專利名稱：控制閥的電氣執行裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在電氣上致動控制閥的執行裝置，它適合于在蒸汽動力廠中控制高壓流體例如高壓蒸汽的壓力和流速。
這一電氣致動的控制閥包含一含閥室的殼體;入口和出口;位于閥室內的閥座;在殼體中被支撐著并與一閥塞相聯的可動閥桿;及一執行裝置，它用直流何服電機移動閥桿從而驅動閥塞接觸和脫離閥座以控制控制閥的開度。
直流何服電機的轉動受相位控制型的控制器的控制，這種控制器能確定實際開度和預定開度的偏差，并在減小偏差所要求的方向上驅動直流何服電機運轉。當偏差降為零時，控制器使直流伺服電機停止運轉。
但當在需要的開度上停止時，直流伺服電機不能產生使作用在閥桿上的負載平衡的轉矩。因而具有自動鎖定功能的蝸輪系被裝到把轉矩從直流伺服電機傳送到閥桿上的系統中去。但裝上蝸輪系后使轉矩傳送系統的結構復雜化，并由于蝸輪系的轉矩傳送效率低而要求直流伺服電機有很大的容量。
采用直流伺服電機的閥執行裝置，為了保護閥的部件和轉矩傳送裝置本身避免受到任何過大的力，而當閥處于完全關閉位置或處于中間開度時該力會由擠在閥塞和閥座之間的外來物質產生，故必須在轉矩傳送裝置中裝轉矩限制開關。
另外，由于直流電機需要有電刷進行整流，必需對其運轉速度進行限制，并需進行附加的保養工作。
本發明的目的是提供一電氣執行裝置，該裝置不用直流伺服電機，不用能自動鎖定閥的蝸輪系或轉矩傳送裝置中的轉矩限制器，仍能準確地致動控制閥。
為此，按本發明的一個方面，提供的電氣執行裝置其致動的控制閥包括含閥室的殼體，入口和出口，位于閥室內的閥座，和由殼體支撐并與閥塞相聯的可動閥桿;上述致動裝置采用(Ⅰ)一交流感應電機來移動閥桿以便驅動閥塞接觸和脫離閥座，從而控制控制閥的開度，(Ⅱ)一控制系統，它能確定實際開度和預定開度的偏差，根據偏差大小產生閥的開啟或關閉速度指令，并確定實際的開啟速度或關閉速度與指令速度間的偏差，再根據這速度偏差大小產生轉矩指令，并通過矢量計算法計算出要加給感應電機的初級電流以便使感應電機輸出合適的轉矩。
按本發明的另一個方面，提供的一種電氣執行裝置，其致動的控制閥包括一含閥室的殼體，入口和出口，位于閥室內的閥座，和由殼體所支撐并與閥塞相聯的可動閥桿;上述執行裝置采用(Ⅰ)一交流感應電機來移動閥桿以便驅動閥塞接觸和脫離閥座，從而控制控制閥的開度;(Ⅱ)一控制系統，它能確定實際開度與預定開度的偏差，按偏差大小產生閥的開啟速度和關閉速度指令，并確定實際開啟速度或關閉速度和指令速度間的偏差，并根據速度偏差產生轉矩指令，通過矢量計量法計算要供給感應電機的初級電流以便使感應電機輸出合適的轉矩。(Ⅲ)一磁制動裝置，該磁制動裝置作用于電機轉軸上，當閥門處于完全關閉位置，控制系統使供給感應電機的電流停止時可防止由于負載的反作用而引起轉軸反轉，(Ⅳ)一能檢測作用于閥桿上的推力大小的推力檢測器;和(Ⅴ)一推力比較器，它在閥門處于完全關閉狀態時如推力大小偏離預定值可輸出一信號重新起動感應電機，并釋放制動裝置。
按本發明的任一個方面的執行裝置能提供與閥桿速度無關的閥的平滑控制，這是因為矢量控制保證了感應電機總是能輸出一恰當的轉矩使在閥的任意位置上的負載平衡。
另外，矢量控制能不需特殊的機構來鎖住閥門就能維持所需的開度，因此可用具有高轉矩傳送效率的正齒輪系來替代蝸輪系。其結果是可用小容量的小電機以減小總的尺寸和減輕重量。
控制系統還可連結監視供給感應電機的電流以便輸出去打開或關閉閥門的轉矩不超過預定值，因此在轉矩傳送裝置中不再需要轉矩限制開關。此外，由于使用了沒有電刷及保養工作小的鼠籠式感應電機從而使運轉速度得到提高。
在按本發明的第二方面的執行裝置中，當閥門完全關閉時感應電機斷電，且制動裝置同時鎖住電機軸。因此節省了能量并不會產生熱量。推力比較器連續監測由推力檢測器產生的信號，如果流體中溫度變化要求調整閥座的負載，它會使感應電機再起動，并釋放制動裝置從而保證一直獲得最佳推力控制。
本發明的以上目的及其他目的、特點和優點在聯系附圖閱讀較佳實施例的如下說明后將會更為清楚。
圖1是根據本發明的一個執行裝置和由該執行裝置致動的控制閥的帶局部剖面的正視圖。
圖2是在圖1中所示的執行裝置的控制系統的方框圖;
圖3是在圖1中所示的執行裝置的部件的剖面圖;
圖4是推力檢測系統的方框圖。
如圖1所示，控制閥10有其中含閥室13和帶有進氣道11和排氣道12的殼體14，一位于殼體14里的閥座15，和一在殼體14中被支撐著并與一閥塞16相聯的可動閥17。
控制閥10設計成由一包括感應電機型的交流伺服電機18的執行裝置進行致動。伺服電機18通過減速的齒輪裝置19、滾珠絲桿裝置20和閥桿17相聯，并移動閥桿17以便驅動閥塞16接觸或脫離閥座15，由此控制閥10的開度。減速的齒輪裝置19包含具有正齒輪21A到21D的正齒輪系。手柄22通過齒輪21E與減速齒輪裝置19相聯。
閥桿17由一與滾珠絲桿裝置20相聯的上桿部23，一與閥塞16相聯的下桿部24、一裝在上桿部23的上端并和接合器25同軸聯接的聯接器26組成。
控制閥10有一軛架27A，在其中裝有可以是一種差示變換器的位置傳送器27。在圖示的實施例中，下桿部24的軸向位移通過一聯動機構傳送給位置傳送器27以便傳送器27傳送對應于控制閥10的開度的信號。
裝在伺服電機18的軸上的編碼器28則檢測電機軸的旋轉度。
控制閥10裝有推力檢測器29。如圖3所示，推力檢測器29有一在接成惠斯登電橋形式并裝在接合器25的小直徑部分25A上的應變檢測器30。從圖4中可看出，應變檢測器30聯到電源電路30A。應變檢測器30的輸出通過一放大器30B傳送到推力比較器36。如圖3所示，緩沖圓盤彈簧32裝在接合器25和聯接器26之間，以便吸收可能在32A和32B處產生的軸向膨脹。
伺服電機18裝有一電磁制動裝置33，以便當控制系統34停止供給電機18電流時，防止由于負載的反作用而使電機軸反轉。
從圖2可看出，控制系統34包括有轉矩比較器35和推力比較器36。
控制系統34包含一速度指令計算電路38，這計算電路經放大器37接受預定的閥開度Ko和來自位置傳送器27的當前閥的開度K。速度指令計算電路38按當前開度K和預定開度Ko的偏差值Ke計算出一開啟速度指令OV或一關閉速度指令CV。通過一接口電路39將開啟速度指令OV或關閉速度指令CV傳送給一交流伺服放大器40。
控制系統34還包括一速度計算電路41，這電路接收檢測電機軸的旋轉度的編碼器38的輸出，并計算電機實際速度V。
交流伺服放大器40計算電機實際速度V和開啟或關閉速度指令OVo或CVo的速度偏差值Ve。速度偏差值Ve輸入到一按速度偏差值Ve計算轉矩指令It的轉矩指令計算電路42。這轉矩指令It取電信號的形式，并輸出到矢量計算電路43，該電路能根據矢量計算法計算出供給伺服電機18的初級電流I1。更具體地說矢量計算電路43計算供給伺服電機的U相、V相和W相指令電流Iu、Iv和Iw。交流伺服放大器40能確定電流偏差值Ie，即由電流檢測器44檢測出的實際初級電流I與上面提到的指令初級電流I1間的差值。電流偏差值Ie被送到電源控制電路45，它能按電流偏差值Ie計算出電壓指令Eu、Ev和Ew。然后這電壓指令Eu、Ev和Ew加到與伺服電機18各相相聯的功率晶體三極管46從而控制伺服電機18。
矢量計算電路43接收由轉矩指令計算電路42計算出的轉矩指令It，由速度計算電路41計算出的電機軸的角速度ωm和由交流伺服放大器40存儲的預定的勵磁電流指令Io，然后用下列方程1～4計算出初級電流I1、相角φ，轉差頻率ωs和輸出頻率ωo。
初級電流電平I =I20+I2t]]>……(1)相角 φ＝tan-1(It/Io) ……(2)轉差頻率 ωs＝(l/τ)(It/Io) ……(3)輸出頻率 ωo＝ωs′ωm ……(4)其中τ是每個電機單元的單個預定系數。接著，矢量計算電路43利用上述方程1～4的計算結果，用下列方程5-1，5-2和5-3計算出伺服電機18各相的初級電流指令Iu，Iv和Iw，Iu＝Iisin(ωot+φ) ……(5-1)Iv＝Iisin(ωot+φ-2π/3) ……(5-2)Iw＝Iisin(ωot+φ′4π/3) ……(5-3)
作為保護執行裝置的安全因素，矢量計算電路43還經接口電路52接收一對應于預定電流值的最大允許轉矩Tmax信號，以便伺服電機18的輸出永遠不會超過最大允許轉矩Tmax。
轉矩比較器35存有各種額定的轉矩值，如閥切斷轉矩和閥工作轉矩等，并把這些存儲的數據和伺服電機18的實際輸出轉矩進行比較以便測出可能產生的任何過大的轉矩，萬一產生有過大轉矩，則轉矩比較器35輸出一關斷信號SV給電源控制電路45以便使伺服電機18斷電。
推力檢測器29連續監視作用在閥桿17上的推力。因為當閥門處在完全關閉位置時要切斷供給伺服電機18的電源。推力比較器36監視從推力檢測器29來的信號并輸出信號RV到接口電路39和電源控制電路45，以便重新起動伺服電機18，即使由于例如流體溫度方面的變化而出現推力大小的變化也能使作用在閥桿17上的推力為最佳值，當伺服電機18重新起動時推力比較器36還輸出一信號去釋放制動裝置33。
另外，因為推力比較器能不斷對作用于閥桿37的推力進行監視，推力比較器36能用來重復轉矩比較器35的功能而當萬一轉矩比較器35故障時能起到斷開供給伺服電機電源的第二裝置的作用。
按本發明提供的執行裝置還提供有推力校準或論斷裝置47，該裝置存儲轉矩比較器35和推力比較器36的預定值，校準裝在推力檢測器29中放大器30B，并指出作用于閥桿17上的推力大小。推力校準/診斷裝置47還將伺服電機18的輸出轉矩和由推力檢測器29所檢測的作用于閥桿17上的實際推力進行比較，以便計算效率額定值。推力校準/診斷裝置47可診斷是否有效率降低現象，該現象會在一段時期后由于伺服電機18和在功率傳送系統或閥體中的各種機械部件磨損和/或損壞而出現。
具體地說，校準/診斷裝置47包括一計算電路47A和一顯示電路47B。代表由位置傳送器27所測出的當前閥門開度的信號和代表由推力檢測器29測出的推力的信號都加到計算電路47A，然后計算電路47A，(1)在控制閥10工作早期階段(如試運轉時)存儲閥的開度和推力之間的關系的數據作為參考數據;(2)計算出控制閥10在以后實際工作時閥開度和推力關系的數據作為實際數據;(3)把實際數據和參考數據進行比較。其后如在實際數據中的每個開度上的推力降低到在參考數據中的每個對應開度的推力的許可范圍以外的條件下，則能診斷出在控制閥中出現的不正常現象。順便說一下，至于相對于在每一開度上的參考推力的實際推力許可范圍，可存儲在計算電路47A的存儲部分中。此外，顯示電路47B不僅顯示由推力檢測器29所測得的推力，而且還顯示由計算電路47A計算的診斷結果。
執行裝置還裝有自動/手動開關48。當這開關轉到手動方式時，控制閥10借助一開閥按鈕49或一關閥按鈕50進行手控。手動運轉速度可調節在規定范圍內。
執行裝置還裝有一緊急運轉按鈕51，當按下時，無論自動/手動方式開關50的狀態如何，根據預置條件，把一個電路接通或開閥或關閥。伺服電機18的緊急運轉速度可調節在規定范圍內。
在控制閥10中，一交流電源(三相220V)61通過開關62、一整流器63和一具有驅動電機18用的功率晶體三極管46的逆變變換電路部分64和電機18相聯。
此外，控制閥10有蓄電池備用裝置65，它在交流電源61斷電時起作用。
蓄電池備用裝置65可由一連接器67(例如一電磁繼電器)把直流電源(110V)接到逆變變換裝置部分64。在交流電源61斷電時能自動地使連接器67接通而驅動電機18。參考號68指一使用二極管的防止電流倒流的裝置。
另外，當連接器67接通時，蓄電池備用裝置65通過一直流/直流轉換器69把直流電源66接到電源控制電路45。聯到電源控制電路45的直流電源66被用作一控制電源用以控制逆變變換電路部分64的功率晶體三極管46的基極電壓，并產生對應于電源控制電路45的電流偏差Ie的三相交變電流。
本發明的執行裝置對控制閥10的制動方式在下文中進行說明。
(1)當當前開度K與預定開度Ko之間有偏差時，速度指令計算電路38按照偏差Ke計算出開啟或關閉的速度指令OVo或CVo′。交流伺服放大器40的轉矩指令計算電路42按實際開啟或關閉速度V和計算出的開啟或關閉速度指令OVo或CVo的偏差Ve來計算轉矩指令It，交流伺服放大器40的矢量計算電路43計算供給伺服電機18的初級電流I1。然后電源控制電路45把初級電流I1供給伺服電機18，這電機18驅動閥桿17直到當前開度K與預定開度Ko的偏差Ke減到零為止。
(2)當控制閥10處在中間開度且當前開度K和預定開度Ko之間的偏差減為零時，控制伺服電機使之產生一能平衡作用于閥桿17上的負載的輸出轉矩，由此維持控制閥10的當前開度。
(3)當預定開度Ko對應于閥在完全關閉的位置時，電機運轉直到使預定開度Ko和當前開度K之間的偏差Ke降為零為止，即直到控制閥10完全關閉為止。轉矩比較器35把由交流伺服放大器40計算出的轉矩與預定關斷轉矩相比較，并當計算得的轉矩與預定的關斷轉矩相等時產生一信號使伺服電機18停轉。電磁制動裝置33同時被啟動，防止電機軸由于負載的反作用而反轉。
(4)當控制閥10處于完全關閉狀態時，由于在閥室里的流體的溫度的變化所引起的任何閥桿17的熱膨脹或收縮將引起作用于閥桿17上的推力大小的變化。推力比較器36連續監測由推力檢測器29所測出的推力的大小。如果測出推力在減小，則推力比較器36產生一信號，使伺服電機18重新起動并釋放電磁制動裝置33，以便使加到閥桿17上的轉矩增大直到恢復最佳推力為止。相反地，如果測出的推力在增大，則推力比較器36產生一信號使伺服電機18重新起動并釋放電磁制動裝置33，以便使加在閥桿17上的轉矩減小，直到恢復最佳推力為止。
(5)轉矩比較器35貯存有與工作轉矩的最佳值有關的數據并將由交流伺服放大器40計算出的轉矩值與該轉矩數據相比較以便檢測任何反常的轉矩。在閥的任何位置上如測出有過大的轉矩，則轉矩比較器35產生一信號使伺服電機18停轉，并起動電磁制動裝置33。
由前面的說明可以看出，所述的本發明的實施例具有各種優點。借助于對能調節閥桿17的交流伺服電機18的輸出轉矩所進行的矢量控制，無論閥桿17的速度如伺都能實現最佳轉矩控制。
因此無論閥的位置如何，伺服電機18都能獲得與作用于閥桿17上的推力平衡的轉矩。于是，能保持所希望的開度而不需要任何特殊的鎖定機構例如蝸輪系。因而，具有高轉矩傳送效率的正齒輪減速機構可用來代替蝸輪系以便使用具有較低容量的小電機，以便使總尺寸減小和總重量減輕。
控制系統34具有監測伺服電機18輸出轉矩的功能，如果閥門或轉矩傳送系統偶然地被鎖住也能防止產生過大的轉矩，因此能保護閥件和轉矩傳送系統而不需裝任何機械轉矩限制器。
采用無刷鼠籠式感應電機18能使閥執行裝置在高速狀態下進行工作而減少維護工作。
當控制閥完全關閉時，電機軸被電磁制動裝置33鎖住，并切斷供給伺服電機18的電源，因此可節省能量并防止在伺服電機18中產生熱量。如因流體溫度的變化而產生負載變化，為了一直獲得最佳推力，推力比較器36連續監測作用于閥桿17上的由推力檢測器20所測出的負載，并輸出一信號去重新起動伺服電機18并釋放制動裝置33。
如已述的那樣，按本發明的執行裝置能精確地、平滑地控制閥的工作而不用直流伺服電機，并允許對閥的工作轉矩和速度進行獨立地控制。它也省去了自動鎖定機構(如蝸輪系)和機械轉矩限制器。另外，作用于閥桿上的推力總是保持最佳，而盡管由于流體溫度的變化會使閥桿作任何的熱膨脹。
此外，按如上所述的實施例，由于推力檢測器29裝在閥桿17上，任何實際作用于閥桿17上的推力能在閥的任何開啟位置上很準確地被連續測出。
另外，因為校準/診斷裝置47在推力檢測器29所測定的結果的基礎上能診斷出閥所出現的任何反常現象。如含在液體中的外來物質咬住閥的滑動部分的現象以及出現在閥的滑動部分的卡住、不光滑等現象，都能被準確地快速地從閥桿推力的變化中診斷出來。
另外，按上述的實施例，在使用交流電機18來控制的控制閥10中，當交流電源61出現斷電時，連接器67立即閉合，使直流電源66經過逆變變換電路64與電機18相聯，并向電機18提供驅動功率。
所以，即使在電源斷電時，不用直流電機或不提供一直流/交流變換器，控制閥10也會穩定地工作。
雖然本發明已以較佳的方式進行了說明，但應理解所述實施例僅是為了舉例說明，不超出完全由所附權利要求所限定的本發明的范圍可賦于它不同的變化和改進。
權利要求
1.一種控制閥用的電氣執行裝置，其控制閥具有含閥室并帶有進口通道和出口通道的殼體，一位于上述閥室內的閥座，一由上述殼體所支撐的并與一閥塞相連的可動閥桿，該閥桿用感應電機致動，其致動方式為驅動上述閥塞接觸和脫離上述閥座由此改變上述控制閥的開度；所述的執行裝置由一控制系統進行控制，該控制系統確定實際開度和預定開度的偏差，并按上述開啟偏差產生閥開啟或閥關閥速度指令，確定實際閥開啟或關閉速度與速度指令的偏差，及用矢量計算方法計算出供給上述感應電機以使所述電機輸出所需轉矩的初級電流。
2.一種控制閥用的電氣執行裝置，其控制閥具有含閥室并帶有進口通道和出口通道的殼體，一位于上述閥室內的閥座，一由上述殼體所支撐的并與一閥塞相連的可動閥桿，該閥桿用感應電機致動，其致動方式為驅動上述閥塞接觸和脫離上述閥座由此改變上述控制閥的開度;所述的執行裝置由一控制系統進行控制，該控制系統確定實際開度和預定開度的偏差，并按上述開啟偏差產生閥開啟或閥關閥速度指令，確定實際閥開啟或關閉速度與速度指令的偏差，根據上述偏差產生轉矩指令，及用矢量計算方法計算出供給上述感應電機以便使所述電機輸出所需轉矩的初級電流;裝有一制動裝置，當上述控制閥處于完全關閉狀態時，該制動裝置鎖住上述感應電機的軸，以便防止由于負載的反作用而使上述軸反轉;裝有一檢測作用在上述閥桿上的推力大小的推力檢測器;裝有一當上述控制閥處于完全關閉狀態時，萬一作用在上述閥桿上的推力大小出現變化能重新起動上述感應電機并釋放上述制動裝置的裝置。
3.一種控制閥用的電氣執行裝置，其控制閥具有一含閥室并帶有進口通道和出口通道的殼體，一位于上述閥室內的閥座，一由上述殼體所支撐的并與一閥塞相連的可動閥桿，該閥桿用感應電機致動，其致動方式為驅動上述閥塞接觸和脫離上述閥座由此改變上述控制閥的開度;所述的執行裝置由一控制系統進行控制，該控制系統確定實際開度和預定開度的偏差，并按上述開啟偏差產生閥開啟或閥關閥速度指令，確定實際閥開啟或關閉速度與速度指令的偏差，及用矢量計算方法計算出供給上述感應電機以便使所述電機輸出所需轉矩的初級電流;裝有一制動裝置，當上述控制閥處于完全關閉狀態時，該制動裝置鎖住上述感應電機的軸，以便防止由于負載的反作用而使上述軸反轉;裝有一檢測作用在上述閥上的推力大小的推力檢測器;裝有一當上述控制閥處于完全關閉狀態時，萬一作用在上述閥桿上的推力大小出現變化能重新起動上述感應電機并釋放上述制動裝置的裝置。裝有一論斷裝置，該論斷裝置論斷上述執行裝置和/或控制閥是否有由于伺服電機、在轉矩傳送系統中或閥體內的各種機械部分的磨損和/或損壞而引起的任何反常表現。
4.一種控制閥用的電氣執行裝置，其控制閥具有含閥室并帶有進口通道和出口通道的殼體，一位于上述閥室內的閥座，一由上述殼體所支撐的并與一閥塞相連的可動閥桿，該閥桿用感應電機致動，其致動方式為驅動上述閥塞接觸和脫離上述閥座由此改變上述控制閥的開度;所述的執行裝置由一控制系統進行控制，該控制系統確定實際開度和預定開度的偏差，并按上述開啟偏差產生閥開啟或閥關閉速度指令，確定實際閥開啟或關閉速度與速度指令的偏差，及用矢量計算方法計算出供給上述感應電機以便使所述電機輸出所需轉矩的初級電流;裝有一制動裝置，當上述控制閥處于完全關閉狀態時，該制動裝置鎖住上述感應電機的軸，以便防止由于負載的反作用而使上述軸反轉;裝有一蓄電池備用裝置，它能通過一連接器將直流電源接到逆變變換電路部分，并能在交流電源發生故障時合上上述連接器而驅動上述感應電機。
全文摘要
一種流體控制閥用的電氣執行裝置，用感應電機控制閥的開度，并具有一控制系統，它能檢測實際開度和預定開度的偏差，根據開啟偏差產生閥的開啟和關閉速度指令，并檢測實際開啟或關閉速度與指令速度的偏差，根據該速度偏差產生轉矩指令并用矢量計算法計算供給感應電機的初級電流。當閥處于完全關閉時，使感應電機斷電并起動制動裝置。裝有使推力負載最佳的重新起動電機的裝置，還裝有診斷反常現象的裝置。
文檔編號G05D3/14GK1031593SQ8710809
公開日1989年3月8日 申請日期1987年11月30日 優先權日1987年8月26日
發明者斉藤猛, 內海豊, 騰呂武, 遠藤俊夫 申請人:日本貝雷株式會社, 日本齒輪工業株式會社