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AG下载调节阀的电动执行器

2020-07-21 10:18
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  调节阀的电动执行器_机械/仪表_工程科技_专业资料。调节阀的执行器,执行机构,定位器,减压器 一、概述 在过程控制系统中,执行器接受调节器的指令信号,经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位 移,去操纵调节机构,改变被控对象进、出的能量或物料,以实现过

  调节阀的执行器,执行机构,定位器,减压器 一、概述 在过程控制系统中,执行器接受调节器的指令信号,经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位 移,去操纵调节机构,改变被控对象进、出的能量或物料,以实现过程的自动控制。 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、高压差等状态下, 使用条件恶劣,因此,它是整个控制系统的薄弱环节。如果执行器选择或使用不当,往往会给生产 过程自动化带来困难。在许多场合下,会导致控制系统的控制质量下降、调节失灵,AG下载甚至因介质的 易燃、易爆、有毒而造成严重的事故。为此,对于执行器的正确选用和安装、维修等各个环节,必 须给予足够的注意。 (一)执行器的分类及特点 执行器按其所使用的能源形式可分为气动、电动和液动三大类。 (1)电动执行器 电动执行器是以电能为动力的,它的特点是获取能源方便,动作快,信号传递速度快,且可远距离 传输信号,便于和数字装置配合使用等。所以电动执行器处于发展和上升时期,是一种有发展前途 的装置。其缺点是结构复杂,价格贵和推动力小,同时,一般来说电动执行器不适合防火防爆的场 合。但如果采用防爆结构,也可以达到防火防爆的要求。 (2)气动执行器 气动执行器是以压缩空气为动力的,具有结构简单、动作可靠稳定、输出力大、维护方便和防火防 爆等优点。所以广泛应用于石油、化工、冶金、电力等部门,特别适用于具有爆炸危险的石油、化 工生产过程。其缺点是滞后大,不适宜远传(150m 以内),不能与数字装置连接。 (二)执行器的组合方式 目前执行器都有相应的辅助装置,如电/气转换器、阀门定位器等,根据实际需要可组成多种形式的 电/气混合系统。图 8-1 给出了各种组合方式。 (1)气动调节器-阀门定位器-气动执行器 这是一种最为常用的气动控制系统组合方式。通过阀门定位器的辅助作用,可使气动执行器准确定 位,同时可在一定程度上放大调节信号的压力,增大执行器的输出力(力矩),增强执行器的工作 平稳性。因此,一般适用于准确定位、差压较大的场合。 (2)气动调节器-气/电转换器-电动执行器 该组合方式通过气/电转换器将气动调节器的气压信号成比例地转换成标准的电信号,从而推动电动 执行器工作,实现了气动信号的远传及与数字装置的连接。 (3)电动调节器-电/气阀门定位器-气动执行器 这是目前应用较多的一种组合方式,通过电/气阀门定位器可实现传输信号为电信号,现场操作为气 动执行器。因此具备电动和气动执行器的优点。电/气阀门定位器实际上是电/气转换器和 气动阀 门定位器 的结合。 (三)电动执行器的基本结构 执行器由执行机构和调节阀(调节机构)两个部分组成,执行机构是执行器的推动装置,它根据控 制信号的大小,产生相应的推力,推动调节阀动作。调节阀是执行器的调节部分,在执行机构推力 的作用下,调节阀产生一定的位移或转角,直接调节流体的流量。 为了保证执行器能够正常工作,提高调节质量和可靠性,执行器还必须配备一定的辅助装置。常用 的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理改善执行器性能,使执行器能按调 节器的控制信号,实现准确定位。手轮机构用于直接操作调节阀,以便在停电、停气、调节器无输 出或执行机构损坏而失灵的情况下,生产仍能正常工作。 二、电动执行机构 执行机构的作用是根据输入控制信号的大小,产生相应的输出力 f(输出力矩 m)和位移(直线位 移 l 或角位移θ ),输出力 f(输出力矩 m)用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力(作 用力矩),以及阀杆的摩擦力、阀杆阀芯重量以及压缩弹簧的预紧力等其他各种阻力;位移( l 或 θ )用于带动调节机构阀芯动作。 执行机构有作用和反作用两种作用方式:输入信号增加,执行机构推杆向下运动,称为正作用; 输入信号增加,执行机构推杆向上运动,称为反作用。 (一)电动执行机构 电动执行机构接受电动调节器输出的 0~10ma,dc 或 4~20ma,dc 信号,并将其转换成相应的输出 轴角位移或直线位移,去操纵调节阀,以实现自动调节。 电动执行机构主要分为两大类:直行程与角行程式。前者用于操纵直行程调节机构,后者用于操纵 转角式调节机构,两者都是以二相异步伺服电机为动力的位置伺服机构。角行程式执行机构又可分 为单转式和多转式。单转式输出的角位移一般小于 3600,通常简称为角行程式执行机构;多转式输 出的角位移超过 3600,可达数圈,故称为多转式电动执行机构,它和闸阀等多转式调节阀配套使用。 1、基本结构和工作原理 电动执行机构由伺服放大器和执行单元两大部分,其结构原理方框图如图 8-3 所示。 图 8-3 电动执行机构组成框图 为满足组成复杂调节系统的需要,伺服放大器有三个输入信号通道和一个位置反馈通道。因此,它 可以同时输入三个信号和一个位置反馈信号。简单调节系统,只用其中一个输入通道和位置反馈通 道。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δ i(δ i=∑Ii-If)。当差值信号 δ i>0 时,δ i 经伺服放大器功率放大后(输出 220V),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相应的反馈电流 if ,反馈到伺服放大 器的输入端使δ i 减小,直至δ i=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δ i<0 时,伺服电机反转,输出轴转角θ 减少,if 也相应减小,直至使δ i=0 时, 伺服电机才停止转动,输出轴稳定在另一新的位置上。 图 8-4 给出了电动执行机构的静态特性图。图中显示,输出轴转角θ 和输入信号 Ii 之间成一一对应 的比例关系,其静态传递系数 k 为 9o /ma。 2、伺服放大器 伺服放大器主要由前置磁放大器、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 8-5 所示。 前置放大器是一个增益很高的放大器,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(220V),控制两个可控硅触发电路中一个工作,一个截止。当前置放大器 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,同时经分相电容 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,使电机朝一个方向转动。如果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,只要偏差信号大 于不灵敏区,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组成。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动调节机构动作。与 此同时,位置发送器将调节机构的角位移转换成相对应的 0~10ma,dc 信号,作为阀位批示,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个二相电容异步电机,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。 伺服电机由一个用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼式转子组成。定子上均布着两个匝数、线o 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,两个磁场相 互作用,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 串接在哪一个定子绕组中。 2、减速器 由于伺服电机大多是高转速小力矩的,必须经过近千倍的减速,才能推动调节机构。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。其主要部 分是差动变压器。 差动变压器的铁芯与凸轮斜面是靠弹簧相接触的,因此当输出轴转动时带动凸轮使铁芯左右移动。 凸轮斜面将保证铁芯位置与输出轴之转角成线 时,铁芯在线mm。 (二)气动执行机构 气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号,并将其转换成相应的推杆直线位移, 以推动调节阀动作。 气动执行机构主要有两种类型:薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、维修方便、价 格低廉,是最常用的一种执行机构;活塞式执行机构允许操作压力可达 500kpa,因此输出推力大, 但价格较高。 气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种,有弹簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输 出推力小、价格低。 气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用式执行机 构;信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用式执行机构。 由于气动执行机构具有结构简单、可靠、本质安全防爆、维修方便等突出的优点,由其组成的气动 控制阀一直是执行器的主流产品。即使自 70 年代以来电动控制仪表大量替代气动控制仪表,气动 控制阀依然借助电/气转换技术被广泛使用,并得到不断发展和提高。 1、气动薄膜式执行机构 正作用式气动薄膜执行机构如图 8-8 所示。它主要由膜片、压缩弹簧、推杆、膜盖、支架等组成。 膜片为较深的盆形,采用丁脂橡胶作为涂层以增强涤纶织物的强度并保证密封性,工作温度一般为 -40~85℃;压缩弹簧现采用多根组合形式,其数量为 4 根、6 根或 8 根,这种组合形式可有效降 低调节阀的高度。 当信号压力通入由上膜盖 1 和波纹膜片 2 组成的薄膜气室时,在膜片上产生一个推力,使推杆 4 向 下移动并压缩弹簧 6,当弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡 时,推杆稳定在一 个新的位置,推杆的位移即为执行机构的输出。 气动薄膜执行机构的行程规格有 10、16、25、40、60、100mm 等。薄膜有效面积有 200、280、400、 630、1000、1600cm2 等六种规格。有效面积越大,执行机构的位移和推力也越大。 2、气动活塞式执行机构 气动活塞式执行机构如图 8-9 所示,其基本部分为气缸,气缸内活塞随气缸两侧压差而移动。两侧 可以分别输入一个固定信号和一个变动信号,或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两 位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力的大小,活塞从高压侧推向低压侧,使 推杆从一个极端位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后,使推杆位移 与信号压力成比例关系。 此外,还有一种长行程执行机构,其结构原理与活塞式执行机构基本相同,它具有行程长、输出力 矩大的特点,输出转角位移为 90o,直线mm,适用于输出角位移和力矩的场合。 图 8-8 正作用气动薄膜执行机构结构原理图 图 8-9 气动活塞式执行机构 1—上膜盖;2—膜片;3—下膜盖;4—推杆;5—支架; 6—压缩弹簧;7—弹簧座;8—调节杆; 9—连接阀杆螺母;10—行程标尺 (三)阀门定位器 阀门定位器 是气动执行器的—种辅助仪表,它与气动执行器配套使用。 在图示 8-8 的气动调节阀中,阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的。实 际上,为了防止阀杆引出处的泄漏,填料总要压得很紧。尽管填料选用密封性好而摩擦系数小的聚 四氟乙烯优质材料,填料对阀杆的摩擦力仍是不小的。特别是在压力较高的阀上,由于填料压得很 紧,摩擦力可能相当大。此外,被调节流体对阀心的作用力,在阀的尺寸大或阀前后压差高、流体 粘性大及含有固体悬浮物时也可能相当大。所有这些附加力都会影响执行机构与输入信号之间的定 位关系。使执行机构产生回环特性,严重时造成调节系统振荡。因此,在执行机构工作条件差及要 求调节质量高的场合,都在调节阀上加装阀门定位器。 阀门定位器 接受调节器的输出信号后,去控制气动执行器;当气动执行器动作时,阀杆的位 移又通过机械装置负反馈到阀门定位器,因此定位器和执行器组成了一个闭环回路,图 8-10 所示是 阀门定位器的功能示意图。图中显示,来自调节器输出的信号 p0 经定位器比例放大后输出 pa,用 以控制气动执行机构动作,位置反馈信号外送回至定位器,由此构成一个使阀杆位移与输入压力成 比例关系的负反馈系统。 图 8-10 阀门定位器 功能示意图 阀门定位器 能够增加执行机构的输出功率,减少调节信号的传递滞后,加快阀杆的移动速度, 能提高信号与阀位间的线性度,克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响,从而保证调节阀的正确 定位。

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