屏蔽部分回轉電動裝置設計及控制研究

楊松 譚術洋

摘要：現有部分回轉閥門的開關力矩由供電電壓決定，在開關過程中電動裝置輸出的轉矩為一個定值。當閥門關到位或開到位后，根據位置傳感器的信號來斷開閥門電裝供電，閥門動作停止。在閥門多次動作后，閥瓣的阻力矩會變小。在關閥時，有可能出現電機輸出的力矩較大，導致閥門卡滯，無法連續可靠動作。本文針對DN125屏蔽電動球閥電動裝置開展了電磁方案研究，完成了結構參數設計和電磁參數設計。利用ANSOFT軟件對電動裝置的起動性能進行了計算。根據閥門阻力矩完成了減速器的選型計算。為了能夠在規定的時間內完成閥門的開關，同時避免出現過轉矩導致的閥門卡滯，本文提出了采用變頻器控制電動裝置轉速的控制方法。

關鍵詞：部分回轉；屏蔽電動裝置；變頻器

引言

現有部分回轉閥門主要是通過位置傳感器來控制閥門電裝的正轉和反轉來實現開關。閥門電裝的開關力矩由供電電壓決定，在開關過程中電裝輸出的轉矩為一個定值。當閥門關到位或開到位后，根據位置傳感器的信號來斷開閥門電裝供電，閥門動作停止。在閥門多次動作后，閥瓣的阻力矩會變小。在關閥時，有可能出現電動裝置輸出的力矩較大，導致閥門卡滯，無法連續可靠動作。本文通過變頻的形式，改變電動裝置的輸出轉速，從而控制閥門在開關過程中實現啟動、加速、減速、停止四個過程的平滑過渡，特別是保證在停止過程能使閥門從一個較低的速度緩慢停止。

本文研究對象為ACP100模塊化小型堆非能動堆芯冷卻系統DN125屏蔽電動球閥。

1電動裝置結構方案

DN125屏蔽電動裝置由三相異步屏蔽電機、減速器、傳感器、止動盤、旋轉盤、鍵、銷及螺釘等組成。屏蔽電機有定子、轉子、定子屏蔽套、接線盒、深溝球軸承構成，減速器有固定齒輪、輸出齒輪、雙聯齒輪、深溝球軸承構成。電機為減速器提供扭矩動力，定子屏蔽套的作用是將系統介質與定子繞組隔離，保證電機正常運行。減速器采用少齒差行星齒輪傳動，固定齒輪和輸出齒輪與電機為同心，雙聯齒輪與電機存在偏心，減速器將電機的高轉速降低為要求的低轉速，將電機的扭矩傳遞給旋轉盤，再通過傳感器的控制，達到控制閥門開啟和關閉的目的，結構圖如圖1所示。

2 電動裝置電磁設計

2.1 技術要求

DN125屏蔽電動球閥對電動裝置的技術要求如下：

1）屏蔽電機功率：≤300W

2）閥門阻力轉矩：600N·m

3）堵轉轉矩倍數：≥1.6

4）90°行程時間：≤10s

2.2 主要尺寸設計

定子鐵芯內徑Di1和有效長度lef是電機的主要尺寸，主要尺寸比λ的表達式[1]為：

λ=lef/τ （1）

其中，τ為極距，τ=πDi1/2p，p為極對數。

在電機的功率P、轉速n、線負荷A、氣隙磁密B確定后，有如下關系式[1]：

KP/ABn=常數 （2）

式中，K為電機設計常數。

DN125電傳動裝置額定功率為300W，電機為4極（2p=2），線負荷A及氣隙磁密B參考相近功率電機選擇。經計算，Di1=181mm，lef=168mm。

2.3定子屏蔽套結構設計

由于定子屏蔽套處于定子和轉子之間會產生渦流損耗，損耗愈大，電機效率越低，而渦流損耗與定子屏蔽套的厚度成反比，因此為了提高電機效率，處于定子和轉子之間的一段壁厚必須盡量薄。根據工程經驗，屏蔽套厚度取0.5mm，材料為06Cr19Ni10。

定子屏蔽套與工作介質直接接觸，直接承受著系統內壓，為了減小定子屏蔽套的徑向受力，用電機自身的定子鐵心與定子屏蔽套接觸段對定子屏蔽套薄壁段進行強度的加強，結構圖如圖2所示。

2.4 起動性能計算

為了能夠在短時間內完成閥門的開關過程，在開、關的瞬間應盡量增大電動裝置的起動轉矩以縮短起動時間。對于屏蔽電動裝置而言，起動轉矩與供電電壓的平方成正比，與電機轉子的電阻成正比[2]。在供電電壓一定的條件下，增大轉子電阻成為提高起動轉矩的最直接手段。為了最大程度提高轉子電阻，本文轉子采用實心籠型轉子，即實心轉子表面開槽嵌入高電阻的銅條。

除此之外，在電磁設計過程中還采取了如下措施：

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

2）增加氣隙長度，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變化較大引起的齒諧波，大大地削弱齒諧波磁場及其產生的同步附加力矩。

根據已經確定的電磁參數，在Ansoft RMxprt模塊中進行建模。由于屏蔽套為非導磁材料，磁導率與空氣相同，在建模時為了簡化模型，將屏蔽套尺寸全部計算在氣隙長度中。電動裝置的機械特性曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，電機的起動轉矩已經十分接近最大轉矩，說明電機的起動性能得到了充分的發揮。經計算，電機的起動轉矩倍數為2.58，大于1.6倍的要求值。

3 減速器設計

減速器結構如圖4所示，固定齒輪連接在定子上，不能旋轉，電機軸驅動雙聯齒輪旋轉，雙聯齒輪的一個齒輪會與固定齒輪嚙合，由于固定齒輪不轉動導致雙聯齒輪轉速降低，同時雙聯齒輪的另一個齒輪還會和輸出齒輪嚙合，由于輸出齒輪齒數多于雙聯齒輪齒數，轉速再次被降低，從而達到減速目的。

根據技術要求，電機額定功率不超過300W，按額定功率P=300W，采用四極電機，同步轉速1500r/min，無法估算電機轉速，電機轉速暫按同步轉速計算，可得到電機額定輸出轉矩T1為：

T1=9550P/n=1.91 Nm （3）

根據技術要求，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計算，可得傳動比i為：

i= T/T1=340.3 （4）

選擇互相嚙合的兩個齒輪齒數差zd=z2-z1=z3-z4=4，雙聯齒輪的兩個外齒輪齒數差ze=z1-z4=2，則固定齒輪齒數z2為：

（5）

經計算z2=55.1，z2取56。則與固定齒輪嚙合的雙聯齒輪齒數為z1=z2-zd=52；與輸出齒輪嚙合的雙聯齒輪齒數為z=z1-ze=50；輸出齒輪齒數為z3=z4+zd=54。最終傳動比為：

i=z1z3/（z1z3-z2z4）=351 （6）

輸出轉矩為：

T=T1×i=670.41N·m>600 N·m （7）

4. 控制設計

4.1 控制系統構成

為了能夠在規定的時間內完成閥門的開關，同時避免出現過轉矩導致的閥門卡滯，本文采用變頻器結合位置傳感器的控制方法對閥門的開關過程中的速度進行控制。控制系統的主接線圖如圖5所示。

在部分回轉閥門的開關行程上，布置若干個位置傳感器。位置傳感器檢測到閥門的轉動位置后，將位置信號反饋到變頻器控制模塊（PLC模塊），變頻器控制模塊根據位置信號向電裝輸出設定好的頻率，從而控制電裝在閥門各個行程過程中的轉速。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。接近開關有三部分組成：振蕩器、開關電路及放大輸出電路。振蕩器產生一個交變磁場，當金屬目標接近這一磁場，并達到感應距離時，在金屬目標內產生渦流，從而導致震蕩衰減，以致停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開關信號，觸發驅動控制器件，從而達到非接觸式檢測目的。

4.2 控制原理

接近開關安裝在電傳動裝置的定子屏蔽套上，當電傳動裝置接通電源時，電機開始起動，旋轉盤也會隨之轉動，此時第一個接近開關不起作用。旋轉盤會轉到第二個接近開關位置，接近開關感應到旋轉盤后，會將感應到的信號傳遞給控制系統的PLC，PLC會通過變頻器提高電機的輸入頻率，達到增速的目的。當旋轉盤繼續轉到第三個接近開關時，接近開關在感應到旋轉盤后，會將感應到的信號傳遞給控制系統的PLC，PLC會通過變頻器降低電機的輸入頻率，達到減速的目的。當旋轉盤繼續轉到第四個接近開關時，接近開關在感應到旋轉盤后，會將感應到的信號傳遞給控制系統的PLC，PLC會切斷電源，達到停止的目的，這時完成開閥或關閥的整個過程。

由90?回轉時間10s可知，由此旋轉盤輸出轉速n2為1.5 r/min。減速器傳動比為351，所以電機轉速n1為526.5 r/min。由于電機輸出轉速與電機輸入頻率成正比，額定50Hz時電機設計額定轉速1450r/min，因此電機要輸出轉速526.5r/min需要輸入的頻率為18.2 Hz。根據上述計算結果，初選各段頻率為19Hz。

最終變頻器在起動—加速—減速每段輸出頻率的確定，還取決于幾個傳感器之間的夾角，即每段的行程。因此，實際操作中應根據起動時間要求，結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電動球閥電傳動裝置在各段的輸出頻率計算結果如表1所示，在90°行程內電動裝置的動作時間為8.4s，滿足小于10s的要求。

5. 結論

本文開展了DN125屏蔽電動球閥電動裝置的結構方案設計，完成了電動裝置電磁結構設計和起動性能計算，起動轉矩倍數滿足技術要求。完成了減速器所用齒輪的選型和減速比的計算，電動裝置額定輸出力矩大于閥門阻力矩。為了避免出現電動裝置輸出力矩較大導致的閥門卡滯現象，本文提出了采用變頻器結合位置傳感器，對閥門在90°開關過程中的轉速進行調節的控制方法。利用該方法，對DN125屏蔽電動球閥電動裝置的開關時間進行了計算，結果滿足閥門動作要求。

參考文獻：

[1] 陳世坤. 電機設計（第2版）. 北京：機械工業出版社，2000：10-12.

[2] 湯蘊璆 史乃. 電機學（第2版）. 北京：機械工業出版社，2005：196-197.

作者簡介：

楊松，1985，男，遼寧省錦州人，碩士研究生，工程師，研究方向為核動力裝置泵閥設計