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調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器,執(zhí)行機(jī)構(gòu),定位器,減壓器
*三章 執(zhí)行器 一、概述 二、執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
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教學(xué)目標(biāo) |
1. 熟悉執(zhí)行器的分類及特點(diǎn)、執(zhí)行器的組合方式、執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu) 2. 理解電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3. 了解閥門定位器 |
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教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn): 重點(diǎn):執(zhí)行器的分類及特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu) 難點(diǎn):氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
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習(xí)題 |
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教學(xué)內(nèi)容 一、概述 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。 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、高壓差等狀態(tài)下,使用條件惡劣,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。 (一)執(zhí)行器的分類及特點(diǎn) 執(zhí)行器按其所使用的能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類。 (1)電動(dòng)執(zhí)行器 電動(dòng)執(zhí)行器是以電能為動(dòng)力的,它的特點(diǎn)是獲取能源方便,動(dòng)作快,信號(hào)傳遞速度快,且可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào),便于和數(shù)字裝置配合使用等。所以電動(dòng)執(zhí)行器處于發(fā)展和上升時(shí)期,是一種有發(fā)展前途的裝置。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格貴和推動(dòng)力小,同時(shí),一般來說電動(dòng)執(zhí)行器不適合防火防爆的場(chǎng)合。但如果采用防爆結(jié)構(gòu),也可以達(dá)到防火防爆的要求。 (2)氣動(dòng)執(zhí)行器 氣動(dòng)執(zhí)行器是以壓縮空氣為動(dòng)力的,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠穩(wěn)定、輸出力大、維護(hù)方便和防火防爆等優(yōu)點(diǎn)。所以廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等部門,特別適用于具有危險(xiǎn)的石油、化工生產(chǎn)過程。其缺點(diǎn)是滯后大,不適宜遠(yuǎn)傳( 目前,國內(nèi)外所選用的執(zhí)行器中,液動(dòng)的很少。因此,本書只介紹電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行器。 (二)執(zhí)行器的組合方式 目前執(zhí)行器都有相應(yīng)的輔助裝置,如電/氣轉(zhuǎn)換器、閥門定位器等,根據(jù)實(shí)際需要可組成多種形式的電/氣混合系統(tǒng)。圖8-1給出了各種組合方式。 (1)氣動(dòng)調(diào)節(jié)器-閥門定位器-氣動(dòng)執(zhí)行器 (2)氣動(dòng)調(diào)節(jié)器-氣/電轉(zhuǎn)換器-電動(dòng)執(zhí)行器 該組合方式通過氣/電轉(zhuǎn)換器將氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的氣壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào),從而推動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器工作,實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)信號(hào)的遠(yuǎn)傳及與數(shù)字裝置的連接。 (3)電動(dòng)調(diào)節(jié)器-電/氣閥門定位器-氣動(dòng)執(zhí)行器 這是目前應(yīng)用較多的一種組合方式,通過電/氣閥門定位器可實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)為電信號(hào),現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)執(zhí)行器。因此具備電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)。電/氣閥門定位器實(shí)際上是電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)閥門定位器的結(jié)合。 (三)執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu) 為了保證執(zhí)行器能夠正常工作,提高調(diào)節(jié)質(zhì)量和可靠性,執(zhí)行器還必須配備一定的輔助裝置。常用的輔助裝置有閥門定位器和手輪機(jī)構(gòu)。閥門定位器利用反饋原理改善執(zhí)行器性能,使執(zhí)行器能按調(diào)節(jié)器的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)定位。手輪機(jī)構(gòu)用于直接操作調(diào)節(jié)閥,以便在停電、停氣、調(diào)節(jié)器無輸出或執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞而失靈的情況下,生產(chǎn)仍能正常工作。 二、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)輸入控制信號(hào)的大小,產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力F(輸出力矩M)和位移(直線位移 執(zhí)行機(jī)構(gòu)有作用和反作用兩種作用方式:輸入信號(hào)增加,執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向下運(yùn)動(dòng),稱為正作用;輸入信號(hào)增加,執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向上運(yùn)動(dòng),稱為反作用。 (一)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出的0~10mA,DC或4~20mA,DC信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出軸角位移或直線位移,去操縱調(diào)節(jié)閥,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩大類:直行程與角行程式。前者用于操縱直行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),后者用于操縱轉(zhuǎn)角式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),兩者都是以二相異步伺服電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)。角行程式執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為單轉(zhuǎn)式和多轉(zhuǎn)式。單轉(zhuǎn)式輸出的角位移一般小于3600,通常簡(jiǎn)稱為角行程式執(zhí)行機(jī)構(gòu);多轉(zhuǎn)式輸出的角位移超過3600,可達(dá)數(shù)圈,故稱為多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),它和閘閥等多轉(zhuǎn)式調(diào)節(jié)閥配套使用。 1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理
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,其結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖8-3所示。
圖8-4 圖8-4給出了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性圖。圖中顯示,輸出軸轉(zhuǎn)角θ和輸入信號(hào)Ii之間成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系,其靜態(tài)傳遞系數(shù)K為9o /mA。 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8-5所示。 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。 2、減速器
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)。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)?/span>0~10mA,DC反饋信號(hào)的裝置。其主要部分是差動(dòng)變壓器。 差動(dòng)變壓器的鐵芯與凸輪斜面是靠彈簧相接觸的,因此當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)凸輪使鐵芯左右移動(dòng)。凸輪斜面將保證鐵芯位置與輸出軸之轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。輸出軸旋轉(zhuǎn)90o時(shí),鐵芯在線圈中相應(yīng)地移動(dòng) (二)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受氣動(dòng)控制器或閥門定位器輸出的氣壓信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移,以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種類型:薄膜式與活塞式。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、維修方便、價(jià)格低廉,是常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu);活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許操作壓力可達(dá)500kPa,因此輸出推力大,但價(jià)格較高。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為有彈簧和無彈簧兩種,有彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較之無彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力小、價(jià)格低。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向下動(dòng)作的叫正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu);信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向上動(dòng)作的叫反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、本質(zhì)**防爆、維修方便等突出的優(yōu)點(diǎn),由其組成的氣動(dòng)控制閥一直是執(zhí)行器的主流產(chǎn)品。即使自70年代以來電動(dòng)控制儀表大量替代氣動(dòng)控制儀表,氣動(dòng)控制閥依然借助電/氣轉(zhuǎn)換技術(shù)被廣泛使用,并得到不斷發(fā)展和提高。 1、氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-8所示。它主要由膜片、壓縮彈簧、推桿、膜蓋、支架等組成。膜片為較深的盆形,采用丁脂橡膠作為涂層以增強(qiáng)滌綸織物的強(qiáng)度并保證密封性,工作溫度一般為-40~85℃;壓縮彈簧現(xiàn)采用多根組合形式,其數(shù)量為4根、6根或8根,這種組合形式可有效降低調(diào)節(jié)閥的高度。 當(dāng)信號(hào)壓力通入由上膜蓋1和波紋膜片2組成的薄膜氣室時(shí),在膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力,使推桿4向下移動(dòng)并壓縮彈簧6,當(dāng)彈簧的反作用力與信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡 時(shí),推桿穩(wěn)定在一個(gè)新的位置,推桿的位移即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2等六種規(guī)格。有效面積越大,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和推力也越大。 2、氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-9所示,其基本部分為氣缸,氣缸內(nèi)活塞隨氣缸兩側(cè)壓差而移動(dòng)。兩側(cè)可以分別輸入一個(gè)固定信號(hào)和一個(gè)變動(dòng)信號(hào),或兩側(cè)都輸入變動(dòng)信號(hào)。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞兩側(cè)的操作壓力的大小,活塞從高壓側(cè)推向低壓側(cè),使推桿從一個(gè)極端位置移到另一極端位置。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門定位器后,使推桿位移與信號(hào)壓力成比例關(guān)系。 此外,還有一種長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)原理與活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本相同,它具有行程長(zhǎng)、輸出力矩大的特點(diǎn),輸出轉(zhuǎn)角位移為90o,直線位移為40~200mm,適用于輸出角位移和力矩的場(chǎng)合。 圖8-8 正作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖 圖8-9氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1—上膜蓋;2—膜片;3—下膜蓋;4—推桿;5—支架; 6—壓縮彈簧;7—彈簧座;8—調(diào)節(jié)桿; 9—連接閥桿螺母;10—行程標(biāo)尺 (三)閥門定位器 閥門定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的—種輔助儀表,它與氣動(dòng)執(zhí)行器配套使用。 在圖示8-8的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中,閥桿的位移是由薄膜上的氣壓推力與彈簧反作用力平衡來確定的。實(shí)際上,為了防止閥桿引出處的泄漏,填料總要壓得很緊。盡管填料選用密封性好而摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯材料,填料對(duì)閥桿的摩擦力仍是不小的。特別是在壓力較高的閥上,由于填料壓得很緊,摩擦力可能相當(dāng)大。此外,被調(diào)節(jié)流體對(duì)閥心的作用力,在閥的尺寸大或閥前后壓差高、流體粘性大及含有固體懸浮物時(shí)也可能相當(dāng)大。所有這些附加力都會(huì)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)與輸入信號(hào)之間的定位關(guān)系。使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生回環(huán)特性,嚴(yán)重時(shí)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。因此,在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差及要求調(diào)節(jié)質(zhì)量高的場(chǎng)合,都在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門定位器。 閥門定位器接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)后,去控制氣動(dòng)執(zhí)行器;當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí),閥桿的位移又通過機(jī)械裝置負(fù)反饋到閥門定位器,因此定位器和執(zhí)行器組成了一個(gè)閉環(huán)回路,圖8-10所示是閥門定位器的功能示意圖。圖中顯示,來自調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)p0經(jīng)定位器比例放大后輸出pa,用以控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,位置反饋信號(hào)外送回至定位器,由此構(gòu)成一個(gè)使閥桿位移與輸入壓力成比例關(guān)系的負(fù)反饋系統(tǒng)。
圖8-10 閥門定位器功能示意圖 閥門定位器能夠增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率,減少調(diào)節(jié)信號(hào)的傳遞滯后,加快閥桿的移動(dòng)速度,能提高信號(hào)與閥位間的線性度,克服閥桿的摩擦力和消除不平衡力的影響,從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。 |
教學(xué)方法 輔助手段 |
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