CN1013298B - 控制阀的电气执行装置 - Google Patents

Abstract

一种流体控制阀用的电气执行装置，用感应电机控制阀的开度，并具有一控制系统，它能检测实际开度和预定开度的偏差，根据开启偏差产生阀的开启和关闭速度指令，并检测实际开启或关闭速度与指令速度的偏差，根据该速度偏差产生转矩指令并用矢量计算法计算供给感应电机的初级电流。当阀处于完全关闭时，使感应电机断电并起动制动装置。装有使推力负载最佳的重新起动电机的装置，还装有诊断反常现象的装置。

Description

本发明涉及一种控制阀的电气执行装置，它适合于在蒸汽动力厂中控制高压流体例如高压蒸汽的压力和流速。

在已有技术的这类装置中，这一电气致动的控制阀包含一含阀腔的壳体;入口和出口;位于阀腔内的阀座;在壳体中被支撑着并与一阀塞相联的可动阀杆;及一执行装置，它用直流伺服电机移动阀杆从而驱动阀塞接触和脱离阀座以控制控制阀的开度。

直流伺服电机的转动受相位控制型的控制器的控制，这种控制器能确定实际开度和预定开度的偏差，并在减小偏差所要求的方向上驱动直流伺服电机运转。当偏差降为零时，控制器使直流伺服电机停止运转。

但当在需要的开度上停止时，直流伺服电机不能产生使作用在阀杆上的负载平衡的转矩。因而具有自动锁定功能的蜗轮系被装到把转矩从直流伺服电机传送到阀杆上的系统中去。但装上蜗轮系后使转矩传送系统的结构复杂化，并由于蜗轮系的转矩传送效率低而要求直流伺服电机有很大的容量。

采用直流伺服电机的阀执行装置，为了保护阀的部件和转矩传送装置本身避免受到任何过大的力，而当阀处于完全关闭位置或处于中间开度时该力会由挤在阀塞和阀座之间的液体中的颗粒性杂质产生，故必须在转矩传送装置中装转矩限制开关。

另外，由于直流电机需要有电刷进行整流，必需对其运转速度进行限制，并需进行附加的保养工作。

为了克服上述已有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一电 气执行装置，该装置使用交流感应电机，替代了已有技术装置中需用蜗轮系和转矩限制器的直流伺服电机，仍能准确地致动控制阀。

为此，按本发明的一个方面，提供的电气执行装置其致动的控制阀包括含阀腔的壳体，入口和出口，位于阀腔内的阀座，和由壳体支撑并与阀塞相联的可动阀杆;上述执行装置采用（Ⅰ）一交流感应电机来移动阀杆以便驱动阀塞接触和脱离阀座，从而控制控制阀的开度，（Ⅱ）一控制系统，它能确定实际开度和预定开度的偏差，根据偏差大小产生阀的开启或关闭速度指令，并确定实际的开启速度或关闭速度与指令速度间的偏差，再根据这速度偏差大小产生转矩指令，并通过矢量计算法计算出要加给感应电机的初级电流以便使感应电机输出合适的转矩。

按本发明的另一个方面，提供的一种电气执行装置，其致动的控制阀包括一含阀腔的壳体，入口和出口，位于阀腔内的阀座，和由壳体所支撑并与阀塞相联的可动阀杆;上述执行装置采用（Ⅰ）一交流感应电机来移动阀杆以便驱动阀塞接触和脱离阀座，从而控制控制阀的开度;（Ⅱ）一控制系统，它能确定实际开度与预定开度的偏差，按偏差大小产生阀的开启速度和关闭速度指令，并确定实际开启速度或关闭速度和指令速度间的偏差，并根据速度偏差产生转矩指令，通过矢量计算法计算要供给感应电机的初级电流以便使感应电机输出合适的转矩。（Ⅲ）一磁制动装置，该磁制动装置作用于电机转轴上，当阀门处于完全关闭位置，控制系统使供给感应电机的电流停止时可防止由于负载的反作用而引起转轴反转，（Ⅳ）一能检测作用于阀杆上的推力大小的推力检测器;和（Ⅴ）一推力比较器，它在阀门处于完全关闭状态时如推力大小偏离预定值可输出一信号重新起动感应电机，并释放制动装置。

按本发明的任一个方面的执行装置能提供与阀杆速度无关的阀的平滑控制，这是因为矢量控制保证了感应电机总是能输出一恰当 的转矩使在阀的任意位置上的负载平衡。

另外，矢量控制能不需特殊的机构来锁住阀门就能维持所需的开度，因此可用具有高转矩传送效率的正齿轮系来替代蜗轮系。其结果是可用小容量的电动机以减小总的尺寸和减轻重量。

控制系统还可连续监视供给感应电机的电流以便输出去打开或关闭阀门的转矩不超过预定值，因此在转矩传送装置中不再需要转矩限制开关。此外，由于使用了没有电刷及保养工作小的鼠笼式感应电机从而使运转速度得到提高。

在按本发明的第二方面的执行装置中，当阀门完全关闭时感应电机断电，且制动装置同时锁住电机轴。因此节省了能量并不会产生热量。推力比较器连续监测由推力检测器产生的信号，如果流体中温度变化要求调整阀座的负载，它会使感应电机再起动，并释放制动装置从而保证一直获得最佳推力控制。

本发明的以上目的及其他目的、特点和优点在联系附图阅读较佳实施例的如下说明后将会更为清楚。

图1是根据本发明的一个执行装置和由该执行装置致动的控制阀的带局部剖面的正视图。

图2是在图1中所示的执行装置的控制系统的方框图;

图3是在图1中所示的执行装置的部件的剖面图;

图4是推力检测系统的方框图。

如图1所示，控制阀10有其中含阀腔13和带有进气道11和排气道12的壳体14，一位于壳体14里的阀座15，和一在壳体14中被支撑着并与一阀塞16相联的可动阀杆17。

控制阀10设计成由一包括感应电机型的交流伺服电机18的执行装置进行致动。伺服电机18通过减速的齿轮装置19、滚珠丝杆装置20和阀杆17相联，并移动阀杆17以便驱动阀塞16接触或脱离阀座15，由此控制阀10的开度。减速的齿轮装置19包含具有正齿 轮21A到21D的正齿轮系。手柄22通过齿轮21E与减速齿轮装置19相联。

阀杆17由一与滚珠丝杆装置20相联的上杆部23，一与阀塞16相联的下杆部24、一装在上杆部23的下端并和接合器25同轴联接的联接器26组成。

控制阀10有一轭架27A，在其中装有可以是一种差示变换器的位置传送器27。在图示的实施例中，下杆部24的轴向位移通过一联动机构传送给位置传送器27以便传送器27传送对应于控制阀10的开度的信号。

装在伺服电机18的轴上的编码器28则检测电机轴的旋转度。

控制阀10装有推力检测器29。如图3所示，推力检测器29有一在接成惠斯登电桥形式并装在接合器25的小直径部分25A上的应变检测器30。从图4中可看出，应变检测器30联到电源电路30A。应变检测器30的输出通过一放大器30B传送到推力比较器36。如图3所示，缓冲圆盘弹簧32装在接合器25和联接器26之间，以便吸收可能在32A和32B处产生的轴向膨胀。

伺服电机18装有一电磁制动装置33，以便当控制系统34停此供给电机18电流时，防止由于负载的反作用而使电机轴反转。

从图2可看出，控制系统34包括有转矩比较器35和推力比较器36。

控制系统34包含一速度指令计算电路38，这计算电路经放大器37接受预定的阀开度K₀和来自位置传送器27的当前阀的开度K。速度指令计算电路38按当前开度K和预定开度K₀的偏差值K_e计算出一开启速度指令OV₀或一关闭速度指令CV₀。通过一接口电路39将开启速度指令OV₀或关闭速度指令CV₀传送给一交流伺服放大器40。

控制系统34还包括一速度计算电路41，这电路接收检测电机 轴的旋转度的编码器28的输出，并计算电机实际速度V。

交流伺服放大器40计算电机实际速度V和开启或关闭速度指令OV₀或CV₀的速度偏差值V_e速度偏差值V_e输入到一按速度偏差值V_e计算转矩指令I_t的转矩指令计算电路42。这转矩指令I_t取电信号的形式，并输出到矢量计算电路43，该电路能根据矢量计算法计算出供给伺服电机18的指令初级电流I₁。更具体地说矢量计算电路43计算供给伺服电机的U相V相和W相指令电流I_u、I_v和I_w。交流伺服放大器40能确定电流偏差值I_e，即由电流检测器44检测出的实际初级电流I与上面提到的指令初级电流I₁间的差值。电流偏差值I_e被送到电源控制电路45，它能按电流偏差值I_e计算出电压指令E_u、E_v和E_w。然后这电压指令E_u、E_v和E_w加到与伺服电机18各相相联的功率晶体三极管46从而控制伺服电机18。

矢量计算电路43接收由转矩指令计算电路42计算出的转矩指令I_t，由速度计算电路41计算出的电机轴的角速度ωm和由交流伺服放大器40存储的预定的励磁电流指令I₀，然后用下列方程1～4计算出初级电流I₁、相角φ，转差频率ω_s和输出频率ω₀。

初级电流电平 $I_1=\sqrt{I{}^2{}_O\mathrm{+\; I}{}^2{}_t}\mathrm{\dots （1）}$

相角 φ＝tan^-1（I_t/I₀） …（2）

转差频率 ω_s＝（1/τ）（I_t/I₀） …（3）

输出频率 ω₀＝ωs+ωm …（4）

其中τ是每个电机单元的单个预定系数。接着，矢量计算电路43利用上述方程1～4的计算结果，用下列方程5-1，5-2和5-3计算出伺服电机18各相的初级电流指令I_u，I_v和I_w，

I_u＝I_isin（ω₀t+φ） …（5-1）

I_v＝I_isin（ω₀t+φ-2π/3） …（5-2）

I_w＝I_isin（ω₀t+φ+4π/3） …（5-3）

作为保护执行装置的安全因素，矢量计算电路43还经接口电 路52接收来自TL端的一对应于预定电流值的最大允许转矩Tmax信号，以便伺服电机18的输出永远不会超过最大允许转矩Tmax。

转矩比较器35存有各种额定的转矩值，如阀切断转矩和阀工作转矩等，并把这些存储的数据和对伺服电机18所检测到的实际输出转矩TD进行比较以便测出可能产生的任何过大的转矩。万一产生有过大转矩，则转矩比较器35输出一关断信号SV给电源控制电路45以便使伺服电机18断电。

推力检测器29连续监视作用在阀杆17上的推力。因为当阀门处在完全关闭位置时要切断供给伺服电机18的电源。推力比较器36监视从推力检测器29来的信号并输出信号RV到接口电路39和电源控制电路45，以便重新起动伺服电机18，即使由于例如流体温度方面的变化而出现推力大小的变化也能使作用在阀杆17上的推力为最佳值，当伺服电机18重新起动时推力比较器36还输出一信号去释放制动装置33。

另外，因为推力比较器能不断对作用于阀杆37的推力进行监视，推力比较器36能用来重复转矩比较器35的功能而当万一转矩比较器35故障时能起到断开供给伺服电机电源的第二装置的作用。

按本发明提供的执行装置还提供有推力校准或诊断装置47，该装置存储转矩比较器35和推力比较器36的预定值，校准装在推力检测器29中放大器30B，并指出作用于阀杆17上的推力大小。推力校准/诊断装置47还将伺服电机18的输出转矩和由推力检测器29所检测的作用于阀杆17上的实际推力进行比较，以便计算效率额定值。推力校准/诊断装置47可诊断是否有效率降低现象，该现象会在一段时期后由于伺服电机18和在功率传送系统或阀体中的各种机械部件磨损和/或损坏而出现。

具体地说，校准/诊断装置47包括一计算电路47A和一显示电路47B。代表由位置传送器27所测出的当前阀门开度的信号和代 表由推力检测器29测出的推力的信号都加到计算电路47A，然后计算电路47A，（1）在控制阀10工作早期阶段（如试运转时）存储阀的开度和推力之间的关系的数据作为参考数据;（2）计算出控制阀10在以后实际工作时阀开度和推力关系的数据作为实际数据;（3）把实际数据和参考数据进行比较。其后如在实际数据中的每个开度上的推力降低到在参考数据中的每个对应开度的推力的许可范围以外的条件下，则能诊断出在控制阀中出现的不正常现象。顺便说一下，至于相对于在每一开度上的参考推力的实际推力许可范围，可存储在计算电路47A的存储部分中。此外，显示电路47B不仅显示由推力检测器29所测得的推力，而且还显示由计算电路47A计算的诊断结果。

执行装置还装有自动/手动开关48。当这开关转到手动方式时，控制阀10借助一开阀按钮49或一关阀按钮50进行手控。手动运转速度可调节在规定范围内。

执行装置还装有一紧急运转按钮51，当按下时，无论自动/手动方式开关50的状态如何，根据预置条件，把一个电路接通或开阀或关阀。伺服电机18的紧急运转速度可调节在规定范围内。

在控制阀10中，一交流电源（三相220V）61通过开关62、一整流器63和一具有驱动电机18用的功率晶体三极管46的逆变变换电路部分64和电机18相联。

此外，控制阀10有蓄电池备用装置65，它在交流电源61断电时起作用。

蓄电池备用装置65可由一连接器67（例如一电磁继电器）把直流电源（110V）接到逆变变换装置部分64。在交流电源61断电时能自动地使连接器67接通而驱动电机18。参考号68指一使用二极管的防止电流倒流的装置。

另外，当连接器67接通时，蓄电池备用装置65通过一直流/ 直流转换器69把直流电源66接到电源控制电路45。联到电源控制电路45的直流电源66被用作一控制电源用以控制逆变变换电路部分64的功率晶体三极管46的基极电压，并产生对应于电源控制电路45的电流偏差I的三相交变电流。

本发明的执行装置对控制阀10的制动方式在下文中进行说明。

（1）当当前开度K与预定开度K₀之间有偏差时，速度指令计算电路38按照偏差K_e计算出开启或关闭的速度指令OV₀或CV₀。交流伺服放大器40的转矩指令计算电路42按实际开启或关闭速度V和计算出的开启或关闭速度指令OV₀或CV₀的偏差V_e来计算转矩指令I_t，交流伺服放大器40的矢量计算电路43计算供给伺服电机18的初级电流I₁。然后电源控制电路45把初级电流I₁供给伺服电机18，这电机18驱动阀杆17直到当前开度K与预定开度K₀的偏差K_e减到零为止。

（2）当控制阀10处在中间开度且当前开度K和预定开度K₀之间的偏差减为零时，控制伺服电机使之产生一能平衡作用于阀杆17上的负载的输出转矩，由此维持控制阀10的当前开度。

（3）当预定开度K₀对应于阀在完全关闭的位置时，电机运转直到使预定开度K₀和当前开度K之间的偏差K_e降为零为止，即直到控制阀10完全关闭为止。转矩比较器35把由交流伺服放大器40计算出的转矩与预定关断转矩相比较，并当计算得的转矩与预定的关断转矩相等时产生一信号使伺服电机18停转。电磁制动装置33同时被启动，防止电机轴由于负载的反作用而反转。

（4）当控制阀10处于完全关闭状态时，由于在阀腔里的流体的温度的变化所引起的任何阀杆17的热膨胀或收缩将引起作用于阀杆17上的推力大小的变化。推力比较器36连续监测由推力检测器29所测出的推力的大小。如果测出推力在减小，则推力比较器36产生一信号，使伺服电机18重新起动并释放电磁制动装置33，以便 使加到阀杆17上的转矩增大直到恢复最佳推力为止。相反地，如果测出的推力在增大，则推力比较器36产生一信号使伺服电机18重新起动并释放电磁制动装置33，以便使加在阀杆17上的转矩减小，直到恢复最佳推力为止。

（5）转矩比较器35贮存有与工作转矩的最佳值有关的数据并将由交流伺服放大器40计算出的转矩值与该转矩数据相比较以便检测任何反常的转矩。在阀的任何位置上如测出有过大的转矩，则转矩比较器35产生一信号使伺服电机18停转，并起动电磁制动装置33。

由前面的说明可以看出，所述的本发明的实施例具有各种优点。借助于对能调节阀杆17的交流伺服电机18的输出转矩所进行的矢量控制，无论阀杆17的速度如何都能实现最佳转矩控制。

因此无论阀的位置如何，伺服电机18都能获得与作用于阀杆17上的推力平衡的转矩。于是，能保持所希望的开度而不需要任何特殊的锁定机构例如蜗轮系。因而，具有高转矩传送效率的正齿轮减速机构可用来代替蜗轮系以便使用具有较低容量的电动机，以便使总尺寸减小和总重量减轻。

控制系统34具有监测伺服电机18输出转矩的功能，如果阀门或转矩传送系统偶然地被锁住也能防止产生过大的转矩，因此能保护阀件和转矩传送系统而不需装任何机械转矩限制器。

采用无刷鼠笼式感应电机18能使阀执行装置在高速状态下进行工作而减少维护工作。

当控制阀完全关闭时，电机轴被电磁制动装置33锁住，并切断供给伺服电机18的电源，因此可节省能量并防止在伺服电机18中产生热量。如因流体温度的变化而产生负载变化，为了一直获得最佳推力，推力比较器36连续监测作用于阀杆17上的由推力检测器20所测出的负载，并输出一信号去重新起动伺服电机18并释放制 动装置33。

如已述的那样，按本发明的执行装置能精确地、平滑地控制阀的工作而不用直流伺服电机，并允许对阀的工作转矩和速度进行独立地控制。它也省去了自动锁定机构（如蜗轮系）和机械转矩限制器。另外，作用于阀杆上的推力总是保持最佳，而尽管由于流体温度的变化会使阀杆作任何的热膨胀。

此外，按如上所述的实施例，由于推力检测器29装在阀杆17上，任何实际作用于阀杆17上的推力能在阀的任何开启位置上很准确地被连续测出。

另外，因为校准/诊断装置47在推力检测器29所测定的结果的基础上能诊断出阀所出现的任何反常现象。如含在液体中的颗粒性杂质咬住阀的滑动部分的现象以及出现在阀的滑动部分的卡住、不光滑等现象，都能被准确地快速地从阀杆推力的变化中诊断出来。

另外，按上述的实施例，在使用交流电机18来控制的控制阀10中，当交流电源61出现断电时，连接器67立即闭合，使直流电源66经过逆变变换电路64与电机18相联，并向电机18提供驱动功率。

所以，即使在电源断电时，不用直流电机或不提供一直流/交流变换器，控制阀10也会稳定地工作。

虽然本发明已以较佳的方式进行了说明，但应理解所述实施例仅是为了举例说明，不超出完全由所附权利要求所限定的本发明的范围可赋于它不同的变化和改进。

Claims (4)

1、一种控制阀用的电气执行装置，其控制阀具有含阀腔并带有进口通道和出口通道的壳体，一位于上述阀腔内的阀座，一由上述壳体所支撑的并与一阀塞相连的可动阀杆，

其特征在于，

所述执行装置采用感应电动机来移动所述阀杆，以便驱动上述阀塞接触和脱离上述阀座由此改变上述控制阀的开度；

所述的执行装置由一控制系统进行控制，该控制系统确定实际开度和预定开度的偏差，并按上述开启偏差产生阀开启或阀关闭速度指令，确定实际阀开启或关闭速度与速度指令的偏差，及用矢量计算方法计算出供给上述感应电机以使所述电机输出所需转矩的初级电流；

装有一制动装置，当上述控制阀处于完全关闭状态时，该制动装置锁住上述感应电机的轴，以便防止由于负载的反作用而使上述轴反转；

装有一检测作用在上述阀杆上的推力大小的推力检测器。

2、如权利要求1所述的执行装置，其特征在于，装有一当上述控制阀处于完全关闭状态时，万一作用在上述阀杆上的推力大小出现变化能重新起动上述感应电机并释放上述制动装置的装置。

3、如权利要求1所述的执行装置，其特征在于，装有一论断装置，该论断装置论断上述执行装置和/或控制阀是否有由于伺服电机、在转矩传送系统中或阀体内的各种机械部分的磨损和/或损坏而引起的任何反常表现。

4、如权利要求1所述的执行装置，其特征在于，装有一蓄电池备用装置，它能通过一连接器将直流电源接到逆变变换电路部分，并能在交流电源发生故障时合上上述连接器而驱动上述感应电机。

Images