电动调节阀原理及其在暖通空调领域的应用

电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。与传统调节阀相比具有明显的优点:电动调节阀节能(只在工作时才消耗电能),环保(无碳排放),安装快捷方便(无需复杂的气动管路和气泵工作站)。

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。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。

下图示是实验装置所配的电动调节阀典型外形,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。

下图示是一个一体化的直行程电动执行机构。它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。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。

电动执行机构的工作原理可以用下图表示,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。

实验装置所配的控制是一个智能型的,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。

这里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。

调节阀的性能特点: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。

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?

线路联接: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。

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。

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下图所示。

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。

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。

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。

(2)减速器: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。

(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,下图所示。

在现代空调系统设计中,越来越多的空调系统中对于能量的交换采用自动控制,即根据室温的变化对系统供应的热/冷水量或风量进行相应的调节以达到所需的室温。在一个完整的控制回路中,需要用到如下图所示的室温或回风温度传感器,控制器及执行机构(如下图中的电动调节阀)。在水路系统中,电动调节阀就是最常用的执行机构。

电动调节阀由驱动器和阀体二部分组成,根据控制器的信号的要求开大或关小阀门,对流量进行调节,从而实现调节能量的目的。

1.定义:阀门的流通能力反映的是阀门的通过能力,其定义为阀两端的压差为1bar时,通过阀门KV的流量,常用来表示,见公式(1)。当阀门处于全开状态时的流通能力为阀门的最大流通能力,常用KVS表示。KVS是阀门的一个特性参数,类似电路中电阻的概念,它只与阀门的结构有关,是一个不变的值,是厂家必须提供的阀门技术参数之一。

阀门全开时的流通能力最大为KVS,全关时为0,其它开度位置的流通能力用KV值表示,与阀门的开度相对应。

例如:已知经过阀门的设计流量和阀门的KVS值,可通过公式(3)算出阀门的压降,为水泵选型提供依据。

公式(4)阀门并联的情况对于平时设计是非常有用的。经常有一些系统需要用到口径很大的调节阀,如DN300,而这种大口径的调节阀在市场是很难买到,即使有的话,价格也非常昂贵,而且这么大的阀门其所需的关闭压差会很大,需要用到力矩很大的驱动器,这也是很难做到的。因此很多工程遇到这种需求时常常用电动蝶阀代替,这种做法只满足了尺寸安装的要求,而舍弃了最重要的调节性能。

实际上遇到这种大口径阀门的需求时,通常可以用二个阀门的并联方式解决,通常二个阀门KV值按1/3和2/3的关系进行并联匹配,开动作时为先开小阀,后开大阀,关动作时先关大。

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