电动执行器的原理简介及发展趋势展望

摘 要：随着电动驱动器（即电动执行机构）的优势渐渐体现出来后，电动执行机构被广泛采用。进口与国产之间的差距也越来越小。本文将阐述电动执行机构的工作原理、常见故障原因分析和对电动执行机构发展趋势的展望。

关键词：电动执行器 优势 发展趋势

中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0134-02

1 阀门驱动类型分类

阀门在工业中应用广泛，其驱动方式主要有三种：手动驱动、电动驱动、压力驱动（气压和液压）。电动执行器（行业俗称“电动头”）作为阀门的驱动装置，按照电动执行器与阀门的机械接口的不同，可将电动执行器分为三大类：多回转式、直行程式、角行程式。

多回转式电动执行器输出轴的转动角度大于360°，应用广泛，适合在开关行程中转动圈数较多的阀门，如截止阀、闸阀。

直行程电动执行器由多回转执行器和与之装配成一体的直线推进装置两部分组成，其输出轴为直线运动而非转动。由于轴是直线运动，受机械长度的限制，这种执行器需要特别注意其最大行程这一参数。

角行程电动执行器是由多回转执行器和与之装配成一体的涡轮减速箱组成，阀门在开关过程中只转动一个角度（0°～90°），此类电动头适用于控制风门、挡板、球阀、旋塞阀、蝶阀和百叶阀之类的角行程阀门。

一般可将电动头分为两大部分：电气控制部分和机械部分。电气控制部分的作用是：在就地或远方状态下，接收外部输入指令信号，通过内部的电气控制回路驱动电机转动，当阀门实际位置与指令阀位的偏差在允许的误差范围内即默认为阀门到位，此时电动头输出相应的阀位信号，在就地电动头上和远方DCS系统上均显示阀位信息。当出现故障时，电动头能输出故障信号，便于运行人员监测其状态。机械部分则在电机的转动或者手动操作电动头时，通过涡杆、涡轮及一些齿轮部件的作用，在电动头的输出轴或输出轴套上产生相应大小的转动扭矩，以带动阀门动作。

2 电动头原理简介

随着智能化控制应用越来越广泛，电动头又可分为最初的基本型和智能型。

基本型的控制回路结构比较简单。整个控制回路由外接交流电源、保险、接触器、热偶、行程开关及其附属触点、力矩开关及其附属触点和电机组成。电动头收到开、关动作指令（远方发出或就地按下开关按钮）后，指令接点闭合，电动头开关回路导通，接触器动作，电机转动，当达到了末端位置后，回路中的阀位常闭触点断开，电机回路断开，接触器断开，电机停止，同时阀位的常开触点闭合，就地指示灯亮，远方DCS系统收到了阀门开关位置的反馈信号。

智能型电动头的电气控制部分一般是由多个电路板件组成。以德国Sipos Flash5专业型电动执行机构为例。由图1可看出，电气控制部分由电源板（带变频器IGBT）、控制板、继电器板和就地操作面板组成。

380 V AC三相电源经过电源板后输出不同的电压为电气回路供电，如380 V AC供电机转动，24 V DC为继电器板供电。控制板内含控制程序，可存储用户设定的控制参数并根据电位计计算出阀位信息，接受外部模拟量指令信号，导通相应控制回路驱动电机转动，到达指定阀位后切断交流控制回路，并输出24 V DC触发继电器板上的固态继电器动作。继电器动作后，串在阀位反馈信号回路中的相应触点导通，远方即收到阀位反馈信号。此外，控制板还能计算出电机输出力矩，以与力矩保护值比较是否过力矩；检测电机温度以提供电机温度保护；还能检测到手柄被压下的手动状态。就地操作面板上的按钮可用于修改控制参数、阀位调试、就地操作和远方/就地状态的切换。

各个品牌的电动头里的电路板件命名和组成虽有差异，但功能上大体一致。随着电动头智能化的发展，其控制部分的智能化集成度将会越来越高。

3 电动头发展趋势的展望

由于技术的发展和日益成熟，智能化电动头的品牌越来越多，制造成本也呈下降的趋势。一些力矩较小的电动头，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，结构简单，可靠性总体较高。智能型功能多，能适应日趋广泛的自动化控制系统，电路板件集成度高且更换方便，阀位调试方便。但我个人觉得，智能型将会是今后的发展趋势。

从本人的使用和维护经验来看，虽然现在电动头品牌繁多，但仍有一些改进空间。未来的电动头产品可能会往以下方面发展。

（1）非侵入式设计：采用这种设计方案的电动头密封性能强。现在采用这种设计的产品越来越多，在一些较为恶劣的环境（湿度大、温度高、粉尘多）中进行带电调试或者维护的情况下，非侵入式设计的优势尽显。维护人员很多时候不用打开电动头，可通过遥控器或者操作旋钮进行操作，防止了恶劣环境对电动头内部的侵害。

（2）可调力矩控制：采用这种设计的电动头为数不多，Sipos就是其中一种。对于一些频繁操作且开关动作时间较长的电动头，可调力矩控制可以在电动头驱动阀门的过程中分阶段输出不同的力矩，这样可以有效的控制电机温度，减少机械部分的磨损，延长电动头的使用寿命。

（3）取消电池：有些电动头在交流电源失去时需要靠电池供电来存储阀位信息和控制参数，比如ROTORK和上仪品牌的电动头。但在机组检修期间，由于隔离措施的需要，很多电动头的交流电源都被断开，为电路板件供电的电池其电量消耗很快。且废旧电池对环境亦有污染。如取消电池设计，既减少了维护成本，同时又保护了环境。

（4）阀位传感器：阀位传感器是电动头的重要组成部分，通过阀位传感器可将机械位置信号最终转变为电信号。控制部分通过检测阀位传感器的阀位信号，在阀位到达指定位置后能够可靠地断开电气回路，保护电动头电机和阀门。目前阀位检测方式主要有霍尔传感器脉冲计数、非接触式绝对编码计数、电阻式电位计+比例齿轮。计数原理各有优劣。但不管采用何种方式计数，阀位传感器都应有良好的抗干扰能力、抗震性和高可靠性。

（5）控制程序：在某些涉及逻辑联锁的电动头阀位出现异常需要消除故障但机组又不具备开关调试的条件下，能否单独定某一极限位置就消除状态异常的故障呢？有没有措施来防止阀门动作过程中的卡死情况？另外紧急情况下能越过故障信号再操作一次电动头的功能还是比较有用的。

（6）机械部分的材质和做工：电动头内的涡轮涡杆等机械部件运行时间越久，磨损越大。优良材质加上精密做工，机械部分的传动性能会更好，使用寿命会更长。

（7）电动头的防护等级：现在大多数电动头均能做到IP65的防护等级。但有些电动头身处的环境中可能会出现阀门漏气或者爆管喷水的情况，如果能将防护等级提升到IP66甚至IP67那就更好了。

（8）电动头的重量和尺寸：在其他条件满足的情况下，重量更轻、尺寸更小的电动头更易于安装，也减少了维修的工作量。