变频技术在智能执行器中的应用及常见故障分析
智能型变频电动执行机构成为现代电动执行机构的发展方向。根据智能电动执行机构的组成及基本工作原理，以现代工业中最常见的SIPOS5FLASH为例，论述了变频技术应用于其中的优点，并根据生产实践分析了常见故障(Lowvoltage)发生的情形与解决对策。
1、智能电动执行机构概述
现代工业随着自动化的进步、控制技术的发展以及受数字技术和微处理技术的影响，人们对工业过程控制的终端———执行器提出了新的要求，使得智能型变频电动执行机构成为现代电动执行机构的发展方向。
在传统工业的设计当中，采用伺服放大器和传统执行机构组合而成，功能相对简单，只可以完成基本的功能设计。智能电动执行机构要完成人机交互、智能控制、通讯等一些相对比较复杂的功能，这就要求在传统电动执行机构的基础上增加一些新的模块来支撑这些功能。智能电动执行机构的组成如图1所示。
图1 智能电动执行机构的组成
它的基本功能模块主要由主控单元、接口模块、电源模块、伺服驱动控制模块、检测反馈模块等组成。智能电动执行机构主控单元通过接受上位机命令并结合所要调控对象(如阀门)的检测传感器反馈回来的信号，主控CPU拒此计算所需的速度控制信号，然后将该信号传送。
2、变频技术在智能电动执行机构中的应用及优点
从智能电动执行机构的组成图中，我们可以看出，电机通过功率驱动模块驱动电机以不同的速度转动，这里就运用到了变频技术。
SIPOS(西博思)5FLASH作为最典型、应用最广的智能型电动执行机构，采用内置一体化变频器控制输出轴转速，其原理是将频率(如50Hz)和峰值固定的单相电源(如220V)或三相电源(如380V)转换成频率和峰值可调的三相电源来给电机供电，从而实现对输出轴转速的控制。这样的设计简化了机械结构，满足了执行机构控制阀门以精确的速度运行的过程要求，在不改变其内部机械结构的情况下，输出轴转速可在1∶8的范围内自行设定。
将变频技术应用于执行机构中，使得输出轴可以根据主控单元的指令输出相应的转速，这样做在实际生产中有很多的优点：
(1)由于机械重当执行机构被卡住时可产生最大力矩使阀门脱离被卡位置。
(2)柔性到达全关或全开位置，避免由于惯性对阀门造成的冲撞，保护阀门，延长使用寿命。
(3)启动和运行电流永远小于电机额定电流。
(4)在紧急情况下，可根据实际需要自行设定紧急开和紧急关速度。
(5)实现控制过程最优化，通过自动改变输出轴转速以改善阀门线性等。
3、SIPOS5FLASH执行机构常见故障分析
在生产实践中，由于阀门机械、环境温度、动作频率等因素，使得我们在检查SIPOS电动执行机构时常常会发现出现在执行机构中变频器部分的故障——“LowVoltage(低电压故障)”。通常的处理办法就是更换电子板，其实不然，我们应该根据发生故障的具体情况来判断。
3.1、SIPOS5FLASH执行机构LowVoltage检测机理
SIPOS5FLASH采用内置一体化变频器，其原理是将频率(如50Hz)和峰值固定的单相电源(如220V)或三相电源(如380V)转换成频率和峰值可调的三相电源来给电机供电，这一过程的实现首先是将交流电整流成直流电，然后再逆变成交流电的方式进行的。
对上述故障检测的原理就是通过测量变频器中间回路中的直流母线电压的大小，并根据执行机构具体的运行方式进行判断。直流母线电压大小的测量对于专业型(PROTITRON)，可以通过观察执行机构的参数d.clink-voltage(直流母线电压)来查看;对于经济型(ECOTRON)，则必须用COMSIPOS软件进行在线观察。
3.2、SIPOS5FLASH报告LowVoltage的情况分析及处理办法
(1)静态。
如果该故障是在执行机构完全不动的情形下发出的，则通过查看“d.clink-voltage(直流母线电压)”的数值大小，检查是否正常。参考值：220V供电的执行机构，该值大约为320V左右;380V供电的执行机构，该值大约为570V左右。若该值低于300V(220V供电)或500V(380V供电)，则有问题。
①重点检查电源回路的接线是否有问题;电源端子是否松动。
②如果该值飘忽不定，且变化很快，很可能是接线松了。
③当执行机构处于“Local就地”操作状态时，再次上电时，不操作执行机构，就会在stateofunit下查看到“过电流故障”，或同时伴有“低电压故障”。则很可能说明是电源板有问题。
④如果执行机构有指示灯亮或电源板上指示灯亮，但直流母线的电压值为0，则说明电源板上测量电压回路部分出了故障，此时肯定需要更换电源板。
(2)动态。
当执行机构静止不动时，并不报告低电压故障。当试图电动运行执行机构时，执行机构不动作，查看stateofunit，发现不了故障;查看故障的历史记录(formererrors)，会从最近的记录(formererror1)中发现该故障(因为一旦从动态转为静态，变频器输出停止，直流母线电压恢复，在stateofunit中无法看到低电压故障，该故障就会转入到formererror中)。
对于SIPOS5FLASH智能型电动执行机构，在末端位置范围内为了获得足够的启动力矩，用以克服静摩擦阻力，是不监测力矩开关的动作与否，因此要“忽略”末端位置范围内力矩开关的状态。在末端位置范围内，执行机构只能靠其他故障来反映实际的状态。比如，执行机构如果在末端位置内启动不了，按时间顺序，可能会报告的故障有：highcurr.fault(过电流)/或lowvoltage(低电压);之后会报runtimeerror(运行时间故障);电机发热严重、时间长了会报MotTemptoohigh(电机过热故障)等。
可能的原因：
①阀门卡涩、执行机构负载过重。当执行机构超载、又试图电动操作执行机构时，变频器启动瞬间，此时电机处于堵转状态，变频器直流母线上存储的电能很快消失，造成监测到“低电压故障”，(有的时候同时还会伴有”过电流故障”)。此时，就可以用手动操作执行机构，检查阀门是否卡涩。如果确定阀门卡涩，操作齿轮箱的蜗杆，把阀门摇到不太卡涩的位置，即可继续电动操作。
②手动检查发现阀门并不卡涩，但一旦电动操作，就会报告“过电流故障”，查看故障历史记录，可以发现最近的从前故障里有“过电流故障”或还有“低电压故障”，此时再观察“d.clink-voltage(直流母线电压)”该数值波动较大，则很有可能是接线虚了。原因是若某相接线虚接之后，静止时都正常，但一旦执行机构要电动操作，就会因为“动力”不足，带动不了负载，从而造成电机堵转。若接线没有问题，则需要更换电源板，继续排查。
4、结论
变频技术在现代智能执行机构中的应用，给现实生产带来了很大的优点，同时高度的集成化又使得设备在发生故障时没有好的解决办法。根据具体发生故障的情况、先从外围比较简单设备查起才能做出准确地分析与判断，使之更好地为生产服务。
参考文献：
[1]王建猛.智能电动执行器及其变频控制技术[J].电力电子月报，2010(3)：33-36.
[2]曹江.智能变频电动执行机构发展现状及其控制技术[J].自动化技术，2009(2)：50-53.
