标题改进LIMITORQUE电动执行器

广州员村热电厂是热电并供的环保型发电厂，装机容量3台220t/h的锅炉，2台5万kW抽汽式凝汽机组。机炉的监视控制全部由日本Y0KO-GAWA CENTUM-XL DCS完成，为了提高机炉设备运行可靠性，给水、减温水、蒸汽管道等重要部位的调节门装置了美国LIMITORQUE电动执行器，但在实际运行中却不时发生故障，影响生产安全，经过反复研究，找到该进口产品设计原理和元器件方面的薄弱环节，经过合理改造，解决了执行器存在的问题。

    1 存在问题

    员村热电厂机炉管道上安装的LIM1TORQUE电动执行器共36台，分析投产后的维修记录，发现该类执行器的主要故障有：

    （1）机力矩不足，暂载率设计过低，自动调节频繁时电机过热会引起拒动。
    （2）执行器内电容选型不当，耐压低、介损大，电容器容易损坏。
    （3）执行器内~220V~~110V~~24V变压器铁芯和绕组过热会烧坏。

    2 分析、解决问题

    通过认真查核图纸资料和LIMITORQUE电动执行器说明书，在现场进行反复的研究和试验，分步解决执行器存在的各个问题。

    2.1 解决执行器电机过热、拒动的问题

    单相交流异步电动机中启动绕组的串联电容器如果只在启动过程才接入的称电容启动式电动机；如果是长期接入的称电容电动机。这两种接线方式中前一种适用于一次性启动或不频繁启动的场合，特点是启动力矩大，但启动电流也大，电机容易过热；后一种适于多次性启动的场合，启动电流较小，但启动力矩也小，机械负荷不能太重，否则启动失败，电机也会过热。前一种接线方式中，启动完成后一般靠离心开关切除串联电容器。但LIMITORQUE电动执行器却用普通继电器代替离心开关，难以保证启动成功。

    发电厂热控自动调节有两个特点：a.对运行参数连续跟踪调节，要求电动执行器在一分钟内能多次连续正反转调节；b.执行器所带动的阀门比较灵活，启动转矩并不大。可见采用电容式电动机的接线方式更为合理。

    我们根据上述分析采取改进措施：如图1，拆除J1/J2启动继电器的线圈和触点，电容器与电动机固定连接，使电动执行器运转全过程电容器不切出。

    经过上述改进，达到初步目的：（1）降低电机启动电流，克服执行器多次启动引起过热的现象；（2）运转全过程提供足够的转矩，确保操作可靠；（3）简化接线，降低故障率；（4）降低运行电流，克服过热。

    2.2 解决移相电容选型不当的问题

我们参考特种微型电机计算理论，重新计算移相电容器的参数，达到运转过程主绕组和副绕组的电压数值相近，相角近90°的目的。

    2.2.1 电容器电压计算

    按电容器耐压水平大于工作电压的原则，据矢量三角形可以计算出电容器的运行电压：U_C=1.414×240=339.4V，可以选用耐压500V以上的电容器。

    2.2.2 电容器电容值计算

    参考LIMITORQUE电动执行器说明书，合理选用容量匹配的电容器，用给水调节门4″做试验，实验数据如下：

    （1）串联电容器：500V、50μF（电机串联电容器绕组为副绕组）
    各元件的运行参数如表1，图3（主绕组有功功率ρ₁=U₁I₁cosβ）。
    （2）串联电容60μF，运行参数见表2，图4。
    （3）串联电容40μF，运行参数见表3，图5。
    （4）分析比较串联电容器容量对电机性能的影响（开阀为例，同一电机在4″阀门上作测试比对），见表4。

    结论：C=50μF时，绕组电流最低：降至66%左右；发热损耗降至43%。原理是用提高电机功率因数来提高有功出力，达到既降低电机电流，又提高转矩的双重目的。

    用试验取得的数据选购500V、50μF的优质电容器，更换LIMITORQUE电动执行器内的移相电容，取得明显效果：

    ① 所选的电容器连续通电半小时以上无明显温升。
    ② 电机启动力矩可以满足最大阀门的要求，启动平稳快速，启动电流明显降低（从原来15A降至8A）。
    ③ 可带电机连续运转，电容器未发生过击穿、过热等故障，电机无过热。

    2.3 执行器内部变压器的改进

    LIMITORQUE电动执行器是进口设备，其电机标牌上标明使用的交流电源频率是60Hz，60HVz变压器用50Hz交流电源供电时将出现铁芯磁密升高（甚至饱和）；绕组空载电流激增的现象，造成铁芯和绕组过热，这是变压器烧坏的直接原因。

    针对变压器设计不当：根据安装空间较小的特殊要求，参照电工手册重新设计变压器。

    （1）变压器变比K=220V/110V=2（初级电压=220V，次级电压=110V）。
    （2）实测现变压器次级最大负载电流=0.19A实测初级空载电流=0.3A（注：比常规大6倍以上）
    （3）核算变压器容量：
    P=115×0.19=21.9W
    为提高可靠性按30W设计I₂=30/115=0.26A
    （4）拟选用厚0.35mm、GEIB-19，D310高磁密优质硅钢片作铁芯、铁芯截面（如图6，图7）。

表1

表2

表3

表4

    （5）查阅设计手册，可知参数，见表5。

表5

    （6）查手册：初级用QZ 0.28，次级用QZ 0.38漆包线（最大外径分别为0.32及0.42mm）。
    （7）每伏匝数N₀=4.5×10⁵/13000×6.4=5.4匝/V，初级匝数N₁=5.4×220：1188匝，次级匝数N₂=1.1×80×110=968匝。
    （8）初级每层可绕88匝，共14层，每层垫0.05mm厚牛皮纸，初级绕组共厚14×0.37=5.2mm。
    （9）初次级绝缘及静电屏蔽层共厚0.35mm，其中初级与静电屏蔽层之间垫0.05mm聚脂薄膜两层，0.05mm牛皮纸1层，静电屏蔽用0.05mm厚的铜片，静电屏蔽与次级间垫0.05mm聚脂薄膜和牛皮纸各一层。骨架用0.5mm环氧板制作，外包两层0.05mm聚脂薄膜和两层0.05mm牛皮纸，加上线包，最外层包两层0.12mm牛皮纸共0.94mm。
    （10）次级每层可绕67匝，共10层，每层垫0.05mm厚牛皮纸一层，共厚4.7mm重新设计的变压器体积比原来的小，初级空载电流只有原来的l/27，空载温升从原来的30℃降至5℃，满负载工作8小时，温升从原来的60℃降至25℃，连续72小时运行正常。

    LIMTORQUE电动执行器更换新设计的变压器后，完全杜绝了由于执行器内部变压器过热而烧坏的现象。

    3 结束语

    员村热电厂在2000~2001年间，对厂内36台LIMTORQUE电动执行器全部进行上述技术改造，取得了明显的效果，设备故障率大幅度下降，热控自动投入率显著提高，电厂的生产经济性也有相应的提高，这说明所进行的改造是成功的。