（机械电子工程专业论文）智能电动阀门执行器的研究与开发.pdf

霆j | | 大学硕士学位论文智能电动阀门执行器的研究与开发机械电子工程专业研究生：陈涛指导老师：韩震宇随着工业的发展，电动执行器在工业现场控制中的重要地位逐步曼现出来，尤其是在化工、冶金、电力等行业的自动化程度不断提高的情况下，在比较危险的场所或者需要远程控制的场合，电动执行器的应用大大的保障了生产的安全性，提高了生产效率和系统可靠性。智能电动执行机构整体上可分为控制器和执行器两部分，其中控制器是实现智能化电动执行机构的核心技术。研究工作主要完成分析阀门特性对执行器的要求、对执行器机械结构的初步设计和电机性能分析和选型、控制部分电路硬件和软件的实现、位移传感器和转矩传感器的设计、工业控制总线的实现等工作。文章根据执行器所需的功麓对控制部分各模块的硬件电路秘软件流程分别进行了描述。执行器主要是在控制器作用下控制电机转动带动机械传动部分来输出转矩帮位移，设计的机械部分主要由蜗轮蜗杆减速传动、位移检测齿轮组、蜗杆轴转矩检测装置、电机轴与蜗杆轴的联轴器、电动手动离合器等部分组成。文中主要介绍了机械传动机构帮转矩检测装置的工作原理。同时由于执行器启动力矩大和位置定位准确的特点，对三相电机的特性作了简要介绍。控制系统以a v r 系列的a t m e l l 2 8 和a t m e l l 6 单片机为核心，通过霍尔传感器监控阀门开度信号，并与预定值进行毙较实现阀门开度的闭环控制，圆时检测电机轴的输出扭矩和电机线圈温度实现三相电机的过力矩保护和过温保护。系统还提供了三相电源的自动相序检测和纠正功能，使电机运行不受电源接线的影响。执行器包括本地按钮控铡、远程按钮控制，红外线控制和网络控制四种控制方式，使执行器能够工作在恶劣的环境下，操作方便。网络控制运用r s 4 8 5工业总线的多站能力，所有从机共用一条总线，采用t 形头与总线连接，主机与各从机之间采用多机通讯方式分时复用总线。为了方便用户观察执行器的运转，霞矩大学硕士学霞论文控制器的输出继电器部分可以及时反映执行器的各种状态和故障报警。关键词：智能电动执行器，阀门，转矩检测，位移反馈，r s 4 8 5 总线s 姗田。n 嫩钯l 量至g e me l e e t i o 越ca c 锨砒隘鞠dr e a l i z a t i o ns p e e i a l 够：m e e 轰撕o l l i e sc a n d i d a t e ：c h e n t a os u p e r v i s o r ：h a nz h e n ”a sm ed c v e l o p m e n to ft h ei n d u s 慨t h es t 咖so ft h e 烈e c t r 砌c 然e c u t 叭s撼醢嚣凌罐e v 嚣b e 南f e 派疆把i n 如s 姆，e 蹲e e i 蠢l yi 珏也ei 藏翻s 时o f 国嘟i s 童戮m 眦a l l u r g ya n de l e c 仃i cp o w e rw h o s ea u t o m a t i o nr a t ei s1 1 i 曲e ra n d h i 曲e r t h ea p 跌i c 戤i o no f 饿ed e c 呐嫩ee x e 僦o r 粼e s 妇s 嘲r i 锣o f 也ep r o & c t i o ni n 妞妇g e r sp l a c ea n d 氇ep l a c er e q u i 融gt e l e c o 娃t r 。l ，i m p r o v e se 箍c i e 觳c yo ft h ep r o d u c t i o na n dt h er e l i a b i l i 锣o ft h es y s t e m 嫩d l i 黛躐e 量的幽杈e 嘁蹬主se o 璐缱酲c 湖爹呶匿娃细l 融徽d 鑫c 趣粕嘲a n ，t h e r e i n t ot h ec o m p u t e rc o n 仃d l l e ri st 1 1 ek e m e lo fi n t e l l i g e n l i z e 肺i sp a p e rm o s t l yr e s e 黜h 也ef o l l o w i n gw o r k ：d i s c u s ss y s t e md e r n a n d st h r o u 曲a u l a l y z i n g 也e醢搬e t 霞o fv 赫s 她d 西瑚k e s ，黟黢秭母d 蕊萨氆e ：妇迸s 氆p 豳蝻她雒鹂稼珏gt h ep e r f l o n n 舭c eo f 恤旧e p h a s i c se l e c 仃o m o t o r ，d e s 嘶b es y s t e l n sh 糊d w a r ec i 翮i ta 矾s o 撕a r c 媳o w ，d e v i s ed i s p l a c e 姒e ms e n s o ra n dt o r 郫e d 哉e c t i n gs e n s o r ，t e l lo f 搬ef e a l i z a t i o 珏0 f 惫西盘u s 。t h em 姒i n go ft h r e 伊p h a s i c se l e c 们m o t o r 搋v e sm e c h a 芏l i s mp 引t oo 呻u t专。绷戳跹d 擞。嘲霪瞅，w h i 血量s 妇p 蠢敬牺l eo f 避或王主g e 珏毫蚀粕f 。弧e 越融蕊滩p a r ti sd i v i d e di n t ow o 麟w h e e ld e c e l e r a t i o ns 觚c t u r e ，d i s p l a c e m 嘶d e t e c t i o ng e a rg r o u p ，t o r q u em e a s u r i n gd 嘶c eo fw o 腿s h 啦，c o u p l i n gm a c h i n e 砒i i c h1 i n ：k sm o t o r豳雄勰dw o 嫩出磕，c 融匝l os w i t 醢b 咖e e 矬碰o m 蕊。疆瑟dm 搬舔或e 。弧弧p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e 砸n c i p l oo fm ec _ h 越c a ld m ea n dt o r q u et e s t i n gd e v l c e m o 静d v e r ，c o 辎i d 砸n gt h a ta c t u a t o rn e e d sb 远s 啪t o 蚤q u ea n dp r l s eo n e n 鼬o n ，畦辩o s p e c 速e 妇国g t 甜出co fe l e e 鼬m o t o rl l s e di nt h i ss y s t e 越i s b r i 礤yi n t r o d u c e d霞j | | 大学硕圭学位论文i h ec o n t r o ls 筘t e mi sb a s e do n 如ea v rs e f 童懿嫩i p 鳓c e s s o r ：a t 磁e l l 2 8a 鼹da t 嫩e ll5 ，o b t a i n st h ev 越v ed i 蹭l e 嫩e 慰t 轴的珏酶h a l ls e 珏s 艇a 蕤dc 慧p 戳sw i t h h ev 鑫l u es 战i 建嬲v 禚c e ，s i 嫩l 蚀e i 移d 绞e 文s 锕专p u t 钓r 孵eo f m 鼬皤s h a 蠢a 耐w i 耐i n gt 锨p e r a 抛r e 的a v o 强t h e mg o i n gb e y o n dt h e i rl i m i tv a l u e 砸l es 粥t e ma l s oo f i f e r sp h a s es e q n e n c ea u t o m a t i cd e t e c t i o na 1 1 dc o r r e c t i o n 如n c t i o n s ，e n s u r et h a tt h ec o n n e c t i o ns e q u e n c eo f 骶e - p h a s i c sa cp o w e rc 姐b ed i s c r c t i o n a l n ea c t l l a t o r h a sm u l t ic o n t r o lm e t h o d s ，i n c l u d el o c a lc o n t r o lm o d e ，r e m o t ec o n t r o lm o d e ，i n 越聪dc o n t r o lm o d ea n dn e 脚o r kc o 咖lm o 如，w h i c hm a k ew o r k 勰dc o 测e l l i t 卵嘲i 强组p o o r 锄撕f o 觳m 铋t b e c o 越eap o s s i b l e 。n e 溉。嫩e o 砖陷l 搬。如越a k e s 珏s e 酣箍聪l 垃一髓a 圭i 鼹s 曲诅姆醴r s 4 8 5 纛e 董曲醢s ，蠢l 倦es l 鑫粥s t 旋。璐u s eo 酣如st o g 瓴c 滩拄e c tw i 镪h l sb y 曩s h a p 撼h e a d ，b o 盘m a s t 娌s t a t i o 髓a n ds l a v es t a t i 强su s em u l t i - p r o c e s s o rc o m m u n i c a 矗o nm o d ea n dt om a k es u r et h a to n l yo n es l a v es t a t i o nc o m m u n i c a t ew i t hm a s t e rs t a t i o na to n et i m e t of 如i l i t a t eu s e rt oo b s e r v et h eo p e r a t i o ns t a t u so fa c t u a t o r ，o u 甸p u tr e l a y e si nt h em i c r o c o n t r o l l e fc a nr e n e c tv 撕o u ss t a t u so fa c t u a t o ra n da 1 蝴w h e nf a u l th a p p e n s x | e y w o r d s ：珏t e n i g e 嫩d e c t n i ea 咖a t o f ，v 蠢v ，t o 群譬ed e e 钯e t i 艟，d i 蹬l 勰e 辫e 鲑幻汹鑫趣，r s 碡8 5 是e l 曲u s蹉列太学硬圭学使论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的罔志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声盟。研究生签名：砾哥导师签名弁曳字圈期：0 谚年f 月四川大学礤士学诬论文第一章绪论1 1 国内外现状及发展趋势在现代过程控制领域中，执行机构是必不可少的部分，从早先的手动、气动执行器到现在的电动执行器，在不同的控制场所都得到了广泛的应用。电动阀门的广泛应用使对电动阀门控制器的要求越来越高。相对于气动、液动执行器而言，电动执行器主要有3 点优势：无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源失电时，也能保持原执行位置；可远距离传输信号，电缆比气管和液体管道方便得多，且便于线路检查；与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。目前，国内外的智能电动执行器已经形成了许多产品，广泛应用于工业领域。如8 0 2 系列阀门电动装置，该系列执行器由电机、减速桃构、行穰及转矩控制机构等组成，使用时需另配电气控制设备或者增加扩展控制箱来实现电动操作，人机交互不直观，且行程和转矩控制采用机械结构来实现，对机械加工要求高，自动化程度低、功能少。a s 系列全智能非侵入式电动阀门执行器拥有完整的高性能控制体系，其独立的控制电路和执行枕构，安装筒捷、维护方便，已广泛应用在众多工业场合，但不能实现电机调速，控制界面繁多且不便于记忆。国外比较著名的有英国的r o t o r k 【2 8 1 、德国a b b 公司的0 n t r a c c o n t r a c 智能总线型电动执行机构f 2 铜、美国的l i m i t o r 娜e 渊、意大利的b i f f i q 托和德国的a u 淞等，这些公司生产的智能阀门电动装置功麓强大、简单可靠、技术先进，代表了这一领域的世界先进水平。智能电动执行器发展趋势可以归纳为：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，带通信技术功能的逐步取代不带透信技术的，数字控制方式逐步取代传统的模拟控制方式，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术，等等。当智能电动执行器与现场总线连接时，智能执行器就成了现场总线控制系统中的一块现场仪表，这时它不仅具有执行器功能，还具有控制、运算和通信等功能。e l j 此可见，我国四川大学硕士学位论文目前新一代符合现场总线的智能电动执行器产品，是执行机构今后发展的必然趋势，它的成功研究与应用给电动执行器的进一步发展打下了良好的基础，并将给智能电动执行器带来广阔的市场发展前景n 3 。1 2 课题来源本课题为四川大学金工实习中心以发展中心科研技术和提高学校教研能力为目的，结合金工中心机械加工实力和学院教研室的实际项目经验，根据市场需求自主研究开发的项目。本文所做的主要工作包括对系统总体框架进行分析设计、熟悉三相电动机工作特性和各种调速控制策略、根据工作原理初步设计硬件电路和软件并调试、对执行器机械部分进行结构设计分析等。第二章系统设计概述2 1 阀门的操作特性工业部门中应用的阀门种类很多。这里只讨论需要用电动装置去操作的阀门。通常需要配用电动装置操作的阀门有闸阀、截止阎、蝶阀和球阀等。每种阀门的操作特性往往由于它的结构不同而有所差别。一、闸阀闸阀的启闭件是闸板形的，并因此而得名。它的启闭件( 闸板) 沿着与流体流向相垂直的方向做直线运动，截断或开启流体的通道。闸阀是电站中大口径管道( d g 1 0 0 毫米) 上使用的主要阀门，用来截断或开启管道中的汽水通道。闸阀一般只适用于全开和全关，不能用作调节和节流。闸阀的闸板有两个密封面。最常用的楔式闸阀的两个密封面形成楔形。楔形角随阀门工作参数而异，通常楔半角( 两个密封面夹角的一半) 为5 度；在介质温度不高时，楔半角为2 度5 2 分。楔式闸阀的闸板可以做成一个整体的，叫2四川大学硕士学位论文做刚性闻板；也可以做成麓产生微量弹性变跃以弥枣 密封面焦度加工过程中产生的偏差，改善工艺性能的弹性闸板。在阍阀关闭时，密封面可以只依靠介质压力来密封，即依靠介质压力将闸板的密封面压向另一侧的阀应来保证密封面的密封，这就是囱动密封。大部分闸阀是采用强制密封的，即阀门关闭时要依靠外力强行将闸板压向阀座，以保证密封面的密封性。开启阀门时，通过阀杆螺母的旋转运动将阀杆连同闸板一起提升到阀盖的上部，使流体的通道开启。当闸板的提升高度等于阀门公称通径的1 1 倍时，流体的遂道完全畅遥，闸阂相当于一段管道，这就是阀f - 】的全开位置。掰是这个位置在阀门运行条件下是无法监视的，因此在实际使用时是以阀杆的上止点即开不动的位置，作为阀f _ 】的全开位置。考虑到阀杼在这个位置会因力温度变化而出现锁死现象，以致影响阀门的正常操作，所以通常当阀门开启到上止点后( 开不动的位置) 要将阀杆螺母倒转1 2 一l 圈，并以这一点作为阀门的全开缀置。盘此可见，闽f j 的全开位置是按阑板的位置( 即行程) 来确定的。闸阀关闭时，由于密封面的密封方式不同会产生不同的情况。对于自动密封的闸阀( 包括平板形闸阀和自动密封楔式闸阀) ，在阀门关闭时，是依靠介质压力将闸阀压向阀座的一 羹| | 来保证密封的。当阐阀的密封面正好对正阖座时，就是阀门的全关位置。可是这个位置在阀门运行条件也是无法监视的。因此在实际使用时是将阀门关到下止点，即关不下去的位置作为阀门全关位置。由此可见，自动密封的阀门其全关位置是按阐板的位置( 即行程) 来确定的。对于强制密封的闸阀，关闭阀门时，必须使闸板间阀座施加压力。这个压力可以保证阍板和阀座之间的密封蘧严格地密封，它是强制密封阀f j 的密封力。这个密封力由于阀杆螺纹的自锁作用将会继续保持着。显然，为了向闸板提供密封力，阀杆螺母传递的转矩要比阀门操作过程中的转矩来得大。由此可见，对于强制密封式阀 j ，阙f j 的全关位置是按阀杆螺母所受的转矩来确定的。当阀秆螺母所受到的转矩比阀门正常操作过程中的转矩增大了一定数值后，就说明阀门已关严了。阀门关严后，由于介质或环境温度的变化，阀门部件的热膨胀会使闸板和阀座之间的压力变大。这个力反映到阀杆螺纹上，就为再次开启阀门带来困难，所以开启阀门时所需的转矩( 即加在阀杆螺母上的转矩) 一般要比关阕阕f 1 时所四川大学硕士学位论文需的转矩来得大。此外，对于一对互相接触的密封面来说，它们之间的静摩擦系数也比动摩擦系数大，所以要使它们从静止状态产生相对位移时必须加较大的力，以克服静摩擦力。这一情况，在关闭后再次开启的阀门中更加明显。因为温度变化使密封面之间的压力加大了，需要克服的静摩擦力也跟着变大，所以阀门关严后再次开启时，阀杆螺母上需要施加的转矩比关闭阀门所需转矩要大而且有时会大得很多。二、截止阀截止阀的启闭件是塞形的阀瓣，密封面呈平面或锥面。阀瓣沿流体流线方向做直线运动，去截断或开启流体的通道。从截止阀的阀杆运动形式来看，既有升降阀杆也有升降旋转阀杆。截止阀是电站中使用得最多的一种阀门。电站中d 9 1 0 0 m m 以下的管道上几乎全部使用截止阀，而电站中d g l o o 姗以下的阀门数量又是很大的，几乎占阀门总数的5 0 。截止阀通常只适用于全开和全关。截止阀是强制密封式阀门，所以在阀门关闭时必须向阀瓣加压力，以强制密封面不漏泄。由于密封力和介质压力是在同一轴线上的，密封力得不到放大，所以所需密封力比闸阀的要大。当介质由阀瓣下部进入阀门内腔时，由于介质压力的作用，使关阀力比开阀力要大，所以阀杆直径要大否则会发生阀杆顶弯的故障。近年来，在自密封的阀门出现后，截止阀的介质流向就改由阀瓣上部进入阀门内腔。这时，在介质压力的作用下，关阀的力小而开阀的力大。阀杆的直径可以相应减小。同时，在介质压力的作用下，这种形式的阀门密封面也容易严密。截止阀开启时，阀瓣的开启高度达到阀门公称通径的2 5 3 0 时，流量即已达到最大，亦即表明阀门已达全开位置。所以截止阀的全开位置应该按阀瓣的行程来确定。截止阀关闭时的情况和关严后再次开启的情况与强制密封式的闸阀相似，即阀门关闭后，要在密封面上加压力使密封面密封。因此，阀门的关闭位置应按操作转矩增加到规定值来确定。而阀门关严后再次开启时，由于要克服静摩擦和热膨胀等因素的影响，开阀的操作转矩通常要比关阀的操作转矩大，才能可靠地开启阀门。三、蝶阀蝶阀的启闭件是一个圆盘形的蝶板，它通过围绕阀座内的轴旋转来开启和关闭阀门，蝶板从全开到全关的旋转角度通常为小于9 0 度。蝶阀有两类：密封4四川大学硕士学位论文型和非密封型。密封型蝶阀在关闭后能保证密封面严密，可以用来切断流体，它的密封圈通常用橡胶制成。菲密封型蝶阀在关闭后不能保证密封面的密封性，所以通索用作节流调节阀。蝶阗的开扇位置应该按阀f j 的行程，亦即蝶板的旋转角度来确定。非密封型蝶阀的关闭位置也应按阀门的行程来确定。密封型蝶阀关闭时，也需要在密封项上施加密封力，以保证密封面的严密性，所以也属于强制性密封。它的关闭位置应该按照操作转矩升高到规定值来确定。四、球阙球阀是近年来出现的新型阀门，它和旋塞阀是届于同一类型的阀门。球阀的启闭件是一个有孔的球体，球体以阀体中心线为轴作旋转运动，来截断或开启流体的通道。阀门从全开到全关，阀杆的旋转角度为9 0 度。如果没有机械限位的话，球阀的球体可以任意旋转。球阀的开启位置和关 i l 位置都应该按阀f j的行程( 阀杆的旋转角度) 来确定。由于流体在球体中流向改变时造成旋流的影响。旋流的影响随着球阀的开启或关闭逐渐减小，所以阀门操作转矩在开口中间位置时最大，在开启和关闭时最小疆。综上所述，各种阀门的基本特性可归纳如下表：名称开关特性转矩特性结构特性闸阀全开位置按闸板位置确定在阀门开度在王o 流体阻力小；开自动密封的阕f j 全关位置按以上时阀杆的轴阀、关阀所需操作闸板位置确定，强制密封的向力变化不大，力较小；但开启高阀门按阀杆螺母所受的转矩1 0 以下时e i j 于节度大，所需安装空来确定流使操作力矩很间大，而且开启的大时间较长截止阀全开位置按阀瓣行程来确定关闭过程中的操开启高度小，开关全关位置按操作转矩增加到作力矩比闸阀大时间短，但流体阻规定值来确定很多，开启力矩比力大，关闭力矩大秀窟和关闭时所需力较大。碟阀全开位置按阀门行程确定非密封型阀门中体积小，重量轻，非密封型蝶阀的关闭位置也间位置时操作转结构简单，开关迅5四川大学硕士学位论文应按阀门的行程来确定。矩大，密封型阀门速，流体阻力小但密封型蝶阀关闭位置按照操阀门关闭时操作密封性能差。作转矩升高到规定值来确定转矩大球阀全开和全关位置都应按阀门操作转矩在开口流体阻力小；结构的行程( 阀杆的旋转角度) 来中间位置时最大，简单，操作方便：确定在开启和关闭时开关迅速：但操作最小转矩较大。2 2 阀门对电动装置的要求为了使电动装置和阀门之间的配合完全协调，以组成一个完善的电动阀门，必须保证电动装置的技术特性能够完全满足阀门操作特性的要求。下面分别从阀门的操作特性和使用条件等因素，分析阀门对电动装置提出的技术要求。2 2 1 应具有使阀门可靠工作的转矩电动装置的最大输出转矩应与配用阀门所须的最大操作转矩相适应，这样才能保证阀门操作可靠。电动装置的输出转矩如果低于阀门的最大操作转矩时，则会出现阀门拒动故障，影响主设备的工艺流程甚至威胁主设备的安全运行，此时势必要介入人工操作，增加运行人员劳动强度。电动装置的输出转矩如果比阀门所需操作转矩大得多时，就会出现大材小用。这不仅会造成材料和电力的浪费，更重要的是还会损坏闭门的零部件。因此，合理地选定电动装置的输出转矩是保证电动阀门可靠工作的重要前提。阀门的操作转矩会受工作环境和工作时间的影响而发生很大的变化，因此在为阀门配用电动装置时，应使电动装置的最大输出转矩有适当的裕量，保证在任何情况下都能可靠地操作阀门，而又不会损坏阀门的零件。衡量了阀门操作时的需要和阀门零件强度的可能后，我们认为在为阀门配用电动装置时，电动装置的最大输出转矩选在正常运行条件下阀门所需最大操作转矩的1 5 倍左右为宜。6四川大学硕士学位论文2 2 2 应能保证开阀和关阀具有不同的操作转矩对于绝大多数阀门来说，阀f 1 关严焉再次开启时所需的操作转矩比关严阕门所需操作转矩要大。因此为了可靠地开启已关严的阀门，电动装置应具有足够的开阀操作转矩。在一般情况下，阀门关严后再次开启所需的操作转矩比关严阀门的操作转矩要大5 0 以上，才能保证可靠地开启关严的阀门。在菜些情况下，这个操作转矩的差值有可能会更大。2 。2 。3 麓提供关阀时所需的密封力对于强制密封的阀门，关闭时在阀门的启闭件和阀座接触后，4 为了保证密封面不漏泄，必须继续向阀座施加一个大小一定的力，以保证密封面的密封( 这个密封力当然也是阀门的操作转矩通过阀杆螺纹转换得来的) 。但是，这时的操作转矩旄加方式是与阀门开启和关闭过程中的操作转矩施加方式完全不羼的。在阀门开启和关闭过程的中间位置，阀门启闭件以一定的速度位移，阀杆也以一定转速旋转，并根据阀门启闭件受力的变化而产生不同的反抗转矩。这时，阀门启闭件的位移较大而转矩的变化不大。当阀门启闭件和阀座接触后，由于阀门窟阙件被阀座抵住不能再位移，加在阀杆上的转矩就会迅速增加，并遴过阀杆螺纹的转换形成阀门密封面之间的密封力，使阀门零件产生弹性变形。这个密封力，由于阀杆螺母的自锁会继续保持下去。也就是说，在阀门关闭的瞬间，阀门启闭件的位移很小而转矩的变化却很大。为了保护阀门零件不致因超过材料强度极限而损坏，阀门关闭瞬闻的操作转矩值必须严格地控制在规定值内。对于电动装置来说，就要求关阀时能在很小的角行程中输出较大的转矩，并且能严格控制这个转矩值的大小在规定值范围内。简单地说，就是电动装置应具有准确的按输出转矩值停止工作的能力。2 2 4 应能保证阀门操作时要求的行程对于j 暑强制密封式阀门( 自动密封式) ，在关阀时要求阀f 1 癌闭件能停止在规定的位置。如果阀门启闭件的行程不足，就会造成阀门漏泄，而行程过大又有损坏阀门零件的危险。至于阀门的开启位置，几乎所有类型的阀门都是要求7四川大学硕士学位论文阀门的启闭件能停止在规定位置的。这时如果阀门启闭件的行程过大，会使阀杆被卡住而损坏，而行程过小又会使阀门的逆流截面不够。阀门的通流截面不够不仅会使阀门的阻力增大，而且还会使阀门的启闭件受到冲刷腐蚀。对于电动装置来说，就要求它在阀门的操作过程中能够准确地停止在任何规定的位置。在一般情况下，这个停止位置的误差不应超过阀门全行程的0 5 。在用行程控制楔形闸阀的关闭位置时，对停止位置的要求更高。2 2 5 应具有合适的操作速度工业生产过程的变化速度是比较快的。为了保证工业生产过程的协调性，在一般情况下，希望阀门的操作速度快些为好。特别是在处理事故的过程中，阀门的快速动作对于保证设备的安全有很重要的意义。但是阀门的操作速度提高后，由于阀门的开启和关闭时间过短又会在管道中产生水击。这是保证安全运行所绝对不能容许的。此外阀门的操作速度提高也会使电动装置的动力消耗增加( 电动装置配用的电动机功率要加大) 。由此可见，阀门的操作速度应当选择适当。通常，为了避免水击现象，小口径阀门( d g = 1 5 0 m m ) 的全程操作时间应在3 0 4 0 秒，而大口径( d g = 8 0 0 m m ) 阀门的全行程操作时间应为1 4 0 2 0 0 秒。在这前提下可知，闸阀的操作速度最好在每秒钟4 5 毫米。由于截止阀的开启高度一般是通径的2 5 3 0 ，所以对于和闸阀通径相同的截止阀，既然全程操作时间相同，它的操作速度显然应为闸阀操作速度的1 3 1 4 ，亦即应为每秒1 1 7 毫米。对于阀杆作旋转运动的阀门如蝶阀等，由于本身的结构有利于减小产生水击，因此允许以更快的速度进行操作。一般说来，它的操作速度以o 5 l 弧度秒为宜。可是考虑到这类阀门经常用来调节介质流量，不宜用高速度操作；此外，为了减小电动机的功率，操作速度也不宜过高。所以，一般情况下与阀杆作旋转运动的阀门相配的电动装置，它的操作转速大多选在0 5 4 转分之间。2 2 6 应能适应阀门的总转圈数阀门全行程的总转圈数与它的开启高度和阀杆螺纹的螺距有关。它们之间四川大学硕士学位论文的关系是阀门总转圈数m 为：材：竺二zs式中卜阀门的开启高度，即阀门启闭件的全行程( 毫米) ：s 阀杆螺纹的螺距( 毫米) ；z 阀杆螺纹的头数。阀门的开启高度随阀 j 的透径、密封面和阀型不同两异。一般情提下对阍阀来说，开启高度约为阀门通径的1 1 倍，而截止阀的开启高度约为阀门通径的3 0 。由于阀门的结构不同，规格不同，它们的总转圈数的变化范围也很大。一般情况下，阀门的总转圈数在2 1 6 0 圈之间。有的大口径阀门，为了降低操作转矩两设有减速器，这时它们的总转圈数可以达到5 e o 圈左右。2 。2 。7 应能适应生产过程的环境条件每个工业部门的环境条件都有各自的特点。电站的环境特点是温度高、振动大、粉尘多，在露天电站中还会受到日晒雨淋，所以电站中阀门工作的条件是比较恶劣的。特别是环境温度。在其他工业部门还有易烃、腐蚀、辐射等环境特点。对于电动装置来说，它是用来和阀f - 】配套工作以代替人工去操作阀f 一的，所以它也应能承受阀门工作的所有恶劣环境条件圆。2 。2 。8 电动装置的输出转矩与转速输出转矩值是电动装置的重要技术参数之，如果在组配电动阀门时选用的电动装置输出转矩过大或不足都是不可取的。因为一般情况下，电动装置在产品出厂时均需进行输出转矩值的测试与调整，是相对比较准确的。如果选用过大的输出转矩余量，将会使电动阀门具有很大的潜在危险性，一旦发生控制保护失灵情况将很容易造成阀门损坏( 阀杆弯曲、阀体破裂) 现象，极易造成管道系统事故。所以输出转矩余量过大是不可取的。如果在实际工作中顶不开阀门也是不合理的。根据专业标准z b j l 6 0 0 2 阀门电动装置技术条件规定和经验，阀门电动装置输出转矩及其有关转矩间的关系应按如下原则：9四川大学硕士学位论文m 蛔竺( 1 1 1 3 ) 此 ，1 1 m 五卅m 卅1 8 m m式中：m k m 一阀门电动装置最大控制转矩，这里可以理解为电机额定输出转矩；m f m 一阀门开、关所需最大转矩；阀门电动装置最大输出转矩。关于对电动装置输出转速的确定，在阀门对其启闭时间没有严格要求时，应尽量选用较慢的速度：s 一盟住式中：s 阀门启闭时间( m i n ) ；n 电动装置输出轴转圈数( 圈) ；n 电动装置输出轴转速( r m i n ) 。因为不必要的较快速度，在相同转矩要求下将会增大电机功率，这样不但浪费能源，提高工程造价，而且也会使电动装置体积增大造成多方面的浪费劓。2 4 系统功能设计根据电动阀门的操作特性及对电动装置的要求，并参考其他一些成熟的智能电动阀门执行器，本系统应具有以下几个主要功能：1 )实时阀位测量：执行器最终目的是实现精确的阀位控制。系统采用非接触式阀位测量系统，两只成9 0 度分布的霍尔元件安装于电机轴外，1 2 个磁极化环安装于电机轴上，执行器运行时产生的电压脉冲信号经微处理器得到精确的位移、转向和速度等多个参数。2 )过扭矩保护和卡塞保护：当电机轴上的扭矩超过设定的最大扭矩时自动切断电机供电。当执行器在开关过程中，若阀门在预设时间内没有动作，则认为阀门卡塞并停止执行器装置的操作。3 )液晶显示窗口及就地操作功能：采用高清晰l c d 数字及标识符显示窗口，能够很容易观察到执行器的阀位、电机扭矩等，同时装备有1 0四川大学硕士学位论文4 )5 )6 )7 )8 )9 )l o )绿、黄、红色三个l e d 指示灯指示阀位。就地旋纽开关在完全与电气箱隔离的状态下可转换现场和远程的控铡状态。红外线控制：采用红外遥感技术，在秃需打开执行器箱盖的情况下通过对话窗口就可进行人机对话。可按现场要求对执行器的控制、指示和保护等功能进行设定。蠢动相位保护和修正：以前在现场接线，必须提供给执行器的三相交流电的相序正确，因为一旦相序错误，就会造成电机不正确的转动而损坏阀门和执行器。本系统在执行器内部有自动相序检测电路，三相电源的相序时刻受到监视，当现场接线相位颠倒时，程序会自动识刹，在输出电路中作相应的调整。如果出现一楣或多相丢失的情况，程序会禁止执行装置的操作并发出相应的报警信号。电机过热保护：在执行器的电机线圈里埋有热敏开关，一旦线圈温度超过预设值( + 1 3 2 ) ，热敏开关将断开相应触点，禁止执行器运行并发出报警信号。瞬时逆转保护：当执行器正在向一个方向转动时，例如正在执行开阀动作，如果接受到关阀命令，执行器内部的控制逻辑将会延时一段预设的时间后才执行关阀命令。这样可以减少电机电流的冲击，延长接触器的寿命，同时防止冲击负载对阀秆和齿轮箱等机械传动装置可能造成的损伤，有效保护电机。阀门自动排堵保护：当流程控制参数被改变或阀门受到磨损和腐蚀的影响时，阀门的许用力矩也会随之发生变化。此时可根据用户需要当电动执彳亍机构在运行中的输出力矩超过设定的许用力矩时，执行机构向发生堵转的相反方向运动l 。o 秒，然后再向发生堵转的方向运动，若尝试三次后仍不能继续运行，此时才切断电机供电。后备电源：为防止意外掉电，在执行器内部还有可充电电池作为后备电源，一旦出现断电，后备电源会自动接通供电线路，对通讯、记录及显示等功能模块提供充裕的电能。电源管理模块会自动管理电源电量，在正常供电情况下自动给电池充电。检错报警功能：执行器一旦发生故障，显示屏应及时显示故障原因，根据不同的故障原因显示不同的报警信号，准确指示执行器的运行四川大学硕士学位论文状态。1 1 )e s d 信号输入：此功能为应付现场工作条件下的突发情况提供必要的保障。在e s d 使能的前提下，用户可以根据自身具体情况预先设置e s d 动作，如开、关、停、是否温度旁路、是否力矩旁路、是否使用中断定时器等，一旦用户按下e s d 开关，产生一个e s d 信号，使执行器运行预设的e s d 动作。1 2 )对阀门和管线的保护：当管线中的压力流量较大时，执行器应有断续运行功能，用于降低阀门开关的速度，防止产生水锤效应，给设备带来损害。1 3 )总线控制功能：为了使执行器的控制更加数字化、信息化、网络化，实现远程集成控制，满足用户能够在一台机器上控制多台执行器的要求，更方便地控制阀门的开关停操作，减小维护人员的劳动强度，系统提供了工业总线控制功能。1 4 )执行器的控制输入和状态输出：考虑到执行器体积不能过大，为使其在现场的工作更加灵活，接线端子应提供一些开关量的输出，用户可根据执行器的当前状态进行其他的操作，比如多台执行器的联锁工作。另外除了e s d 信号输入，还提供执行器开启关闭和停止信号输入、开关联锁信号输入等。同时执行器还对外提供2 4 v 电源，方便用户的外部接线。1 5 )扩展板：包括模拟阀位的信号输入和反馈输出，输出继电器的扩展，总线扩展等。2 5 电动执行器的结构及工作原理电动执行器的基本结构如图2 1 所示：1 2四川大学硕士学位论文图2 一l 电动执行器基本结构图智能电动执行器主要由微控制器、三相电动机、减速传动机构、位移传感器、转矩传感器、电源转换、温控开关、红外遥控、总线控制等组成。其中微控制器作为系统的检测帮控制模块，控制方式可以是本地或远程，通过红外遥控或总线控制接受用户指令，控制三相电机的停启动和正反转，推动执行器使阀门开口到指定的大小，同时检测执行器位移、电机轴扭矩和电机线圈温度信号，确保系统的安全运行和精确的执行结果。四川大学硕士学位论文第三章系统机械结构及电机特性分析3 1 电机特性分析电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。仅在需要均匀调速的生产机械上，如龙门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构，以及在某些电力牵引和起重设备中才采用直流电动机。同步电动机主要应用在：功率较大、不需调速、长期工作的各种生产机械，如压缩机、水泵、通风机等口) 。在一些要求较高的自动控制系统中，伺服电机也得到了广泛应用，交流伺服电机相当与一个两相异步电动机，由控制绕组和励磁绕组组成旋转磁场，反馈信号和控制信号经比较放大后在控制绕组上产生交流电压，通过调节控制信号的大小可以控制电机的转向和转速，控制精度高、能够立即停转是它的特点，但其机械特性较差，且输出功率小，在控制精度要求高和中小功率场合可以选用。本文设计的电动执行器用于控制一些液压阀门，要求的力矩输出较大，因此选用了三相异步电动机。电机工作原理为：当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间形成旋转磁场。其产生的磁力线切割转子绕组中的导条，使导条感应出电动势，从而与闭合的旋转磁场相互作用，产生的电磁力使转子转动。当旋转磁场具有p 对极时，磁场的转速为：n 0 i 竽( f l 为工频5 0 h z )根据此公式，对应于不同极对数p 的旋转磁场转速见下表：pl23456n o ( r m i n )3 0 0 01 5 0 01 0 0 07 5 06 0 05 0 0转子转动方向与磁场旋转方向相同，但转速n 不可能达到与旋转磁场的转速1 4四川大学硕士学位论文相等，转差率s 表示了转子转速n 与旋转磁场转速n 0 相差的程度：s = ( n 0 一n ) n o 。经过对三相电动祝的电路分析，我们可以得到电机产生的转矩和线圈电流表达式：转矩表麟趾焉帕面高转子线圈电流：五2 了瑟万i i 磊等专丽( 犬，s + r s ) 2 十( 爿l j + x 1 ，) 2式中：p 定子极对数；f 三相电频率；u l 每相定予电压；s 转差率；r s 、鼢定子每相线圈毫阻和折合到定子侧的转子每相线圈电阻；x l s 、x l r 定子每相线圈漏磁感抗和折合到定子侧的转子每相线圈漏磁感j 玑；x m 定子转子磁化感抗瀚。根据转矩表达式可以得到三楣异步电动机的机械特性曲线图：n 0n nt图3 1 电机机械特性曲线图通常三相异步电动机都工作在图中a b 段，凿线较平坦，因此当负载在空载与额定僮之间变化时电动机的转速变化不大“1 。3 。1 启动转矩与启动电流在电机启动初始瞬间，n = 0 ，s = l ，一般额定转速时转差率很低，例如电机额定转速为1 4 4 0 r m i n ，通过上表可知定子同步转速为1 5 0 0 r m i n ，极对数p = 2 ，耋5四川大学硕士学位论文可得转差率s = ( 1 5 0 0 1 4 4 0 ) 1 5 0 0 l o o _ 4 ，代入以上两个公式我们可以得出电机刚启动时启动转矩t s t 与额定转矩之比约为1 o 2 2 ，启动电流i s t 很大，约为额定电流的5 7 倍，在供电电压幅值和频率一定的情况下，它们都与定子转子线圈电阻和漏磁感抗有关，与磁化感抗无关，另外启动转矩还与电机极对数成正比。在电动机启动时我们要保证启动转矩大于负载转矩，启动电流也不能太大。a 线圈电阻的大小与导线材料、长度和截面积有关，而漏磁感抗包括由硅钢片叠成的铁心产生的漏抗和空气隙产生的漏抗，由于铁心的导磁性能比空气隙要好很多，因此铁心部分的磁抗比空心隙产生的磁抗要小很多。尽管三相电为相互相隔1 2 0 。的交流电，但每一时刻它们在异步电机中合成的磁势和磁场在空间中并不完全是正弦分布的，通过谐波分析法可以得出定子和转子绕组的磁势除基波外，还包括一系列的五次以上谐波磁势。此外，由于定子和转子都有齿和槽，气隙磁阻不是均匀的，即使在正弦分布的磁势作用下也将产生非正弦的磁场，也包含很多谐波磁场，它们对异步电机带来很多不利的影响，如产生较大的损耗而使电机效率降低和温升过高，产生较大的振动、躁声和附加转矩、影响电机的启动等。当异步电动机在正常运行时电流变化平缓，起主要作用的是还是基波磁场产生的转矩，但在启动时在转速变化过程中，谐波磁场产生的力矩不能忽略。通常人们将定子绕组改为分布的和短距的来削弱谐波磁势璐1 。b 三角形联接比星形联接时启动转矩大设每相阻抗为z ，星形联接时，u 相= u 线3 ，i 相= i 线= 己慨3 z ；三角形联接时，洳= 跳，i 线= 3 i 相= 3 u 相z ，尽管星形联接时启动电流是三角形连接时的1 3 ，但由于电压降低了，启动转矩也为三角形连接时的l 3 ，故在负载较大时一般采用三角形联接。3 1 2 最大转矩当负载转矩超过电机最大转矩时，电机就带不动负载了，发生所谓的闷车现象，闷车后电机的电流马上升高六七倍，电动机严重过热，以致烧坏。但短时过载不会导致电机立即过热，是允许的。一般通过过载系数见来描述最大转矩与额定转矩之比。通过上式转矩表达式对转差率求导可得最大转矩表达式为：1 6理j | | 大学硬圭学位论文品：螋率下丝二一，此时岛。，二一万厂尼+ 尼2 + ( 爿l 。+ x 1 ，) 2r 。2 + ( x b + x 1 ，) 2通过这两个式子我们可以得出：a 最大转矩与转子线圈电阻r r 无关，与漏抗成反比，但此时的转差率s e r 与r r 成正比，因此减小漏抗对增大最大转矩起主要作用；b 最大转矩与外施电悉的平方成正比，所以异步电动机对电网电压波动很敏感。在执行器中当我们检测到电机轴转矩达到最大转矩时会马上断开电机供电。3 1 3 效率特性和功率因数在负载小于额定值时，异步电动机的定子铁耗很小，因为磁通和转速变化都很小，可以看成不变的损耗，两定子转子绕组上的电阻损耗隧负载而变纯，与定子转子电流平方成正比，负载越大损耗越大，一般的三相异步电动机效率在额定负载附近达到最大值。异步电动机相当予个电阻和电感并联的负载，因而其功率因数总小于l 。空载时定子电流主要用于无功激磁，功率因数很低，当负载增加时，定子电流中的有功分量增加，丽使s 妒值增大，当接近额定负载时c o s 妒增大，当负载超过额定值时，s 值较大，又由转子线圈电流表达式可知转子等效电阻为r 。s ，则转子电路中的功率因数角妒：= 智一( x ：s r z ) 值较大，即转子端消耗在电阻上的功率增加，消耗在产生有效转矩的感抗上的功率比率减小，故功率因数减小强1 。因此，功率因数翻效率一样，都是额定负载附近最高，电动枫的额定功率要合适，如果过小，电机运行时要过载过热；过大效率和功率因数都降低，增加运行费用，在执行器设计时由于阀门开关的速度也不能太快，若电机额定功率过大，将使转速过快，可能会对阀门产生损害。3 2 系统对三相异步电动机的要求a 豳于执行器允许不通过调速控制电机，需保证在接近开关阀时应保证阀 j 能够很快停止下来，故要求电枧有小的转动惯量。b 。开阀和关阀的初始力矩很大，因此电机要有很高的启动力矩。我们以执行器最高输出转速为3 6 转分、最大输出转矩为3 0 0 黼为例，则1 7四川大学硕士学位论文电机额定输出功率为p = 3 0 0 术3 6 木6 0 ( 2 木n ) = 1 1 3 0 瓦，额定电压为5 0 h z 的3 8 0 v交流电，电机额定转速取1 4 4 0 转分，堵转电流2 8 a ，极对数为2 ，三角形联接，工作方式为短时运行，另外功率因素0 8 5 ，效率8 7 。3 3 系统机械结构图3 2 执行器结构简图执行器主要是在控制器作用下控制电机转动带动机械传动部分来输出转矩和位移，机械部分主要包括蜗轮蜗杆传动、位移检测齿轮组、蜗杆轴转矩检测、电机轴与蜗杆轴的联轴器、电动手动离合器等部分，其总体结构示意图如图3 2所示。手动离合器用来控制蜗轮与手轮之间的离合，当压下手柄时，蜗轮与手轮连接，此时通过手轮可以操作执行器，当松开手柄时蜗轮与手轮分开，此时电机的转动不会带动手轮一起转动。根据以上对电机参数的选