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09 第十章 执行器.ppt

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本课件说明执行器由执行机构与调节机构组成,详解电动执行机构的伺服放大与位置反馈、气动薄膜执行机构与电-气阀门定位器的力矩平衡过程,调节机构的节流原理、流量系数 C、可调比 R 与四种流量特性,以及正反作用与安装要求。

第十章执行器导览页,列出执行器作用分类、调节阀原理结构、作用方式与安装等重点
执行器概述页,说明执行器接收调节器信号完成操作并由执行机构与调节机构组成
执行机构分类页,对比气动、液动、电动与自力式四种执行机构的动力来源与特点
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第1页:第十章 执行器

本章内容
执行器作用、分类,调节阀原理、结构、分类作用方式,调节阀安装。
  • 第一节 概述
  • 第二节 执行机构
  • 第三节 调节机构
  • 第四节 执行器的选择与使用

第2页:执行器的作用与构成

执行器
接收调节器输出信号并完成相应操作,以达到影响调节对象参数目的的装置,可以是步进电机、调节阀、变频调速器、机械手臂等

调节阀是过程控制系统主要执行器形式(绝大多数系统的调节手段都是流量),一般由执行机构和调节机构组成,有电动、气动、液压等类型。

第3页:执行机构的类型

执行机构把调节器来的信号转变为相应的推力和位移,用于带动调节机构完成调节动作。

  • 气动执行机构:压缩空气供风,结构简单、安全防爆、低成本
  • 液动执行机构:以液压为动力,功率大、动作快,但成本高、结构复杂
  • 电动执行机构:由电源和控制信号驱动伺服电机,易与电动仪表连接,功率大、动作快,防爆场合需注意
  • 自力式执行机构:依靠被调介质本身的能量动作

第4页:电动执行机构的组成

电动执行机构接收调节器输出的 4~20mA 信号,由放大器进行功率放大后驱动电动机正反转,产生推杆的直行程或角行程,是由伺服放大器及执行机构构成的自动调节系统(被调参数为行程)。

  • 伺服放大器:交流供电,把调节器信号与位置反馈信号(均 4~20mA)比较,偏差放大后触发可控硅电路,控制电机正反转

第5页:执行机构、位置反馈与操作器

  • 执行机构:放大器输出驱动电机正反转,传动机构把电机转动转换成推杆的直行程或角行程,带制动轮和制动盘用于断电时保持原位
  • 位置反馈电路:利用差动变压器把推杆实际行程转换成 4~20mA 电流送回放大器比较,保证行程与输入信号成要求关系(线性、等百分比、抛物线等)
  • 操作器:手动操作阀位并指示行程,有手/自动选择;选自动时不起作用,选手动时断开伺服放大器,用面板升降按钮直接控制推杆行程;配接口模块可把阀位信号送计算机显示

第6页:气动薄膜执行机构与阀门定位器

气动薄膜执行机构由上膜盖、波纹膜片、下膜盖、推杆、弹簧、行程标尺等部件组成,在 20~100kPa 压缩空气作用下产生对应的行程和推力。

阀门定位器构成以调节器操作值为给定值、以推杆实际行程为被调参数的自动调节系统,可克服阀杆反作用力实现推杆准确到位,并利用定位器凸轮形状调整阀门流量特性。

第7页:电-气阀门定位器与正反作用

电流经力矩马达转换为输入力 Fi,使主杠杆产生逆时针输入力矩,挡板靠近喷嘴使背压增加,经功率放大器放大后进入薄膜气室使推杆下移;推杆位移经反馈杆反馈到反馈凸轮,通过滚轮使副杠杆顺时针转动,对主杠杆产生顺时针反馈力矩,只有输入力矩与反馈力矩平衡时系统才稳定、推杆位移确定。改变正反作用只需将电流信号反接。

执行机构正反作用:信号增大时推杆下移为正作用,反之为反作用。

第8页:调节机构的种类

调节机构在执行机构带动下,通过改变流体流过调节阀时的流通面积来调节流量,主要由上阀盖、填料、阀体、阀杆、阀座、阀芯、下阀盖组合而成。

  • 直行程阀(直线移动):直通单座、双座阀、三通阀、角形阀、套筒阀
  • 角行程阀(角位移):蝶阀、球阀、V 型球阀、偏心旋转阀(凸轮挠曲阀)

第9页:调节机构的工作原理

阀芯在阀体内移动,改变阀芯与阀座之间的流通面积。从流体力学观点看,调节阀是一个流通面积可变的节流元件,流体流过调节阀与流过孔板类似,不同的是孔板孔径不可变。

实际流量方程中 ξ 为调节阀阻力系数,与阀的开度有关:开度增大则 ξ 减小、Q 增大;反之则 Q 减小。调节阀按信号压力改变阀芯行程,从而改变阻力系数达到调节流量的目的。

第10页:流量系数(流通能力)C

流量系数 C
又称流通能力,反映流体通过调节阀的最大能力与调节阀容量大小。定义为调节阀全开、阀前后压降 100kPa、流体密度 1000kg/m³ 条件下每小时通过阀门的流体量(m³)。

实际使用中先确定工艺需要的流量 Q 和压差 ΔP,据此确定流通能力 C,再由 C 值选择阀门的结构和尺寸(Dg 为阀的公称通径)。

第11页:可调比R

可调比 R
调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值
  • Qmin 一般为最大流量的 2%~4%
  • 泄漏量为阀全关时泄漏的量,仅为最大流量的 0.1%~0.01%
  • 理想可调比:阀前后压差不变时的可调比
  • 实际可调比 Rr:与管路串联或旁路并联导致阀前后压差变化时的可调比

第12页:调节机构的流量特性

流量特性
表示调节阀的相对开度与流过相对流量之间的关系:相对流量为某开度下流量与全开流量之比,相对开度为某开度下行程与全开行程之比
  • 快开特性
  • 直线特性
  • 抛物线特性
  • 等百分比特性

调节机构正反作用:正作用指阀杆下移时阀关小(正装)。

第13页:执行器正、反作用的选择

执行器有正、反作用,选择原则是:信号中断时阀门应自动归位到工艺安全的位置。

执行器与调节机构作用组合对应的气开、气关形式
组合执行机构作用调节机构作用执行器形式
组合一正作用正装气关式
组合二反作用反装气开式
组合三反作用正装气开式
组合四正作用反装气关式

此外还需按直行程/角行程、不平衡力大小、防爆与准确性要求选择执行机构。

第14页:调节机构的选择与执行器安装

  • 结构形式和材质:考虑介质与工况
  • 流量特性:根据工艺对象特点选择,使广义控制对象具有较好的线性
  • 额定流量系数及口径:计算流量系数后选择口径

执行器安装:应安装在易拆卸、维修、不振动的地方;安装在管道上时要有切断阀和旁路。

习题:1、6

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