电动调节阀原理及其在暖通空调领域的应用

电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。与传统调节阀相比具有明显的优点：电动调节阀节能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。

执行器的作用：

执行器接受调节器的指令信号，经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或物料，以实现过程的自动控制。执行器常常工作在高温、高压、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、汽蚀、高压差等状态下，使用条件恶劣，因此，它是整个控制系统的薄弱环节。

电动调节阀的结构与工作原理：

电动调节阀的基本结构：

下图示是实验装置所配的电动调节阀典型外形，它由两个可拆分的执行机构和调节阀（调节机构）部分组成。上部是执行机构，接受调节器输出的0～10mADC或4～20mADC信号，并将其转换成相应的直线位移，推动下部的调节阀动作，直接调节流体的流量。

电动执行机构的基本结构：

下图示是一个一体化的直行程电动执行机构。它由相互隔离的电气部分和齿轮传动部分组成，电机作为连接两个隔离部分的中间部件。电机按控制要求输出转矩，通过多级正齿轮传递到梯形丝杆上，梯形丝杆通过螺纹变换转矩为推力。输出轴止动环上连有一个旗杆，旗杆随输出轴同步运行，通过与旗杆连接的齿条板将输出轴位移转换成电信号，提供给智能控制板作为比较信号和阀位反馈输出。

电动执行机构的工作原理：

电动执行机构的工作原理可以用下图表示，当控制器的输入端有一个信号输入时，此信号与位置信号进行比较，当两个信号的偏差值大于规定的死区时，控制器产生功率输出，驱动伺服电动机转动使减速器的输出轴朝减小这一偏差的方向转动，直到偏差小于死区为止。此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。

控制器结构：

实验装置所配的控制是一个智能型的，以专用单片微处理器为基础，通过输入回路把模拟信号、阀位电阻信号转换成数字信号，微处理器根据采样结果通过人工智能控制软件后，显示结果及输出控制信号。

调节阀的基本结构：

调节阀与工艺管道中被调介质直接接触，阀芯在阀体内运动，改变阀芯与阀座之间的流通面积，即改变阀门的阻力系数就可以对工艺参数进行调节。

这里给出直通单阀座和直通双阀座的典型结构，它由上阀盖(或高温上阀盖)、阀体、下阀盖、阀芯与阀杆组成的阀芯部件、阀座、填料、压板等组成。

其结构与动作原理看下动图将更直观。

调节阀的基本结构：

调节阀的性能特点：直通单阀座的阀体内只有一个阀芯和一个阀座，其特点是结构简单、泄漏量小(甚至可以完全切断)和允许压差小。因此，它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。直通双座调节阀的阀体内有两个阀芯和阀座。它与同口径的单座阀相比，流通能力约大20%～25%。因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，但上、下两阀芯不易同时关闭，因此双座阀具有允许压差大、泄漏量较大的特点。故适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。

电动调节阀的基本使用：

识读铭牌：

识读电动调节阀的铭牌，并回答问题：a）口径多少？b）阀杆行程多大？c)工作压力是多少？d）流量系数多少？e)最大推力是多少？

线路联接：打开机壳即可看见如图示意，对应图示插上智能控制板，嵌入定位销将其固定。执行机构外壳内有端子条用于电气接线，选择适当的电源线与执行机构相连，建议使用Φ1.0（mm2）导线。

整体式电动阀电气原理图：

电动执行机构工作原理分析：

电动执行机构的结构原理：

伺服放大器将输入信号Ii 和反馈信号If 相比较，得到差值信号ΔI（ΔI =∑Ii－If）。当差值信号ΔI＞0时，ΔI经伺服放大器功率放大后，驱动伺服电机正转，再经机械减速器减速后，使输出转角θ增大。输出轴转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流If，反馈到伺服放大器的输入端使ΔI减小，直至ΔI= 0时，伺服电机才停止转动，输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。反之，当ΔI＜0时，伺服电机反转，输出轴转角θ减少，If也相应减小，直至使ΔI= 0时，伺服电机才停止转动，输出轴稳定在另一新的位置上。

伺服放大器：

伺服放大器主要由前置磁放大器、触发器和可控硅交流开关等构成。它与电机配合工作的伺服驱动电路如下图所示。

前置放大器是一个增益很高的放大器，根据输入信号与反馈信号相减后偏差的正负，在a、b两点产生两位式的输出电压，控制两个可控硅触发电路中一个工作，一个截止。

执行单元：

执行单元由伺服电机、机械减速和位置发送器三部分组成。执行单元接受伺服放大器或电动操作器的输出信号，控制伺服电机的正、反转，经机械减速器减速后变成输出力矩推动调节机构动作。与此同时，位置发送器将调节机构的角位移转换成相对应的0～10mA，DC信号，作为阀位批示，并反馈到前置放大器的输入端作为位置反馈信号以平衡输入信号。

（1）伺服电机

伺服电机实际上是一个二相电容异步电机，它将伺服放大器输出的电功率转换成机械转矩，作为执行器的动力部件。

（2）减速器：目前电动执行机构中常用的减速器有行星齿轮和蜗轮蜗杆两种，其中行星齿轮减速器由于体积小、传动效率高、承载能力大、单级速比可达100倍以上，获得广泛的应用。

（3）位置发送器：位置发送器的作用是将电动执行机构输出轴的位移转变为0～10mA，DC反馈信号的装置。其主要部分是差动变压器，下图所示。

电动调节阀在暖通空调领域的应用：

在现代空调系统设计中，越来越多的空调系统中对于能量的交换采用自动控制，即根据室温的变化对系统供应的热/冷水量或风量进行相应的调节以达到所需的室温。在一个完整的控制回路中，需要用到如下图所示的室温或回风温度传感器，控制器及执行机构（如下图中的电动调节阀）。在水路系统中，电动调节阀就是最常用的执行机构。

空气处理机组的控制

电动调节阀由驱动器和阀体二部分组成，根据控制器的信号的要求开大或关小阀门，对流量进行调节，从而实现调节能量的目的。

下面是涉及电动调节阀选型和使用的一些基础知识：

一、阀门的流通能力

1.定义：阀门的流通能力反映的是阀门的通过能力，其定义为阀两端的压差为1bar时，通过阀门KV的流量，常用来表示，见公式（1）。当阀门处于全开状态时的流通能力为阀门的最大流通能力，常用KVS表示。KVS是阀门的一个特性参数，类似电路中电阻的概念，它只与阀门的结构有关，是一个不变的值，是厂家必须提供的阀门技术参数之一。

公式（1）：

阀门全开时的流通能力最大为KVS，全关时为0，其它开度位置的流通能力用KV值表示，与阀门的开度相对应。

从公式（1）可以引申出二个非常有用的公式（2）和（3）：

例如：已知经过阀门的设计流量和阀门的KVS值，可通过公式（3）算出阀门的压降，为水泵选型提供依据。

2.阀门串、并联时的总的KVO与每个阀门KV值之间的关系：

公式（4）阀门并联的情况对于平时设计是非常有用的。经常有一些系统需要用到口径很大的调节阀，如DN300，而这种大口径的调节阀在市场是很难买到，即使有的话，价格也非常昂贵，而且这么大的阀门其所需的关闭压差会很大，需要用到力矩很大的驱动器，这也是很难做到的。因此很多工程遇到这种需求时常常用电动蝶阀代替，这种做法只满足了尺寸安装的要求，而舍弃了最重要的调节性能。

实际上遇到这种大口径阀门的需求时，通常可以用二个阀门的并联方式解决，通常二个阀门KV值按1/3和2/3的关系进行并联匹配，开动作时为先开小阀，后开大阀，关动作时先关大阀，后关小阀。

这样做的好处是：

(1) 将一个大口径阀门转换成二个常规的小口径阀门，造价反而比一个大口径阀门低；

(2) 二个阀门并联后，其口径较大的一个在关闭过程由于有小阀门在旁通，因此便于关闭；

(3) 因为在小流量时由小阀门进行调节，因此与一个大阀门相比，提高了在小流量时的调节性能。

二、电动调节阀的理想流量特性曲线

任何阀门都有其固有的流量特性，其反映了阀门的相对流量与相对行程之间的关系。当阀门前后压差固定不变时所得到的流量特性，称为阀门的理想流量特性。常见的阀门理想流量特性主要有以下四大类，见图2所示：

①.直线型：单位行程变化引起的流量变化相等。小流量时流量的变化大，不易微调与控制，配合不好时会产生振荡。

②.抛物线型：流量特性为一条二次抛物线，介于直线与等百分比特性之间。

③.等百分比型：同样行程在小开度时流量变化小，大开度时流量变化大，适用于负荷变化幅度较大的系统，也称对数特性型。

④.快开型：行程较小时，流量就比较大，随着行程的增大流量很快达到最大。阀的有效行程＜d/4（d为阀座直径）。行程再增大时已不起调节作用，适用于双位控制。

阀门的各种流量特性是通过不同的阀芯形状来实现的，如图3所示：

在暖通空调系统中，空调箱及风机盘管均是小温差运行，其流量与热交换量关系呈上抛型曲线，如图4a所示，因此为了达到调节阀的阀门开度与盘管散热量形成线性关系的目的，需要采用理想流量特性为等百分比流量特性的调节阀进行调节，才能获得图4c中理想的控制效果。而球阀、碟阀、闸阀、截止阀等关断类阀门均属于快开特性，不具备调节性，因此不能用作调节阀，无法实现图4c的控制效果。

三、阀权度和调节阀实际工作流量特性的关系

1、阀权度定义：阀门全开时阀门两端的压降与阀门全关时阀门两端的压降之比，也可近似表示为阀门全开时阀门压降与控制回路总压降的之比，见公式（6）。从理论上说，这个值越大越好，表明阀门能够对流量进行有效调节从而对能量输出进行有效控制。但在没有其它设施保证其阀权度时，要实现具有较大的阀权度意味着电动调节阀上的压降要大，这又要消耗较多的水泵扬程，运行不经济，是矛盾的，因此综合考虑一般取a为0.5左右（没有动态压差平衡阀时），最低不小于0.3。

2、阀门实际工作流量特性：阀门的理想流量特性是在阀门两端压差保持不变，即阀权度为时的情况下得出的。但在实际系统中，阀门在从关到全开这个过程中，两端压差是在变化的。调节阀前后压差随负荷变化的条件下，调节阀的相对行程与相对流量之间的关系为阀门的工作流量特性。不同的阀权度下，电动调节阀的工作流量特性不同。图6给出了不同阀门阀权度从到时的流量特性曲线：

从上图中可看出随着阀权度的减小，理想的直线流量特性趋向于快开流量特性，理想的等百分比流量特性趋向于直线流量特性。因此为了保证阀门原有的调节性能，保证一定的阀权度是必须的。

电动调节阀选型举例：

一、电动调节阀的选型原则：

阀体：按照阀体承压要求和阀门流通能力系数KVS选型。

驱动器：主要是核对最大关闭压差是否满足要求。

二、选型表举例

已知：设计流量50m3/h，末端设备压降Δpm=0.4bar，关闭压差要求不小于1.5bar，如图9所示：

1、计算法：

（1）先确定阀门选型压降：根据阀权度要求，按阀权度a=0.5进行初选，则：

计算得Δp=Δpm=0.4bar。

（2）计算所需KV值为：

（3）查快速选型表选阀门，其值应大于计算出的KVS值：查得VF DN80的KVS值为100，大于79，满足要求。

（4）校核所选阀门实际的阀权度。如果选用KVS为100的阀门，此时阀门全开时的实际压降为：

此时实际的阀权度a=0.25/(0.25+0.4)=0.38＞0.3，仍满足要求。如果实际阀权度小于，一般情况下应缩小一号阀门口径，进行重新核算。

（5）选择驱动器：查快速选型表出所配驱动器为AME55，与DN80阀相配时关闭压差为3bar大于1.5bar，满足要求。

则最终选型结果为VF2 DN80+AME55。

2、利用快速选型表法

（1）第一步与计算法相同，根据阀权度确定选型压降；

（2）在快速选型表中压降为0.4bar一栏中查到流量50m3/h能大于的口径最小的阀门为DN80。

（3）进行实际阀权度核算，与计算法第四步相同；

（4）选择驱动器，与计算法第五步相同。

选型结果仍为VF2 DN80+AME55。。

本段节选自：丹佛斯电动调节阀样本。

电动调节阀调试：

执行机构在出厂前都进行了整定，一般使用时不需要再调试。实际使用中可能需对调节阀开度进行整定，为此，就PSL的限位开关整定问题作介绍。

（1）基本原则

执行器与调节阀门安装连接组合后的产品调试必须作到三位同步：调节阀位置、行程开关位置、对应信号位置。例：输入信号为4mA，下限位开关是断电位置；输入信号为20mA，调节阀处于满度开位置，上限位开关是断电位置。判断行程限位开关的办法：上、下行程由调节凸块碰撞到限位开关时，会听到“咔嗒”声均可，反作用时相反操作。

（2）整定方法

手动执行器驱动阀门的阀芯接触阀座。当阀杆开始轴向动作时，阀杆受力为执行器盘簧的反作用力。

继续向同一方向驱动执行器，直到执行机构盘簧被压缩到盘簧图表所示相应数值。这样保证关断力，防止泄漏。

不通电转动手轮使阀杆下降至“0”位置时，调整下限限位开关正好动作（下图）（右凸块）。同时左旋反馈电位器到“0”欧姆位置。再转动手轮使阀杆上升至标尺100%位置时，调节上限限位开关正好动作（左凸块）。重复上述动作直至上、下限限位都调整好。

常见问题及原因：

一、电动调节阀出现噪音和振动

出现的原因是电动调节阀两端的压降过大，尤其当阀门开度较小时，系统压降基本上都降在了阀门上，其中在阀锥下游的压降会更大。当某点的压力下降到该点水温对应的汽化压力以下时，该点将发生气化，产生气泡，发生“气蚀”现象，并产生刺耳的嚣叫。这种现象在调节阀压降越大、水温越高时（主要是冬季）越容易出现。即使没有出现气蚀现象，过大的压降也会导致噪音、振动、驱动器无法关断阀门等现象。

解决方法：有效地保持调节阀两端正常的压降，尤其是调节阀在关小的过程中，一般是采用动态压差平衡阀来实现。

二、系统稳定时间过长

原因：电动调节阀的阀门开度与盘管散热量合成后形成上抛曲线关系（见图7中曲线1）。前面提到为得到理想的控制效果，阀门的理想流量特性应为等百分比特性，但这需要阀门的阀权度为。但在实际工作中，阀门的阀权度在没有其它辅助设施（如压差控制阀）的帮助下是无法保证在全开至全关的过程中时时为。因此阀门的阀权度越小，最终合成的控制曲线会越近似于图7中的曲线1，这样会出现以下二种情况：

1 当调节阀处于开度较大时（曲线1中的a段），调节阀阀芯大幅度地动作，但盘管的散热量的变化很小，达到所需温度的控制时间很长；

2 当阀门处于小开度时（曲线1中的b段），调节阀阀芯轻微动作，就导致盘管的散热量的变化很大，形成震荡控制，系统需要达到稳定的时间很长。

而如果电动调节阀能保证良好的阀权，处于较理想的控制曲线上（图7中曲线2）时，不论阀门处于何种开度，系统均能迅速稳定至所需温度。

此问题的解决方法：尽可能增加阀门的阀权度（至少不小于推荐值），必要时使用动态压差平衡阀或直接采用动态平衡型电动调节阀。

三、电动调节阀动作频繁

原因：动态失调引起电动平衡阀动作频繁。变流量系统由于部分负荷发生变化导致的电动调节阀开度的变化引起系统压力的波动，从而引起其他负荷没发生变化的末端水量变化，造成了这部分电动调节阀动作频繁。如图8所示，当某个末端的电动调节阀完全关闭，造成同支路其他末端两端的压差增大，从而其他负荷没发生变化的末端的电动调节阀因为水量变化也要产生不必要的动作。

解决方法：采用动态压差平衡阀可防止动态失调。用动态压差平衡阀固定电动调节阀两端或某一支路的压差，则

，只要电动调节阀的开度不变（负荷没有发生变化）则水量不变，从而防止了动态失调，防止了电动调节阀频繁动作而影响使用寿命。

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