电动调节阀的工作原理

一、课程导引——执行器的作用在过程控制系统中，执行器接受调整器的指令信号，经执行机构将其转换成对应的角位移或直线位移，去操纵调整机构，变化被控对象进、出的能量或物料，以实现过程的自动控制。在任何自动控制系统中，执行器是必不可少的构成部分。假如把传感器比拟成控制系统的感觉器官，调整器就是控制系统的大脑，而执行器则可以比拟为干详细工作的手。执行器常常工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、高压差等恶劣状态下，因此，它是整个控制系统的微弱环节。假如执行器选择或使用不妥，往往会给生产过程自动化带来困难。在许多场所下，会导致控制系统的控制质量下降、调整失灵，甚至因介质的易燃、易爆、有毒而导致严重的事故。为此，对于执行器的对的选用和安装、维修等各个环节，必须予以足够的注意。执行器根据驱动动力的不一样，可划分为气动执行器、液动执行器和电动执行器，本次课将结合试验装置所用的智能电动调整阀使用知识进行简介。二、产品知识——电动调整阀的构造与工作原理（20分钟）1、电动调整阀的基本构造图1电动调整阀外形机构在THJ-2的试验装置上，配置了上海万迅仪表有限企业生产的智能型电动调整阀，其型号为QSVP-16K，图1是电动调整阀的经典外形，它由两个可拆分的执行机构和调整阀（调整机构）部分构成。上部是执行机构，接受调整器输出的0～10mADC或4～20mADC信号，并将其转换成对应的直线位移，推进下部的调整阀动作，直接调整流体的流量。各类电动调整阀的执行机构基本相似，但调整阀（调整机构）的构造因使用条件的不一样图1电动调整阀外形机构2、电动执行机构的基本构造（部分摘自上海万迅仪表产品阐明书）执行机构采用了德国进口的PSL电子式一体化的电动执行机构，该产品体积小、重量轻，功能强、操作以便，已广泛应用于工业控制。其直线行程电动执行器重要是由互相隔离的电气部分和齿轮传动部分构成，电机作为连接两个隔离部分的中间部件。电机按控制规定输出转矩，通过多级正齿轮传递到梯形丝杆上，梯形丝杆通过螺纹变换转矩为推力。因此梯形螺杆通过自锁的输出轴将直线行程传递到阀杆。执行机构输出轴带有一种防止传动的止转环，输出轴的径向锁定装置也可以做动位置指示器。输出轴止动环上连有一种旗杆，旗杆随输出轴同步运行，通过与旗杆连接的齿条板将输出轴位移转换成电信号，提供应智能控制板作为比较信号和阀位反馈输出。同步执行机构的行程也可由齿条板上的两个主限位开关开限制，并由两机械限位保护。3、执行机构工作原理电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号，当控制器的输入端有一种信号输入时，此信号与位置信号进行比较，当两个信号的偏差值不小于规定的死区时，控制器产生功率输出，驱动伺服电动机转动使减速器的输出轴朝减小这一偏差的方向转动，直到偏差不不小于死区为止。此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。图3电动执行机构工作原理4、控制器构造图2智能电动执行机构控制器由主控电路板、传感器、带LED操作按键、分相电容、接线端子等构成。智能伺服放大器以专用单片微处理器为基础，通过输入回路把模拟信号、阀位电阻信号转换成数字信号，微处理器根据采样成果通过人工智能控制软件后，显示成果及输出控制信号。图2智能电动执行机构图3智能控制器构成构造5、调整阀的基本构造调整阀与工艺管道中被调介质直接接触，阀芯在阀体内运动，变化阀芯与阀座之间的流通面积，即变化阀门的阻力系数就可以对工艺参数进行调整。图4、图5给出直通单阀座和直通双阀座的经典构造，它由上阀盖(或高温上阀盖)、阀体、下阀盖、阀芯与阀杆构成的阀芯部件、阀座、填料、压板等构成。图5图5直通单座调整阀图4直通双座调整阀直通单阀座的阀体内只有一种阀芯和一种阀座，其特点是构造简朴、泄漏量小(甚至可以完全切断)和容许压差小。因此，它合用于规定泄漏量小，工作压差较小的洁净介质的场所。在应用中应尤其注意其容许压差，防止阀门关不死。直通双座调整阀的阀体内有两个阀芯和阀座。它与同口径的单座阀相比，流通能力约大20%～25%。由于流体对上、下两阀芯上的作用力可以互相抵消，但上、下两阀芯不易同步关闭，因此双座阀具有容许压差大、泄漏量较大的特点。故合用于阀两端压差较大，泄漏量规定不高的洁净介质场所，不合用于高粘度和含纤维的场所。三、动手实践——电动调整阀的基本使用（35分钟）1、识读铭牌识读电动调整阀的铭牌，并回答问题：a）口径多少？b）阀杆行程多大？c)工作压力是多少？d）流量系数多少？e)最大推力是多少？2、线路联接由于PSL执行机构采用了一体化技术，自带伺服放大器，在不需要阀位显示的状况下，线路联接极为以便，只需二路线——电源线和控制线。图6是其线路联接图。执行机构电气联接图对应图示插上智能控制板。执行机构外壳内有端子条用于电气接线，选择合适的电源线与执行机构相连，提议使用Φ1.0（mm2）导线。执行机构电气联接图注：线路联接时电源线一定要对的，否则会导致控制器损坏。3、调试执行机构在出厂前都进行了整定，一般使用时不需要再调试。实际使用中也许需对调整阀开度进行整定，为此，就PSL的限位开关整定问题作简介。（1）基本原则执行器与调整阀门安装连接组合后的产品调试必须作到三位同步：调整阀位置、行程开关位置、对应信号位置。例：输入信号为4mA，下限位开关是断电位置；输入信号为20mA，调整阀处在满度开位置，上限位开关是断电位置。判断行程限位开关的措施：上、下行程由调整凸块碰撞到限位开关时，会听到“咔嗒”声均可，反作用时相反操作。（2）整定措施手动执行器驱动阀门的阀芯接触阀座。当阀杆开始轴向动作时，阀杆受力为执行器盘簧的反作用力。继续向同一方向驱动执行器，直到执行机构盘簧被压缩到盘簧图表所示对应数值。这样保证关断力，防止泄漏。图7限位开关调整图不通电转动手轮使阀杆下降至“0”位置时，调整下限限位开关恰好动作（图2）（右凸块）。同步左旋反馈电位器到图7限位开关调整图四、理论提高——电动执行机构工作原理（选学25分钟）1、电动执行机构的构造原理电动执行机构由伺服放大器和执行单元两大部分。图8电动执行机构构成框图伺服放大器将输入信号Ii和反馈信号If相比较，得到差值信号ΔI（ΔI=∑Ii－If）。当差值信号ΔI＞0时，ΔI经伺服放大器功率放大后，驱动伺服电机正转，再经机械减速器减速后，使输出转角θ增大。输出轴转角位置经位置发送器转换成对应的反馈电流If，反馈到伺服放大器的输入端使ΔI减小，直至ΔI=0时，伺服电机才停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。反之，当ΔI＜0时，伺服电机反转，输出轴转角θ减少，If也对应减小，直至使ΔI=0时，伺服电机才停止转动，输出轴稳定在另一新的位置上。2、伺服放大器伺服放大器重要由前置磁放大器、触发器和可控硅交流开关等构成。它与电机配合工作的伺服驱动电路如图9所示。图9图9前置放大器是一种增益很高的放大器，根据输入信号与反馈信号相减后偏差的正负，在a、b两点产生两位式的输出电压，控制两个可控硅触发电路中一种工作，一种截止。目前置放大器输出电压的极性为a（+）、b（－）时，触发电路2截止，可控硅SCR2接在二极管桥式整流器的直流端，它的导通使桥式整流器的c、d两端近于短接，故220V的交流电压直接接到伺服电机的绕组Ⅰ，同步经分相电容CF加到绕组Ⅱ上，这样，绕组Ⅱ中的电流相位比绕组Ⅰ超前90o，形成旋转磁场，使电机朝一种方向转动。假如前置放大器的输出电压极性和上述相反，即a（－）、b（+）时，触发电路1截止，可控硅SCR1不通，而触发电路2控制SCR2完全导通，使另一桥式整流器的两端e、f近于短接，电源电压直接加于电机绕组Ⅱ，并经分相电容CF供电给绕组Ⅰ。这样，绕组Ⅰ中的电流相位比绕组Ⅱ超前90o，电机朝相反的方向转动。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信号不小于不敏捷区，触发电路便可使可控硅导通，电动机以全速转动，这里可控硅起的是无触点开关的作用。当SCR1和SCR2都不导通，伺服电机停止转动。3、执行单元执行单元由伺服电机、机械减速和位置发送器三部分构成。执行单元接受伺服放大器或电动操作器的输出信号，控制伺服电机的正、反转，经机械减速器减速后变成输出力矩推进调整机构动作。与此同步，位置发送器将调整机构的角位移转换成相对应的0～10mA，DC信号，作为阀位指示，并反馈到前置放大器的输入端作为位置反馈信号以平衡输入信号。（1）伺服电机伺服电机实际上是一种二相电容异步电机，它将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，作为执行器的动力部件。伺服电机由一种用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼式转子构成。定子上均布着两个匝数、线径相似而相隔90o电角度的定子绕组Ⅰ和Ⅱ。由于分相电容CF的作用，Ⅰ和Ⅱ的电流相位总是相差90o，其合成向量产生定子旋转磁场，定子旋转磁场又在转子内产生感应电流并构成转子磁场，两个磁场互相作用，使转子旋转。如前所述，转子旋转方向取决于Ⅰ和Ⅱ中的电流相位差，即取决于分相电容CF串接在哪一种定子绕组中。图10为了消除电机输出轴的惰走现象（断电后，电机由于惯性而继续运转），提高整机的稳定性，在伺服电机的尾部还装有制动机构。其基本构造如图8-6所示。在电机转子2的尾端环上嵌装了几块磁路互相隔离的衔铁3，电机转动时，定子磁场通过此衔铁吸动制动轮8，使它和制动盘9脱开，电机便自由转动。当电机断电时，定子磁场消失，衔铁的吸力随即消失，制动轮8在压缩弹簧5的作用下，压紧在制动盘上，依托轮和盘的磨擦力使转子迅速停止转动。制动轮上的调整螺钉6，可以调整压缩弹簧5的压紧力，以变化衔铁与制动轮套轴之间的间隙，保证可靠的吸与放。除了这种旁磁式制动机构外，尚有杠杆式制动机构和电磁式制动机构。图10电动机后罩端盖上尚有手动按钮7，揿上手动按钮可使制动轮和制动盘脱开，以便就地手动操作执行器。（2）减速器电动执行机构中的减速器常在整个机构中占很大体积，是导致电动执行器构造复杂的重要原因。由于伺服电机大多是高转速小力矩的，必须通过近千倍的减速，才能推进调整机构。目前电动执行机构中常用的减速器有行星齿轮和蜗轮蜗杆两种，其中行星齿轮减速器由于体积小、传动效率高、承载能力大、单级速比可达100倍以上，获得广泛的应用。（3）位置发送器位置发送器的作用是将电动执行机构输出轴的位移转变为0～10mA，DC反馈信号的装置。其重要部分是差动变压器。图11差动变压器差动变压器采用三段式构造，中间一段绕有一种初级激磁线圈W1，两边对称地绕有两个完全相似的次级线圈W2，它们反向串联，其感应电势的差值作为输出。在线圈骨架中有一种可动铁芯。在差动变压器的初级加上交流稳压电源后，两个次级绕组分别感应出交流电压V34、V56。由于两个次级绕组匝数相等，因此感应电压的大小和极性取决于铁芯的位置。当铁芯位于差动变压器的中间位置时，，输出V0＝0；当铁芯右移时，，V0