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變頻技術在智能執行器中的應用及常見故障分析

作者:上海自動化儀表十一廠

  智能型變頻電動執行機構成為現代電動執行機構的發展方向。根據智能電動執行機構的組成及基本工作原理,論述了變頻技術應用于其中的優點,并根據生產實踐分析了常見故障(Lowvoltage)發生的情形與解決對策。

  關鍵字:自動化 智能電動執行器 變頻技術 優點 故障分析

  1智能電動執行機構概述

  現代工業隨著自動化的進步、控制技術的發展以及受數字技術和微處理技術的影響,人們對工業過程控制的終端———執行器提出了新的要求,使得智能型變頻電動執行機構成為現代電動執行機構的發展方向。

  在傳統工業的設計當中,采用伺服放大器和傳統執行機構組合而成,功能相對簡單,只可以完成基本的功能設計。智能電動執行機構要完成人機交互、智能控制、通訊等一些相對比較復雜的功能,這就要求在傳統電動執行機構的基礎上增加一些新的模塊來支撐這些功能。

  它的基本功能模塊主要由主控單元、接口模塊、電源模塊、伺服驅動控制模塊、檢測反饋模塊等組成。智能電動執行機構主控單元通過接受上位機命令并結合所要調控對象(如閥門)的檢測傳感器反饋回來的信號,主控CPU拒此計算所需的速度控制信號,然后將該信號傳送。

  2 變頻技術在智能電動執行機構中的應用及優點

  從智能電動執行機構的組成圖中,我們可以看出,電機通過功率驅動模塊驅動電機以不同的速度轉動,這里就運用到了變頻技術。

  SIPOS(西博思)5FLASH作為最典型、應用最廣的智能型電動執行機構,采用內置一體化變頻器控制輸出軸轉速,其原理是將頻率(如50Hz)和峰值固定的單相電源(如220V)或三相電源(如380V)轉換成頻率和峰值可調的三相電源來給電機供電,從而實現對輸出軸轉速的控制。這樣的設計簡化了機械結構,滿足了執行機構控制閥門以精確的速度運行的過程要求,在不改變其內部機械結構的情況下,輸出軸轉速可在1∶8的范圍內自行設定。

  將變頻技術應用于執行機構中,使得輸出軸可以根據主控單元的指令輸出相應的轉速,這樣做在實際生產中有很多的優點:

  (1)由于機械重當執行機構被卡住時可產生最大力矩使閥門脫離被卡位置。

  (2)柔性到達全關或全開位置,避免由于慣性對閥門造成的沖撞,保護閥門,延長使用壽命。

  (3)啟動和運行電流永遠小于電機額定電流。

  (4)在緊急情況下,可根據實際需要自行設定緊急開和緊急關速度。

  (5)實現控制過程最優化,通過自動改變輸出軸轉速以改善閥門線性等。

  3 SIPOS5FLASH執行機構常見故障分析

  在生產實踐中,由于閥門機械、環境溫度、動作頻率等因素,使得我們在檢查SIPOS電動執行機構時常常會發現出現在執行機構中變頻器部分的故障——“LowVoltage(低電壓故障)”。通常的處理辦法就是更換電子板,其實不然,我們應該根據發生故障的具體情況來判斷。

  3.1 SIPOS5FLASH執行機構LowVoltage檢測機理

  SIPOS5FLASH采用內置一體化變頻器,其原理是將頻率(如50Hz)和峰值固定的單相電源(如220V)或三相電源(如380V)轉換成頻率和峰值可調的三相電源來給電機供電,這一過程的實現首先是將交流電整流成直流電,然后再逆變成交流電的方式進行的。

  對上述故障檢測的原理就是通過測量變頻器中間回路中的直流母線電壓的大小,并根據執行機構具體的運行方式進行判斷。直流母線電壓大小的測量對于專業型(PROTITRON),可以通過觀察執行機構的參數d.clink-voltage(直流母線電壓)來查看;對于經濟型(ECOTRON),則必須用COMSIPOS軟件進行在線觀察。

  3.2 SIPOS5FLASH報告LowVoltage的情況分析及處理辦法

  (1)靜態。

  如果該故障是在執行機構完全不動的情形下發出的,則通過查看“d.clink-voltage(直流母線電壓)”的數值大小,檢查是否正常。參考值:220V供電的執行機構,該值大約為320V左右;380V供電的執行機構,該值大約為570V左右。若該值低于300V(220V供電)或500V(380V供電),則有問題。

  ①重點檢查電源回路的接線是否有問題;電源端子是否松動。

  ②如果該值飄忽不定,且變化很快,很可能是接線松了。

  ③當執行機構處于“Local就地”操作狀態時,再次上電時,不操作執行機構,就會在stateofunit下查看到“過電流故障”,或同時伴有“低電壓故障”。則很可能說明是電源板有問題。

  ④如果執行機構有指示燈亮或電源板上指示燈亮,但直流母線的電壓值為0,則說明電源板上測量電壓回路部分出了故障,此時肯定需要更換電源板。

  (2)動態。

  當執行機構靜止不動時,并不報告低電壓故障。當試圖電動運行執行機構時,執行機構不動作,查看stateofunit,發現不了故障;查看故障的歷史記錄(formererrors),會從最近的記錄(formererror1)中發現該故障(因為一旦從動態轉為靜態,變頻器輸出停止,直流母線電壓恢復,在stateofunit中無法看到低電壓故障,該故障就會轉入到formererror中)。

  對于SIPOS5FLASH智能型電動執行機構,在末端位置范圍內為了獲得足夠的啟動力矩,用以克服靜摩擦阻力,是不監測力矩開關的動作與否,因此要“忽略”末端位置范圍內力矩開關的狀態。在末端位置范圍內,執行機構只能靠其他故障來反映實際的狀態。比如,執行機構如果在末端位置內啟動不了,按時間順序,可能會報告的故障有:highcurr.fault(過電流)/或lowvoltage(低電壓);之后會報runtimeerror(運行時間故障);電機發熱嚴重、時間長了會報MotTemptoohigh(電機過熱故障)等。

  可能的原因:

  ①閥門卡澀、執行機構負載過重。當執行機構超載、又試圖電動操作執行機構時,變頻器啟動瞬間,此時電機處于堵轉狀態,變頻器直流母線上存儲的電能很快消失,造成監測到“低電壓故障”,(有的時候同時還會伴有”過電流故障”)。此時,就可以用手動操作執行機構,檢查閥門是否卡澀。如果確定閥門卡澀,操作齒輪箱的蝸桿,把閥門搖到不太卡澀的位置,即可繼續電動操作。

  ②手動檢查發現閥門并不卡澀,但一旦電動操作,就會報告“過電流故障”,查看故障歷史記錄,可以發現最近的從前故障里有“過電流故障”或還有“低電壓故障”,此時再觀察“d.clink-voltage(直流母線電壓)”該數值波動較大,則很有可能是接線虛了。原因是若某相接線虛接之后,靜止時都正常,但一旦執行機構要電動操作,就會因為“動力”不足,帶動不了負載,從而造成電機堵轉。若接線沒有問題,則需要更換電源板,繼續排查。

  4結論

  變頻技術在現代智能執行機構中的應用,給現實生產帶來了很大的優點,同時高度的集成化又使得設備在發生故障時沒有好的解決辦法。根據具體發生故障的情況、先從外圍比較簡單設備查起才能做出準確地分析與判斷,使之更好地為生產服務。