电动执行机构

电动执行机构,设备工程部李福特,一、电动执行机构,执行器概述执行器的作用在控制仪表中，变送器是信息的源头，控制器是信息的处理器，执行器是信息的终端。执行器也被称作终端元件（FinalElement）。执行器如果选择不当，往往会给生产过程自动化带来困难。因此必须对执行器的设计、安装、调试和维护给与高度重视。执行器的构成执行器由执行机构和控制机构组成。控制机构有调节机构、调节阀和控制阀之称。执行机构是执行器的一部分。,二、电动执行机构分类,按输出位移分为三类角行程，输出力矩和90转角，用于控制蝶阀、球阀、百叶阀、风门、旋塞阀、挡板阀等。力矩不大于600Nm时，减速器高速级为两级行星齿轮传动，输出级为蜗杆传动(蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90。蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和动力。)。力矩不小于1000Nm时，减速器由多转执行机构减速器配蜗杆减速器组成。直行程，输出推力和直线位移，用于单、双座调节阀、套筒阀、高温高压给水阀、减温水调节阀。减速器由多转执行机构配接丝杠螺母传动装置组成。多转式，输出力矩和超过360的转动，用于控制各类闸板阀、截止阀、高温高压阀、减温水阀及需要多圈转动的其他调节阀。减速器高速级为行星齿轮传动，输出轴为交错轴斜齿轮传动。,内行星齿轮传动原理示意图,行星传动的特点：减速比大，传动效率高，结构复杂，加工成本高。,NN行星齿轮传动原理示意图,按调节方式分为三类开关型（两位型），执行机构接收开关信号控制输出，即使开关复位，输出件继续移动，直到极限位置停止。执行机构除非紧急按停，不能停在中间位置。原理与远控调节型相同，区别是能自动保持开关信号。远控开关型（调节型），执行机构接收开关（继电）信号控制输出位移，开关复位，输出件停止运动。是一种开环的可间断调节的控制系统。比例调节型，执行机构接收系统的控制信号自动实现工业过程调节控制，控制行程与输入信号成正比。是一种带负反馈的偏差控制系统。,单相远控型电动执行机构电路原理图,采用2相旋转磁场电动机，电源为AC220V。KM1为开接触器，KM2为关接触器S1（常闭）为开行程开关，S2（常闭）为关行程开关S3（常开）为开力矩开关，S4（常开）为关力矩开关KM3为开力矩接触器，KM4为关力矩接触器，KM3-1（常闭）为开力矩切断触点，KM4-1（常闭）为关力矩切断触点KM3-2（常开）为开力矩自保持触点，KM4-2（常开）为关力矩自保持触点KM3-3（常开）为开力矩报警触点，KM4-3（常开）为关力矩报警触点TAM为电流变换器，输出电流信号（4到20毫安），用于远方指示。,三相远控型电动执行机构电路原理图,张家口电厂2号机组的减温水门电动执行机构接线图,整体比例调节型电动执行机构原理框图,G是定位器，TS是力矩行程限制器，M是电动机，J是减速器，P为角度传感器（电位器）,分立式比例调节型电动调节机构原理框图,G为位置定位器，K为开关控制箱，M为电动机，J为减速器，TS为力矩行程限制器，PF为位置发送器（电位器）。,张家口电厂引风机出口挡板的电动执行机构,力矩保护机构,行星减速器的力矩保护机构,蜗杆蜗杆减速器的力矩保护机构,老式电动执行器的特征,前面列举的都是老式电动执行器。开关控制型采用的是继电开关控制，控制装置为远处的继电开关柜，或通过DI和DO连接到DCS上。比例调节型采用的是模拟的运算放大器加继电式的开关型组成。这些设备线路复杂，以开关型为例，由于使用的是220VAC电源，在传动检查线路是否完好时，需要对照接线图使用电笔检查。电机传动普遍采用行星齿轮减速，具有减速比大，效率高，机械损失小的特点。,DI模件的典型接口电路原理,DO模件的典型接口电路原理,智能型电动执行器,随着集成电路和数字技术的发展，继电开关和模拟运算放大电路已开始被微型芯片电路板取代。出现了智能型电动执行器。例如，西博思最新型电动执行器的控制板分为经济型和专业型，经济型针对传统的开关控制和两位型，专业型针对传统的比例调节型。新型的智能型电动执行器电机普遍采用蜗杆蜗轮减速。,英国Rotork电动执行器结构图1、电动机2、行程和力矩传感器3、减速装置4、阀门附件5、手动轮6、执行器控制板7、电气接线端8、现场总线板,带Rotork多回转执行机构的闸阀,带Rotork角行程执行执行机构的蝶阀,德国AUMA电动执行机构结构图1、电动机2、行程和力矩传感器3、减速器4、阀门附件5、手动轮6、执行器控制板7、电气接线8、现场总线板,AUMA角行程执行机构带蝶阀示意图,AUMA执行机构带闸阀示意图,露天安装的AUMA电动执行器，中间灰色电缆是电机电源线，两侧的四个蓝色电缆（本安信号）用于传输末位、力矩和远方程令,偏心轮减速电动执行器1、电动机2、齿轮减速器3、偏心轴环4、行星轮5、驱动轮6、螺杆插座7、指示灯8、就地指示和学习9、控制模块10、行程传感器11、力矩传感器12、力矩调整簧13、蜗杆螺纹14、力矩转杆15、空心轴16、太阳轮17、行星轮拨杆18、手动轮,在电动执行机构中的变频器,启动时，应减小电机的浪涌冲击和阀门的水锤效应。调节时，针对不同的偏差，用于改变电机的转速，使电动执行器定位更准确。带变频控制的执行器电源板带有滤波电路，通过滤除变频控制产生的高次谐波和电网干扰脉冲对内部电气部件的影响。采用电容和电感滤波。采用限流电阻旁路设计来限制浪涌冲击。,二、调节机构,调节机构是执行器的调节部分，在执行机构的输出力和输出位移作用下，调节机构阀芯的运动，改变了阀芯与阀座之间的流通截面积，即改变了调节阀的阻力系数，使被控介质流体的流量发生相应变化,单导向结构,直通单座调节阀：阀体内只有一个阀芯和一个阀座。结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。,常用调节阀结构示意图及特点直通单座调节阀,双导向结构,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：阀体内有两个阀芯和阀座。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。,常用调节阀结构示意图及特点直通双座调节阀,均为双导向结构,它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。,角形调节阀：阀体为直角形流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好，在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。但侧进底出在小开度时易发生振荡。角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。,常用调节阀结构示意图及特点角形调节阀,分流三通调节阀,三通调节阀：阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。,常用调节阀结构示意图及特点三通调节阀,合流三通调节阀,蝶阀：蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合泄漏较大蝶阀通常工作转角应小于70，此时流量特性与等百分比特性相似多用于开关阀,常用调节阀结构示意图及特点蝶阀,蝶阀,套筒阀：套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。,常用调节阀结构示意图及特点套筒阀,套筒阀,偏心旋转阀：转轴带动阀芯偏心旋转体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。,常用调节阀结构示意图及特点偏心旋转阀,偏心旋转阀,“O”形球阀：阀芯为一球体阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大流量特性为快开特性，一般用于位式控制。,常用调节阀结构示意图及特点“O”形球阀,“O”形球阀,“V”形球阀：阀芯也为一球体但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。,常用调节阀结构示意图及特点“V”形球阀,“V”形球阀,孔板流量计的公式,流量系数和流量特性,调节阀的流量方程,依据的原理：伯努利方程（能量守恒）,流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数,流量系数KV的定义:,在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即540的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3）,调节阀的流量系数,把上述参数代入流量方程，即可算出实际工况的流经阀门的流量,事实上，这里提出流量系数的概念，用意不在流量的计算上，真正目的是根据工艺要求如何来选择一台合适的调节阀。,根据工艺要求，即流量Q、前后差压P、介质密度，可以用下式来计算调节阀的流量系数，并以此来作为阀门口径选择的依据之一：,注意：上式中各参数的单位上式只适用于一般的流体（如水或者类似流体）流体的种类和性质将影响KV的大小，因此对不同的流体必须考虑其对流量系数的影响流体的流动状态也将影响K的大小,流量系数的计算,可调比R反映调节阀的调节能力的大小,定义:调节阀所能调节的最大流量和最小流量之比,调节阀前后压差的变化，会引起可调比变化，将可调比分为理想可调比和实际可调比。,调节阀的可调比,理想可调比由结构设计决定，通常,R=30或50,理想可调比R(P一定),串联管道时的可调比,设,实际可调比Rr(P变化),并联管道时的可调比,R1,设,调节阀流量特性：介质流过调节阀的相对流量与相对位移（即阀的相对开度）之间的关系,调节阀前后压差的变化，会引起流量变化。流量特性分为理想流量特性和实际流量特性,调节阀的流量特性,最大流量,最大位移,实际位移,实际流量,调节阀的固有特性，由阀芯的形状所决定。,1-快开特性,2-直线特性,3-抛物线特性,4-等百分比（对数）特性,理想流量特性(P一定),在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就达到最大；此后再增加开度，流量变化很小,有效位移一般为阀座直径的1/4,适用于迅速启闭的位式控制或程序控制系统,快开流量特性,上述4种流量特性中：直线和等百分比最常用。,特点：a.放大系数是常数,调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数,b.Q流量相对变化值,直线流量特性,单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量值的平方值的平方根成正比关系,抛物线流量特性,为了弥补直线特性在小开度时调节性能差的缺点，在抛物线特性基础上派生出一种修正抛物线特性，它在相对位移30%及相对流量变20%这段区间内为抛物线关系，而在此以上的范围是线性关系。,特点：a.Q放大系数,单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系,b.流量相对变化值是常数,等百分比流量特性（对数流量特性）,(1)串联管道时,*流量特性发生畸变直线特性快开特性等百分比特性直线特性,*可调比减小,工作流量特性(P变化),(2)并联管道时的工作流量特性,通常一般X值不能低于0.8，即旁路流量只能为总流量的百分数之十几。,可调比将大大下降,执行器的选用是否得当，将直接影响控制系统的控制质量、安全性和可靠性,执行器的选择，主要是从以下三方面考虑：,1.调节阀的结构形式；,2.调节阀的流量特性；,3.调节阀的口径。,执行器的选择计算,执行机构的选择,执行器结构形式的选择,可以根据实际使用要求，综合考虑确定,输出转速应满足调节机构的调节时间,选择执行机构时，还必须考虑执行机构的输出力（力矩）应大于它所受到的负荷力（力矩）,负荷力（力矩）包括流体对阀芯产生的作用力（不平衡力）或作用力矩（不平衡力矩）阀杆的摩擦力、重量以及压缩弹簧的预紧力,(1)执行机构的选择,主要依据是：（1）流体性质如流体种类、粘度、腐蚀性、是否含悬浮颗粒（2）工艺条件如温度、压力、流量、压差、泄漏量（3）过程控制要求控制系统精度、可调比、噪音根据以上各点进行综合考虑，并参照各种调节机构的特点及其适用场合，同时兼顾经济性，来选择满足工艺要求的调节机构。,(2)调节机构的选择,实际上是指如何选择直线特性和等百分比特性,经验准则:,适当地选择调节阀的特性，以阀的放大系数的变化来补偿控制对象放大系数的变化，使控制系统总的放大系数保持不变或近似不变,（1）考虑系统的控制品质,执行器流量特性的选择,调节阀在串联管道时的工作流量特性与S值的大小有关，即与工艺配管情况有关。因此，在选