Безредукторный электрический привод запорной арматуры

Изобретение относится к средствам управления, включающим устройства для ручного управления клапанами или для комбинированного управления с помощью двигателя вручную. Безредукторный электропривод запорной арматуры содержит синхронный ЭДПМ со статором, охватывающим полый ротор, внутри которого размещены ходовой винт, вал ручного привода, ходовая гайка, пружина, переключатель, встроенный датчик положения ротора, ограничитель хода, а также ЭСУ, включенную в АСУ объекта. Рабочее движение невращающегося ходового винта осуществляется при вращении ходовой гайки, жестко соединенной с ротором двигателя, который приводится в действие при включении электродвигателя или валом ручного привода, либо совместно тем и другим через переключатель, при этом при выключенном двигателе ротор испытывает фиксирующий момент, надежно стопорящий привод. Осевые усилия винтовой пары замыкаются через ротор, подшипники, статор на корпус задвижки. Технический результат достигается в основном упрощением механической передачи движения от вращающегося ротора к ходовому винту. В заявляемом приводе ось вращения ручного привода соосна с осью вращения исполнительного органа, при этом передача движения осуществляется через переключатель и ходовую гайку, что значительно упрощает конструкцию привода, повышает его надежность, уменьшает его металлоемкость. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области общего машиностроения, а именно к средствам управления, включающим устройства для ручного управления клапанами или для комбинированного управления с помощью двигателя вручную.

Изобретение может быть использовано при изготовлении электроприводов, предназначенных для дистанционного и местного управления запорной, запорно-регулирующей трубопроводной арматурой нефтепроводов, газопроводов, водопроводов, химических и других производств.

Из уровня техники известно [«Безредукторный синхронный электропривод запорной арматуры» http://referat.bookap.info/work/102901/Bezreduktornyj-sinxronnyj-elektroprivod-zapornoj], что в настоящее время безредукторные схемы электроприводов широко применяются в различных отраслях промышленности, в т.ч. и для управления трубопроводной запорной арматурой в химической, нефтяной, газовой, энергетической отраслях промышленности.

Особенностью работы электропривода трубопроводной арматуры являются повышенный момент при отрыве или затягивании крана, стабильный момент во время движения запорного органа, а также фиксирующий момент после его остановки. Такими свойствами обладают электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением, однако они вызывают большое число отказов, связанных с износом и искрением щеточного контакта, что не позволяет реализовывать высокоэнергетические конструкции, рассчитанные на предельные механические нагрузки. Применение безредукторных систем на основе асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором так же весьма затруднено из-за присущих этому двигателю недостатков: небольшой момент и сильный бросок тока при отрыве и затягивании рабочего органа.

Положительно зарекомендовали себя образцы безредукторных электроприводов запорной арматуры на базе вентильных двигателей (синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов - ЭДПМ), которые имеют ряд качеств, что делает применения этих двигателей достаточно привлекательным при конструировании запорной арматуры:

- способность вентильных двигателей развивать существенные крутящие моменты на низких скоростях вращения;

- большая перегрузочная способность по току и крутящему моменту (до пяти- и более кратной) и, как следствие, возможность развивать большие ускорения;

- электропривод на базе вентильного двигателя с постоянными высокоэнергетическими магнитами обладает остаточным фиксирующим моментом в отключенном состоянии (до 30% от номинального крутящего момента).

Известен электропривод для управления запорной арматурой нефтепровода, представленный в описании к патенту РФ №42616 на полезную модель (МПК F16K 31/05, публикация 10.12.2004). Данный безредукторный электропривод содержит асинхронный двигатель, датчик положения вала электродвигателя, блок электронного управления. Датчик положения установлен на валу ротора асинхронного двигателя и содержит чувствительные элементы, выполненные на магниторезисторах. Информационные выходы датчика положения соединены с блоком электронного управления, который регулирует работу привода по показаниям датчика положения и заданным в блоке значениям положения, крутящего момента, скорости выходного звена запорной арматуры. Асинхронный двигатель выполнен высокомоментным, низкоскоростным, с полым ротором. Число витков обмотки статора высокомоментного, низкоскоростного асинхронного двигателя увеличено по сравнению с числом витков серийного электродвигателя, что позволяет при закрытии задвижки обеспечить момент 60 Нм при потребляемом токе электродвигателя 8А. Данный электропривод выполнен без редуктора и рассчитан на относительно низкий крутящий момент на выходном звене запорной арматуры. Так, для крутящих моментов более 100 Нм на выходном звене запорной арматуры отсутствие редуктора привело бы к значительному увеличению массы электродвигателя. Кроме того, применение несерийного электродвигателя усложнило бы технологический процесс изготовления привода.

Известно, что «в ЗАО «ЭлеСИ» создан образец многооборотного электропривода запорной арматуры на базе синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Редуктор в его составе отсутствует. Отмечается, что привод характеризуется лучшей динамикой, нежели приводы с редуктором, а также несравнимо большей точностью позиционирования» [Силовая электроника, №11, 2008 г., А.Т. Антропов «Безредукторный электропривод трубопроводной арматуры»].

В то же время данное решение носит половинчатый характер. Разработчики стремились сделать привод, устанавливаемый на существующие задвижки, поэтому в конструкции ряд функций задублирован (подшипники привода и задвижки лишь создают проблему соосности), внутренний объем ротора не используется.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению, является безредукторный электромеханический привод для трубопроводной арматуры (RU 2213896), содержащий электродвигатель с полым ротором, в котором размещены резьбовая втулка и винтовой шпиндель, соединенный с запорным органом.

Принципиальная конструкция данного привода приведена на Фиг. 1.

Привод заключен в неподвижный корпус. В полом роторе электродвигателя 1 между резьбовой втулкой 3 и винтовым шпинделем 4 размещена гайка 5, выполненная в виде трех цилиндрических резьбовых роликов, расположенных в сепараторах 6. Резьбовая втулка 3 и стакан 2, закрепленный неподвижно в полом роторе, имеют шлицевые канавки 7, обеспечивающие возможность их линейного перемещения относительно друг друга. Резьбовая втулка 3 при поступательном перемещении преодолевает сопротивление упругого элемента 8 (или 9) до тех пор, пока не сработает конечный выключатель 10 (или 11), который подает сигнал на отключение двигателя 1. Ось вращения ручного привода перпендикулярна оси вращения винтового шпинделя 4. Ручной привод выполнен в виде одноступенчатого конического редуктора с фиксацией конического зубчатого колеса на стакане 2.

Данный привод имеет небольшие габариты. Надежность привода для работы с обычной трубопроводной арматурой, обеспечивается за счет того, что резьбовая втулка, резьбовые ролики, охватываемые ею, и винтовой шпиндель, перемещаемый вращаемыми вокруг него роликами, образуют роликово-винтовую передачу, в которой нагрузка передается через резьбовую поверхность всех роликов, что обеспечивает максимальную площадь контакта.

Основным недостатком привода является относительно большой момент инерции вращающейся части привода. Известно, что момент инерции механической системы относительно неподвижной оси равен сумме произведений масс всех материальных точек системы на квадраты их расстояний до оси. В известном приводе относительно большой момент инерции вращающейся части обусловлен непосредственной связью ротора с резьбовой втулкой, приводящей к необходимости использования стакана, соединяющего ротор с резьбовой втулкой, и необходимости выбора толщин стенок ротора и резьбовой втулки с учетом их соединения со стаканом (например, шлицевого и/или шпоночного), превышающих толщины, обусловленные их функциональным назначением (например, прочностью, магнитным насыщением и т.п.). Иными словами, непосредственная кинематическая связь ротора с резьбовой втулкой приводит к необходимости введения конструктивной связи, реализуемой через дополнительную массу, заключенную между ротором и резьбовой втулкой. Таким образом, большой момент инерции вращающейся части в приводе не позволяет обеспечить требуемую скорость отработки положения исполнительного органа электромеханического привода без больших энергетических затрат. Также в приводе отсутствует возможность определения положения его исполнительного органа (винтового шпинделя).

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в упрощении конструкции безредукторного электропривода, повышении его надежности, снижении металлоемкости конструкции, сокращении трудозатрат при производстве и эксплуатации, расширении номенклатуры безредукторных электроприводов запорной арматуры.

Поставленная задача решается созданием безредукторного электропривода запорной арматуры содержащего синхронный ЭДПМ со статором, охватывающим полый ротор, внутри которого размещены ходовой винт, вал ручного привода, ходовая гайка, пружина, переключатель, встроенный датчик положения ротора, ограничитель хода, блок ЭСУ, размещаемый на удалении от механизма во взрывобезопасной зоне, включенную по тому или иному интерфейсу в АСУ объекта, при этом рабочее движение невращающегося ходового винта осуществляется при вращении ходовой гайки, жестко соединенной с ротором двигателя, который приводится в действие при включении электродвигателя или валом ручного привода, либо совместно тем и другим через переключатель, при этом при выключенном двигателе ротор испытывает фиксирующий момент (около 40% номинального), надежно стопорящий привод, осевые усилия винтовой пары замыкаются через ротор, подшипники, статор на корпус задвижки. При этом

- датчики ограничителя хода установлены в механизме привода;

- переключатель и вал ручного привода удерживаются в крайнем правом положении с помощью пружины;

- наличие положения, при котором в зацеплении находятся и ротор, и ручной привод позволяет создать следящую систему и использовать двигатель для точного перемещения винта при ремонте и обслуживании.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна заявителю из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».

Технический результат достигается в основном упрощением механической передачи движения от вращающегося ротора к ходовому винту. В прототипе передача движения от ротора к ходовому винту осуществляется через стакан, резьбовую втулку, резьбовые ролики с сепараторами. В заявляемом приводе передача движения осуществляется через переключатель и ходовую гайку, что значительно упрощает конструкцию привода, повышает его надежность, уменьшает его металлоемкость. В прототипе ось вращения ручного привода расположена перпендикулярно оси вращения исполнительного органа, что усложнило конструкцию и вызвало необходимость применения конического редуктора. В заявляемом электроприводе ось вращения ручного привода соосна с осью вращения исполнительного органа, что позволило упростить конструкцию привода.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 2: ЭПЗА (привод от рукоятки).

Фиг. 3: Механизм - привод от рукоятки.

Фиг. 4: Механизм - привод от ротора и рукоятки.

Фиг. 5: Механизм - привод от ротора.

На приведенных чертежах представлен продольный разрез привода. Невращающийся ходовой винт задвижки 1 перемещается, осуществляя рабочее возвратно-поступательное движение при вращении ходовой гайки 7, которая приводится в действие либо ротором двигателя 5, либо валом ручного привода 9, либо совместно тем и другим через переключатель 8.

В исходном состоянии пружины 6 удерживают переключатель 8 и вал ручного привода 9 в крайнем правом положении (Фиг. 5). В этом положении ручной привод отключен.

При перемещении рукоятки 10 вправо шлицы вала ручного привода входят в зацепление с переключателем, затем происходит перемещение переключателя совместно с валом ручного привода и его шлицы выходят из зацепления с ротором двигателя (Фиг. 2 и Фиг. 3). После этого вал ручного привода удерживается фиксатором (на рисунке не показан). В этом положении ручной привод включен.

Наличие положения, при котором в зацеплении находятся и ротор и ручной привод (Фиг. 4) позволяет создать следящую систему и использовать двигатель для точного перемещения винта при ремонте и обслуживании. При выключенном двигателе ротор испытывает фиксирующий момент (около 40% номинального), надежно стопорящий привод. Стопорное кольцо 4 фиксирует ходовую гайку в роторе. Осевые усилия винтовой пары замыкаются через ротор 5, подшипники 2, статор 3 на корпус задвижки. При этом собственные подшипники задвижки упраздняются. В механизме ЭПЗА устанавливаются датчики ограничителя хода, подключаемые к ЭСУ (на рисунках не показаны).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

1. Начальная настройка.

Перед запуском ЭПЗА в работу производиться начальная настройка, заключающаяся в корректной установке положений ограничителя хода аналогично существующему приводу, включению подпрограммы начальной настройки, во время которой ЭСУ перемещает исполнительный механизм (ходовой винт) до верхнего крайнего положения, используя сигнал ограничителя хода, обнуляет значение внутреннего счетчика перемещения, перемещает ходовой винт в нижнее крайнее положение ограничителя хода и запоминает значение счетчика перемещения. Кроме этого на этапе начальной настройки определяется и устанавливается в ЭСУ максимально допустимый вращающий момент. Поскольку в ЭДПМ момент вращения линейно зависит от тока, уставка момента преобразуется ЭСУ в токовую. На этом минимально необходимая настройка завершается и система готова к работе.

2. Режимы работы.

2.1 Штатная работа.

В общем случае алгоритм работы привода заключается в достижении и/или поддержании заданного параметра в соответствии с заранее заданной траекторией. Параметром может быть положение ходового винта (по умолчанию) либо значение, переданное извне (от АСУ или внешнего датчика) в ЭСУ. В последнем случае должна быть задана функция, определяющая зависимость параметра от перемещения ходового винта. Это может быть таблица, формула либо коэффициенты пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора. Примером таких параметров могут быть давление, расход, температура потока жидкости, уровень в резервуаре и т.п. Простейший режим - закрытие-открытие заслонки (перемещение ходового винта между крайними положениями). Наиболее сложный - постепенное достижение параметра (давление, температура, уровень) и последующее его поддержание на основе коэффициентов ПИД-регулятора. Для осуществления такого режима ЭСУ должна периодически получать извне текущее значение параметра.

2.2 Обработка нештатных ситуаций.

При возникновении нештатной ситуации, коей является срабатывание одной из внутренних защит ЭСУ или ограничения момента, а также продолжительное отсутствие реагирования управляемого параметра на управляющее воздействие ЭСУ передает в АСУ объекта сообщение с кодом нештатной ситуации и переходит к выполнению заранее определенного алгоритма ее обработки: выключению (по умолчанию), перемещению в заданное положение (как правило, одно из крайних), попытке (нескольких попыток) расклинивания путем возвратно-поступательных движений ИМ и т.п.

Изобретение промышленно применимо и может быть многократно реализовано на известной элементной базе на современном оборудовании и по современной технологии. Заявляемый электропривод для трубопроводной арматуры может найти применение для дистанционного и местного управления исполнительными органами запорной, запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах нефтяной, газовой и др. промышленности.

1. Безредукторный электропривод запорной арматуры, содержащий синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов со статором, охватывающим полый ротор, внутри которого размещены ходовой винт, вал ручного привода, ходовая гайка, пружина, переключатель, встроенный датчик положения ротора, датчики ограничителя хода, электронную систему управления, включенную в автоматизированную систему управления объекта, отличающийся тем, что ходовая гайка жестко соединена с ротором электродвигателя с возможностью осуществления рабочего движения невращающегося ходового винта.

2. Безредукторный электропривод запорной арматуры по п. 1, отличающийся тем, что датчики ограничителя хода установлены в механизме электропривода.

3. Безредукторный электропривод запорной арматуры по п. 1, отличающийся тем, что в исходном состоянии переключатель и вал ручного привода удерживаются в крайнем правом положении с помощью пружины.

4. Безредукторный электропривод запорной арматуры, содержащий синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов со статором, охватывающим полый ротор, внутри которого размещены ходовой винт, вал ручного привода, ходовая гайка, пружина, переключатель, встроенный датчик положения ротора, датчики ограничителя хода, электронную следящую систему управления, включенную в автоматизированную систему управления объекта, отличающийся тем, что следящая система выполнена с возможностью отслеживания и обеспечения положения ходового винта в зависимости от изменения входных сигналов и его перемещения, позволяющего точно перемещать ходовой винт при ремонте и обслуживании привода.

5. Безредукторный электропривод запорной арматуры по п. 4, отличающийся тем, что датчики ограничителя хода установлены в механизме электропривода.

6. Безредукторный электропривод запорной арматуры по п. 4, отличающийся тем, что в исходном состоянии переключатель и вал ручного привода удерживаются в крайнем правом положении с помощью пружины.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области трубопроводного арматуростроения и может быть использована для предотвращения возникновения аварийных ситуаций в трубопроводных системах.

Изобретение относится к электроприводам с встроенным ручным дублером для управления трубопроводной арматурой в двух режимах: электрическом и ручном. Механизм переключения в электроприводе с встроенным ручным дублером содержит корпус, выступающий из корпуса маховик, внутри корпуса расположен переключающий рычаг первого рода с первой и второй точками приложения силы, выходной вал, фланец маховика с кулачками и толкателем, подпружиненный двусторонний демпфер с кулачками, подпружиненную двустороннюю муфту с кулачками, колесо с кулачками и упором от передачи электродвигателя, элемент с возможностью воздействия на муфту от передачи переключающего рычага, подпружиненный фиксатор с выступом.

Изобретение относится к электроприводам, в частности к комбинированным средствам управления запорной арматурой, и может быть использовано на трубопроводах при транспорте нефти, нефтепродуктов, в химической и нефтехимической отраслях.

Изобретение касается устройства для техники автоматизации, состоящего из сервопривода и модуля для ручного управления сервоприводом. Причем в качестве приводного элемента для сервопривода предусмотрен электрический привод или электрогидравлический привод.

Передача предназначена для смещения запорного элемента в крайнее положение и может быть использована в системах аварийной защиты. На рукоятке вала с возможностью вращательного или винтового движения смонтировано звено с ориентирующим и удерживающим трубу для троса элементом.

Изобретение относится к области арматуростроения, а именно к управлению трубопроводной арматурой(ТПА), и может быть использовано в качестве исполнительного механизма для управления неполноповоротной ТПА, в частности шаровых кранов.

Группа изобретений относится к области машиностроения, а именно к ограничителям крутящего момента приводов. Ограничитель содержит подвижный вал, выполненный с возможностью перемещения в две стороны в осевом направлении и вращения в работе для приведения во вращение приводного вала исполнительного механизма для привода клапана.

Изобретение относится к приводным устройствам для трубопроводной арматуры. Приводное устройство для трубопроводной арматуры содержит первый редуктор, содержащий выходной и входной валы, установленные соосно, двигатель.

Представленный вариант устройства перевода на ручное управление включает ручное средство управления, имеющее первую муфту на первой стороне, а также вторую муфту на второй стороне, расположенной напротив первой стороны.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в качестве привода для запорной и запорно-регулирующей трубопроводной арматуры. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах для запорной, регулирующей арматуры, на трубопроводах при транспорте нефти, нефтепродуктов, в химической и нефтехимических отраслях. Техническим результатом является повышение скорости реакции блока на основе микропроцессора на превышение заданного предельного крутящего момента, при котором электродвигатель (2) должен быть отключен от электропитания. Устройство содержит датчик положения (7) выходного звена электропривода (1), первый выполненный на основе микропроцессора блок (8), соединенный входом с датчиком положения (7) и предназначенный для обработки полученных от него данных. Устройство включает первый блок питания (9), соединенный с первым блоком (8) на основе микропроцессора и выполненный с возможностью подключения к источнику электрического питания, первый блок сетевого интерфейса (10), соединенный с упомянутым первым блоком (8) на основе микропроцессора. Устройство содержит интеллектуальный модуль управления, включающий корпус (11), второй выполненный на основе микропроцессора блок (12) для обработки данных и диагностики. Со вторым блоком (12) на основе микропроцессора соединены второй блок питания (13), второй блок сетевого интерфейса (14), третий блок сетевого интерфейса (15), блок аналогового выхода (17), блок дискретных входов (18), блок дискретных выходов (19). Второй блок (12) на основе микропроцессора выполнен с возможностью соединения с интерфейсным модулем (4) коммутатора (3). Второй блок питания (13) выполнен с возможностью подключения к источнику электрического питания. Второй блок сетевого интерфейса (14) выполнен с возможностью соединения с первым блоком сетевого интерфейса (10). Третий блок сетевого интерфейса (15), блок аналогового выхода (17), блок дискретных входов (18) и блок дискретных выходов (19) выполнены с возможностью соединения с автоматизированной системой управления технологическим процессом (16). В данном устройстве возможно удаление интеллектуального модуля управления (11) от электропривода (1) на значительное расстояние (до 1200 м), что исключает воздействие на интеллектуальный модуль вибраций со стороны электропривода (1), температурных перепадов и других экстремальных условий среды в зоне трубопровода. Для того чтобы устройство управления даже при нарушении соединения между блоками (10) и (14) могло определить текущий крутящий момент, второй блок (12) на основе микропроцессора выполнен с возможностью приема сигнала о текущем токе статора упомянутого электродвигателя (2) и сигнала о текущем напряжении в каждой фазе электрической цепи, питающей упомянутый электродвигатель (2), и с возможностью вычисления крутящего момента электропривода (1) с учетом указанных сигналов. В конкретном исполнении интеллектуальный модуль управления содержит участок электрической цепи (20), выводы (21), (22) которого выполнены с возможностью его последовательного включения в электрическую цепь, питающую электродвигатель (2). В каждой фазе указанного участка (20) электрической цепи установлен датчик тока (23) и датчик напряжения (24), соединенные для передачи упомянутых сигналов соответственно о текущем токе и текущем напряжении с упомянутым вторым блоком (12) на основе микропроцессора. Второй блок питания (13) подключен к указанному участку (20) электрической цепи. Вероятность безотказной работы и быстродействия заявляемого устройства при превышении заданного крутящего момента возрастает. Устройство удобно в обслуживании, так как не требует ручной калибровки датчиков. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к средствам управления, включающим устройства для ручного управления клапанами или для комбинированного управления с помощью двигателя вручную. Безредукторный электропривод запорной арматуры содержит синхронный ЭДПМ со статором, охватывающим полый ротор, внутри которого размещены ходовой винт, вал ручного привода, ходовая гайка, пружина, переключатель, встроенный датчик положения ротора, ограничитель хода, а также ЭСУ, включенную в АСУ объекта. Рабочее движение невращающегося ходового винта осуществляется при вращении ходовой гайки, жестко соединенной с ротором двигателя, который приводится в действие при включении электродвигателя или валом ручного привода, либо совместно тем и другим через переключатель, при этом при выключенном двигателе ротор испытывает фиксирующий момент, надежно стопорящий привод. Осевые усилия винтовой пары замыкаются через ротор, подшипники, статор на корпус задвижки. Технический результат достигается в основном упрощением механической передачи движения от вращающегося ротора к ходовому винту. В заявляемом приводе ось вращения ручного привода соосна с осью вращения исполнительного органа, при этом передача движения осуществляется через переключатель и ходовую гайку, что значительно упрощает конструкцию привода, повышает его надежность, уменьшает его металлоемкость. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх