電動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

1、課前準(zhǔn)備：多媒體課件制作、演示實驗設(shè)備調(diào)試、以4人/小組進(jìn)行分組。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，經(jīng)執(zhí)行機構(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)機構(gòu)，改變被控對象進(jìn)、出的能量或物料，以實現(xiàn)過程的自動控制。在任何自動控制系統(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、強腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、高壓差等狀態(tài)下，使用條件惡劣，因此，它是整個控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。如果執(zhí)行器選擇或使用不當(dāng)，往往會給生產(chǎn)過程自動化帶來困難。在許多場

2、合下，會導(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，對于執(zhí)行器的正確選用和安裝、維修等各個環(huán)節(jié)，必須給予足夠的注意。執(zhí)行器根據(jù)驅(qū)動動力的不同，可劃分為氣動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器，本次課將結(jié)合實驗裝置所用的智能電動調(diào)節(jié)閥使用知識進(jìn)行介紹。二、產(chǎn)品知識電動調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理（20分鐘）1、電動調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)圖1 電動調(diào)節(jié)閥外形機構(gòu) 在THJ-2的實驗裝置上，配置了上海萬迅儀表有限公司生產(chǎn)的智能型電動調(diào)節(jié)閥，其型號為QSVP-16K，圖1是電動調(diào)節(jié)閥的典型外形，它由兩個可拆分的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機構(gòu)）部分組成。上部是執(zhí)行機構(gòu)，接受調(diào)節(jié)器

3、輸出的010mADC或420mADC信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移，推動下部的調(diào)節(jié)閥動作，直接調(diào)節(jié)流體的流量。各類電動調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)基本相同，但調(diào)節(jié)閥（調(diào)節(jié)機構(gòu)）的結(jié)構(gòu)因使用條件的不同類型很多，最常用的是直通單閥座和直通雙閥座兩種。2、電動執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)采用了德國進(jìn)口的PSL電子式一體化的電動執(zhí)行機構(gòu)，該產(chǎn)品體積小、重量輕，功能強、操作方便，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。其直行程電動執(zhí)行器主要是由相互隔離的電氣部分和齒輪傳動部分組成，電機作為連接兩個隔離部分的中間部件。電機按控制要求輸出轉(zhuǎn)矩，通過多級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

4、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)行機構(gòu)輸出軸帶有一個防止傳動的止轉(zhuǎn)環(huán)，輸出軸的徑向鎖定裝置也可以做動位置指示器。輸出軸止動環(huán)上連有一個旗桿，旗桿隨輸出軸同步運行，通過與旗桿連接的齒條板將輸出軸位移轉(zhuǎn)換成電信號，提供給智能控制板作為比較信號和閥位反饋輸出。同時執(zhí)行機構(gòu)的行程也可由齒條板上的兩個主限位開關(guān)開限制，并由兩機械限位保護(hù)。3、執(zhí)行機構(gòu)工作原理圖2 智能電動執(zhí)行機構(gòu) 電動執(zhí)行機構(gòu)是以電動機為驅(qū)動源、以直流電流為控制及反饋信號，原理方塊圖如圖3所示。當(dāng)控制器的輸入端有一個信號輸入時，此信號與位置信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩個信號的偏差值大于規(guī)定的死區(qū)時，控制器產(chǎn)生功率輸出，驅(qū)動

5、伺服電動機轉(zhuǎn)動使減速器的輸出軸朝減小這一偏差的方向轉(zhuǎn)動，直到偏差小于死區(qū)為止。此時輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。圖3 電動執(zhí)行機構(gòu)工作原理4、控制器結(jié)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、閥位電阻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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。圖3 智能控制器組成結(jié)構(gòu)5、調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥與工藝管道中被調(diào)介質(zhì)直接接觸，閥芯在閥體內(nèi)運動，改變閥芯與閥座之間的流通面積，即改變閥門的阻力系數(shù)就可以對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4、圖5給出直通單閥座和直通

6、雙閥座的典型結(jié)構(gòu)，它由上閥蓋(或高溫上閥蓋)、閥體、下閥蓋、閥芯與閥桿組成的閥芯部件、閥座、填料、壓板等組成。圖5 直通單座調(diào)節(jié)閥圖4 直通雙座調(diào)節(jié)閥直通單閥座的閥體內(nèi)只有一個閥芯和一個閥座，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、泄漏量小(甚至可以完全切斷)和允許壓差小。因此，它適用于要求泄漏量小，工作壓差較小的干凈介質(zhì)的場合。在應(yīng)用中應(yīng)特別注意其允許壓差，防止閥門關(guān)不死。直通雙座調(diào)節(jié)閥的閥體內(nèi)有兩個閥芯和閥座。它與同口徑的單座閥相比，流通能力約大20%25%。因為流體對上、下兩閥芯上的作用力可以相互抵消，但上、下兩閥芯不易同時關(guān)閉，因此雙座閥具有允許壓差大、泄漏量較大的特點。故適用于閥兩端壓差較大，泄漏量要求不

7、高的干凈介質(zhì)場合，不適用于高粘度和含纖維的場合。三、動手實踐電動調(diào)節(jié)閥的基本使用（35分鐘）1、識讀銘牌識讀電動調(diào)節(jié)閥的銘牌，并回答問題：a）口徑多少？b）閥桿行程多大？c)工作壓力是多少？d）流量系數(shù)多少？e)最大推力是多少？2、線路聯(lián)接由于PSL執(zhí)行機構(gòu)采用了一體化技術(shù)，自帶伺服放大器，在不需要閥位顯示的情況下，線路聯(lián)接極為方便，只需二路線電源線和控制線。圖6是其線路聯(lián)接圖。圖6 執(zhí)行機構(gòu)電氣聯(lián)接圖打開機殼即可看見如圖示意，對應(yīng)圖示插上智能控制板，嵌入定位銷將其固定。執(zhí)行機構(gòu)外殼內(nèi)有端子條用于電氣接線，選擇適當(dāng)?shù)碾娫淳€與執(zhí)行機構(gòu)相連，建議使用1.0（mm2）導(dǎo)線。注：線路聯(lián)接時電源線一定要

8、正確，不然會造成控制器損壞。3、調(diào)試執(zhí)行機構(gòu)在出廠前都進(jìn)行了整定，一般使用時不需要再調(diào)試。實際使用中可能需對調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行整定，為此，就PSL的限位開關(guān)整定問題作介紹。（1）基本原則執(zhí)行器與調(diào)節(jié)閥門安裝連接組合后的產(chǎn)品調(diào)試必須作到三位同步：調(diào)節(jié)閥位置、行程開關(guān)位置、對應(yīng)信號位置。例：輸入信號為4mA，下限位開關(guān)是斷電位置；輸入信號為20mA，調(diào)節(jié)閥處于滿度開位置，上限位開關(guān)是斷電位置。判斷行程限位開關(guān)力辦法：上、下行程由調(diào)節(jié)凸塊碰撞到限位開關(guān)時，會聽到“咔嗒”聲均可，反作用時相反操作。（2）整定方法n 手動執(zhí)行器驅(qū)動閥門的閥芯接觸閥座。當(dāng)閥桿開始軸向動作時，閥桿受力為執(zhí)行器盤簧的反作用力。n

9、繼續(xù)向同一方向驅(qū)動執(zhí)行器，直到執(zhí)行機構(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n 不通電轉(zhuǎn)動手輪使閥桿下降至“0”位置時，調(diào)整下限限位開關(guān)正好動作（圖2）（右凸塊）。同時左旋反饋電位器到“0”歐姆位置。再轉(zhuǎn)動手輪使閥桿上升至標(biāo)尺100%位置時，調(diào)節(jié)上限限位開關(guān)正好動作（左凸塊）。重復(fù)上述動作直至上、下限限位都調(diào)整好。四、理論提高電動執(zhí)行機構(gòu)工作原理（選學(xué)25分鐘）1、電動執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理通過以上部分的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道電動執(zhí)行機構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行單元兩大部分，其典型結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖8所示，對其工作原理在此作進(jìn)一步討論。加深知識的理解與掌握，達(dá)到舉一

10、反三之目的。 圖8 電動執(zhí)行機構(gòu)組成框圖伺服放大器將輸入信號Ii和反饋信號If相比較，得到差值信號I（I=IiIf）。當(dāng)差值信號I0時，I經(jīng)伺服放大器功率放大后，驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)，再經(jīng)機械減速器減速后，使輸出轉(zhuǎn)角增大。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I減小，直至I=0時，伺服電機才停止轉(zhuǎn)動，輸出軸就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。反之，當(dāng)I0時，伺服電機反轉(zhuǎn)，輸出軸轉(zhuǎn)角減少，If也相應(yīng)減小，直至使I=0時，伺服電機才停止轉(zhuǎn)動，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。它與電機配合工作的伺

11、服驅(qū)動電路如圖9所示。圖9前置放大器是一個增益很高的放大器，根據(jù)輸入信號與反饋信號相減后偏差的正負(fù)，在a、b兩點產(chǎn)生兩位式的輸出電壓，控制兩個可控硅觸發(fā)電路中一個工作，一個截止。當(dāng)前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（）時，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的繞組，同時經(jīng)分相電容CF加到繞組上，這樣，繞組中的電流相位比繞組超前90o，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使電機朝一個方向轉(zhuǎn)動。如果前置放大器的輸出電壓極性和上述相反，即a（）、b（+）時，觸發(fā)電路1截止，可控硅SCR1不通，而觸發(fā)電路2控制SCR2

12、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繞組，并經(jīng)分相電容CF供電給繞組。這樣，繞組中的電流相位比繞組超前90o，電機朝相反的方向轉(zhuǎn)動。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信號大于不靈敏區(qū)，觸發(fā)電路便可使可控硅導(dǎo)通，電動機以全速轉(zhuǎn)動，這里可控硅起的是無觸點開關(guān)的作用。當(dāng)SCR1和SCR2都不導(dǎo)通，伺服電機停止轉(zhuǎn)動。3、執(zhí)行單元執(zhí)行單元由伺服電機、機械減速和位置發(fā)送器三部分組成。執(zhí)行單元接受伺服放大器或電動操作器的輸出信號，控制伺服電機的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)機械減速器減速后變成輸出力矩推動調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。與此同時，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的010mA，DC信號，作

13、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以平衡輸入信號。（1）伺服電機伺服電機實際上是一個二相電容異步電機，它將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩，作為執(zhí)行器的動力部件。伺服電機由一個用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠式轉(zhuǎn)子組成。定子上均布著兩個匝數(shù)、線徑相同而相隔90o電角度的定子繞組和。由于分相電容CF的作用，和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，定子旋轉(zhuǎn)磁場又在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流并構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場，兩個磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如前所述，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向取決于和中的電流相位差，即取決于分相電容CF串接在哪一個定子繞組中。圖10為了消除電機輸出軸的惰走現(xiàn)象（斷電后，電機

14、由于慣性而繼續(xù)運轉(zhuǎn)），提高整機的穩(wěn)定性，在伺服電機的尾部還裝有制動機構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。在電機轉(zhuǎn)子2的尾端環(huán)上嵌裝了幾塊磁路相互隔離的銜鐵3，電機轉(zhuǎn)動時，定子磁場通過此銜鐵吸動制動輪8，使它和制動盤9脫開，電機便自由轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機斷電時，定子磁場消失，銜鐵的吸力隨即消失，制動輪8在壓縮彈簧5的作用下，壓緊在制動盤上，依靠輪和盤的磨擦力使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動。制動輪上的調(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機構(gòu)外，還有杠桿式制動機構(gòu)和電磁式制動機構(gòu)。電動機后罩端蓋上還有手動按鈕7，撳上手動按鈕可使制動輪和制動盤脫開，以便

15、就地手動操作執(zhí)行器。（2）減速器電動執(zhí)行機構(gòu)中的減速器常在整個機構(gòu)中占很大體積，是造成電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的主要原因。由于伺服電機大多是高轉(zhuǎn)速小力矩的，必須經(jīng)過近千倍的減速，才能推動調(diào)節(jié)機構(gòu)。目前電動執(zhí)行機構(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、傳動效率高、承載能力大、單級速比可達(dá)100倍以上，獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，人們?yōu)楹喕瘻p速機構(gòu)，努力研制各種低速電機，希望直接獲得低速度、大推力、小慣性的動力。但這些執(zhí)行器的性能目前還不太理想。（3）位置發(fā)送器位置發(fā)送器的作用是將電動執(zhí)行機構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?10mA，DC反饋信號的裝置。其主要部分是差動變壓器，如圖11(b)所示。 圖11 差動變壓器差動變壓器采用三段式結(jié)構(gòu)，中間一段繞有一個初級激磁線圈W1，兩邊對稱地繞有兩個完全相同的次級線圈W2，它們反向串聯(lián)，其感應(yīng)電勢的差值作為輸出。在線圈骨架中有一個可動鐵芯。在差動變壓器的初級加上交流穩(wěn)壓電源后，兩個次級繞組分別感應(yīng)出交流電壓V34、V56。由于兩個次級繞組匝數(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)鐵芯位于差動變壓器的中間位置時，輸出V00；當(dāng)鐵芯右移時，V00，此時輸出V0的極性取決于V56；當(dāng)鐵芯左移時，同樣有V00，其V0的極性取決于V34。執(zhí)行機構(gòu)輸出軸與差動變壓器之間的聯(lián)接如圖11（a）所示。差動變壓器的鐵芯與凸輪