屏蔽部分回轉(zhuǎn)電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)及控制研究

楊松 譚術(shù)洋

摘要：現(xiàn)有部分回轉(zhuǎn)閥門的開關(guān)力矩由供電電壓決定，在開關(guān)過(guò)程中電動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩為一個(gè)定值。當(dāng)閥門關(guān)到位或開到位后，根據(jù)位置傳感器的信號(hào)來(lái)斷開閥門電裝供電，閥門動(dòng)作停止。在閥門多次動(dòng)作后，閥瓣的阻力矩會(huì)變小。在關(guān)閥時(shí)，有可能出現(xiàn)電機(jī)輸出的力矩較大，導(dǎo)致閥門卡滯，無(wú)法連續(xù)可靠動(dòng)作。本文針對(duì)DN125屏蔽電動(dòng)球閥電動(dòng)裝置開展了電磁方案研究，完成了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和電磁參數(shù)設(shè)計(jì)。利用ANSOFT軟件對(duì)電動(dòng)裝置的起動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)閥門阻力矩完成了減速器的選型計(jì)算。為了能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成閥門的開關(guān)，同時(shí)避免出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的閥門卡滯，本文提出了采用變頻器控制電動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速的控制方法。

關(guān)鍵詞：部分回轉(zhuǎn)；屏蔽電動(dòng)裝置；變頻器

引言

現(xiàn)有部分回轉(zhuǎn)閥門主要是通過(guò)位置傳感器來(lái)控制閥門電裝的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)。閥門電裝的開關(guān)力矩由供電電壓決定，在開關(guān)過(guò)程中電裝輸出的轉(zhuǎn)矩為一個(gè)定值。當(dāng)閥門關(guān)到位或開到位后，根據(jù)位置傳感器的信號(hào)來(lái)斷開閥門電裝供電，閥門動(dòng)作停止。在閥門多次動(dòng)作后，閥瓣的阻力矩會(huì)變小。在關(guān)閥時(shí)，有可能出現(xiàn)電動(dòng)裝置輸出的力矩較大，導(dǎo)致閥門卡滯，無(wú)法連續(xù)可靠動(dòng)作。本文通過(guò)變頻的形式，改變電動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)速，從而控制閥門在開關(guān)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、加速、減速、停止四個(gè)過(guò)程的平滑過(guò)渡，特別是保證在停止過(guò)程能使閥門從一個(gè)較低的速度緩慢停止。

本文研究對(duì)象為ACP100模塊化小型堆非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)DN125屏蔽電動(dòng)球閥。

1電動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)方案

DN125屏蔽電動(dòng)裝置由三相異步屏蔽電機(jī)、減速器、傳感器、止動(dòng)盤、旋轉(zhuǎn)盤、鍵、銷及螺釘?shù)冉M成。屏蔽電機(jī)有定子、轉(zhuǎn)子、定子屏蔽套、接線盒、深溝球軸承構(gòu)成，減速器有固定齒輪、輸出齒輪、雙聯(lián)齒輪、深溝球軸承構(gòu)成。電機(jī)為減速器提供扭矩動(dòng)力，定子屏蔽套的作用是將系統(tǒng)介質(zhì)與定子繞組隔離，保證電機(jī)正常運(yùn)行。減速器采用少齒差行星齒輪傳動(dòng)，固定齒輪和輸出齒輪與電機(jī)為同心，雙聯(lián)齒輪與電機(jī)存在偏心，減速器將電機(jī)的高轉(zhuǎn)速降低為要求的低轉(zhuǎn)速，將電機(jī)的扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)盤，再通過(guò)傳感器的控制，達(dá)到控制閥門開啟和關(guān)閉的目的，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 電動(dòng)裝置電磁設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

DN125屏蔽電動(dòng)球閥對(duì)電動(dòng)裝置的技術(shù)要求如下：

1）屏蔽電機(jī)功率：≤300W

2）閥門阻力轉(zhuǎn)矩：600N·m

3）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：≥1.6

4）90°行程時(shí)間：≤10s

2.2 主要尺寸設(shè)計(jì)

定子鐵芯內(nèi)徑Di1和有效長(zhǎng)度lef是電機(jī)的主要尺寸，主要尺寸比λ的表達(dá)式[1]為：

λ=lef/τ （1）

其中，τ為極距，τ=πDi1/2p，p為極對(duì)數(shù)。

在電機(jī)的功率P、轉(zhuǎn)速n、線負(fù)荷A、氣隙磁密B確定后，有如下關(guān)系式[1]：

KP/ABn=常數(shù) （2）

式中，K為電機(jī)設(shè)計(jì)常數(shù)。

DN125電傳動(dòng)裝置額定功率為300W，電機(jī)為4極（2p=2），線負(fù)荷A及氣隙磁密B參考相近功率電機(jī)選擇。經(jīng)計(jì)算，Di1=181mm，lef=168mm。

2.3定子屏蔽套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于定子屏蔽套處于定子和轉(zhuǎn)子之間會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，損耗愈大，電機(jī)效率越低，而渦流損耗與定子屏蔽套的厚度成反比，因此為了提高電機(jī)效率，處于定子和轉(zhuǎn)子之間的一段壁厚必須盡量薄。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，屏蔽套厚度取0.5mm，材料為06Cr19Ni10。

定子屏蔽套與工作介質(zhì)直接接觸，直接承受著系統(tǒng)內(nèi)壓，為了減小定子屏蔽套的徑向受力，用電機(jī)自身的定子鐵心與定子屏蔽套接觸段對(duì)定子屏蔽套薄壁段進(jìn)行強(qiáng)度的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.4 起動(dòng)性能計(jì)算

為了能夠在短時(shí)間內(nèi)完成閥門的開關(guān)過(guò)程，在開、關(guān)的瞬間應(yīng)盡量增大電動(dòng)裝置的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以縮短起動(dòng)時(shí)間。對(duì)于屏蔽電動(dòng)裝置而言，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與供電電壓的平方成正比，與電機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻成正比[2]。在供電電壓一定的條件下，增大轉(zhuǎn)子電阻成為提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最直接手段。為了最大程度提高轉(zhuǎn)子電阻，本文轉(zhuǎn)子采用實(shí)心籠型轉(zhuǎn)子，即實(shí)心轉(zhuǎn)子表面開槽嵌入高電阻的銅條。

除此之外，在電磁設(shè)計(jì)過(guò)程中還采取了如下措施：

1）定子繞組均采用雙層疊繞式，可通過(guò)分布、短距措施，大大消弱磁場(chǎng)中高次諧波；

2）增加氣隙長(zhǎng)度，削弱了附加力矩；

3）選取較小的定子槽口寬度，減小由于槽口氣隙磁導(dǎo)變化較大引起的齒諧波，大大地削弱齒諧波磁場(chǎng)及其產(chǎn)生的同步附加力矩。

根據(jù)已經(jīng)確定的電磁參數(shù)，在Ansoft RMxprt模塊中進(jìn)行建模。由于屏蔽套為非導(dǎo)磁材料，磁導(dǎo)率與空氣相同，在建模時(shí)為了簡(jiǎn)化模型，將屏蔽套尺寸全部計(jì)算在氣隙長(zhǎng)度中。電動(dòng)裝置的機(jī)械特性曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)十分接近最大轉(zhuǎn)矩，說(shuō)明電機(jī)的起動(dòng)性能得到了充分的發(fā)揮。經(jīng)計(jì)算，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.58，大于1.6倍的要求值。

3 減速器設(shè)計(jì)

減速器結(jié)構(gòu)如圖4所示，固定齒輪連接在定子上，不能旋轉(zhuǎn)，電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)雙聯(lián)齒輪旋轉(zhuǎn)，雙聯(lián)齒輪的一個(gè)齒輪會(huì)與固定齒輪嚙合，由于固定齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致雙聯(lián)齒輪轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)雙聯(lián)齒輪的另一個(gè)齒輪還會(huì)和輸出齒輪嚙合，由于輸出齒輪齒數(shù)多于雙聯(lián)齒輪齒數(shù)，轉(zhuǎn)速再次被降低，從而達(dá)到減速目的。

根據(jù)技術(shù)要求，電機(jī)額定功率不超過(guò)300W，按額定功率P=300W，采用四極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，無(wú)法估算電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速暫按同步轉(zhuǎn)速計(jì)算，可得到電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩T1為：

T1=9550P/n=1.91 Nm （3）

根據(jù)技術(shù)要求，電傳額定輸出扭矩不小于600Nm，為充分保證扭矩，按電傳額定輸出扭矩T=650Nm計(jì)算，可得傳動(dòng)比i為：

i= T/T1=340.3 （4）

選擇互相嚙合的兩個(gè)齒輪齒數(shù)差zd=z2-z1=z3-z4=4，雙聯(lián)齒輪的兩個(gè)外齒輪齒數(shù)差ze=z1-z4=2，則固定齒輪齒數(shù)z2為：

（5）

經(jīng)計(jì)算z2=55.1，z2取56。則與固定齒輪嚙合的雙聯(lián)齒輪齒數(shù)為z1=z2-zd=52；與輸出齒輪嚙合的雙聯(lián)齒輪齒數(shù)為z=z1-ze=50；輸出齒輪齒數(shù)為z3=z4+zd=54。最終傳動(dòng)比為：

i=z1z3/（z1z3-z2z4）=351 （6）

輸出轉(zhuǎn)矩為：

T=T1×i=670.41N·m>600 N·m （7）

4. 控制設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

為了能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成閥門的開關(guān)，同時(shí)避免出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致的閥門卡滯，本文采用變頻器結(jié)合位置傳感器的控制方法對(duì)閥門的開關(guān)過(guò)程中的速度進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)的主接線圖如圖5所示。

在部分回轉(zhuǎn)閥門的開關(guān)行程上，布置若干個(gè)位置傳感器。位置傳感器檢測(cè)到閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)位置后，將位置信號(hào)反饋到變頻器控制模塊（PLC模塊），變頻器控制模塊根據(jù)位置信號(hào)向電裝輸出設(shè)定好的頻率，從而控制電裝在閥門各個(gè)行程過(guò)程中的轉(zhuǎn)速。位置傳感器的布置如圖6所示。

位置傳感器采用電感式接近開關(guān)。接近開關(guān)有三部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬目標(biāo)接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致震蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式檢測(cè)目的。

4.2 控制原理

接近開關(guān)安裝在電傳動(dòng)裝置的定子屏蔽套上，當(dāng)電傳動(dòng)裝置接通電源時(shí)，電機(jī)開始起動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)第一個(gè)接近開關(guān)不起作用。旋轉(zhuǎn)盤會(huì)轉(zhuǎn)到第二個(gè)接近開關(guān)位置，接近開關(guān)感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)盤后，會(huì)將感應(yīng)到的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)的PLC，PLC會(huì)通過(guò)變頻器提高電機(jī)的輸入頻率，達(dá)到增速的目的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)到第三個(gè)接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)在感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)盤后，會(huì)將感應(yīng)到的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)的PLC，PLC會(huì)通過(guò)變頻器降低電機(jī)的輸入頻率，達(dá)到減速的目的。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)到第四個(gè)接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)在感應(yīng)到旋轉(zhuǎn)盤后，會(huì)將感應(yīng)到的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)的PLC，PLC會(huì)切斷電源，達(dá)到停止的目的，這時(shí)完成開閥或關(guān)閥的整個(gè)過(guò)程。

由90?回轉(zhuǎn)時(shí)間10s可知，由此旋轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速n2為1.5 r/min。減速器傳動(dòng)比為351，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速n1為526.5 r/min。由于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與電機(jī)輸入頻率成正比，額定50Hz時(shí)電機(jī)設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速1450r/min，因此電機(jī)要輸出轉(zhuǎn)速526.5r/min需要輸入的頻率為18.2 Hz。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，初選各段頻率為19Hz。

最終變頻器在起動(dòng)—加速—減速每段輸出頻率的確定，還取決于幾個(gè)傳感器之間的夾角，即每段的行程。因此，實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)起動(dòng)時(shí)間要求，結(jié)合傳感器的布置位置，在參考初選頻率的情況下確定最終的輸出頻率。DN125電動(dòng)球閥電傳動(dòng)裝置在各段的輸出頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，在90°行程內(nèi)電動(dòng)裝置的動(dòng)作時(shí)間為8.4s，滿足小于10s的要求。

5. 結(jié)論

本文開展了DN125屏蔽電動(dòng)球閥電動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，完成了電動(dòng)裝置電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和起動(dòng)性能計(jì)算，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)滿足技術(shù)要求。完成了減速器所用齒輪的選型和減速比的計(jì)算，電動(dòng)裝置額定輸出力矩大于閥門阻力矩。為了避免出現(xiàn)電動(dòng)裝置輸出力矩較大導(dǎo)致的閥門卡滯現(xiàn)象，本文提出了采用變頻器結(jié)合位置傳感器，對(duì)閥門在90°開關(guān)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制方法。利用該方法，對(duì)DN125屏蔽電動(dòng)球閥電動(dòng)裝置的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果滿足閥門動(dòng)作要求。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 湯蘊(yùn)璆 史乃. 電機(jī)學(xué)（第2版）. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：196-197.

作者簡(jiǎn)介：

楊松，1985，男，遼寧省錦州人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)楹藙?dòng)力裝置泵閥設(shè)計(jì)