第4章 执行器

主要内容4.1执行器的工作原理与分类4.2电动执行机构4.3气动执行机构4.4调节机构4.5电-气转换器4.6阀门定位器4.7执行器的选择第四章执行器4.1执行器的工作原理与分类执行器接收来自控制器的控制信号，通过执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去改变调节机构的流通面积，从而调节流入或流出被控过程的物料或能量，实现对温度、压力、流量等过程被控参数的自动控制。执行器安装在现场，直接与介质接触，常常在高温、高压、易腐蚀、易结晶、易燃易爆等恶劣条件下使用。4.1执行器的工作原理与分类---组成按使用能源分电动执行器气动执行器输入0-10mADC或4-20mADC电流信号。方便、信号传输速度快、传输距离远;结构复杂、安全防爆性能差、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所4.1执行器的工作原理与分类---分类液动执行器推力大，体积较大，适用于被控制压力高的场合输入0.02-0.1MPa气压信号。结构简单、动作平稳可靠、输出推力大、维护方便、价格便宜、安全防爆系数高。动作时间长，不适合远传（传输距离150m），而且不能与数字设备直接连接。按输出位移形式转角型90°（或90°）或多圈（360°）4.1执行器的工作原理与分类---分类直线型短行程和长行程按动作规律开关型全开和全关两种状态，如电磁阀积分型正向等速运动、反向等速运动和停止三种状态，实现任意阀门开度的调节比例型输出位移和输入信号成比例关系接收来自控制器的0-10mA.DC或4-20mA.DC电流信号，并将其转换为相应的角位移（输出力矩）或直线位移（输出力），去操纵阀门、档板等调节机构。4.2电动执行机构---概念角行程以电动机作为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0-90℃），适用于操纵蝶阀、档板之类的旋转式调节阀直行程将输入的直流电流信号，通过电动机和减速器，转换为直线位移输出，适用于操纵单座、双座、三通等直线式调节阀多转式开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门4.2电动执行机构---工作原理可与控制器配合实现自动调节，还可通过操作器实现系统的自动调节和手动调节的相互切换。当操作器的切换开关置于手动操作位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转或反转。4.2电动执行机构---执行机构伺服放大器操作器减速器位置发送器伺服电机输入信号Ii位置反馈信号Ifθ将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并当伺服放大器没有输出时，电机能可靠地制动。把伺服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，从而推动调节机构。将执行机构输出轴的位移线性地转换成0-10mA.DC或4-20mA.DC反馈信号，并作为位置反馈信号反馈到伺服放大器的输入端。4.2电动执行机构---执行机构•当铁芯在中间位置时，因两副边绕组的磁路对称，故感应电压U1=U2，但因两绕组反向串联，所以输出电压U0=0；•当铁芯自中间位置向上移动时，磁路对两绕组不对称，故感应电压U1U2，因而输出电压U0=U1-U2；•当铁芯向下移动时，两绕组中的感应电压U1U2，则输出电压U0相位与上述相反。4.3气动执行机构---分类根据控制器或阀门定位器的输出气压信号大小，产生相应的输出力和推杆直线位移，推动调节机构的阀芯动作。薄膜式活塞式使用弹性膜片将输入气压转变为推力;结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便以气缸内的活塞输出推力;输出推力大、行程长，价格高，只用于特殊需求场合4.3气动执行机构---气动薄膜式正作用（ZMA）：当输入气压信号增加时，推杆向下移动反作用（ZMB）：当输入气压信号增加时，推杆向上移动4.4调节机构---概念----局部阻力可变的节流元件。----在执行机构输出力（力矩）作用下，阀芯在阀体内移动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了调节机构的阻力系数，从而使被控介质的流量发生相应变化，4.4调节机构---结构（1）直通单座调节阀只有一个阀芯与一个阀座。优点：结构简单、泄露量小，不平衡力大，易于保证关闭。缺点：在压差比较大时，流体对阀芯上下作用推力不平衡，影响阀芯的移动。用于小口径、低压差场合。4.4调节机构---结构（2）直通双座调节阀有两个阀芯和阀座。特点：不平衡力小、允许压差大，但泄漏量也大。适用于阀两端压差较大、泄漏量要求不高的场合，不适用于高黏度场合。4.4调节机构---结构（3）角形调节阀特点：流路简单、阻力小，适用于安装现场管道要求用直角连接，或高压差、高黏度、含有悬浮物和固体颗粒状物料流量的场合4.4调节机构---结构（4）隔膜调节阀特点：结构简单、流阻小、流通能力大。介质用隔膜与外界隔离，适用于强酸、强碱、强腐蚀性物料和高黏度、含悬浮颗粒状介质。4.4调节机构---结构（5）三通调节阀合流型：两种介质混合成一路分流型：一种介质分成两路4.4调节机构---结构（6）蝶阀结构紧凑、成本低、流阻小、流通能力大，泄漏量大；用于大口径、大流量、低压差和含少量悬浮颗粒介质的场合。O型球阀是带圆孔的球形体，用于位式调节。V型球阀是V型缺口球形体，适用于高黏度物料。（7）球阀4.4调节机构---结构（8）偏心旋转阀重量轻、体积小、安装方便，适用于高黏度或含悬浮物的物料。可调比大、振动小、不平衡力小、互换性好，阀内部件所受气蚀小、噪音小，适用于要求噪音低、压差大的场合，但不宜用于高温、高黏度物料。（9）套筒型调节阀调节阀（正装、反装）执行机构（正、反作用）4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式信号压力增加，阀门开度大；信号压力减小，阀门开度小；无信号压力，阀门全关；信号压力增加，阀门开度小；信号压力减小，阀门开度大；无信号压力，阀门全开；气开气关保证无气源时，系统安全。4.4调节机构---调节阀特性（1）气动执行器的气开、气关形式介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系。)(maxLlfqqvvLl某一开度行程与全开行程之比maxvvqq某一开度流量与全开流量之比系统工作不正常，与调节阀特性选择不合适；或阀芯在使用中因腐蚀、磨损，使特性变坏，或失灵。重要性：4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性---定义快开抛物线对数直线假设前后压差不变maxvvqqLl4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想流量特性直线流量特性——调节阀相对流量与阀芯信息开度成直线关系。直线阀芯形状4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性vmvKLldqqd)()(KV为放大系数LlRRqqvv)11(1maxCLlKqqvvvmaxmaxmin,,0vvvvqqLlqql已知边界条件RCKRqqCvvv1111maxmin4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性直线直线流量特性调节阀在小开度工作时，控制作用过于灵敏，不易稳定（易引起振荡）；在大开度工作时，控制作用过于迟钝，调节效果不明显。阀门相对开度变化所引起的流量变化是相等的。流量的相对变化量是不同的。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想直线流量特性对数（等分比）流量特性——阀杆相对开度变化所引起的相对流量变化与该点相对流量成比例。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性对数阀芯形状vvvvvKqqKLldqqd)()()(maxmax放大系数KV随相对流量变化而变化(1)maxlvLqRqKCqqLlRCqqlvvvv,,ln,,0maxmin已知边界条件)1(maxlnlnln)ln(LlvvRRRLlqq)()(maxmaxLlKdqqqqdvvvvCLlKqqvv)ln(max4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性对数从控制过程来看，利用对数流量特性是有利的；在小开度时，KV小，控制缓和平稳；在大开度时，KV大，控制及时有效；调节灵敏度在整个调节范围内不变。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想对数流量特性快开流量特性——阀门在小开度时流量增量比较大，随着开度增加，流量很快达到最大。2111-(1-)vvmaxql-qRL（）有效行程为阀座直径的1/4，当行程再增大，流通面积不再增大。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----理想快开流量特性适用于要求迅速启闭的场合，特别是位式（开关式）调节系统。调节阀前后压差变化的情况下，相对流量与阀芯相对开度之间的关系4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----工作流量特性调节阀总是与工艺设备、管道等串联或并联使用，由于阻力损失引起阀门前后压差的变化，导致流量特性发生变化4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----串联管道的工作流量特性系统总压差管道压差调节阀压差当总压差一定时，随阀门开大，流量增加，管道设备上压力随着流量的平方增大，而调节阀前后压差减小，造成阀流量特性畸变。4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----串联管道的工作流量特性Q/Qmax(%)l/lmax(%)020406080100020406080100S=1S=0.75S=0.5S=0.2S=0.1S=0.05直线调节阀Q/Qmax(%)l/lmax(%)020406080100020406080100S=1S=0.8S=0.65S=0.2S=0.1等百分比调节阀（2）流量特性----串联管道的工作流量特性阻力比：maxImvminpS理QQpaxS越小，畸变越严重，实际中要求S0.3到0.5。S=1时，为理想流量特性；S1时，由于串联阻力影响：S越小，特性趋于快开特性。调节阀全开时前后压差总压差理想流量下全开流量工作流量下全开流量4.4调节机构---调节阀特性maxmax1QQX阀门全开时流量总管道最大流量4.4调节机构---调节阀特性（2）流量特性----并联管道的工作流量特性X越小，说明分流作用越小，对总流量影响越小。其特性曲线与理想特性曲线形状保持不变，但调节范围变化较大。实际要求X0.8：X减小，调节阀可调范围减小。X=1时，旁路阀全开，为理想特性曲线；（2）流量特性----并联管道的工作流量特性4.4调节机构---调节阀特性Q/Qmax(%)l/lmax(%)02040608010020406080100X=0.2X=0.5X=0.8X=1直线调节阀Q/Qmax(%)l/lmax(%)02040608010020406080100X=1X=0.8X=0.5X=0.2等百分比调节阀（2）流量特性----工作流量特性4.4调节机构---调节阀特性---使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。---使调节阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。---串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。---使调节阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化减小。串联管道时，若调节阀处于大开度，则S值降低对放大系数影响更为严重。并联管道时，若调节阀处于小开度，则X值降低对放大系数影响更为严重。4.5电-气转换器目的：控制器输出通常是电动信号，若执行器采用气动执行器，就必须将控制器输出的标准电流信号转换为0.02-0.1MPa的标准气压信号，才能与气动执行器配接。4.5电-气转换器4.6阀门定位器目的：为防止阀杆引出处泄漏，填料通常压得很紧，使摩擦力很大；对具有高黏度等特性的被调介质，会对阀芯的作用力产生影响；影响执行机构与输入信号间定位关系，使调节阀不能准确定位。4.6阀门定位器（1）阀门定位器增加执行机构的输出功率，克服阀杆与填料之间的摩擦力和介质对阀芯产生的不平衡力。---适于高压差、大口径和含有固体悬浮物介质或黏性流体场合。（2）减少控制信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度。（3）提高控制信号与执行机构输出位移之间的线性度，保证调节阀的准确定位。一般在快速响应系统中，采用电—气转换器；在慢速响应系统中采用