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電動執行器(電動執行機

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電動執行器(電動執行機構)的選型

發布時間:2015-06-24  點擊:

        電動執行器(電動執行機構)又稱閥門電動裝置或電動頭,它是在不同行業領域的稱謂,在工業管道閥門行業稱之為閥門電動裝置,在儀表行業稱之為電動執行器(電動執行機構)。  
        閥門在工業管路控制中是經常使用的非常重要設備,電動閥門因其動力源容易取得,且一般情況下無需維護的優點,比起氣動、液動等驅動方式的設備使用更為普遍。在工業場合電動閥門要求其必需具有更高的可靠性和安全性,電動閥門的安全性與可靠性通常取決于電動執行器(電動執行機構),所以電動執行器的性能、控制精度、功能、智能化程序是電動閥門整機技術水平的綜合表現。所以在電動執行器(電動執行機構)選型時除必需考慮的一些基本要素外,對其提出合理的技術要求才能使電動閥門價值實現最大化。
        電動執行器(電動執行機構)的類型很多,不同類型和功能的電動執行機構(電動執行器)與閥門配套后都可稱之為電動閥門,但往往在設計、選型的過程中只重視閥門的參數而忽略或沒有明確電動執行機構(電動執行器)的相關要求,這樣不僅使電動閥門發揮不出最佳的性能,而且在安裝、調試、使用過程中也會帶來不必要的麻煩,甚至給生產造成嚴重的后果。

        本文將針對電動執行機構(電動執行器)選型考慮的要點進行說明,以及對電動執行器的選型方法與技巧簡單的介紹。

電動執行機構(電動執行器)選型考慮要點 


 一、根據閥門類型選擇電動執行機構(電動執行器)
閥門的種類相當多,工作原理也不太一樣,一般以轉動閥板角度、升降閥板(或閥芯)等方式來實現啟閉控制,當與電動執行機構(電動執行器)配套時首先應根據閥門的類型選擇電動執行器(電動執行機構)。

1.角行程電動執行機構(電動執行器)(轉角<360度)
    電動執行機構(電動執行器)輸出軸的轉動小于一周,即小于360度(有時將90度以內叫角等行程,大于90度小于360度叫部分回轉型),通常為90度就實現閥門的啟閉過程控制。此類電動執行器根據安裝接口方式的不同又分為直連式、底座曲柄式(《電動執行器的選型方法與技巧》有更詳細講解)兩種。
    a)直連式:是指電動執行機構(電動執行器)輸出軸與閥桿直連安裝的形式。
    b)底座曲柄式:是指輸出軸通過曲柄與閥桿連接的形式。
    此類電動執行器適用于蝶閥、球閥、旋塞閥等。

2.多回轉電動執行機構(電動執行器)(轉角>360度)
    電動執行器輸出軸的轉動大于一周,即大于360度,一般需多圈才能實現閥門的啟閉過程控制。
    此類電動執行器適用于閘閥、截止閥等。

3.直行程(直線運動)
   電動執行機構(電動執行器)輸出軸的運動為直線運動式,不是轉動形式。
    此類電動執行器適用于單座調節閥、雙座調節閥等。

二、根據生產工藝控制要求確定電動執行機構(電動執行器)的控制模式
電動執行機構(電動執行器)的控制模式一般分為開關型(開環控制)和調節型(閉環控制,即內置PID調節功能的伺服放大器)兩大類。

1.開關型(開環控制)
    開關型電動執行機構(電動執行器)一般實現對閥門的開或關控制,閥門要么處于全開位置,要么處于全關位置,此類閥門不需對介質流量進行精確控制(這里說得不完整,還有一種開關型帶閥位反饋的形式,反饋信號接入DCS或其它控制器進行PID運算后再控制執行器開啟或關閉以達到控制開度的目的)。
    特別值得一提的是開關型電動執行機構(電動執行器)因結構形式的不同還可分為分體結構和一體化結構。選型時必需對此做出說明,不然經常會發生在現場安裝時與控制系統沖突等不匹配現像。
    a)分體結構(通常稱為普通型):控制單元與電動執行器分離,電動執行器不能單獨實現對閥門的控制,必需外加控制單元才能實現控制,一般外部采用控制器或控制柜形式進行配套。
    此結構的缺點是不便于系統整體安裝,增加接線及安裝費用,且容易出現故障,當故障發生時不便于診斷和維修,性價比不理想(但優點是適合高溫場合,因為控制電路可以遠離執行器所在高溫環境)。
    b)一體化結構(通常稱為整體型):控制單元與電動執行器封裝成一體,無需外配控制單元即可現實就地操作,遠程只需輸出相關控制信息就可對其進行操作。
    此結構的優點是方便系統整體安裝,減少接線及安裝費用,容易診斷并排除故障。但傳統的一體化結構產品也有很多不完善的地方(這里所說的應該是傳統模擬控制電路),所以產生了智能電動執行器,關于智能電動執行器后面將再做說明。

2.調節型(閉環控制) (即伺服一體化)
    調節型電動執行機構(電動執行器)不僅具有開關型一體化結構的功能,它還能對閥門進行精確控制,從而精確調節介質流量。因篇幅有限其工作原理在此不作詳細說明。下面就調節型電動執行器選型時需注明的參數做簡要說明。
a)控制信號類型(電流、電壓)
    調節型電動執行機構(電動執行器)控制信號一般有電流信號(4~20mA、0~10mA)或電壓信號(0~5V、1~5V),選型時需明確其控制信號類型及參數(目前4~20mA最為常用)。
b)工作形式(電開型、電關型) (即正作用和反作用)
    調節型電動執行機構(電動執行器)工作方式一般為電開型(以4~20mA的控制為例,電開型是指4mA信號對應的是閥關,20mA對應的是閥開),另一種為電關型(以4-20mA的控制為例,電開型是指4mA信號對應的是閥開,20mA對應的是閥關)。一般情況下選型需明確工作形式,很多產品在出廠后并不能進行修改(應該是部分產品),大多智能型電動執行器(如CONAC系列、NDL、NDQ系列)可以通過現場設定隨時修改(如修改參數或更跳線,傳統模擬控制板要不通過更改跳線,要不就得更改電機正反轉接線和傳感器接線)。
c)失信號保護
    失信號保護是指因線路等故障造成控制信號丟失時,電動執行機構(電動執行器)將控制閥門啟閉到設定的保護值,常見的保護值為全開、全關、保持原位三種情況,且出廠后不易修改(應該是老式模擬控制形式的不易修改),智能電動執行器大多都可以通過現場設定進行靈活修改,如CONAC系列、NDL、NDQ系列等都可以通過修改菜單參數來實現,其中NDL和NDQ系列可以設定斷信號時閥位走到任意設定位置。

三、根據閥門所需的扭力確定電動執行機構(電動執行器)的輸出扭力 (可輸入推力)
    閥門啟閉所需的扭力決定著電動執行機構(電動執行器)選擇多大的輸出扭力,一般由使用者提出或閥門廠家自行選配,做為電動執行機構(電動執行器)廠家只對執行器的輸出扭力負責,閥門正常啟閉所需的扭力由閥門口徑大小、工作壓力等因素決定,但因閥門廠家加工精度、裝配工藝有所區別,所以不同廠家生產的同規格閥門所需扭力也有所區別,即使是同個閥門廠家生產的同規格閥門扭力也有所差別,當選型時電動執行機構(電動執行器)的扭力選擇太小就會造成無法正常啟閉閥門,因此電動執行器必需選擇一個合理的扭力范圍。 (《電動執行器的選型方法與技巧》一文有更詳細的闡述)

四、確定電氣參數
因不同電動執行機構(電動執行器)廠家的電氣參數有所差別,所以設計選型時一般都需確定其電氣參數,主要有電機功率、額定電流、二次控制回路電壓等,往往在這方面的疏忽,結果控制系統與電動執行器參數不匹配造成工作時空開跳閘、保險絲熔斷、熱過載繼電器保護起跳等故障現像。

五、根據使用場合選擇外殼防護等級、防爆等級
    1.外殼防護等級
    外殼防護等級是指電動執行器的殼體防外物、防水等級,以字母IP后加兩位數表示,第一位由1~6表示防外物等級(見表一),第二位由1~8表示防水等級(見表二)。

表一、第一位數字代表的防外物等級
數字             
    型號含義
0 無防護 省略不標該防護特征時,無專門的防護。
1 防護直徑>50mm的固體 能防止直徑超過50mm的固體異物進入殼體內,人體某一大面積部分如手(但對有意識的接觸并無防護)
2 防護直徑>12.5mm的固體 能防止手指或類似物,直徑超過12mm長度不超過80mm的固體異物進入殼體內。
3 防護直徑>2.5mm的固體 能防止直徑大于2.5mm的工具、電線等異物進入殼體內。
4 防護直徑>1.0mm的固體 能防止直徑大于1mm的固體異物進入殼體內。
5 防塵 不能完全防止塵埃進入殼體內,但進入量不足達到妨礙設備正常運行。
6 塵密 無塵埃進入

表二、第二位數字代表的防水等級
數字             
          
0 無防護 省略不標該防護特征時,無專門的防護。
1 防滴 垂直滴水無有害影響。
2 15°防滴 設備與垂直線成15°角以內時,垂直滴水無有害影響。
3 防淋水 與垂直線成60°以內的淋水無有害影響。
4 防濺水 任何方向濺水無有害影響。
5 防噴水 任何方向沖水無有害影響。
6 防海浪 猛烈海浪或強烈噴水時進入外殼水量不至于達到有害影響。
7 防浸水 浸入在規定壓力的水中經規定的時間后,進入外殼水量不至于達到有害影響。
8 防潛水 能按制造廠規定的條件長期潛水,其技術條件由制造廠規定。

2.防爆等級
    在可能出現爆炸性氣體、蒸汽、液體、可燃性粉塵等而引起火災或爆炸危險的場所時,必需對電動執行器提出防爆要求,根據不同的應用區域選擇防爆形式和類別。防爆等級可通過防爆標志EX及防爆內容來表示(參考《爆炸性環境用防爆電氣設備》GB3836-2000)。
    防爆標志內容包括:防爆型式+設備類別+(氣體組別)+溫度組別
a)防爆型式:根據所采取的防爆措施,可分為本質安全型、隔爆型、增安型、正壓型、澆封型、充砂型等。它們的標識如下表三。
    表三、防爆形式及標志
防爆型式 防爆型式標志 防爆型式 防爆型式標志
本質安全型 Ei 隔爆型 Ed
充砂型 E x q 增安型 Ee
澆封型 E x m 正壓型 Ep

b)設備類別:
    表四、設備類別
I  煤礦井下用電氣設備。
II  除煤礦外的其他爆炸性氣體環境用電氣設備。
II類隔爆型“Exd”和本質安全型“Exi”電氣設備按其適用于爆炸性氣體混合物的最大試驗安全間隙或最小點燃電流比,進一步分為又分為IIA、IIB、和IIC類,其它們之間的關系如下表五:
    表五、氣體組別
氣體組別 最大試驗安全間隙MESG (mm) 最小點燃電流比MICR
IIA MESG≥0.9 MICR0.8
IIB 0.9MESG0.5 0.8≥MICR≥0.45
IIC 0.5≥MESG 0.45MICR

 c)溫度類別:
    電氣設備按其最高表面溫度分為T1~T6組,使得對應的T1~T6組的電氣設備的最高表面溫度不能超過對應的溫度組別的允許值。溫度組別、設備表面溫度和可燃性氣體或蒸汽的引燃溫度之間的關系如下表六:
    表六、溫度組別
溫度級別 設備的最高表面溫度T 可燃性物質的點燃溫度
T1 450 T>450
T2 300 450≥T300
T3 200 300≥T200
T4 135 200≥T135
T5 100 135≥T100
T6 85 100≥T85

        電動執行器(電動執行機構)廠家所出售的防爆型電動執行器必須取得防爆合格證。但有些用戶在安裝時不按規程操作將使防爆性能大打折扣,例如的電纜精細不按電動執行器(電動執行機構)要求的,如果電纜過細,將會使電纜入口處留下縫隙而達不到防爆性能。

電動執行器的選型方法與技巧

在選擇電動執行機構(電動執行器)時主要就從以下幾個方面進行:

一、電動執行機構(電動執行器)結構型式
  根據被控對象運動方式分,電動執行器分為以下幾種結構型式:角行程、直行程、部分回轉型、多回轉式。根據連接和安裝方式分(一般是針對角行程電動執行機構(電動執行器),又分為基座式和直連式。
  下面談談各種閥門及風門就選擇什么樣結構型式的電動執行機構(電動執行器),或者說各種結構形式的電動執行機構(電動執行器)適合于什么被控對象。

1、角行程電動執行機構(電動執行器)
  角行程電動執行機構(電動執行器)輸出軸運動方式是按角度旋轉的,且一般旋轉范圍是0~90度,此類執行器一般適用于風門、蝶閥、球閥、V形閥等。
  角行程電動執行機構(電動執行器)根據連接方式又分為直連式和基座式,直連式連接時電動執行器輸出軸與閥門的閥桿直接相連。而基座式連接方式是在執行器輸出軸和閥桿之間通過球鉸+連桿的方式進行連接的。

2、直行程電動執行機構(電動執行器)
  直行程電動執行機構(電動執行器)輸出軸運動方式是直線運動的,所以此類型執行器適合閥芯作直線運動的閥門(截止閥和閘閥例外,后面會講到),這類閥門有單座閥、雙座閥、套筒閥、角形閥、三通閥、隔膜閥等。

3、多轉式電動執行機構(電動執行器)
  多轉式電動執行機構(電動執行器)輸出軸運動方式為旋轉式,且全行程超過360度,適合于閘閥、截止閥等被控對象,多轉式電動執行機構比較特殊,它可以再配一級減速器轉換成角行程電動執行機構(電動執行器)或直行程電動執行機構(電動執行器),甚至仍舊是多轉式,加一級減速后輸出力(矩)增大,運動速度減慢。

二、電動執行機構(電動執行器)的輸出力(矩)
  電動執行機構(電動執行器)的最重要一個參數是輸出力大小,對于直行程電動執行機構(電動執行器)來說單位為N或Kg,10N = 1Kg,稱為推力,對于角程電動執行機構(電動執行器)來說單位為Nm或Kg.m,10Nm=1Kgm。選擇輸出力大小時要根據被控對象的最大驅動力來確定,一般要求執行器要保留30%的余量才保險,由于閥門的驅動力計算非常復雜,下面給出一些常見閥門的經驗數據:

常用閥門對應用執行器驅動力要求(已留出30%余量)
閘閥(口徑25到1800mm,壓力1到320Kg/cm2 即1到32MPa,力矩單位Kg.m)

各種閘閥對應執行器力矩要求

截止閥(口徑15到350mm,壓力6到320Kg/cm2 ,力矩單位Kg.m)
各種型號截止閥驅動力矩

球閥(口徑50到1000mm,壓力6到100Kg/cm2 ,力矩單位Kg.m)
各種型號球閥驅動力矩

蝶閥(口徑50到2000mm,壓力2.5到25Kg/cm2 ,力矩單位Kg.m)
各種型號蝶閥驅動力矩

三、電動執行機構(電動執行器)的行程
  這一參數也是比較重要的參數,對于角行程電動執行機構(電動執行器)而言,行程固定為0~90度,對于直行程而言,行程單位為mm,需要根據調節閥閥芯行程來確定,直行程電動執行機構(電動執行器)常規行程有以下幾檔:10mm、16mm、25mm、40mm、60mm、100mm。對于多回轉電動執行機構(電動執行器)而言,一般這種執行器都的回轉圈都數可以滿足需求。

四、電氣接口
  確定電動執行機構(電動執行器)的控制方式,需要電動執行機構(電動執行器)反饋什么樣的信號。

控制方式:
1、模擬量控制:一般模擬量控制是4~20mA,還有0~10mA、1~5V等,后兩者現在用得不多。一般調節型(一體化)電動執行器都可以用模擬量控制。
2、開關量控制:一般開關量控制信號是“開”“關”指令信號,也有可能還有“停”指令信號。開關量主要有以下幾種:無源、24V DC、220V AC,一般如果配了伺服放大器,開關量要求是220V AC的。不果不是用伺服放大器控制執行器而選用220V AC開關型的電動執行機構(電動執行器)時,需要注意提供的這個220V開關量功率一定要大于執行器電機功率。

反饋信號:
1、模擬量反饋:模擬量反饋信號都是電動執行機構(電動執行器)輸出的與當前閥位對應的閥位反饋信號,同樣有4~20mA、0~10mA、1~5V幾種,后兩種現在已經很少用了,一般配有伺服放大器的都需要模擬量閥位反饋信號。如果DCS或顯示儀表需要顯示當前閥位,也必須要求電動執行器有模擬量閥位反饋信號
2、開關量反饋信號:根據工藝要求,可能需要電動執行器輸出一個全關和全開的開關量信號,甚至還有其它意義的信號,如執行器故障報警信號。一般開關量都是無源,但也有有源的。

  除了以上提到的幾種重要參數外,還有些參數不那么重要,但根據工藝要求也可能非常重要,例如安裝尺寸、重量、控制精度、全行程時間、防護等級等。
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