓頻率可控的直流電,進(jìn)而控制變頻電機(jī)的運(yùn)行,最終輸出執(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)場總線通迅接口。變頻控制單元的接口如圖2所示。

變頻控制原理

圖2 變頻控制原理

  變頻單元內(nèi)部分整流、調(diào)壓、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。調(diào)壓部分的功能是把穩(wěn)恒的直流電通過開關(guān)高頻控制調(diào)節(jié)成電機(jī)需要的電壓?刂票Wo(hù)部分采用了SIEMENS最先進(jìn)的DSP信號(hào)處理器與大規(guī)模可編程陣列技術(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、PWM脈沖波形的產(chǎn)生與保護(hù)控制輸出的那個(gè)任務(wù)。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)能回饋給變頻器,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)現(xiàn)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)用使得變頻器控制下的交流電機(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)的電機(jī)的開停。完全取代以往手動(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,但充分考慮到變頻器在輸出頻率較低時(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,帶動(dòng)多回轉(zhuǎn)式的閥門、線性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)專用霍爾感應(yīng)元件,用來采集輸出軸的位置信號(hào)參數(shù),并送給變頻器作行程計(jì)算和保護(hù)處理。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  智能變頻電動(dòng)執(zhí)行器的軟件由三部分構(gòu)成:電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件、人機(jī)對(duì)話軟件和控制程序軟件。

  3.1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件

  主要解決電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度問題,同時(shí)還能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的觸發(fā)條件,將過力矩、過熱、堵轉(zhuǎn)、缺相、斷相等事件和即時(shí)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流情況傳遞給控制電路。

  3.2、人機(jī)對(duì)話軟件

  主要用來設(shè)定智能變頻電動(dòng)執(zhí)行器常用的一些參數(shù)。

  執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向:用來設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的開關(guān)方向,主要目的是適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于現(xiàn)場安裝方式不同而造成的輸出方向差異。

  死區(qū):執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的信號(hào)要求與實(shí)際輸出位置之間的誤差值。死區(qū)過大,控制品質(zhì)會(huì)變差;死區(qū)過小,容易引起電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的震蕩,長期處于震蕩狀態(tài)會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)因發(fā)熱而損壞。使用變頻技術(shù)后,死區(qū)可設(shè)定在0.1~0.5之間,而不會(huì)發(fā)生超調(diào)、震蕩等情況。

  零點(diǎn):執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以到達(dá)的輸出位置最低(小)點(diǎn)。

  滿度:執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以到達(dá)的輸出位置最高(大)點(diǎn)。

  報(bào)警輸出設(shè)置:用來設(shè)置繼電器的動(dòng)作,以便在各類故障發(fā)生時(shí),繼電器能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的某些狀態(tài)輸出,用以指示使用者發(fā)現(xiàn)和排除故障。

  輸入信號(hào)整定:可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際情況,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行修正,以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。輸出信號(hào)整定:可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際情況,對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行修正,以保證能夠?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)真實(shí)的反饋給使用者。

  反轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間:該參數(shù)是為了保證電機(jī)在接收到反向轉(zhuǎn)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(zhí)行器運(yùn)動(dòng)慣性而造成執(zhí)行器頻繁正、反轉(zhuǎn)動(dòng)而影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的。

  故障查詢:用來查詢最近發(fā)生的故障情況,以方便現(xiàn)場維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除故障隱患。

  恢復(fù)設(shè)置:為了方便現(xiàn)場調(diào)試和使用,當(dāng)發(fā)生誤操作、誤設(shè)置等情況時(shí),可用該功能恢復(fù)初始設(shè)置。

  過力矩保護(hù)設(shè)置:通過讀取電機(jī)電流值,計(jì)算出電機(jī)即時(shí)的出力情況,并利用處理器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩以百分比的形式顯示出來,使用者設(shè)置該參數(shù)后,輸出力矩大于設(shè)定值,則發(fā)生過力矩保護(hù),令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),直到過力矩狀態(tài)解除。

  轉(zhuǎn)速設(shè)置:該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的最主要參數(shù),參數(shù)設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)構(gòu)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(shè)定范圍為額定轉(zhuǎn)速的50%-120%之間。

  加速位置設(shè)定:該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)從低速開始向高速變化的起點(diǎn)位置。

  減速位置設(shè)定:該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)從高速開始向低速變化的起點(diǎn)位置。

  最低速度設(shè)定:該參數(shù)是能夠體現(xiàn)變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的主要參數(shù)之一。設(shè)定的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠保證正常工作時(shí)最低的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

  通過對(duì)“轉(zhuǎn)速”、“加速位置”、“減速位置”和“最低速度”參數(shù)的調(diào)整,可以很靈活的設(shè)定一條執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停特性曲線,如圖3所示。以滿足不同應(yīng)用場合對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。

圖3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟/停特性曲線

  3.3 控制程序軟件

  根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)和一些即時(shí)信息來決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略和動(dòng)作。相當(dāng)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦,是決定整個(gè)控制品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。

4、結(jié)束語

  本文介紹了變頻技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的一些優(yōu)勢,這是當(dāng)代電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展以及執(zhí)行器技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,具有高度智能化、現(xiàn)代化、操作使用簡易化等特點(diǎn),也是當(dāng)今生產(chǎn)過程控制技術(shù)發(fā)展中所一直追求和倡導(dǎo)的。