多转式电动执行机构过去大多用在就地操作和遥控场合,主要是通断二位控制方式。随着自动化程度的提高,集中控制、程序起停等控制方式日益增多,特别是一些高压控制阀的自动控制,对多转式电动执行机构的性能和质量提出了更高要求。

SKD 型多转式电动执行机构是 DDZ-S 系列仪表中的执行单元。它以交流电源为动力,接受统一信号 4~20mA d.c.,将其转换成相应的输出轴多转位移,自动操作闸阀、截止阀和高压调节阀等调节机构,完成自动调节任务。

通断型多转式电动执行机构只控制流体的通断,不能连续调节流量大小,属二位动作方式,通常又称为电动装置或电动头;而调节型多转式电动执行机构不仅能作二位动作,更重要的是可根据控制信号的大小连续控制流体流量,动作比较频繁,通常要求每分钟动作 10~20 次,对电机要求较高,其位置发送器输出信号要求与调节阀位置成线性变化且有一定精度要求。SKD 型属于调节型多转式电动执行机构,主要特点如下:

① 驱动电机采用伺服电动机(输出转矩 100N·m 以下的小功率机型采用单相电机,大功率机型采用三相电机并带制动器),启动和制动性能良好;
② 能适应频繁启动控制(可达 10~20 次/min),适用于各种自控或遥控场合;
③ 带力矩保护和限位开关装置,可使阀门可靠关闭或打开,并具有保护阀门和电机过载等功能,在自控回路中还可提供联锁控制或报警接点信号;
④ 带手动/自动切换离合器,手轮机构可供现场操作使用;
⑤ 位置发送器能提供 4~20mA 直流恒流输出信号;
⑥ 三相放大器主控元件采用固态继电器,带断信号、断相、过流保护等功能,可靠性好、抗干扰能力强。

主要技术性能

输入信号 4~20mA d.c.(2 个,电隔离);输入电阻 250Ω;基本误差 ±2.5%;回差 1.5%;死区 0.5%~5% 可调;输出轴转矩 16~600N·m;输出轴转速 5~20 转/min;输出轴全行程圈数 5~20 圈;供电电源 220V a.c. 或 380V a.c. ±10%,50Hz;环境温度:执行机构 -25~+70℃,放大器 0~50℃;相对湿度:执行机构 5%~95%,放大器 10%~85%;大气压力 86~106kPa;周围空气中无腐蚀性介质;外壳防护等级 IP65。

工作原理和结构

SKD 型比例式多转电动执行机构由伺服放大器和执行机构两个在结构上互相独立的部分组成。采用三相伺服电机驱动时,伺服放大器采用三相放大器。SKD 型电动操作器为辅助单元,主要实现手/自动切换、手操阀位、阀位显示及事件处理等功能。

当电动操作器处于自动工作状态时,来自调节器的输入电流信号通过伺服放大器,与位置发送器的位置反馈电流信号比较,其偏差经放大后,通过三相功率控制器功率放大,驱动三相电机转动,经减速后在输出轴上获得旋转输出。执行机构的旋转方向取决于偏差的极性,总是朝着减小偏差的方向旋转,只有偏差信号小于伺服放大器的死区时才停止转动,输出轴的输出圈数与输入信号成线性关系。当电动操作器处于手动状态时,按动操作器中的开关按钮,即可通过三相功率控制器直接操作三相电机正反运转。

图1 SKD 型多转式电动执行机构工作原理框图

执行机构装有行程限位开关,当阀门到达极限位置时,限位开关的常闭触点将三相功率控制器的接触器电路断开,主回路断开,电动机停转。功率控制器中还装有断相和过载保护电路,确保电动机安全运行。下面简述其主要组成部分的原理和结构。

1. 三相放大器

三相放大器由 ZPE 型伺服放大器和 ZPK 型三相功率控制器组成,功能是将输入信号与位置反馈信号相比较,将偏差放大并输出足够功率以驱动三相电机运转。

A、ZPE 型伺服放大器:通常包括前置级放大电路、触发电路、断信号保护电路和固态继电器等部分。

B、ZPK 型三相功率控制器:是一个功率放大部件,主要由 LM301 逻辑控制模块、主回路、断相保护电路等部分组成,其原理图如图 2 所示。

图2 ZPK 型三相功率控制器原理图

a. 逻辑控制模块:接受单相伺服放大器的输出信号,通过逻辑控制电路输出正反向触发信号,一方面控制正、反向交流接触器断合,实现三相电机正反向切换;另一方面触发三相固态继电器,控制三相电机主回路的通断。

b. 主回路:由过载保护器、换相接触器和三相固态继电器组成。接受正向指令时,逻辑控制器 LM301 先使固态继电器 Q1 导通、接触器 Z1 线圈带电(K1 导通),再使三相固态继电器 Q3 导通,电机正向运转;正向指令消失时,先令 Q3 截止,再令 Q1 截止、Z1 断电,电机停转。反向同理(Q2、Z2、K2)。主回路采用固态继电器与换相接触器混合控制方式,三相电机的通断主要由无触点的固态继电器实现,两只换相接触器只实现换相功能且都在三相负载断开状态下进行,不产生火花和拉弧,提高了可靠性。

c. 断相保护电路:出现断相时,经检测处理后使接触器 Z3 吸合,其一副触点对外报警(或作事件信号),另一副触点 K3 切断 Z1 与 Z2 电源,使电机断电。电机堵转或过载时,过载保护器自动断开,切断三相功率控制器供电。

本产品采用单相伺服放大器控制三相功率控制器的方案有两大优点:①三相电源与单相电源分开——单相伺服放大器及电动操作器安装在控制室,三相功率控制器安装在现场,避免三相电源进入控制室;②组合式设计通用性强,采用三相控制时只需增加三相功率控制器。

2. 多转式电动执行机构

由三相制动电动机、减速器、开关控制箱(包括转矩保护机构、行程限位机构和位置发送器)和手轮操作机构组成。

A、三相制动电动机:要求有较软的机械特性,通常为 4 极电机,F 级绝缘,能承受 10~20 次/min 频率动作(负载持续率 25%)。电机计算功率 P1=1.02MH·nH/(10η),式中 MH 为输出轴额定转矩(N·m),nH 为输出轴额定转速(转/min),η 为减速器总传动效率;选用电机时再乘以利用系数 KP(通常取 1.2~1.5),即 P=KP·P1。制动器通常采用电磁式摩擦片制动结构,电机断电时制动器动作,减少惰走。

B、减速器:通常采用一级圆柱平齿轮和一级蜗轮蜗杆传动机构,传动示意图如图 3 所示。

图3 减速器传动示意图

C、开关控制箱:包括转矩保护机构、行程限位机构与位置发送器、接线端子等,在整个多转系列品种中通用。转矩保护机构由二副凸轮传动机构及 2 只微动开关组成,靠蜗杆直线窜动的位移,通过杠杆转换成转角位移带动凸轮转动,使微动开关动作,切断主回路电源。行程限位开关也采用凸轮机构方式,通常为二副,用户需要可增加到四副;调节凸轮由三层凸轮板组成,改变凸轮板位置可获得任何中间位置的限位。位置发送器常采用导电塑料电位器作为位置传感元件,可靠性及稳定性好、调节范围宽、恒流电路简单、输出恒流性能好,是目前首选元器件。

D、手轮操作机构:手动/电动切换要求操作简便、切换过程安全。执行机构采用特殊的离合器结构实现手动电动切换,如图 4 所示。

图4 手动/自动切换离合器结构

图 4 中离合器处于电动位置。电机通电后,蜗杆带动蜗轮旋转,通过花键离合器使输出轴转动。需要手动时(电机不带电),先将手柄转到手动位置,通过拨叉使花键离合器上移与手轮啮合,然后转动手轮操作输出轴;此时弹簧受压缩,直立杆与蜗轮平面垂直,离合器位置靠直立杆撑住蜗轮平面维持。再次需要电动时,只要接通电机电源,蜗杆旋转使直立杆歪倒,靠弹簧弹力把离合器下推,自动回复到电动位置。这种手动到电动的单方向切换方式结构简单,在多转执行机构中应用较广。

仪表校验和调整

1、接线:电机、开关控制箱和三相放大器的接线按使用说明书或标牌说明进行。

2、校验和调整

A、手动和自动操作:a. 按箭头方向压下手动切换手柄,核实离合器是否合上、能否用手轮手操;不能手操时稍向左或向右转动手轮同时压下切换手柄,使离合器合上;b. 从手动到自动切换,只要直接接通电机,不需再动切换手柄——切换手柄仅用于手动操作。

B、手轮铭牌校对:核对铭牌上的开、关符号与阀门开、关位置相符。

C、限位开关的调整:力矩保护开关在转运之前已按用户要求由生产厂调整好,不需再调(厂家可提供每档力矩开关的调整数据)。行程限位开关(全开、全关和中间位置如 50% 或 75%)调整方法相同,以全开位置为例(参阅图 5,有二个中间位置):① 手动操作使执行机构往开位置转动,观察调节凸轮转向;② 拧松六角螺母和滚花螺母;③ 在全开位置使全开限位开关动作——按观察到的转向使调节凸轮朝开的方向同时转动,在全开位置时使限位开关动作;④ 调节凸轮由三层凸轮板组成,用于全开和全关限位时将三层板叠在一起旋转;若要加装中间位置限位开关(作中途限位或报警用),则适当转动三层凸轮板;⑤ 调整后拧紧滚花螺母和六角螺母。

图5 行程限位开关调整(三层凸轮,二个中间位置)

D、位置发送器的调整:a. 根据调节系统要求,选定输出轴的初始零位;b. 如图 6 所示,用手转动与位置发送器啮合的正齿轮 A,使位置发送器挡块处于机械零点位置,测出初始位置相应输出值,如不为 4mA,调节位置发送器上的"调零"电位器使输出为 4mA;c. 将执行机构运转到全开位置,测全开位置输出值,如不为 20mA,调节"量程"电位器使输出为 20mA;d. 此过程反复几次,直到零点和满量程符合规定值。

图6 位置发送器的调整(调零与量程)

3、初步检查和运转:a. 按次序检查接线是否正确(参阅接线图);b. 用手轮将执行机构操到中间位置(开度 50% 左右),接通电机电源,验证电机运转方向是否正确——反向运转时,把接到电机的三根相线中的两相交换;c. 手动操作相应限位开关使其断开,检查电机能否停止运转;d. 使执行机构运行至全关、全开两个极限位置,检查行程限位开关和力矩限位开关是否在规定状态;e. 以上检查通过后,方可投入自动状态。注意:b、c 两项应在中间位置检查。三相伺服放大器的调整主要是按系统要求整定死区,此处不展开。

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