電動執行器的原理簡介及發展趨勢展望

摘 要：隨著電動驅動器（即電動執行機構）的優勢漸漸體現出來后，電動執行機構被廣泛采用。進口與國產之間的差距也越來越小。本文將闡述電動執行機構的工作原理、常見故障原因分析和對電動執行機構發展趨勢的展望。

關鍵詞：電動執行器 優勢 發展趨勢

中圖分類號：TQ172 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0134-02

1 閥門驅動類型分類

閥門在工業中應用廣泛，其驅動方式主要有三種：手動驅動、電動驅動、壓力驅動（氣壓和液壓）。電動執行器（行業俗稱“電動頭”）作為閥門的驅動裝置，按照電動執行器與閥門的機械接口的不同，可將電動執行器分為三大類：多回轉式、直行程式、角行程式。

多回轉式電動執行器輸出軸的轉動角度大于360°，應用廣泛，適合在開關行程中轉動圈數較多的閥門，如截止閥、閘閥。

直行程電動執行器由多回轉執行器和與之裝配成一體的直線推進裝置兩部分組成，其輸出軸為直線運動而非轉動。由于軸是直線運動，受機械長度的限制，這種執行器需要特別注意其最大行程這一參數。

角行程電動執行器是由多回轉執行器和與之裝配成一體的渦輪減速箱組成，閥門在開關過程中只轉動一個角度（0°～90°），此類電動頭適用于控制風門、擋板、球閥、旋塞閥、蝶閥和百葉閥之類的角行程閥門。

一般可將電動頭分為兩大部分：電氣控制部分和機械部分。電氣控制部分的作用是：在就地或遠方狀態下，接收外部輸入指令信號，通過內部的電氣控制回路驅動電機轉動，當閥門實際位置與指令閥位的偏差在允許的誤差范圍內即默認為閥門到位，此時電動頭輸出相應的閥位信號，在就地電動頭上和遠方DCS系統上均顯示閥位信息。當出現故障時，電動頭能輸出故障信號，便于運行人員監測其狀態。機械部分則在電機的轉動或者手動操作電動頭時，通過渦桿、渦輪及一些齒輪部件的作用，在電動頭的輸出軸或輸出軸套上產生相應大小的轉動扭矩，以帶動閥門動作。

2 電動頭原理簡介

隨著智能化控制應用越來越廣泛，電動頭又可分為最初的基本型和智能型。

基本型的控制回路結構比較簡單。整個控制回路由外接交流電源、保險、接觸器、熱偶、行程開關及其附屬觸點、力矩開關及其附屬觸點和電機組成。電動頭收到開、關動作指令（遠方發出或就地按下開關按鈕）后，指令接點閉合，電動頭開關回路導通，接觸器動作，電機轉動，當達到了末端位置后，回路中的閥位常閉觸點斷開，電機回路斷開，接觸器斷開，電機停止，同時閥位的常開觸點閉合，就地指示燈亮，遠方DCS系統收到了閥門開關位置的反饋信號。

智能型電動頭的電氣控制部分一般是由多個電路板件組成。以德國Sipos Flash5專業型電動執行機構為例。由圖1可看出，電氣控制部分由電源板（帶變頻器IGBT）、控制板、繼電器板和就地操作面板組成。

380 V AC三相電源經過電源板后輸出不同的電壓為電氣回路供電，如380 V AC供電機轉動，24 V DC為繼電器板供電。控制板內含控制程序，可存儲用戶設定的控制參數并根據電位計計算出閥位信息，接受外部模擬量指令信號，導通相應控制回路驅動電機轉動，到達指定閥位后切斷交流控制回路，并輸出24 V DC觸發繼電器板上的固態繼電器動作。繼電器動作后，串在閥位反饋信號回路中的相應觸點導通，遠方即收到閥位反饋信號。此外，控制板還能計算出電機輸出力矩，以與力矩保護值比較是否過力矩；檢測電機溫度以提供電機溫度保護；還能檢測到手柄被壓下的手動狀態。就地操作面板上的按鈕可用于修改控制參數、閥位調試、就地操作和遠方/就地狀態的切換。

各個品牌的電動頭里的電路板件命名和組成雖有差異，但功能上大體一致。隨著電動頭智能化的發展，其控制部分的智能化集成度將會越來越高。

3 電動頭發展趨勢的展望

由于技術的發展和日益成熟，智能化電動頭的品牌越來越多，制造成本也呈下降的趨勢。一些力矩較小的電動頭，基本型和智能型的成本差距很小。基本型和智能型各有千秋：基本型成本低，結構簡單，可靠性總體較高。智能型功能多，能適應日趨廣泛的自動化控制系統，電路板件集成度高且更換方便，閥位調試方便。但我個人覺得，智能型將會是今后的發展趨勢。

從本人的使用和維護經驗來看，雖然現在電動頭品牌繁多，但仍有一些改進空間。未來的電動頭產品可能會往以下方面發展。

（1）非侵入式設計：采用這種設計方案的電動頭密封性能強。現在采用這種設計的產品越來越多，在一些較為惡劣的環境（濕度大、溫度高、粉塵多）中進行帶電調試或者維護的情況下，非侵入式設計的優勢盡顯。維護人員很多時候不用打開電動頭，可通過遙控器或者操作旋鈕進行操作，防止了惡劣環境對電動頭內部的侵害。

（2）可調力矩控制：采用這種設計的電動頭為數不多，Sipos就是其中一種。對于一些頻繁操作且開關動作時間較長的電動頭，可調力矩控制可以在電動頭驅動閥門的過程中分階段輸出不同的力矩，這樣可以有效的控制電機溫度，減少機械部分的磨損，延長電動頭的使用壽命。

（3）取消電池：有些電動頭在交流電源失去時需要靠電池供電來存儲閥位信息和控制參數，比如ROTORK和上儀品牌的電動頭。但在機組檢修期間，由于隔離措施的需要，很多電動頭的交流電源都被斷開，為電路板件供電的電池其電量消耗很快。且廢舊電池對環境亦有污染。如取消電池設計，既減少了維護成本，同時又保護了環境。

（4）閥位傳感器：閥位傳感器是電動頭的重要組成部分，通過閥位傳感器可將機械位置信號最終轉變為電信號。控制部分通過檢測閥位傳感器的閥位信號，在閥位到達指定位置后能夠可靠地斷開電氣回路，保護電動頭電機和閥門。目前閥位檢測方式主要有霍爾傳感器脈沖計數、非接觸式絕對編碼計數、電阻式電位計+比例齒輪。計數原理各有優劣。但不管采用何種方式計數，閥位傳感器都應有良好的抗干擾能力、抗震性和高可靠性。

（5）控制程序：在某些涉及邏輯聯鎖的電動頭閥位出現異常需要消除故障但機組又不具備開關調試的條件下，能否單獨定某一極限位置就消除狀態異常的故障呢？有沒有措施來防止閥門動作過程中的卡死情況？另外緊急情況下能越過故障信號再操作一次電動頭的功能還是比較有用的。

（6）機械部分的材質和做工：電動頭內的渦輪渦桿等機械部件運行時間越久，磨損越大。優良材質加上精密做工，機械部分的傳動性能會更好，使用壽命會更長。

（7）電動頭的防護等級：現在大多數電動頭均能做到IP65的防護等級。但有些電動頭身處的環境中可能會出現閥門漏氣或者爆管噴水的情況，如果能將防護等級提升到IP66甚至IP67那就更好了。

（8）電動頭的重量和尺寸：在其他條件滿足的情況下，重量更輕、尺寸更小的電動頭更易于安裝，也減少了維修的工作量。