電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作原理

一、課程導(dǎo)引——執(zhí)行器的作用在過程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器的指令信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象進(jìn)、出的能量或物料，以實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)控制。在任何自動(dòng)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器是必不可少的組成部分。如果把傳感器比擬成控制系統(tǒng)的感覺器官，調(diào)節(jié)器就是控制系統(tǒng)的大腦，而執(zhí)行器則可以比擬為干具體工作的手。執(zhí)行器常常工作在高溫、高壓、深冷、強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、高壓差等惡劣狀態(tài)下，因此，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。如果執(zhí)行器選擇或使用不當(dāng)，往往會(huì)給生產(chǎn)過程自動(dòng)化帶來困難。在許多場(chǎng)合下，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量下降、調(diào)節(jié)失靈，甚至因介質(zhì)的易燃、易爆、有毒而造成嚴(yán)重的事故。為此，對(duì)于執(zhí)行器的正確選用和安裝、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)，必須給予足夠的注意。執(zhí)行器根據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的不同，可劃分為氣動(dòng)執(zhí)行器、液動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器，本次課將結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置所用的智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使用知識(shí)進(jìn)行介紹。二、產(chǎn)品知識(shí)——電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理（20分鐘）1、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)圖1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥外形機(jī)構(gòu)在THJ-2的實(shí)驗(yàn)裝置上，配置了上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，其型號(hào)為QSVP-16K，圖1是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的典型外形，它由兩個(gè)可拆分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）部分組成。上部是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接受調(diào)節(jié)器輸出的0～10mADC或4～20mADC信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移，推動(dòng)下部的調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，直接調(diào)節(jié)流體的流量。各類電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本相同，但調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)因使用條件的不同類型圖1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥外形機(jī)構(gòu)2、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)（部分摘自上海萬迅儀表產(chǎn)品說明書）執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了德國(guó)進(jìn)口的PSL電子式一體化的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該產(chǎn)品體積小、重量輕，功能強(qiáng)、操作方便，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。其直線行程電動(dòng)執(zhí)行器主要是由相互隔離的電氣部分和齒輪傳動(dòng)部分組成，電機(jī)作為連接兩個(gè)隔離部分的中間部件。電機(jī)按控制要求輸出轉(zhuǎn)矩，通過多級(jí)正齒輪傳遞到梯形絲桿上，梯形絲桿通過螺紋變換轉(zhuǎn)矩為推力。因此梯形螺桿通過自鎖的輸出軸將直線行程傳遞到閥桿。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸帶有一個(gè)防止傳動(dòng)的止轉(zhuǎn)環(huán)，輸出軸的徑向鎖定裝置也可以做動(dòng)位置指示器。輸出軸止動(dòng)環(huán)上連有一個(gè)旗桿，旗桿隨輸出軸同步運(yùn)行，通過與旗桿連接的齒條板將輸出軸位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，提供給智能控制板作為比較信號(hào)和閥位反饋輸出。同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程也可由齒條板上的兩個(gè)主限位開關(guān)開限制，并由兩機(jī)械限位保護(hù)。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)源、以直流電流為控制及反饋信號(hào)，當(dāng)控制器的輸入端有一個(gè)信號(hào)輸入時(shí)，此信號(hào)與位置信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的偏差值大于規(guī)定的死區(qū)時(shí)，控制器產(chǎn)生功率輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使減速器的輸出軸朝減小這一偏差的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到偏差小于死區(qū)為止。此時(shí)輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。圖3電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理4、控制器結(jié)構(gòu)圖2智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器由主控電路板、傳感器、帶LED操作按鍵、分相電容、接線端子等組成。智能伺服放大器以專用單片微處理器為基礎(chǔ)，通過輸入回路把模擬信號(hào)、閥位電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微處理器根據(jù)采樣結(jié)果通過人工智能控制軟件后，顯示結(jié)果及輸出控制信號(hào)。圖2智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)手動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)閥門的閥芯接觸閥座。當(dāng)閥桿開始軸向動(dòng)作時(shí)，閥桿受力為執(zhí)行器盤簧的反作用力。繼續(xù)向同一方向驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，直到執(zhí)行機(jī)構(gòu)盤簧被壓縮到盤簧圖表所示相應(yīng)數(shù)值。這樣保證關(guān)斷力，防止泄漏。圖7限位開關(guān)調(diào)整圖不通電轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使閥桿下降至“0”位置時(shí)，調(diào)整下限限位開關(guān)正好動(dòng)作（圖2）（右凸塊）。同時(shí)左旋反饋電位器到圖7限位開關(guān)調(diào)整圖四、理論提高——電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理（選學(xué)25分鐘）1、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行單元兩大部分。圖8電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成框圖伺服放大器將輸入信號(hào)Ii和反饋信號(hào)If相比較，得到差值信號(hào)ΔI（ΔI=∑Ii－If）。當(dāng)差值信號(hào)ΔI＞0時(shí)，ΔI經(jīng)伺服放大器功率放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，再經(jīng)機(jī)械減速器減速后，使輸出轉(zhuǎn)角θ增大。輸出軸轉(zhuǎn)角位置經(jīng)位置發(fā)送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的反饋電流If，反饋到伺服放大器的輸入端使ΔI減小，直至ΔI=0時(shí)，伺服電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。反之，當(dāng)ΔI＜0時(shí)，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角θ減少，If也相應(yīng)減小，直至使ΔI=0時(shí)，伺服電機(jī)才停止轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸穩(wěn)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、觸發(fā)器和可控硅交流開關(guān)等構(gòu)成。它與電機(jī)配合工作的伺服驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。圖9圖9前置放大器是一個(gè)增益很高的放大器，根據(jù)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相減后偏差的正負(fù)，在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生兩位式的輸出電壓，控制兩個(gè)可控硅觸發(fā)電路中一個(gè)工作，一個(gè)截止。當(dāng)前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（－）時(shí)，觸發(fā)電路2截止，可控硅SCR2接在二極管橋式整流器的直流端，它的導(dǎo)通使橋式整流器的c、d兩端近于短接，故220V的交流電壓直接接到伺服電機(jī)的繞組Ⅰ，同時(shí)經(jīng)分相電容CF加到繞組Ⅱ上，這樣，繞組Ⅱ中的電流相位比繞組Ⅰ超前90o，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果前置放大器的輸出電壓極性和上述相反，即a（－）、b（+）時(shí)，觸發(fā)電路1截止，可控硅SCR1不通，而觸發(fā)電路2控制SCR2完全導(dǎo)通，使另一橋式整流器的兩端e、f近于短接，電源電壓直接加于電機(jī)繞組Ⅱ，并經(jīng)分相電容CF供電給繞組Ⅰ。這樣，繞組Ⅰ中的電流相位比繞組Ⅱ超前90o，電機(jī)朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信號(hào)大于不靈敏區(qū)，觸發(fā)電路便可使可控硅導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)以全速轉(zhuǎn)動(dòng)，這里可控硅起的是無觸點(diǎn)開關(guān)的作用。當(dāng)SCR1和SCR2都不導(dǎo)通，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。3、執(zhí)行單元執(zhí)行單元由伺服電機(jī)、機(jī)械減速和位置發(fā)送器三部分組成。執(zhí)行單元接受伺服放大器或電動(dòng)操作器的輸出信號(hào)，控制伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)機(jī)械減速器減速后變成輸出力矩推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。與此同時(shí)，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的0～10mA，DC信號(hào)，作為閥位批示，并反饋到前置放大器的輸入端作為位置反饋信號(hào)以平衡輸入信號(hào)。（1）伺服電機(jī)伺服電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)二相電容異步電機(jī)，它將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，作為執(zhí)行器的動(dòng)力部件。伺服電機(jī)由一個(gè)用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠式轉(zhuǎn)子組成。定子上均布著兩個(gè)匝數(shù)、線徑相同而相隔90o電角度的定子繞組Ⅰ和Ⅱ。由于分相電容CF的作用，Ⅰ和Ⅱ的電流相位總是相差90o，其合成向量產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)又在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流并構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如前所述，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向取決于Ⅰ和Ⅱ中的電流相位差，即取決于分相電容CF串接在哪一個(gè)定子繞組中。圖10為了消除電機(jī)輸出軸的惰走現(xiàn)象（斷電后，電機(jī)由于慣性而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)），提高整機(jī)的穩(wěn)定性，在伺服電機(jī)的尾部還裝有制動(dòng)機(jī)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)子2的尾端環(huán)上嵌裝了幾塊磁路相互隔離的銜鐵3，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子磁場(chǎng)通過此銜鐵吸動(dòng)制動(dòng)輪8，使它和制動(dòng)盤9脫開，電機(jī)便自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)斷電時(shí)，定子磁場(chǎng)消失，銜鐵的吸力隨即消失，制動(dòng)輪8在壓縮彈簧5的作用下，壓緊在制動(dòng)盤上，依靠輪和盤的磨擦力使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)輪上的調(diào)整螺釘6，可以調(diào)整壓縮彈簧5的壓緊力，以改變銜鐵與制動(dòng)輪套軸之間的間隙，保證可靠的吸與放。除了這種旁磁式制動(dòng)機(jī)構(gòu)外，還有杠桿式制動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁式制動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖10電動(dòng)機(jī)后罩端蓋上還有手動(dòng)按鈕7，撳上手動(dòng)按鈕可使制動(dòng)輪和制動(dòng)盤脫開，以便就地手動(dòng)操作執(zhí)行器。（2）減速器電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的減速器常在整個(gè)機(jī)構(gòu)中占很大體積，是造成電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主要原因。由于伺服電機(jī)大多是高轉(zhuǎn)速小力矩的，必須經(jīng)過近千倍的減速，才能推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。目前電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中常用的減速器有行星齒輪和蝸輪蝸桿兩種，其中行星齒輪減速器由于體積小、傳動(dòng)效率高、承載能力大、單級(jí)速比可達(dá)100倍以上，獲得廣泛的應(yīng)用。（3）位置發(fā)送器位置發(fā)送器的作用是將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?～10mA，DC反饋信號(hào)的裝置。其主要部分是差動(dòng)變壓器。圖11差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器采用三段式結(jié)構(gòu)，中間一段繞有一個(gè)初級(jí)激磁線圈W1，兩邊對(duì)稱地繞有兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈W2，它們反向串聯(lián)，其感應(yīng)電勢(shì)的差值作為輸出。在線圈骨架中有一個(gè)可動(dòng)鐵芯。在差動(dòng)變壓器的初級(jí)加上交流穩(wěn)壓電源后，兩個(gè)次級(jí)繞組分別感應(yīng)出交流電壓V34、V56。由于兩個(gè)次級(jí)繞組匝數(shù)相等，因此感應(yīng)電壓的大小和極性取決于鐵芯的位置。當(dāng)鐵芯位于差動(dòng)變壓器的中間位置時(shí)，，輸出V0＝0；當(dāng)鐵芯右移時(shí)，，V0≠0，此時(shí)輸出V0的極性取決于V56；當(dāng)鐵芯左移時(shí)，，同樣有V0≠0，其V0的極性取決于V34。