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电动执行器(电动执行机构)的选型

作者:电动执行器时间:2016-07-26【返回上页】

        电动执行器(电动执行机构)又称阀门电动装置或电动头,它是在不同行业领域的称谓,在工业管道阀门行业称之为阀门电动装置,在仪表行业称之为电动执行器(电动执行机构)。  
        阀门在工业管路控制中是经常使用的非常重要设备,电动阀门因其动力源容易取得,且一般情况下无需维护的优点,比起气动、液动等驱动方式的设备使用更为普遍。在工业场合电动阀门要求其必需具有更高的可靠性和安全性,电动阀门的安全性与可靠性通常取决于电动执行器(电动执行机构),所以电动执行器的性能、控制精度、功能、智能化程序是电动阀门整机技术水平的综合表现。所以在电动执行器(电动执行机构)选型时除必需考虑的一些基本要素外,对其提出合理的技术要求才能使电动阀门价值实现最大化。
        电动执行器(电动执行机构)的类型很多,不同类型和功能的电动执行机构(电动执行器)与阀门配套后都可称之为电动阀门,但往往在设计、选型的过程中只重视阀门的参数而忽略或没有明确电动执行机构(电动执行器)的相关要求,这样不仅使电动阀门发挥不出最佳的性能,而且在安装、调试、使用过程中也会带来不必要的麻烦,甚至给生产造成严重的后果。

        本文将针对电动执行机构(电动执行器)选型考虑的要点进行说明,以及对电动执行器的选型方法与技巧简单的介绍。

电动执行机构(电动执行器)选型考虑要点 


 一、根据阀门类型选择电动执行机构(电动执行器)
阀门的种类相当多,工作原理也不太一样,一般以转动阀板角度、升降阀板(或阀芯)等方式来实现启闭控制,当与电动执行机构(电动执行器)配套时首先应根据阀门的类型选择电动执行器(电动执行机构)。

1.角行程电动执行机构(电动执行器)(转角<360度)
    电动执行机构(电动执行器)输出轴的转动小于一周,即小于360度(有时将90度以内叫角等行程,大于90度小于360度叫部分回转型),通常为90度就实现阀门的启闭过程控制。此类电动执行器根据安装接口方式的不同又分为直连式、底座曲柄式(《电动执行器的选型方法与技巧》有更详细讲解)两种。
    a)直连式:是指电动执行机构(电动执行器)输出轴与阀杆直连安装的形式。
    b)底座曲柄式:是指输出轴通过曲柄与阀杆连接的形式。
    此类电动执行器适用于蝶阀、球阀、旋塞阀等。

2.多回转电动执行机构(电动执行器)(转角>360度)
    电动执行器输出轴的转动大于一周,即大于360度,一般需多圈才能实现阀门的启闭过程控制。
    此类电动执行器适用于闸阀、截止阀等。

3.直行程(直线运动)
   电动执行机构(电动执行器)输出轴的运动为直线运动式,不是转动形式。
    此类电动执行器适用于单座调节阀、双座调节阀等。

二、根据生产工艺控制要求确定电动执行机构(电动执行器)的控制模式
电动执行机构(电动执行器)的控制模式一般分为开关型(开环控制)和调节型(闭环控制,即内置PID调节功能的伺服放大器)两大类。

1.开关型(开环控制)
    开关型电动执行机构(电动执行器)一般实现对阀门的开或关控制,阀门要么处于全开位置,要么处于全关位置,此类阀门不需对介质流量进行精确控制(这里说得不完整,还有一种开关型带阀位反馈的形式,反馈信号接入DCS或其它控制器进行PID运算后再控制执行器开启或关闭以达到控制开度的目的)。
    特别值得一提的是开关型电动执行机构(电动执行器)因结构形式的不同还可分为分体结构和一体化结构。选型时必需对此做出说明,不然经常会发生在现场安装时与控制系统冲突等不匹配现像。
    a)分体结构(通常称为普通型):控制单元与电动执行器分离,电动执行器不能单独实现对阀门的控制,必需外加控制单元才能实现控制,一般外部采用控制器或控制柜形式进行配套。
    此结构的缺点是不便于系统整体安装,增加接线及安装费用,且容易出现故障,当故障发生时不便于诊断和维修,性价比不理想(但优点是适合高温场合,因为控制电路可以远离执行器所在高温环境)。
    b)一体化结构(通常称为整体型):控制单元与电动执行器封装成一体,无需外配控制单元即可现实就地操作,远程只需输出相关控制信息就可对其进行操作。
    此结构的优点是方便系统整体安装,减少接线及安装费用,容易诊断并排除故障。但传统的一体化结构产品也有很多不完善的地方(这里所说的应该是传统模拟控制电路),所以产生了智能电动执行器,关于智能电动执行器后面将再做说明。

2.调节型(闭环控制) (即伺服一体化)
    调节型电动执行机构(电动执行器)不仅具有开关型一体化结构的功能,它还能对阀门进行精确控制,从而精确调节介质流量。因篇幅有限其工作原理在此不作详细说明。下面就调节型电动执行器选型时需注明的参数做简要说明。
a)控制信号类型(电流、电压)
    调节型电动执行机构(电动执行器)控制信号一般有电流信号(4~20mA、0~10mA)或电压信号(0~5V、1~5V),选型时需明确其控制信号类型及参数(目前4~20mA最为常用)。
b)工作形式(电开型、电关型) (即正作用和反作用)
    调节型电动执行机构(电动执行器)工作方式一般为电开型(以4~20mA的控制为例,电开型是指4mA信号对应的是阀关,20mA对应的是阀开),另一种为电关型(以4-20mA的控制为例,电开型是指4mA信号对应的是阀开,20mA对应的是阀关)。一般情况下选型需明确工作形式,很多产品在出厂后并不能进行修改(应该是部分产品),大多智能型电动执行器(如CONAC系列、NDL、NDQ系列)可以通过现场设定随时修改(如修改参数或更跳线,传统模拟控制板要不通过更改跳线,要不就得更改电机正反转接线和传感器接线)。
c)失信号保护
    失信号保护是指因线路等故障造成控制信号丢失时,电动执行机构(电动执行器)将控制阀门启闭到设定的保护值,常见的保护值为全开、全关、保持原位三种情况,且出厂后不易修改(应该是老式模拟控制形式的不易修改),智能电动执行器大多都可以通过现场设定进行灵活修改,如CONAC系列、NDL、NDQ系列等都可以通过修改菜单参数来实现,其中NDL和NDQ系列可以设定断信号时阀位走到任意设定位置。

三、根据阀门所需的扭力确定电动执行机构(电动执行器)的输出扭力 (可输入推力)
    阀门启闭所需的扭力决定着电动执行机构(电动执行器)选择多大的输出扭力,一般由使用者提出或阀门厂家自行选配,做为电动执行机构(电动执行器)厂家只对执行器的输出扭力负责,阀门正常启闭所需的扭力由阀门口径大小、工作压力等因素决定,但因阀门厂家加工精度、装配工艺有所区别,所以不同厂家生产的同规格阀门所需扭力也有所区别,即使是同个阀门厂家生产的同规格阀门扭力也有所差别,当选型时电动执行机构(电动执行器)的扭力选择太小就会造成无法正常启闭阀门,因此电动执行器必需选择一个合理的扭力范围。 (《电动执行器的选型方法与技巧》一文有更详细的阐述)

四、确定电气参数
因不同电动执行机构(电动执行器)厂家的电气参数有所差别,所以设计选型时一般都需确定其电气参数,主要有电机功率、额定电流、二次控制回路电压等,往往在这方面的疏忽,结果控制系统与电动执行器参数不匹配造成工作时空开跳闸、保险丝熔断、热过载继电器保护起跳等故障现像。

五、根据使用场合选择外壳防护等级、防爆等级
    1.外壳防护等级
    外壳防护等级是指电动执行器的壳体防外物、防水等级,以字母IP后加两位数表示,第一位由1~6表示防外物等级(见表一),第二位由1~8表示防水等级(见表二)。

表一、第一位数字代表的防外物等级
数字            
    型号含义
0 无防护 省略不标该防护特征时,无专门的防护。
1 防护直径>50mm的固体 能防止直径超过50mm的固体异物进入壳体内,人体某一大面积部分如手(但对有意识的接触并无防护)
2 防护直径>12.5mm的固体 能防止手指或类似物,直径超过12mm长度不超过80mm的固体异物进入壳体内。
3 防护直径>2.5mm的固体 能防止直径大于2.5mm的工具、电线等异物进入壳体内。
4 防护直径>1.0mm的固体 能防止直径大于1mm的固体异物进入壳体内。
5 防尘 不能完全防止尘埃进入壳体内,但进入量不足达到妨碍设备正常运行。
6 尘密 无尘埃进入

表二、第二位数字代表的防水等级
数字            
         
0 无防护 省略不标该防护特征时,无专门的防护。
1 防滴 垂直滴水无有害影响。
2 15°防滴 设备与垂直线成15°角以内时,垂直滴水无有害影响。
3 防淋水 与垂直线成60°以内的淋水无有害影响。
4 防溅水 任何方向溅水无有害影响。
5 防喷水 任何方向冲水无有害影响。
6 防海浪 猛烈海浪或强烈喷水时进入外壳水量不至于达到有害影响。
7 防浸水 浸入在规定压力的水中经规定的时间后,进入外壳水量不至于达到有害影响。
8 防潜水 能按制造厂规定的条件长期潜水,其技术条件由制造厂规定。

2.防爆等级
    在可能出现爆炸性气体、蒸汽、液体、可燃性粉尘等而引起火灾或爆炸危险的场所时,必需对电动执行器提出防爆要求,根据不同的应用区域选择防爆形式和类别。防爆等级可通过防爆标志EX及防爆内容来表示(参考《爆炸性环境用防爆电气设备》GB3836-2000)。
    防爆标志内容包括:防爆型式+设备类别+(气体组别)+温度组别
a)防爆型式:根据所采取的防爆措施,可分为本质安全型、隔爆型、增安型、正压型、浇封型、充砂型等。它们的标识如下表三。
    表三、防爆形式及标志
防爆型式 防爆型式标志 防爆型式 防爆型式标志
本质安全型 Ei 隔爆型 Ed
充砂型 E x q 增安型 Ee
浇封型 E x m 正压型 Ep

b)设备类别:
    表四、设备类别
I  煤矿井下用电气设备。
II  除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备。
II类隔爆型“Exd”和本质安全型“Exi”电气设备按其适用于爆炸性气体混合物的最大试验安全间隙或最小点燃电流比,进一步分为又分为IIA、IIB、和IIC类,其它们之间的关系如下表五:
    表五、气体组别
气体组别 最大试验安全间隙MESG (mm) 最小点燃电流比MICR
IIA MESG≥0.9 MICR0.8
IIB 0.9MESG0.5 0.8≥MICR≥0.45
IIC 0.5≥MESG 0.45MICR

 c)温度类别:
    电气设备按其最高表面温度分为T1~T6组,使得对应的T1~T6组的电气设备的最高表面温度不能超过对应的温度组别的允许值。温度组别、设备表面温度和可燃性气体或蒸汽的引燃温度之间的关系如下表六:
    表六、温度组别
温度级别 设备的最高表面温度T 可燃性物质的点燃温度
T1 450 T>450
T2 300 450≥T300
T3 200 300≥T200
T4 135 200≥T135
T5 100 135≥T100
T6 85 100≥T85

        电动执行器(电动执行机构)厂家所出售的防爆型电动执行器必须取得防爆合格证。但有些用户在安装时不按规程操作将使防爆性能大打折扣,例如的电缆精细不按电动执行器(电动执行机构)要求的,如果电缆过细,将会使电缆入口处留下缝隙而达不到防爆性能。

电动执行器的选型方法与技巧

在选择电动执行机构(电动执行器)时主要就从以下几个方面进行:

一、电动执行机构(电动执行器)结构型式
  根据被控对象运动方式分,电动执行器分为以下几种结构型式:角行程、直行程、部分回转型、多回转式。根据连接和安装方式分(一般是针对角行程电动执行机构(电动执行器),又分为基座式和直连式。
  下面谈谈各种阀门及风门就选择什么样结构型式的电动执行机构(电动执行器),或者说各种结构形式的电动执行机构(电动执行器)适合于什么被控对象。

1、角行程电动执行机构(电动执行器)
  角行程电动执行机构(电动执行器)输出轴运动方式是按角度旋转的,且一般旋转范围是0~90度,此类执行器一般适用于风门、蝶阀、球阀、V形阀等。
  角行程电动执行机构(电动执行器)根据连接方式又分为直连式和基座式,直连式连接时电动执行器输出轴与阀门的阀杆直接相连。而基座式连接方式是在执行器输出轴和阀杆之间通过球铰+连杆的方式进行连接的。

2、直行程电动执行机构(电动执行器)
  直行程电动执行机构(电动执行器)输出轴运动方式是直线运动的,所以此类型执行器适合阀芯作直线运动的阀门(截止阀和闸阀例外,后面会讲到),这类阀门有单座阀、双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀等。

3、多转式电动执行机构(电动执行器)
  多转式电动执行机构(电动执行器)输出轴运动方式为旋转式,且全行程超过360度,适合于闸阀、截止阀等被控对象,多转式电动执行机构比较特殊,它可以再配一级减速器转换成角行程电动执行机构(电动执行器)或直行程电动执行机构(电动执行器),甚至仍旧是多转式,加一级减速后输出力(矩)增大,运动速度减慢。

二、电动执行机构(电动执行器)的输出力(矩)
  电动执行机构(电动执行器)的最重要一个参数是输出力大小,对于直行程电动执行机构(电动执行器)来说单位为N或Kg,10N = 1Kg,称为推力,对于角程电动执行机构(电动执行器)来说单位为Nm或Kg.m,10Nm=1Kgm。选择输出力大小时要根据被控对象的最大驱动力来确定,一般要求执行器要保留30%的余量才保险,由于阀门的驱动力计算非常复杂,下面给出一些常见阀门的经验数据:

常用阀门对应用执行器驱动力要求(已留出30%余量)
闸阀(口径25到1800mm,压力1到320Kg/cm2 即1到32MPa,力矩单位Kg.m)

各种闸阀对应执行器力矩要求

截止阀(口径15到350mm,压力6到320Kg/cm2 ,力矩单位Kg.m)
各种型号截止阀驱动力矩

球阀(口径50到1000mm,压力6到100Kg/cm2 ,力矩单位Kg.m)
各种型号球阀驱动力矩

蝶阀(口径50到2000mm,压力2.5到25Kg/cm2 ,力矩单位Kg.m)
各种型号蝶阀驱动力矩

三、电动执行机构(电动执行器)的行程
  这一参数也是比较重要的参数,对于角行程电动执行机构(电动执行器)而言,行程固定为0~90度,对于直行程而言,行程单位为mm,需要根据调节阀阀芯行程来确定,直行程电动执行机构(电动执行器)常规行程有以下几档:10mm、16mm、25mm、40mm、60mm、100mm。对于多回转电动执行机构(电动执行器)而言,一般这种执行器都的回转圈都数可以满足需求。

四、电气接口
  确定电动执行机构(电动执行器)的控制方式,需要电动执行机构(电动执行器)反馈什么样的信号。

控制方式:
1、模拟量控制:一般模拟量控制是4~20mA,还有0~10mA、1~5V等,后两者现在用得不多。一般调节型(一体化)电动执行器都可以用模拟量控制。
2、开关量控制:一般开关量控制信号是“开”“关”指令信号,也有可能还有“停”指令信号。开关量主要有以下几种:无源、24V DC、220V AC,一般如果配了伺服放大器,开关量要求是220V AC的。不果不是用伺服放大器控制执行器而选用220V AC开关型的电动执行机构(电动执行器)时,需要注意提供的这个220V开关量功率一定要大于执行器电机功率。

反馈信号:
1、模拟量反馈:模拟量反馈信号都是电动执行机构(电动执行器)输出的与当前阀位对应的阀位反馈信号,同样有4~20mA、0~10mA、1~5V几种,后两种现在已经很少用了,一般配有伺服放大器的都需要模拟量阀位反馈信号。如果DCS或显示仪表需要显示当前阀位,也必须要求电动执行器有模拟量阀位反馈信号
2、开关量反馈信号:根据工艺要求,可能需要电动执行器输出一个全关和全开的开关量信号,甚至还有其它意义的信号,如执行器故障报警信号。一般开关量都是无源,但也有有源的。

  除了以上提到的几种重要参数外,还有些参数不那么重要,但根据工艺要求也可能非常重要,例如安装尺寸、重量、控制精度、全行程时间、防护等级等。