智能型变频电动执行器、调节阀性能分析和应用                 
天津硕华电气有限公司    邹祥瑞

电动执行器要实现高质量和高精度的控制，首先对控制信号微小变化反应灵敏；实现动态响应好，执行机构运行速度必须和控制信号幅度成比例；要克服系统静差，执行机构只有以低速运行通过极强的微调作用才能修正给定值微小偏差。显然，不具有变速功能的电动执行器是难以满足上述要求的。
一、
智能型变频电动执行器是利用数字化变频、单片机技术，改造目前现有的电动执行器使之具有智能化、变速运行、动态响应好、调节定位精度高、稳定性好、故障率低、寿命长及应用场合更加广泛的特点。
智能型变频电动执行器与各种阀体配合，可以构成各类智能型变频电动调节阀。这类电动调节阀在调节过程中，阀芯其运行速度是变化的，在输入信号和阀位反馈信号偏差较大时，比普通电动调节阀快，加速调节作用。但随着输入信号和阀位反馈信号偏差减小，阀电机速度会变慢，阀芯的运动速度也会随之下降。越接近平衡点阀电机速度会越慢。在平衡点附近阀门会一点点打开或关闭，具有极强的微调作用，其结果是大大提高了阀门的控制精度。
1、智能型变频电动执行器、调节阀性能
1.1主要特点：
1．采用外接模拟信号来控制速度可以获得理想调节效果
          智能型变频电动执行器通过内置智能化控制模块向变频器提供的模拟速度信号控制，再通过变频器控制伺服电机以不同的速度运行。执行机构借助这一速度控制信号，会以较低的速度在设定值附近启、闭阀门可有效防止管道内压力的剧烈波动。若干扰使被调参数与设定值偏离较大时，执行机构将以极快的速度操作阀门克服干扰并可逐渐避免空穴作用造成的危险即可保护管道和阀门免受过压和磨损。
2．采用智能控制器来进行控制实现控制过程最优化减少电机起停次数，减少阀门磨损
内置智能控制模块是一种自适应多功能控制器。即：动作过程始终随控制信号和阀位反馈信号偏差自适应调整。这可确保以最小的启停次数来实现最高的控制精度，从而实现控制过程最优化，并因起停次数的减少而减少阀门的磨损。
3．“柔性软启动”和“电制动”在确保最大力矩的同时可避免对阀门的冲撞
    以最大力矩的低速度渐进调整阀门开度，并柔性软起动使起动电流大大减少。即使频繁起动次数很多的流量、压力系统也不会烧毁电机。这就是变频柔性软启动、软关闭的特色。这一传统执行器难以实现的功能，因内置一体化变频器的采用而得以实现。在接近设定或极限位置时，变频器自动调整电机供电的频率和电压，降低电机转速，以最低速度慢慢到达位置。避免因惯性对阀门造成的过调和冲撞而施加电制动功能，使执行机构的输出力矩永远都不会超过事先设定的关断力矩。
4．执行机构可改善阀门的线性特性，使用较为简单的阀门，完成复杂的控制
           对于复杂的控制过程，总是希望阀门的开度与介质的流速成比例。根据阀门的特性，内置智能控制模块自动调整全行程过程中的运行速度，将全行程运行时间分为10档。每一档都以不同的速度运行。通过参数设定来完成设置。这一功能被称为“行程—速度特性”，主要被用来改善阀门线性特性。
         同时还具备改善阀门的流量特性，内置智能控制模块通过参数设定可实行线性、等比、近似快开流量特性之间的转换。
5、始终掌握阀门的状态
          阀门长期的磨损、物料淤积和锈蚀会造成阀门运转不够灵活，内置智能控制模块内含自诊断、自累加功能，自动提升下限频率提高电机输出功率，解决阀门运转不够灵活问题。    
6、应用软件性能丰富可靠     
软件系统针对执行器和调节阀各种应用场合的要求开发。其中包括，按偏差大小变速调节；阀门上、下限限位保护；输入信号标准化4~20mA，1~5V；位置反馈信号标准化；断线保护；作用方式现场任意设定；分程调节；串级副环调节；联锁控制；断相、过热、过力矩、阀卡等多重保护；大流通能力、高差压、流量特性转换；阀芯运动动态过程调整、看门狗、掉电保护等多项功能。
1.2智能型变频电动执行器的开环特性：
      智能型变频执行器的开环特性如下图所示：

输入特性：阶跃信号                  输出特性
                                                              
由图看出，曲线①智能型变频执行器动作开始有一缓慢过程，这是软启动过程，为降低起动电流而设。然后以高速向L＇靠近，这时曲线①斜率要比曲线②和曲线③要大得多。随着向L＇靠近曲线①斜率开始变小，速度下降。越接近L＇速度越慢。进入不灵敏区后，电制动使阀停在L＇处。通过和普通电动执行器②、气动执行器③对比，智能型变频执行器的开环特性将明显好于普通电动执行器和气动执行器开环特性。
1.3主要技术性能：
1、 工作电源：220V~±10%，50Hz±2%或380V~±10%，50Hz±2%；
2、 控制信号：4~20mA或1~5V；位置反馈信号：4~20 mA   故障反馈信号：开关信号 1A 220V AC ；
3、 控制精度±1.0% ；
4、 不灵敏区控制±0.5% ~ 20%，可以设定；
5、 可在线修改流量特性；
6、 伺服电机软起动功能：启动电流〈1.5倍额定电流，软起动时间1—100S；
7、 调速范围：0.2~1.5倍； 
8、 具有输入信号断线或外部故障保护功能；
9、 控制信号范围任意设定，作用方式任意设定；方便实现分程调节。
10、 上限和下限限幅功能、力距保护和告警功能。具有伺服电机、过载、断相、短路，各种保护。
11、 与一次传感器、变送器配套，可方便构成闭环负反馈自动调节系统。
12、 具有手动旋柄，即使电动部分故障，仍能工作。
13、 结构有一体化整体式（控制器、变频器在阀内）和挂墙分体式（控制器、变频器与阀分开安装）。
14、 具有通讯之功能，通过RS485口，可以和上位机，网络控制器联网工作。
15、 防爆等级：ExdΠBT4
15、 环境温度：-25~+50℃；（低于-100C增加电热器）相对湿度：≤95%；
2、工作原理与软件性能
2.1工作原理：
图所示为智能型变频电动执行器的工作原理图。智能型变频电动执行器由电动减速器部分和控制部分构成。控制部分又分主回路电机控制部分和控制回路控制部分。
其简单工作过程是：输入信号为4~20 mA（1~5V）（或数字通讯信号）和位置反馈（1~5V）信号，同时进入智能控制器A/D转换电路，CPU将二者经比较、运算，输出一个和偏差方向一致开关信号和与偏差大小成比例的模拟信号去控制变频器工作，再通过变频器去控制伺服电机运行速度和运行方向，从而达到连续变速控制执行器开度，实现自动调节的目的。变频器对于伺服电机过载、短路、断相均可进行保护并输出相应报警信号。RS485通讯口是智能型变频电动执行器与外部按照通讯协议进行联系的标准通讯口。
智能型变频执行器通过性能参数设定来满足各种使用场合要求。性能参数通过设定器设置到程序内，CPU工作按照预定程序指挥执行器工作。
2.2  软件特点及主要性能分析:
智能变频电动执行器的软件由控制软件程序和参数设定软件程序构成。