电动调节阀的结构与工作原理

课前准备：多媒体课件制作、演示实验设备调试、以4人/小组进行分组。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。在任何自动控制系统中，执行器是必不可少的组成部分。如果把传感器比拟成控制系统的感觉器官，调节器就是控制系统的大脑，而执行器则可以比拟为干具体工作的手。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，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。执行器根据驱动动力的不同，可划分为气动执行器、液动执行器和电动执行器，本次课将结合实验装置所用的智能电动调节阀使用知识进行介绍。二、产品知识——电动调节阀的结构与工作原理（20分钟）1、电动调节阀的基本结构在THJ-2的实验装置上，配置了上海万迅仪表有限公司生产的智能型电动调节阀，其型号为QSVP-16K，图1是电动调节阀的典型外形，它由两个可拆分的执行机构和调节阀（调节机构）部分组成。上部是执行机构，接受调节器输出的0～10mADC或4～20mADC信号，并将其转换成相应的直线位移，推动下部的调节阀动作，直接调节流体的流量。各类电动调节阀的执行机构基本相同，但调节阀（调节机构）的结构因使用条件的不同类型很多，最常用的是直通单阀座和直通双阀座两种。2、电动执行机构的基本结构（部分摘自上海万迅仪表产品说明书）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、重量执行机构调节阀图1电动调节阀外形机构轻，功能强、操作方便，已广泛应用于工业控制。其直行程电动执行器主要是由相互隔离的电气部分和齿轮传动部分组成，电机作为连接两个隔离部分的中间部件。电机按控制要求输出转矩，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个防止传动的止转环，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个旗杆，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，提供给智能控制板作为比较信号和阀位反馈输出。同时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，原理方块图如图3所示。当控制器的输入端有一个信号输入时，此信号与位置信号进行比较，当两个信号的偏差值大于规定的死区时，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。伺服电机位置反馈控制器调节阀减速器控制信号图3电动执行机构工作原理4、控制器结构控制器由主控电路板、传感器、带LED操作按键、分相电容、接线端子等组成。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控制器显示器功率驱动伺服电机传动部分行程标尺壳体输出轴支架联接螺母图2智能电动执行机构字信号，微处理器根据采样结果通过人工智能控制软件后，显示结果及输出控制信号。调节阀图3智能控制器组成结构5、调节阀的基本结构调节阀与工艺管道中被调介质直接接触，阀芯在阀体内运动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，即改变阀门的阻力系数就可以对工艺参数进行调节。图4、图5给出直通单阀座和直通双阀座的典型结构，它由上阀盖(或高温上阀盖)、阀体、下阀盖、阀芯与阀杆组成的阀芯部件、阀座、填料、压板等组成。图4直通双座调节阀图5直通单座调节阀直通单阀座的阀体内只有一个阀芯和一个阀座，其特点是结构简单、泄漏量小(甚至可以完全切断)和允许压差小。因此，它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。直通双座调节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%。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。三、动手实践——电动调节阀的基本使用（35分钟）1、识读铭牌识读电动调节阀的铭牌，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情况下，线路联接极为方便，只需二路线——电源线和控制线。图6是其线路联接图。打开机壳即可看见如图示意，对应图示插上智能控制板，嵌入定位销将其固定。执行机构外壳内有端子条用于电气接线，选择适当的电源线与执行机构相连，建议使用Φ1.0（mm2）导线。注：线路联接时电源线一定要正确，不然会造成控制器损坏。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。实际使用中可能需对调节阀开度进行整定，为此，就PSL的限位开关整定问题作介绍。（1）基本原则执行器与调节阀门安装连接组合后的产品调试必须作到三位同步：调节阀位置、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，调节阀处于满度开位置，上限位开关是断电位置。判断行程限位开关力办法：上、下行程由调节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）整定方法控制信号220V图6执行机构电气联接图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相应数值。这样保证关断力，防止泄漏。不通电转动手轮使阀杆下降至“0”位置时，调整下限限位开关正好动作（图2）（右凸块）。同时左旋反馈电位器到“0”欧姆位置。再转动手轮使阀杆上升至标尺100%位置时，调节上限限位开关正好动作（左凸块）。重复上述动作直至上、下限限位都调整好。四、理论提高——电动执行机构工作原理（选学25分钟）1、电动执行机构的结构原理通过以上部分的学习，我们已经知道电动执行机构由伺服放大器和执行单元两大部分，其典型结构原理方框图如图8所示，对其工作原理在此作进一步讨论。加深知识的理解与掌握，达到举一反三之目的。图8电动执行机构组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相应的反馈电流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也相应减小，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9所示。图7限位开关调整图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，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、线径相同而相隔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。图9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。其基本结构如图8-6所示。在电机转子2的尾端环上嵌装了几块磁路相互隔离的衔铁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，依靠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，以改变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，还有杠杆式制动机构和电磁式制动机构。电动机后罩端盖上还有手动按钮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，是造成电动执行器结构复杂的主要原因。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。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。近年来，人们为简化减速机构，努力研制各种低速电机，希望直接获得低速度、大推力、小惯性的动力。但这些执行器的性能目前还不太理想。（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，如图11(b)所示。图11差动变压器差动变压器采用三段式结构，中间一段绕有一个初级激磁线圈W1，两边对称地绕有两图10个完全相同的次级线圈W2，它们反向串联，其感应电势的差值作为输出。在线圈骨架中有一个可动铁芯。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，5634VV，输出V0＝0；当铁芯右移时，3456VV，V0≠0，此时输出V0的极性取决于V56；当铁芯左移时，5634VV，同样有V0≠0，其V0的极性取决于V34。执行机构输出轴与差动变压器之间的联接如图11（a）所示。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性关系。输出轴旋转90o时，铁芯在线圈中相应地移动8mm。五