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無刷直流電機(jī)在電動執(zhí)行器行業(yè)的應(yīng)用
點擊次數(shù)：1688 發(fā)布時間：2009-1-19
摘 要: 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動化領(lǐng)域的終端執(zhí)行裝置，其正在往智能化、變頻控制的方向發(fā)展。無刷直流電機(jī)因為具有直流有刷電機(jī)的特性,同時也是頻率變化的裝置,電機(jī)的運轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,是目前的變頻調(diào)速系統(tǒng)。
一、 智能型變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡介
電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動化領(lǐng)域的終端執(zhí)行裝置，他相當(dāng)于自動化的手和腳，隨著工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，自動控制已延伸到工業(yè)現(xiàn)場的各個領(lǐng)域。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其主要由結(jié)構(gòu)、電機(jī)、控制三部分組成。隨著市場需求的變化其正在往智能化、變頻控制的方向發(fā)展。怎樣選擇適合于智能控制和變頻控制的的電機(jī)和控制系統(tǒng)成了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新的關(guān)健所在。
那么什么是智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)? 現(xiàn)在還沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)去定義,國外的產(chǎn)品所具有的功能一般是國內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展的一個方向.目前國內(nèi)市場比較的外國品牌主要有英國羅托克(ROTORK)、德國的西門子(SIEMENS)、ABB等，他們具有什末樣的特點呢？簡單的分析一下：
1、英國羅托克智能型電動執(zhí)行器
英國羅托克(ROTORK)公司以IQ系列智能型電動執(zhí)行器為代表，具有如下特點：①參數(shù)遙控設(shè)定功能。采用的紅外線手操器來設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)，采用了“非侵入式”設(shè)計，這在那些要求防爆或防護(hù)等級高的場所尤為重要；②在線顯示參數(shù)功能。該產(chǎn)品采用液晶顯示技術(shù)，可準(zhǔn)確顯示閥門開、關(guān)狀態(tài)和閥門正常開度參數(shù)；③完善的自診斷及保護(hù)功能。通過測試電機(jī)電流，可在線診斷出伺服電機(jī)過載及電源的狀態(tài)，能自動識別三相電源相位，系統(tǒng)故障時執(zhí)行器可保持在當(dāng)前位置或運行到預(yù)先設(shè)定的安全位置；④采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制。⑤閥位信號傳感器由過去的精密電位器改變?yōu)槭褂脽o觸點的霍爾傳感器產(chǎn)生數(shù)字量閥位信號。使得控制精度和可靠性進(jìn)一步提高。
2、德國的西門子(SIEMENS)
以一九九七年進(jìn)入國內(nèi)市場的SIPOS 5系列電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)為代表。采用微處理器代替了機(jī)械行程限位裝置和力矩傳動裝置等，大大提高了可靠性和使用壽命。采用一體化三相交流變頻控制代替了傳統(tǒng)的由交流接觸器控制的異步電機(jī)拖動系統(tǒng)。使產(chǎn)品具有軟啟動和軟關(guān)閉功能，能夠以zui大的力矩啟動，而啟動電流卻永遠(yuǎn)小于電機(jī)的額定電流，并可以保證很高的定位精度；還可避免對被控對象的沖撞，減少磨損，延長被控對象的使用壽命，同時確保關(guān)閉到位。具有良好的人機(jī)界面，可自動顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，并帶故障自診斷功能。
3、ABB智能型電動執(zhí)行器
ABB公司以O(shè)NTRAC MME800系列為代表的 智能調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器以可靠性高、定位著稱, 具有良好的機(jī)械、電機(jī)調(diào)節(jié)特性,*的微處理技術(shù)及通訊接口與PC或DCS連接,采用通用的Hart 或Profibus通訊協(xié)議,接受模擬量或開關(guān)量信號控制,用戶通過控制面板即可進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、功能設(shè)置、執(zhí)行器動作設(shè)定、遠(yuǎn)程監(jiān)控等組態(tài)勢,以適應(yīng)閥門的*控制特性.。 其特點：1. 利用檢測電機(jī)轉(zhuǎn)差率,作為輸出負(fù)載的監(jiān)控參數(shù),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蝶形彈簧組件或其它壓力傳感器件,取消機(jī)械力矩調(diào)整裝置及力矩開關(guān),通過微處理器,使力矩保護(hù)值的大小根據(jù)現(xiàn)場工況的要求隨意可調(diào). 2. 采用霍爾傳感器進(jìn)行行程位置的電磁脈沖計數(shù),取消傳統(tǒng)的齒輪計數(shù)裝置、電位器及限位開關(guān)，具有無接觸無磨損，分辨率高壽命長、抗*力強等特點，同時測量位移、速度、轉(zhuǎn)向等參數(shù)，通過微處理器處理，可進(jìn)行任意確定工作區(qū)間、改變一定轉(zhuǎn)速等設(shè)3. 采用變頻控制技術(shù)，可方便的控制轉(zhuǎn)速輸出，達(dá)到控制要求，輸出力矩不受頻率、電壓改變的影響。
二、新一代的智能型直流變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)
天津市特斯科過程控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)DR系列智能變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將直流無刷變頻控制技術(shù)引入電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)這個行業(yè)。無刷直流電動機(jī)Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步電機(jī),以霍爾傳感器取代碳刷換向器,以釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子的永磁材料;產(chǎn)品性能超越傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點,同時又解決了直流電機(jī)碳刷滑環(huán)的缺點,數(shù)字式控制,是當(dāng)今的調(diào)速電機(jī)。其又具有率,高轉(zhuǎn)矩,高精度的三高特點;同時具有體積小,重量輕,可作成各種體積形狀,是當(dāng)今zui率的調(diào)速電機(jī),與傳統(tǒng)直流有刷電機(jī)比較,或與交流變頻調(diào)速比較均有更好的性能。
雖然當(dāng)今交流變頻調(diào)速非常普遍,但是變頻調(diào)速受限于異步電機(jī)的低效率,電機(jī)運轉(zhuǎn)在低速時轉(zhuǎn)矩變小,諧波損耗大,速度變動率大,動態(tài)性能不佳等缺失;雖然采用速度死循環(huán)矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器時其可以滿足性能需要,但是購置費用偏高,而且異步電機(jī)的效率,功因,低速發(fā)熱仍然無法改善.在注塑機(jī)行業(yè)與變頻器節(jié)能改造作比較,無刷直流電機(jī)的綜合節(jié)電率比交流變頻要高出20%以上,注塑機(jī)沒有降低生產(chǎn)速度(變頻器降低約3%),電機(jī)溫升相差20℃.在風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)的負(fù)載上應(yīng)用,功率--速度曲線實際上應(yīng)該達(dá)到三次方關(guān)系,但使用變頻器驅(qū)動異步電機(jī)其曲線可能只有平方比例或稍差;采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動其曲線可以接近三次方曲線特性,節(jié)電效果更好. 典型率異步電機(jī)及變頻器驅(qū)動后的效率曲線圖如圖所示
無刷直流電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機(jī)在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)這個行業(yè)中是的電機(jī)。TSCO與*合作開發(fā)的DR系列智能變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)就采用了直流無刷電機(jī)作為其驅(qū)動單元.其簡圖如下:
DR系列電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的直流無刷變頻調(diào)速系統(tǒng)是目前的調(diào)速系統(tǒng)，配合其它方面的*技術(shù)形成了*特色的TSCO智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其比將在電動執(zhí)行器行業(yè)引起一場新的革命,其特點如下：
1、采用霍爾傳感器進(jìn)行行程位置的電磁脈沖計數(shù),取消傳統(tǒng)的齒輪計數(shù)裝置、電位器及限位開關(guān)，同時測量位移、速度、轉(zhuǎn)向等參數(shù)。便利的參數(shù)遙控設(shè)定功能。投入使用前，只要使用由廠家提供的設(shè)定工具，對準(zhǔn)執(zhí)行器就可進(jìn)行參數(shù)的遙控設(shè)定。不僅簡化了設(shè)定工作程序，還提高了設(shè)備安全運行性，特別是那些要求防爆的場所尤為重要；
2、采用直流變頻技術(shù)使產(chǎn)品具有軟啟動和軟關(guān)閉功能可降低啟動電流、對生產(chǎn)機(jī)械無沖擊，可以大大延長設(shè)備的使用壽命?？煞奖愕目刂妻D(zhuǎn)速輸出，達(dá)到控制要求，輸出力矩不受頻率、電壓改變的影響。節(jié)電效果明顯。
3、具有良好的人機(jī)界面，可自動顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，并帶故障自診斷功能，如：輸入信號故障、反饋信號故障、供電電源故障、變頻器溫度、電機(jī)溫度超過標(biāo)準(zhǔn)、閥門卡住、末端位置設(shè)定無效等。
4、方便靈活的操作方式，可以通過控制面板、遙控器操作或PC接口方便的設(shè)定工作區(qū)間、改變轉(zhuǎn)速、力矩限位值、運行方向等。便利的參數(shù)遙控設(shè)定功能。投入使用前，只要使用由廠家提供的設(shè)定工具，對準(zhǔn)執(zhí)行器就可進(jìn)行參數(shù)的遙控設(shè)定。不僅簡化了設(shè)定工作程序，還提高了設(shè)備安全運行性，特別是那些要求防爆的場所尤為重要；
5、采用非侵入式設(shè)計實現(xiàn)機(jī)器的長效密封。
通過對國外產(chǎn)品的分析我們發(fā)現(xiàn)智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具備的特點，1、要有良好的的人機(jī)界面，一般采用采用液晶顯示技術(shù)配合控制面板、紅外遙控器、現(xiàn)場總線接口等方式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)定。2、用電子的、非接觸的方式實現(xiàn)產(chǎn)品的位置檢測、行程限位、力矩檢測，并可通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定。3、采用非侵入式設(shè)計，方便用戶使用，提升產(chǎn)品的防護(hù)等級。4、采用變頻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)軟啟動和軟關(guān)閉功能，的控制產(chǎn)品的速度和力矩。
TSCO與*合作開發(fā)的DR系列智能變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備了智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點，是真正意義的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前該產(chǎn)品已通過國家相關(guān)部門檢測，正式投入工業(yè)現(xiàn)場使用。