中央空調風閥執行器超調及限位失效故障分析

王和遠

（成都雙流國際機場股份有限公司，成都 610000）

1 引言

在機場、商場、車站、醫院、辦公樓、寫字樓、體育館、公寓等大型建筑中，廣泛使用了中央空調系統對空氣進行溫度、濕度、流量、潔凈度等方面的調節，其中一般包含了制冷系統、水系統、風系統、樓宇控制系統等[1]。

在風系統中一般設置有多個機組對不同局域進行空氣調節，根據實際情況，每個機組中設置有新風閥、回風閥、送風閥、排風閥、混風閥等不同類型和數量的風閥[2]（見圖1 和圖2），以實現對不同空氣的流量控制，通過旋轉風閥調節軸，可改變風閥的開度（一般定義為0%～100%，0%為風閥關閉，100%為風閥最大開度）。

圖1 組合式空調機組控制示意圖

圖2 風閥實物圖

為了實現自動化、智能化、集中控制和聯動控制，需要給風閥安裝風閥執行器[3]，通常也稱為風閥驅動器或者電動風閥。

2 風閥執行器基本介紹

風閥執行器（見圖3）一般多采用交流或者直流24 V 供電。其內部由一個電動小馬達帶動夾具旋轉，可實現0°～95°范圍的旋轉，夾具用于實現風閥執行器與風閥調節旋轉軸的硬連接，并帶動風閥調節軸旋轉。根據風閥的長寬大小、空氣流量負載等，需要選擇不同扭矩大小的風閥執行器，常見的有5 N·m、10 N·m、15 N·m、25 N·m、35 N·m、45 N·m 等。

圖3 風閥執行器實物圖

控制信號和反饋信號一般均為直流電壓信號[4]，不同的電壓大小代表不同的風閥設定開度和風閥開度反饋。

通常采用一根四芯銅芯線將風閥執行器與樓宇自控系統控制連接，分別為電源正極、電源負極、控制信號、反饋信號。一般一根線對應控制一個風閥執行器，但若有兩個或者多個風閥執行器功能完全一致，也可直接將這兩個或者多個風閥執行器串聯起來，即可實現多個風閥執行器的同步控制。若執行器數量過多，需要注意根據功率匹配合適線徑的線材。

2.1 控制信號

控制信號多采用0～10 V 直流電壓信號，0 V 對應風閥執行器開度為0%，10 V 對應風閥執行器開度為100%。如輸入5.1 V 直流電壓信號，則表示將風閥調整到51%開度的位置。部分型號會提供0～10V 或者2～10V 兩種控制電壓信號量程選擇，可以使用風閥執行器上的撥碼開關或者電位器開關進行選擇，如圖4 所示。

圖4 控制信號量程和正反轉選擇

除了提供控制電壓量程選擇以外，為了更方便現場的安裝施工和適配不同情形，一般還同時提供了正轉、反轉功能，如圖4 所示。如在0～10 V 量程下，正轉檔位：0 V 對應風閥執行器開度為0%，10 V 對應風閥執行器開度為100%；反轉檔位：0 V 對應風閥執行器開度為100%，10 V 對應風閥執行器開度為0%。

2.2 反饋信號

反饋信號一般為0～10 V 的直流電壓信號，0 V 表示風閥執行器當前開度為0%，10 V 表示風閥執行器當前開度為100%，如4.7 V 表示風閥執行器當前開度為47%。將反饋信號通過DDC 的AI 點位接入BAS，可實現風閥開度狀態的程序監測和遠程查看等功能。

DDC：現場直接數字控制器。

AI：模擬輸入。

BAS：樓宇自控系統。

反饋信號數值大小由一個電位器（見圖5）的阻值換算而來，該電位器通過齒輪與風閥執行器夾具相連，隨著夾具的轉動而轉動，其阻值大小也隨著風閥開度的大小變化而變化。

圖5 齒輪電位器實物圖

2.3 控制原理

風閥執行器控制原理如圖6 所示，控制部分根據輸入信號和反饋信號的比較，來決定執行器的旋轉方向和停止與否，再通過驅動電路驅動電動馬達運轉。反饋開度小于設定開度，則增大執行器的開度；反饋開度大于設定開度，則減小執行器的開度；反饋開度等于設定開度，則停止執行器動作。

圖6 風閥執行器控制原理圖

3 超調故障分析及解決方法

因為反饋信號是由齒輪帶動的電位器轉化來的，所以既不連續也不精準。比如設定開度為60%，但是只能返回59.5%和60.5%反饋信號，就會造成風閥執行器不停地正轉又反轉，嚴重縮短了器件使用壽命，增加了風閥的磨損，浪費了能源，也產生了一定的噪聲。

此故障在現場使用中不易解決，只能在發現后盡量避開相應開度設定值。更好的解決方法是生產廠家在生產中，將控制的精度低于反饋一個量級；或者增加一個合適的誤差范圍，輸入信號和反饋信號之間允許存在一個合適的差值，即可解決此問題，且在空調系統的實際使用中基本不影響產品使用。比如，反饋信號能到0.1%，那控制比較部分只取1%即可或者控制信號和反饋信號之間允許存在1%或者2%的差值，具體數值要依據反饋電位器的精度來確定。

4 限位失效故障分析及解決方法

因安裝或者使用的原因，風閥在物理上已經達到0%或者100%的開度，但是因為反饋信號未達到設定值，風閥執行器會繼續運轉，直到被機械限位卡停。此種情況極易將齒輪磨損，造成后期使用時風閥執行器的空轉，損壞設備的同時也影響使用。使用中的建議是盡量不要將開度設定到極限值，比如0%和100%。設定到5%和95%即可。在一般的空調系統中，既不影響使用，也能更好地保護設備。

如果要更好地解決此故障，則應做好以下兩方面。

一是安裝要規范，且需要經常檢查復核以及調整設備情況。安裝時必須將風閥執行器的零位與風閥的零位對齊，且嚴格按照說明書的安裝步驟和要求進行安裝[5]。因使用中有頻繁的機械旋轉和振動等，且夾具是靠緊固的摩擦力與風閥調節旋轉軸連接，經過長期使用后極易偏移。對于使用者來說，需要經常檢查兩者之間是否發生了偏移，如果偏移了需要及時重新安裝和調整，還可以盡量選擇風閥調節旋轉軸軸頭為方形而非圓形的風閥，此種風閥與風閥執行器的結合處更不易偏移。對于生產廠家來說，可以在夾具上預留能夠與風閥調節旋轉軸貫穿的孔位，這樣后期安裝時可用螺栓等將夾具與風閥調節旋轉軸貫穿硬連接，不易發生移位。

二是生產廠家在設計生產中，增加限位反饋信號讓執行器及時停止運轉，而不是物理卡停。比如在風閥執行器夾具行程范圍兩端各增加一個機械限位開關（見圖7）即可，運用成熟，成本低廉，簡單可靠。還有一種不增加硬件成本的方法，也可以極大地減少此類損耗，即控制部分監測反饋信號的變化，如在較長一段時間不變化，說明風閥或者風閥執行器已超行程范圍或者已卡死，此時都應該停止運轉，避免造成更大的損失。比如監測到反饋信號2 s 都還沒有變化，即可停止運轉，時間可根據實際情況而定。

圖7 限位開關