Приводное устройство с энергоаккумуляторами, способ управления приводным устройством и способ управления энергоаккумуляторами приводного устройства
Владельцы патента RU 2647804:
Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") (RU)
Изобретение относится к силовым приводам. Приводное устройство с энергоаккумуляторами содержит электродвигатель, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, основной энергоаккумулятор, блок управления энергоаккумулятором, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора. Дополнительно введены повышающий преобразователь привода с блоком управления, датчик Холла, соединенный с контроллером привода и блоком управления повышающим преобразователем привода. Мостовой преобразователь соединен с повышающим преобразователем привода, контроллером привода и электродвигателем. Приводное устройство снабжено дополнительным энергоаккумулятором, включенным параллельно основному. Каждый энергоаккумулятор содержит генератор тестовых напряжений, разъединитель, электронный ключ, соединенный с повышающим преобразователем привода и через разъединитель с емкостным накопителем энергоаккумулятора. Повышается КПД приводного устройства. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к силовым приводам и может быть использовано для регулируемых силовых приводов, в том числе применяемых для управления клапанами, изменяющими поток (расход) текучих сред в магистрали.
Приводные устройства широко используются для управления различными исполнительными механизмами и, в том числе, запорной или регулирующей арматурой в трубопроводах. В частности, для приводов шаровых кранов большого диаметра характерно использование пневматических, пневмогидравлических или электрогидравлических приводов. Их применение обусловлено необходимостью обеспечения значительных вращающих моментов на валу привода, соединенного с шаровым краном. Требуемая величина вращающего момента достигает 52500 Нм и более для шаровых кранов диаметром 1400 мм. Второй причиной применения указанных приводов является возможность с помощью пневмоаккумулятора или гидроаккумулятора обеспечить их полную работоспособность при отсутствии питания. Описание применяемых приводов приведено, например, в публикации «Струйный привод - нереализованные возможности» (Мороз В.В. Арматуростроение - 2013. №2(83), с. 56-59). Описанные приводы обеспечивают до 3 и более циклов перестановки запорного органа арматуры при отсутствии питания в течение нескольких суток. Недостатками данного типа приводов является необходимость периодической замены гидравлической жидкости и возможность самопроизвольной перестановки затвора крана под действием рабочей среды в трубопроводе. Недостатком пневматических и пневмогидравлических приводов является также и то, что влага, содержащаяся в рабочей среде, со временем конденсируется в пневмосистеме привода и при низких температурах приводит к образованию ледяных пробок в импульсных трубках и отказу привода. Кроме того, при снижении давления рабочей среды в трубопроводе уменьшается усилие пневматического или пневмогидравлического привода и его может быть недостаточно для поворота затвора шарового крана.
Известны конструкции приводов, основанные на использовании электрических накопителей энергии и лишенные этих недостатков (RU №2442924 C1, МПК F16K 31/00, H02J 9/06, 27.06.2010). В качестве накопителей могут использоваться аккумуляторы и конденсаторы большой емкости. При этом аккумуляторы имеют относительно небольшой срок службы и требуют дополнительного обслуживания. Использование конденсаторных накопителей энергии позволяет обеспечить длительный срок службы при минимальных требованиях к обслуживанию.
Известен принятый за прототип усовершенствованный силовой привод клапана (RU №2461039, МПК G05B 19/39, 10.09.2012), снабженный приводным электродвигателем с валом двигателя и выходным валом, связанным с валом двигателя для придания движения клапану, а также системой управления, обеспечивающей управление выходным валом силового привода и включающей контроллер, соединенный с первым датчиком положения, предназначенным для регистрации положения выходного вала силового привода, и со вторым датчиком положения, предназначенным для регистрации положения вала двигателя и приспособленным для определения скорости вращения вала двигателя. Система управления выполнена с возможностью реагирования на зарегистрированные сигналы первого и второго датчиков и в соответствии с этим регулирования скорости двигателя. Привод снабжен средством обеспечения работы в отказоустойчивом режиме, предназначенным для перемещения клапана в безопасное положение в случае отказа основного питания и содержит по меньшей мере один дополнительный высокоемкий конденсатор, приспособленный для подачи питания на электродвигатель, и систему управления для перемещения клапана в безопасное положение при сохранении возможности регулирования крутящего момента/осевого усилия.
Признаки, общие с заявляемым приводным устройством с энергоаккумуляторами:
- двигатель, вал которого связан через силовой редуктор с исполнительным механизмом, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, связанный с контроллером привода, и датчиками конечного положения, энергоаккумулятор, выполненный в виде емкостного накопителя энергии, содержащий по меньшей мере один конденсатор, блок управления энергоаккумулятором, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора.
Однако указанному приводу присущи недостаточные энергоэффективность и надежность работы в условиях длительного отсутствия электроснабжения. Это обусловлено тем, что данный привод рассчитан на применение для относительно небольших клапанов или задвижек с непродолжительными перерывами в электроснабжении. В частности, средство из RU 2461039 применяется для управления регулирующим клапаном с однократным перемещением в безопасное положение. Масштабирование данного решения для приводов исполнительных механизмов, например, магистральных шаровых кранов, для которых требуются вращающие моменты (525000 Нм и более) и мощность (10 кВт и более), на практике неприемлемо, так как для этого необходимы конденсаторные батареи значительной емкости и габаритов, разместить которые в корпусе привода очень сложно. Кроме того, при расположении привода на открытой площадке удаленного объекта, конденсаторные батареи, размещенные в корпусе привода, подвергаются воздействию как низких (зимой) так и высоких температур (летом), что отрицательно сказывается на долговечности и надежности, а при температурах ниже минус 40-45°C они могут стать полностью неработоспособными без дополнительного обогрева. Размещение конденсаторной батареи в отдельном корпусе невозможно без обеспечения дополнительной защиты по электробезопасности, а для взрывоопасных производств, таких как газопроводы и нефтепроводы, - специальных мер по взрывобезопасности.
Известен способ управления приводным устройством (RU №2461039, МПК G05B 19/39, опубл. 10.09.2012), характеризующийся тем, что осуществляют преобразование электрической энергии приводным устройством, определяют при помощи датчика крутящий момент на выходном валу, обеспечивают регулирование по замкнутому контуру крутящего момента, приложенного к исполнительному механизму, при помощи контроллера или дополнительного процессора обеспечивают периодическую регистрацию действительного значения крутящего момента/осевого усилия, сравнивают эти данные для сравнения с накопленными данными/профилями данных, обеспечивает непрерывное отслеживание коэффициента полезного действия силового привода по входной мощности, определяемой по измерениям тока и напряжения, и выходной мощности, определяемой по осевому усилию/крутящему моменту, скорости и ускорению.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невысокие энергоэффективность и надежность способа управления усовершенствованным силовым приводом клапана. Это обусловлено тем, что при изменении положения исполнительного механизма, не обеспечивается вращение электродвигателя без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности, в начале движения исполнительного механизма, при преодолении максимального момента сопротивления вращению вала, что приводит к значительному пиковому потреблению энергии, вследствие чего ограничивается срок работоспособности приводного устройства при отсутствии электроснабжения от внешнего источника электропитания.
Известен способ управления энергоаккумулятором предохранительного приводного устройства (RU №2442924, МПК F16K 31/00, H02J 9/06, 27.06.2010), характеризующийся тем, что в режиме нормальной работы электрический ток, который используется также для питания электродвигателя, преобразуют до относительно низкого потенциала посредством энергетического модуля, работающего как преобразователь энергии в режиме понижения, и накапливают энергию в емкостном накопителе энергии, а, если напряжение падает ниже предварительно выбранного значения или происходит отказ электропитания, электрическую энергию, накопленную в емкостном накопителе энергии, содержащем по меньшей мере один конденсатор, преобразуют посредством того же энергетического модуля до относительно высокого потенциала и используют в режиме повышения для обеспечения работы двигателя до тех пор, пока не будет достигнуто заданное положение, обеспечивающее безопасность, и периодически в индивидуальном порядке проверяют работоспособность по меньшей мере одного указанного конденсатора путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность выполнения данным способом более одной перестановки исполнительного механизма при отказе электропитания и невысокие энергоэффективность и надежность усовершенствованного силового привода клапана за счет применения двойного преобразования энергии и относительно низкого потенциала заряженного емкостного накопителя (заведомо меньшего, чем необходимо для питания электрического двигателя), а также из-за отсутствия возможности увеличения энергоемкости накопителя энергии для обеспечения длительной работы приводного устройства при отсутствии питания от сети.
Основной задачей заявляемой группы изобретений является создание высокоэнергоэффективного приводного устройства с энергоаккумуляторами и оптимальных способов управления приводным устройством и энергоаккумуляторами.
Технический результат - повышение КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами путем оптимального управления повышением напряжения и введения ограничения потребляемой мощности в зависимости от режима работы исполнительного механизма. Кроме того, обеспечивается повышение надежности работы приводного устройства за счет оперативного подключения дополнительных энергоаккумуляторов в нештатных ситуациях, с активным выравниванием их напряжений с минимальным расходом накопленной энергии.
Технический результат достигается тем, что в приводное устройство с энергоаккумуляторами, содержащее электродвигатель, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, связанный с контроллером привода, и датчиками конечного положения, основной энергоаккумулятор, выполненный в виде емкостного накопителя энергии, блок управления энергоаккумулятором, выполненный с возможностью контроля накопления энергии и подключенный к емкостному накопителю энергии, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора, введены повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода, датчик Холла, установленный на валу электродвигателя и соединенный с контроллером привода, и блоком управления повышающим преобразователем привода, мостовой преобразователь, соединенный с повышающим преобразователем привода и контроллером привода, при этом устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным энергоаккумулятором, включенным параллельно основному, каждый энергоаккумулятор содержит генератор тестовых напряжений, соединенный с выходными зажимами энергоаккумулятора и блоком управления энергоаккумулятором, разъединитель, электронный ключ, соединенный с приводным устройством и через разъединитель с емкостным накопителем энергоаккумулятора.
Предпочтительно выполнить блок управления энергоаккумулятором с возможностью параллельного подключения к приводу основного и дополнительных энергоаккумуляторов и с возможностью измерения напряжений на емкостном накопителе и выходе энергоаккумулятора.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами выполнить повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода и мостовой преобразователь, обеспечивающими возможность рекуперации энергии электродвигателя и исполнительного механизма для возврата энергии, накопленной в исполнительном механизме, или энергии рабочей среды, воздействующей на него, в энергоаккумулятор.
Рационально в приводном устройстве с энергоаккумуляторами электродвигатель выполнить преимущественно в виде трехфазного синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах.
Предпочтительно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами вал электродвигателя и силовой редуктор выполнить связанными через тормозную муфту для фиксации положения без приложения дополнительной энергии.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами может быть снабжено по меньшей мере одним зарядным устройством, соединенным через разъединитель с емкостным накопителем.
Рекомендуется приводное устройство с энергоаккумуляторами снабдить узлом ручного дублера.
В одном из вариантов приводного устройства с энергоаккумуляторами целесообразно силовой редуктор выполнить по принципу дифференциала с возможностью передачи вращающего момента исполнительному механизму, как от ручного дублера, так и от приводного двигателя одновременно.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами может быть снабжено блоком интерфейса и панелью управления и индикации, связанными с блоком управления приводом для взаимодействия с оператором и системой АСУ ТП.
Предпочтительно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами каждый энергоаккумулятор выполнять с возможностью активного выравнивания выходного напряжения для их параллельного включения.
В одном из вариантов приводного устройства к одному энергоаккумулятору может быть подключено одно или несколько приводных устройств, а к одному приводному устройству может быть подключен более чем один энергоаккумулятор.
Предпочтительно выполнить электронный ключ с возможностью включения после выравнивания напряжения на емкостном накопителе и выходных зажимах энергоаккумулятора.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами генератор тестовых напряжений подсоединять к выходным зажимам энергоаккумулятора преимущественно через резистор, выполняющий функцию токоограничетеля.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами дополнительно ввести второй и третий электронные ключи, соединенные с входом понижающего преобразователя энергоаккумулятора, при этом второй электронный ключ соединен с выходными клеммами энергоаккумулятора, а третий электронный ключ соединен с внешним источником питания.
Рационально в приводном устройстве с энергоаккумуляторами блок управления энергоаккумулятором выполнять с возможностью управления электронными ключами и с возможностью измерения тока между понижающим и повышающим преобразователями энергоаккумулятора. Это позволяет обеспечить возможность коммутации цепей блоком управления энергоаккумулятора без участия в этом процессе человека, что также повышает надежность приводного устройства в условиях эксплуатации. При этом повышающий и понижающий преобразователи энергоаккумулятора после выравнивания напряжений параллельно включенных энергоаккумуляторов могут быть использованы для их заряда от внешнего источника питания постоянного тока.
Рекомендуется в приводном устройстве клапана с энергоаккумуляторами электронные ключи выполнять на полевых транзисторах, которые обеспечивают минимальные потери мощности при больших токах в открытом состоянии.
Емкостной накопитель энергии может содержать по меньшей мере один конденсатор.
Технический результат достигается также тем, что в способе управления приводным устройством, характеризующимся тем, что осуществляют преобразование электрической энергии приводным устройством, при изменении положения исполнительного механизма, определяют положение исполнительного механизма при помощи датчиков конечных положений, формируют управляющий сигнал для контроллера привода в зависимости от полученных значений сигнала, задают скорость, момент вращения электродвигателя и величину максимальной потребляемой мощности, обеспечивают вращение электродвигателя с заданной скоростью без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности, по мере уменьшения момента сопротивления увеличивают скорость вращения вала до требуемого значения, при исчезновении момента сопротивления и возникновении сопутствующего вращающего момента исполнительного механизма обеспечивают рекуперацию энергии в энергоаккумулятор, при помощи повышающего преобразователя привода поддерживают напряжение на его выходе, равное амплитудному значению ЭДС двигателя для текущей скорости вращения электродвигателя, определяемой датчиком Холла, но при этом не превышают максимального допустимого напряжения, а по достижении требуемого положения исполнительного механизма, определяемого датчиками положений, переводят приводное устройство в режим ожидания с пониженным потреблением энергии.
Предпочтительно в начале движения исполнительного механизма, при преодолении максимального момента сопротивления вращению вала задавать значения скорости и момента вращения вала электродвигателя, при которых произведение их значений составляет величину, в 4-8 раз меньшую произведения их максимальных значений.
Технический результат достигается также тем, что в способе управления энергоаккумуляторами приводного устройства в рабочем режиме периодически осуществляют подзарядку емкостных накопителей энергоаккумуляторов и тестирование энергоаккумуляторов, выполняющееся в три этапа:
- на первом этапе контролируют напряжение Ue1 на выходных зажимах энергоаккумулятора,
- на втором этапе при неизменном напряжении Ue1 подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uв и измеряют напряжение Ue2 на зажимах энергоаккумулятора,
- на третьем этапе, при Ue2, равном пороговому значению Uп, подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uн, меньшее чем Uв, и измеряют напряжение Ue3 и его приращение на зажимах энергоаккумулятора,
- при отрицательном приращении напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю приводного устройства,
- при близком к нулю приращении напряжения Ue3 осуществляют выравнивание напряжений емкостных накопителей энергии путем перераспределения заряда от емкостного накопителя с более высоким напряжением к емкостному накопителю с более низким напряжением при помощи понижающего и повышающего преобразователей напряжения энергоаккумулятора, и при уравнивании напряжения на емкостном накопителе и напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю приводного устройства, переводят энергоаккумуляторы в режим заряда емкостных накопителей от внешнего источника, прекращают заряд при достижении максимального рабочего напряжения и возобновляют заряд при снижении напряжения на заданную величину.
Предпочтительно при напряжении Ue2, не превышающем порогового значения Uп, и при положительном приращении напряжения Ue3, блокировать подключение емкостного накопителя к приводу.
Рационально в способе управления энергоаккумулятором значение повышенного тестового напряжения Uв выбирать не более половины максимального рабочего напряжения емкостного накопителя энергии.
Целесообразно в способе управления приводным устройством значение пониженного тестового напряжения Uн выбирать в пределах 0-3 вольт.
Предпочтительно в способе управления энергоаккумулятором значение порогового напряжения Uп выбирать в пределах до 1/3 Uв.
Рационально в способе управления энергоаккумулятором значение порогового напряжения Uп устанавливать зависимым прямо пропорционально от напряжения емкостного накопителя.
Зависимость порогового напряжения Uп от напряжения емкостного накопителя позволяет обеспечить включение наиболее заряженного энергоаккумулятора в первую очередь, чем обеспечивается немедленная готовность приводного устройства к выполнению операций.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема приводного устройства с энергоаккумуляторами,
на фиг. 2 приведен алгоритм управления энергоаккумулятором.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами выполнено в виде привода 1 и соединенных с ним и между собой энергоаккумуляторами 16.
Привод 1 содержит силовой редуктор 2, механически связанный через тормозную муфту 9 с электродвигателем 3, который электрически соединен через датчик Холла 8 с контроллером привода 5, и с мостовым преобразователем 4. Мостовой преобразователь 4 подключен к повышающему преобразователю привода 6, соединенному с блоком 7 управления повышающим преобразователем привода.
Предпочтительно электродвигатель 3 выполнять трехфазным синхронным с ротором на постоянных магнитах. Тормозная муфта 9, установленная на валу двигателя 3, связана с электромагнитом 10, который в свою очередь соединен с контроллером привода 5. В варианте исполнения электродвигателя 3 в виде трехфазной синхронной машины с ротором на постоянных магнитах мостовой преобразователь 4 выполняется трехфазным с ключами 4-2-4-7, выполненными преимущественно на полевых транзисторах. На фазных проводах электродвигателя 3 установлены трансформаторы тока 4-8, 4-9, связанные с контроллером привода 5, а к входу мостового преобразователя 4 подключен фильтрующий конденсатор 4-1. Повышающий преобразователь привода 6 содержит дроссель 6-1 и ключи 6-2, 6-3. Повышающий преобразователь привода 6, блок 7 управления повышающим преобразователем привода и мостовой преобразователь 4 выполнены с возможностью рекуперации энергии электродвигателя 3, исполнительного механизма и рабочей среды, воздействующей на исполнительный механизм (на чертежах не показан).
На выходе исполнительного механизма установлены датчики конечных положений 12, электрически связанные с блоком управления приводом 13.
Силовой редуктор 2 может быть выполнен с узлом ручного дублера 11, связанным с ним посредством червячной передачи. Входное звено силового редуктора 2 выполнено по принципу дифференциала с возможностью передачи вращающего момента на выход как от ручного дублера 11, так и от электродвигателя 3 одновременно.
Блок 13 управления приводом информационными шинами соединен с контроллером привода 5, панелью управления и индикации 14, блоком интерфейсов 15, связанным с внешней системой АСУ ТП. Блок управления и индикации 14 выполнен с возможностью отображения информации о заряде (напряжении на зажимах) энергоаккумуляторов 16, а блок интерфейсов 15 - с возможностью передачи данной информации в АСУ ТП.
Энергоаккумулятор 16 содержит емкостный накопитель энергии 17, подключенный через разъединитель 18 и первый электронный ключ 19 к выходным зажимам 20 и 21, соединенными посредством кабеля 22 с входными клеммами 33 и 34 приводного устройства 1.
Разъединитель 18, при необходимости приводимый в действие вручную, служит для полного отключения емкостных накопителей энергии 17 от выходных зажимов 20, 21 при проведении работ по подключению/отключению энергоаккумулятора 16 к приводному устройству 1 при эксплуатации приводного устройства с энергоаккумуляторами во взрывоопасной зоне. Первый электронный ключ 19 выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором. Включение первого электронного ключа 19 происходит только после выравнивания напряжения, что позволяет во взрывоопасной зоне эксплуатации привода 1 обеспечить безопасное параллельное соединение двух или более энергоаккумуляторов 16, напряжения которых в общем случае неравны, после выравнивания напряжения на их зажимах.
Для выравнивания напряжений между параллельно соединенными энергоаккумуляторами 16 служат понижающий 23 и повышающий 24 преобразователи энергоаккумулятора, выполненные на полевых транзисторах с изолированным затвором и включенные последовательно. Выход повышающего 24 преобразователя энергоаккумулятора подключен к разъединителю 18, второй электронный ключ 25 соединен с входом понижающего преобразователя 23 и с выходным зажимом 20 энергоаккумулятора 16, при этом вход понижающего преобразователя энергоаккумулятора 23 подключен через третий электронный ключ 26 к входным зажимам 27 и 28 во вводном отделении энергоаккумулятора 16, причем зажим 28 непосредственно соединен с зажимом 21. К выходному зажиму 20 через резистор 29 подключен генератор тестового напряжения 30. Блок управления энергоаккумулятором 31 выполнен с возможностью управления электронными ключами 19, 26, 25, генератором тестового напряжения 30, понижающим 23 и повышающим 24 преобразователями энергоаккумулятора. Он также обеспечивает контроль параметров процесса накопления энергии путем измерения напряжения на емкостных накопителях энергии 17, на выходных зажимах 20 и 21, и на входных зажимах 27 и 28. К входным зажимам 27 и 28 подключен внешний источник питания (на фиг. 1, 2 не показан).
Энергоаккумуляторы 16 могут содержать дополнительно одно или несколько автономно работающих зарядных устройств 32, параллельно подключенных через разъединитель 18 к емкостным накопителям энергии 17. Зарядное устройство 32 обеспечивает заряд емкостных накопителей энергии 17 до максимального рабочего напряжения от внешнего источника постоянного или переменного напряжения (не показан).
К одному энергоаккумулятору 16 может быть подключено одно или несколько приводов 1, а к одному приводу 1 может быть подключен более чем один энергоаккумулятор 16.
Заявляемая группа изобретений, включающая приводное устройство с энергоаккумуляторами, способ управления приводным устройством и способ управления энергоаккумуляторами реализуются следующим образом.
После включения разъединителя 18, приводимого в действие вручную, блок управления энергоаккумулятором 31 выполняет тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20 и 21 энергоаккумулятора 16 в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 2. Для этого блок 31 управления энергоаккумулятором по окончании изменения напряжения на выходных зажимах 20 и 21 подключает генератор тестового напряжения 30 (Uт) к выходным зажимам 20 и 21 и подает напряжение Uв на выходные зажимы 20 и 21 через резистор 29, который обеспечивает ограничение тока до безопасного уровня. Предпочтительно выбирать тестовое напряжение Uв в диапазоне от 1,5 B до 16 B, чтобы не происходило включение электронных схем приводного устройства. При достижении порогового уровня напряжения Uп на выходных зажимах 20 и 21, от генератора тестового напряжения 30 (Uт) подается напряжение Uн. Предпочтительно, чтобы пониженное тестовое напряжение Uн было меньше Uв и меньше минимального падения напряжения на р-n-переходе, например, 0 B. Оптимально, чтобы пороговое напряжение зависело от напряжения на емкостном накопителе энергии 17, причем при большем напряжении на емкостном накопителе энергии 17 было более высоким, например, равным Uconst + KUсв, где Uconst - неизменная часть порогового напряжения, KUсв - часть порогового напряжения, зависящая от напряжения конденсаторной батареи, но при этом не превышающим 1/3 напряжения Uв. Далее блок 31 управления энергоаккумулятором определяет изменение напряжения на выходных зажимах 20, 21 энергоаккумулятора 16, при этом возможно два случая.
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 начинает уменьшаться (отрицательное приращение, что соответствует отсутствию источника ЭДС на выходных зажимах энергоаккумулятора), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17 от внешнего источника питания (не показан), подключенного к входным зажимам 27 и 28. Блок 31 управления энергоаккумулятором прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на емкостном накопителе энергии 17 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 остается примерно постоянным (приращение равно нулю, что соответствует наличию источника ЭДС с малым внутренним сопротивлением, например другого включенного энергоаккумулятора), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда конденсаторной батареи.
Подключение двух или более энергоаккумуляторов 16 осуществляют соединением их одноименных зажимов 20, 21 между собой параллельно и включением соответствующих разъединителей 18. Блок управления энергоаккумулятором 31 каждого подключенного энергоаккумулятора 16 выполняет тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20 и 21. Далее соответствующий блок 31 управления энергоаккумулятором определяет изменение напряжения на выходных зажимах 20, 21 энергоаккумулятора 16. При этом возможны три случая.
- Если напряжение продолжает увеличиваться (положительное приращение, что соответствует наличию на выходных зажимах энергоаккумулятора источника ЭДС с относительно большим внутренним сопротивлением, например, другого энергоаккумулятора, выполняющего процедуру тестирования), то блок 31 управления энергоаккумулятором отключает генератор тестового напряжения 30 и возвращается в исходное состояние. Наименее заряженные энергоаккумуляторы 16 будут первыми отключать свои тестовые генераторы 30 и переходить к ожиданию завершения переходных процессов, время которых будет зависеть от постоянной времени RC, где R соответствует эквивалентному сопротивлению ограничительных резисторов 29, а C соответствует эквивалентной емкости конденсаторов емкостного накопителя энергии 17. Таким образом, наименее заряженные энергоаккумуляторы 16 поочередно прекратят тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20, 21.
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 начинает уменьшаться, то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17 от внешнего источника питания (не показан), подключенного к входным зажимам 27 и 28.
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 остается примерно постоянным (неизменным), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30 и включает второй электронный ключ 25 и переводит преобразователи 23, 24 в режим выравнивания напряжения. Преобразователи 23, 24, управляемые блоком управления энергоаккумулятором 31, обеспечивают перетекание заряда от конденсаторной батареи емкостного накопителя энергии 17 с большим напряжением одного энергоаккумулятора 16 к конденсаторной батарее емкостного накопителя энергии 17 с меньшим напряжением другого энергоаккумулятора 16, что приводит к выравниванию напряжения на конденсаторных батареях емкостного накопителя энергии 17 и выходных зажимах 20, 21. После выравнивания напряжений блок управления энергоаккумулятором 31 включает первый электронный ключ 19, выключает второй электронный ключ 25, включает третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17.
Энергоаккумуляторы 16, у которых блок управления энергоаккумулятором 31 прекратил тестирование и вернулся в исходное состояние, после прекращения переходных процессов в цепи, подключенной к выходным зажимам 20, 21, вновь выполняет действия в соответствии с описанным алгоритмом (фиг. 2).
Таким образом, при параллельном подключении нескольких энергоаккумуляторов 16 происходит поочередное включение их электронных ключей 19, причем первым включится электронный ключ 19 у того энергоаккумулятора 16, у которого емкостные накопители энергии 17 в исходном состоянии заряжены до более высокого напряжения. В случае, если два или более энергоаккумуляторов 16 имеют одинаковое напряжение емкостных накопителей энергии 17, включение их электронных ключей 19 также будет происходить одновременно (при одновременном включении разъединителей 18). При этом, так как разность напряжений близка к нулю, исключается возникновение сверхтоков, которые могут приводить к возникновению искр или воспламенению проводников и, как следствие, к воспламенению взрывоопасной окружающей среды.
Блок управления энергоаккумулятором 31 прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на конденсаторной батарее 17 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.
Выравнивание напряжений за счет применения импульсных преобразователей и исключения рассеивания энергии при параллельном подключении энергоаккумуляторов 16 способствует повышению КПД приводного устройства в целом и обеспечивает повышение надежности работы приводного устройства за счет оперативного подключения дополнительных энергоаккумуляторов в нештатных ситуациях. Причем наиболее заряженные энергоаккумуляторы первыми включаются в работу, а выравнивание напряжений происходит максимально быстро, что уменьшает возможность развития возможных аварийных ситуаций.
При поступлении от АСУ ТП через блок интерфейсов 15 или с панели управления и индикации 14 на блок управления приводом 13 команды на изменение положения исполнительного механизма, блок управления приводом 13 анализирует сигналы с датчиков конечных положений 12 и формирует управляющий сигнал для контроллера привода 5, задавая скорость, момент вращения электродвигателя 3 и величину максимальной потребляемой мостовым преобразователем 4 мощности. Контроллер привода 5 выключает тормозную муфту 9 с помощью электромагнита 10 и обеспечивает управление мостовым преобразователем 4 по заданным блоком управления приводом 13 параметрам с учетом сигнала датчика Холла 8 таким образом, что обеспечивается вращение электродвигателя 3 с заданной скоростью, но без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности.
В момент преодоления максимального момента сопротивления вращению вала электродвигателя 3, возникающего в начале движения исполнительного механизма, при преодолении трения покоя и усилия (как установлено в практике экспериментальных работ - от 4 до 8 раз превосходящее нормальное), создаваемого перепадом давления рабочей среды, происходит максимальное (от 4 до 8 раз превосходящее нормальное) потребление энергии от энергоаккумулятора 16. В этой связи предпочтительно задавать скорость и момент вращения вала электродвигателя 3 таким образом, чтобы произведение их значений составляло от 1/4 до 1/8 произведения максимальных значений скорости и момента вращения, что позволит значительно сократить потребляемую мощность и соответственно потребляемый от энергоаккумулятора 16 ток и потери энергии на активных сопротивлениях проводников и электронных ключей. Введение ограничения потребляемой мощности в зависимости от режима работы исполнительного механизма способствует повышению КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами, при этом суммарные затраты времени на перемещение исполнительного механизма не увеличиваются.
По мере уменьшения момента сопротивления, скорость вращения вала электродвигателя 3 возрастает. При этом может возникнуть ситуация, когда при увеличении скорости вращения электродвигателя 3 и разряде конденсаторной батареи емкостных накопителей энергии 17, напряжение на ней будет недостаточно для раскручивания двигателя до требуемой скорости, т.к. напряжение Uc на конденсаторной батарее емкостных накопителей энергии 17 связано с накопленным зарядом q отношением
C⋅Uc=q,
где C - емкость конденсаторной батареи, а ЭДС электродвигателя прямо пропорциональна скорости вращения.
Энергия E, накапливаемая емкостными накопителями энергии, связана с напряжением Uc отношением E=0.5⋅C⋅Uc2.
При этом 75% энергии накапливается в диапазоне напряжений от 30 B до 60 B. По мере разряда конденсаторов, напряжение на конденсаторной батарее снижается до 30 В. Для того чтобы трехфазный преобразователь имел возможность вырабатывать напряжение, превышающее ЭДС двигателя при большой скорости вращения, служит повышающий преобразователь привода 6, построенный на полевых транзисторах 6-2, 6-3 с изолированным затвором, включающийся в работу только в режиме движения с малым сопротивлением вращению, за счет чего дополнительно сокращаются динамические потери энергии в преобразователе и увеличивается КПД в диапазоне больших вращающих моментов. Таким образом, оптимальное управление выходным напряжением повышающего преобразователя 6 привода позволяет уменьшить расход потребляемой энергии от энергоаккумуляторов 16 и повысить КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами.
Для обеспечения требуемой скорости вращения вала электродвигателя 3 блок 7 управления повышающим преобразователем увеличивает напряжение на входе мостового преобразователя 4 путем изменения относительной длительности включенного состояния ключа 6-3 повышающего преобразователя привода 6.
Относительная длительность Y включенного состояния ключа 6-3 поддерживается блоком 7 управления повышающим преобразователем привода, равной
Y=Ubat⋅T/Emax⋅Tmin⋅K,
где Ubat - текущее напряжение конденсаторов, измеряемое на клеммах 33, 34;
T - текущий период сигнала с датчика Холла 8 (величина, обратно пропорциональная скорости вращения);
Emax - максимальная ЭДС двигателя при максимальной скорости вращения;
Tmin - минимальный период сигнала с датчика Холла 8 при максимальной частоте вращения, соответствующий максимальной ЭДС электродвигателя 3;
K - коэффициент, учитывающий форму ЭДС электродвигателя 3, возможные отклонения параметров электродвигателя 3, потери в нем и преобразователях 4 и 6.
Максимальное значение относительной длительности ограничено значением Y=1, а минимальное значение ограничено значением Y=Ubat/Udcmax, где Udcmax - максимальное допустимое напряжение на входе мостового преобразователя 4. Блок управления 7 повышающим преобразователем привода работает таким образом, что ключ 6-2 повышающего преобразователя 6 включается в промежутки времени, когда выключен ключ 6-3. За счет уменьшения относительной длительности Y достигается необходимое увеличение напряжения на входе мостового преобразователя 4 для развития требуемой скорости вращения вала электродвигателя 3. При этом, если напряжение на конденсаторах емкостного накопителя 17 достаточно для развития требуемой скорости вращения электродвигателем 3, блок управления 7 повышающим преобразователем привода обеспечивает относительную длительность включенного состояния Y=1 для ключа 6-3, тогда как ключ 6-2 остается выключен. Это обеспечивает экономию заряда емкостного накопителя 17 и повышает КПД приводного устройства за счет отсутствия динамических потерь переключения в повышающем преобразователе привода 6 в режимах максимальной мощности, а также при полностью заряженных емкостных накопителях энергии 17.
Во время перемещения исполнительного механизма, например, запирающего элемента клапана, затвора или шарового крана, может возникать самопроизвольный разворот запирающего элемента под действием потока рабочей среды. При этом вращающий момент передается через редуктор 2 на вал электродвигателя 3, который начинает генерировать электрическую энергию. В этом режиме мостовой преобразователь 4 на полевых транзисторах 4-2, 4-3, 4-4, 4-5, 4-6, 4-7 с изолированным затвором выступает в роли выпрямителя, а повышающий преобразователь 6 привода работает в прежнем режиме без изменения длительности замкнутого и разомкнутого состояния транзисторов. В режиме рекуперации в работу вступают паразитные диоды, имеющиеся в структурах полевых транзисторов с изолированным затвором. Вырабатываемая энергия через ключи мостового преобразователя 4 заряжает конденсатор 4-1 до максимального напряжения Udcmax, повышающий преобразователь 6 привода с блоком 7 управления повышающим преобразователем привода при этом обеспечивает рекуперацию энергии в емкостные накопители энергии 17, а направление электрического тока меняется на противоположное по сравнению с нормальным режимом. За счет этого ограничивается максимальная скорость поворота исполнительного устройства под действием потока рабочей среды, и обеспечивается дополнительная экономия заряда емкостного накопителя 17 и повышение КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами.
По достижении заданного положения исполнительного механизма, которое определяют датчики конечного положения 12, блок 13 управления приводом останавливает электрический двигатель 3, отключает электромагнит 10, при этом муфта 9 блокирует вал электродвигателя 3, после чего блок 13 управления приводом выключает повышающий преобразователь 6 привода, мостовой преобразователь 4, контроллер 5 привода и блок управления 7 повышающим преобразователем. Блок 13 управления приводом переходит в режим ожидания с минимальным потреблением энергии (менее 1 Вт), что позволяет достичь максимального срока работоспособности электропривода без электроснабжения от внешнего источника электропитания и повысить надежность приводного устройства в условиях эксплуатации.
Заявляемая группа изобретений, включающая приводное устройство с энергоаккумуляторами, способ управления приводным устройством, способ управления энергоаккумуляторами приводного устройства способствует созданию высокоэнергоэффективного и надежного приводного устройства с высоким КПД и способов его управления. Заявляемые изобретения могут быть использованы в регулируемых силовых приводах, в том числе применяемых для управления клапанами, изменяющими поток (расход) текучих сред в магистрали.
1. Приводное устройство с энергоаккумуляторами, содержащее электродвигатель, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, связанный с контроллером привода и датчиками конечного положения, основной энергоаккумулятор, выполненный в виде емкостного накопителя энергии, блок управления энергоаккумулятором, выполненный с возможностью контроля накопления энергии и подключенный к емкостному накопителю, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора, отличающееся тем, что в него введены повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода, датчик Холла, установленный на валу электродвигателя, и соединенный с контроллером привода и блоком управления повышающим преобразователем привода, мостовой преобразователь, соединенный с повышающим преобразователем привода, контроллером привода и электродвигателем, при этом приводное устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным энергоаккумулятором, включенным параллельно основному, каждый энергоаккумулятор содержит генератор тестовых напряжений, соединенный с выходными зажимами энергоаккумулятора и блоком управления энергоаккумулятором, разъединитель, первый электронный ключ, соединенный с повышающим преобразователем привода и через разъединитель с емкостным накопителем энергоаккумулятора.
2. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что блок управления энергоаккумулятором выполнен с возможностью параллельного подключения к приводу основного и дополнительных энергоаккумуляторов и с возможностью измерения напряжений на емкостном накопителе и выходе энергоаккумулятора.
3. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода и мостовой преобразователь выполнены с возможностью рекуперации энергии двигателя и исполнительного механизма.
4. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что электродвигатель выполнен в виде трехфазного синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах.
5. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что вал электродвигателя связан с силовым редуктором через тормозную муфту.
6. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одно дополнительное зарядное устройство, соединенное через разъединитель с емкостным накопителем.
7. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом ручного дублера.
8. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 7, отличающееся тем, что силовой редуктор выполнен с возможностью передачи вращающего момента исполнительному механизму от ручного дублера, или от электродвигателя или одновременно.
9. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено блоком интерфейса и панелью управления и индикации, соединенными с блоком управления приводом.
10. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что каждый энергоаккумулятор выполнен с возможностью выравнивания выходного напряжения для их параллельного включения.
11. Приводное устройство клапана с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что к одному энергоаккумулятору может быть подключен один или несколько электрических приводов, а к одному приводу может быть подключен более чем один энергоаккумулятор.
12. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что генератор тестовых напряжений подсоединен к выходным зажимам энергоаккумулятора через резистор.
13. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй и третий электронные ключи, соединенные с входом понижающего преобразователя энергоаккумулятора, при этом второй электронный ключ соединен с выходными клеммами энергоаккумулятора, а третий электронный ключ соединен с внешним источником питания.
14. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что блок управления энергоаккумулятором выполнен с возможностью управления первым, вторым и третьим электронными ключами и с возможностью измерения тока между понижающим и повышающим преобразователями энергоаккумулятора.
15. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что электронные ключи выполнены на полевых транзисторах.
16. Приводное устройство с энергоаккумуляторами по п. 1, отличающееся тем, что емкостной накопитель энергии содержит по меньшей мере один конденсатор.
17. Способ управления приводным устройством по п. 1, характеризующийся тем, что осуществляют преобразование электрической энергии приводным устройством, отличающийся тем, что при изменении положения исполнительного механизма, определяют положение исполнительного механизма при помощи датчиков конечных положений, формируют управляющий сигнал для контроллера привода в зависимости от полученных значений сигнала, задают скорость, момент вращения электродвигателя и величину максимальной потребляемой мощности, обеспечивают вращение электродвигателя с заданной скоростью без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности, по мере уменьшения момента сопротивления увеличивают скорость вращения вала до требуемого значения, при исчезновении момента сопротивления и возникновении сопутствующего вращающего момента исполнительного механизма обеспечивают рекуперацию энергии в энергоаккумулятор, при помощи повышающего преобразователя привода поддерживают напряжение на его выходе, равное амплитудному значению ЭДС двигателя при текущей скорости вращения электродвигателя, определяемой датчиком Холла, но при этом не превышают максимального допустимого напряжения, а по достижении требуемого положения исполнительного механизма, определяемого датчиками конечных положений, переводят приводное устройство в режим ожидания.
18. Способ управления приводным устройством по п. 17, отличающийся тем, что в начале движения исполнительного механизма, при преодолении максимального момента сопротивления вращению вала задают значения скорости и момента вращения вала электродвигателя, при которых произведение их значений составляет от 1/4 до 1/8 произведения их максимальных значений.
19. Способ управления энергоаккумуляторами приводного устройства по п. 1, характеризующийся тем, что в рабочем режиме периодически осуществляют подзарядку емкостных накопителей энергоаккумуляторов и тестирование энергоаккумуляторов, отличающийся тем, что тестирование выполняют в три этапа:
- на первом этапе контролируют напряжение Ue1 на выходных зажимах энергоаккумулятора,
- на втором этапе при неизменном напряжении Ue1 подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uв и измеряют напряжение Ue2 на выходных зажимах энергоаккумулятора,
- на третьем этапе, при Ue2, равном пороговому значению Uп, подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uн, меньшее чем Uв, и измеряют напряжение Ue3 и его приращение на выходных зажимах энергоаккумулятора,
- при отрицательном приращении напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю привода,
- при близком к нулю приращении напряжения Ue3 осуществляют выравнивание напряжений емкостных накопителей энергии путем перераспределения заряда от емкостного накопителя с более высоким напряжением к емкостному накопителю с более низким напряжением при помощи понижающего и повышающего преобразователей энергоаккумулятора, и при уравнивании напряжения на емкостном накопителе и напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю приводного устройства, переводят энергоаккумуляторы в режим заряда емкостных накопителей от внешнего источника, прекращают заряд при достижении максимального рабочего напряжения и возобновляют заряд при снижении напряжения на заданную величину.
20. Способ управления энергоаккумуляторами по п. 19, отличающийся тем, что при напряжении Ue2, не превышающем порогового значения Uп, и при положительном приращении напряжения Ue3, блокируют подключение емкостного накопителя к приводу.
21. Способ управления энергоаккумуляторами по п. 19, отличающийся тем, что значение повышенного тестового напряжения Uв выбирают не более половины максимального рабочего напряжения емкостного накопителя энергии.
22. Способ управления энергоаккумуляторами по п. 19, отличающийся тем, что значение пониженного тестового напряжения Uн выбирают в пределах 0-3 В.
23. Способ управления энергоаккумуляторами по п. 19, отличающийся тем, что значение порогового напряжения Uп выбирают в пределах от Uн до 1/3 Uв.
24. Способ управления энергоаккумуляторами по п. 19, отличающийся тем, что значение порогового напряжения Uп устанавливают прямо пропорционально зависимым от напряжения емкостного накопителя.
