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            電動執行器(電動執行機構)的選型

            作者:admin時間:2020-06-22 01:09:22【返回上頁】

                    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**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**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**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,**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、**位數字代表的防外物等級

            數字

            防    護    等    級

            簡 要 說 明

            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

            防    護    等    級

            簡 要 說 明

            定      義

            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

            Exi

            隔爆型

            Exd

            充砂型

            E x q

            增安型

            Exe

            澆封型

            E x m

            正壓型

            Exp


            b)設備類別:
                表四、設備類別

            I 類

            煤礦井下用電氣設備。

            II 類

            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**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

            **試驗安全間隙MESG (mm)

            最小點燃電流比MICR

            IIA

            MESG≥0.9

            MICR>0.8

            IIB

            0.9>MESG>0.5

            0.8≥MICR≥0.45

            IIC

            0.5≥MESG

            0.45>MICR


             c)溫度類別:
                電氣設備按其**表面溫度分為T1~T6組,使得對應的T1~T6組的電氣設備的**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**表面溫度T

            可燃性物質的點燃溫度

            T1

            450℃

            T>450℃

            T2

            300℃

            450℃≥T>300℃

            T3

            200℃

            300℃≥T>200℃

            T4

            135℃

            200℃≥T>135℃

            T5

            100℃

            135℃≥T>100℃

            T6

            85℃

            100℃≥T>85℃


                    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**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“?!敝噶钚盘?。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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