摘要：本文介绍了一种采用变频调速技术的全新电动执行机构SIPOS5。它汲取了当今电力电子自动控制领域发展的变频调速控制技术，并*融合到电动执行机构自身的研制开发应用中，从而全面提高了电动执行机构的机电一体化控制性能和智能化程度，是当今实现过程控制调节的现代
　　
　　1引言
　　
　　电动执行机构的存在已有近百余年的历史，从zui早的单马达驱动到后期的双马达多极变速电动驱动，到了近期，电动执行机构中逐步加入了一些电子控制单元，如单片机控制器、PLC控制单元等，以此更好地做到自动化、智能化、简易化。总的趋势是机械结构更趋合理巧妙，防护等级能适应复杂的现场环境，减速机构越做越小，智能化单元的功能更趋增强。然面机械零件的加工、装配、材质、微动开关的触点接触等因素，都直接影响电动执行机构的质量及使用、检修维护复杂系数及其工作量。为了将电动机的转速降低至阀门开启所需的缓慢速度，齿轮减速机构这一加工成本高、难度大的机械部件*。同样控制电机正反转的配电装置及换向控制单元以及繁琐的机械?；ち氐恼ㄎ薹蚧?，这一切均极大地限制了电动执行机构的快速发展。
　　
　　八十年代末，随着自动控制技术、电力电子技术以及计算机技术发展，交流电动机的调速手段有了极大的发展，变频调速技术应运而生，并在九十年代日臻成熟。崭新的变频调速技术与电动执行机构的结合，使得电动执行机构在*取代以往所有电动执行机构功能的基础上，增加了令人耳目一新并且极其宝贵的特性，如柔性起动关闭、运行速度随时可调、定位精度高、启动电流平稳、无电气换向单元、力矩行程速度参数软件编程设定可调、结构相当简单紧凑、有PROFIBUS现场总线接口、在阀门上使用对阀门无冲击等等，变频电动执行机构的出现将电动执行机构的发展水平推到了一个全新的层次，进而大幅度提高了整个自动控制系统的安全运行水平、可靠性、调节品质。并在此行业，建立起面向二十一世纪的生产技术标准。这种新型的变频电动执行机构就是德国西门子公司推出的SIPOS5系列电动执行机构。　　
　　2工作原理
　　
　　新型SIPOS5系列变频电动执行机构采用的是以电子设备代替机械设备的设计思想，通过其内部集成的一体化变频单元对其电机的转向和转速进行直接控制，在无需拆解和不改变执行机构内部机械结构的前提下，进行n级变速调节输出。
　　
　　其主要由三部分组成，即变频控制单元、变频电机和带位置检测反馈的蜗轮蜗杆机械传动装置
　　
　　2．1变频单元
　　
　　变频控制单元是变频电动执行机构的大脑，其主要功能之一是接收变频电动执行机构的电源输入，并将输入的交流电整流、逆变成电压频率可调的交流电，进而控制变频电机的运行，zui终输出执行动作。另外提供了与外界控制单元如PLC、DCS等模拟开关量信号接口和现场总线通讯接口。变频控制单元的接口如右图所示。
　　
　　变频单元内部分整流、逆变、控制?；さ热糠?。
　　
　　整流部分功能就把输入交流电经三相或单相全桥整流成直流电。
　　
　　逆变部分功能就是把稳恒的直流电逆变为电压频率可调的交流电。
　　
　　控制?；げ糠治淦档ピ拇竽?，它采用了SIEMENS的DSP信号处理器与大规?？杀喑陶罅屑际?，承担了控制、?；ぁ⒁淮未性仁淙胄藕诺牟杉隤WM脉冲波形的产生与?；た刂剖涑?。中间的直流部分为电容滤波，当电机快速从高速下降时，电机通过逆变回路将电机的动能回馈给变频单元，致使变频单元内部的中间直流电压变高，所以在此位置可增加电气制动单元，吸收电机回馈的能量实观紧急刹车制动功能。
　　
　　在变频电动执行机构中除了采用一个位置传感器外，没有也无需增设速度传感器。当今的变频技术中有很多很成熟的控制技术—如磁通控制技术、直接转矩控制技术、无传感器矢量控制技术等等，它们的应用使得变频单元控制下的交流电机的控制精度、动静态性能指标甚至超过了对直流电机的控制效果。电机的正反转控制，对变频单元来说，只需改变输出电压波形的相序即可实现。通过输出频率的动态变化即可实现电机的开停。*取代以往手动操作、伺服、减速等复杂装置。
　　
　　2．2变频电机
　　
　　变频电机的基本原理同普通异步电机一样，但它充分考虑到变频单元在输出频率较低时，电机运行速度下降，电机的散热条件却大为恶化，于是在设计时对电机的机械结构包括线圈绕向、布线等均进行了优化处理，保证在电机低频运行时，因运行电流产生的发热在电机限定范围内，不影响电机的正常工作。
　　
　　2．3机械传动装置
　　
　　变频单元的输出控制异步电机的旋转，再由蜗杆—蜗轮装置将电机的旋转转变为输出轴的旋转输出，并去带动多回转式的阀门、线，陛单元或曲柄连杆装置控制被调节机构。
　　
　　250NM力矩输出以上和以下的分别采用铜质蜗轮—钢质蜗杆黄金组合和球墨铸铁的蜗轮—钢质蜗杆的组合，具有无磨损、传动效率恒定的优良传动性能。其机械传动部分极为精密，噪音甚低，距离1米以内的噪音小于70dB。
　　
　　在输出轴的旁路增设塑导电位器，用来采集输出轴的位置信号参数，并送给变频单元作行程计算和?；ご怼?br />　　
　　3硬件接线图（图省略）
　　
　　SIPOS5系列的外部电气电源接线和控制接线非常简单，以多回转式调节型电动执行机构为例，说明如下：
　　
　　1）依据电动执行机构电机的功率，小功率的用220AC即可，稍大功率的选三相输入。
　　
　　2）依据现场实际输入信号类型，可选数字干接点DC24V输入，也可选4—20MA标准模拟信号输入。
　　
　　3）提供以现场过程控制为目的的过程设定值和现场值输入接口，通过软件设定，利用内置PID功能，直接实现过程量控制。
　　
　　4）提供PROFIBUS—DP接口，可运行于现场总线系统中。
　　
　　5）SIPOS5系列电动执行机构（包括多回转、直行程、角行程）硬件接线端口设计均已标准化，方便调试。
　　
　　4软件操作设定
　　
　　通过内置的LCD液晶显示器和面板上的按键可以对电动执行机构进行灵活的参数设定，同样还可通过调试软件COM—SIPOS在手提电脑和个人PC上对电动执行机构进行快速调试，并生成执行机构的参数资料。主要设定步骤如下：
　　
　　1）阀门或被控制档板特性参数设定如方向、开速度、关速度、开力矩、关力矩等等
　　
　　2）端正行程限位设定
　　
　　3）过程控制参数设定如：输入输出信号类型设定，功能设定等
　　
　　4）维护参数设定在电动执行机构运行过程中，会自动地出现关于状态、故障、维护诊断型等信息。
　　
　　5与传统执行机构比较突出优点
　　
　?。?）起动电流小
　　
　　系统的线路设计更加简化，不用配置动力柜，线路简单，安全可靠，起动电流zui多也就是变频电机的额定电流，而传统的执行机构能达到5—7倍左右。
　　
　?。?）接线简单
　　
　　电源输入有单相和三相两种，无须考虑电源的相序，接线非常简单。传统电动执行机构需考虑相序，配用换向装置。
　　
　?。?）开或关速度、力矩参数编程可调，在紧急状态时，以设定的紧急速度到达设定的紧急位置。


　　
　?。?）对被调节机构无冲击
　　
　　变频电动执行机构采用电子定位技术，准确可靠，就好像用了变频的电梯到达楼层时就会自动稳定停止一样。如在关闭阀门接近限位时的减速范围可编程设置，既可实现“行程到达”自动减速停止，也可实现在“力矩到达”后电机方停止，这样可将阀门真正关“死”，防止泄漏。传统的电动执行机构使用限位开关，易超限或出故障，关闭阀门时不减速，对阀门造成冲击，降低了阀门的使用寿命。
　　
　?。?）电气制动
　　
　　采用电气制动技术，吸收电机制动时产生的回馈能量，无磨损，无需维护。传统的执行机构采用机械式抱闸制动，机械磨损大，故障率高，维护量大。
　　
　　（6）智能化程度高
　　
　　变频电动执行机构力矩、行程、速度编程可调，大大简化型号类别，节约备品件仓贮投资及方便管理。接口功能全部可编程设定，内置PID功能，可直接进行过程量控制，并配有PROFIBUS现场总线接口。
　　
　?。?）安装灵活
　　
　　控制体变频单元和机械传动部分可分体安装，能适应各种复杂恶劣的现场环境。
　　
　　（8）维护成本极低。由于新技术的采用，零器件从传统需要约450只减少到只有100只，极大地增强了执行机构的可靠性。
　　
　　6主要技术规范
　　
　　7结论
　　
　　我们在参与了SIPOS5系列变频电动执行机构系列产品的现场调试之后，深感其智能化程度高、操作使用相当简易方便，这正是我们在生产过程控制技术发展中所一直追求和倡导的。