УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
ELECTRIC DRIVE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использована в электроприводах для запорной, регулирующей арматуры, на трубопроводах при транспорте нефти, нефтепродуктов, в химической и нефтехимических отраслях.
Известно устройство управления электроприводом по патенту РФ на полезную модель №100582 (МПК F16K 31/05, опубликован 20.12.2010). Электроснабжение двигателя (позиция 2 в описании к патенту №100582) в электроприводе осуществляется через коммутатор с интерфейсным модулем (бесконтактный реверсивный пускатель).
Устройство управления по патенту РФ №100582 содержит датчик положения (5) и датчик момента (6) выходного звена электропривода (1). Оба датчика (5) и (6) установлены в корпусе электропривода (см. рисунок к патенту РФ №100582). Датчик положения (5) основан на эффекте Холла и измеряет угловое положение выходного звена электропривода. Принцип действия датчика момента (6) не указан, следовательно, таким датчиком является любой из общеизвестных датчиков, принцип действия которых предполагает их установку в корпусе электропривода: тензодатчики, пьезодатчики, датчики момента на эффекте Холла и т.д. (в том числе, с механическими узлами).
С указанными датчиками (5) и (6) соединен первый выполненный на основе микропроцессора блок (3) для обработки данных, полученных от датчика положения (5) и датчика момента (6). Первый блок (3) на основе микропроцессора соединен, во-первых, с первым блоком питания (9), выполненным с возможностью подключения к источнику питания, во-вторых, с первым блоком сетевого интерфейса (8).
Устройство по патенту РФ №100582 содержит также интеллектуальный модуль управления, который включает корпус (в описании к патенту РФ №100582 назван «шкаф управления»), второй выполненный на основе микропроцессора блок (14) для обработки данных и диагностики и соединенные с этим блоком (14) второй блок питания (15), второй блок сетевого интерфейса (11), третий блок сетевого интерфейса (19), блок аналогового выхода (18), блок дискретных входов (16), блок дискретных выходов (17).
При этом второй блок (14) на основе микропроцессора выполнен с возможностью соединения с блоком коммутатора (12). Согласно описанию к патенту РФ №100582 блок (14) «выдает управляющие сигналы на блок силового коммутатора (12) в зависимости от поданного внешнего сигнала или команды». В результате, «блок силового коммутатора (12) подключает электропривод к сети переменного тока и осуществляет коммутацию в прямом и реверсивном направлении». Далее, блок (14) «формирует сигнал на отключение...силового коммутатора (12) по заложенному алгоритму при превышении или несоответствии заданных или измеренных параметров».
Второй блок питания (15) выполнен с возможностью подключения к источнику питания и предназначен для блока (14): согласно описанию к патенту РФ №100582 «для формирования напряжения питания и гальванической изоляции блока обработки данных и диагностики (14)».
Второй блок сетевого интерфейса (11) выполнен с возможностью соединения с первым блоком сетевого интерфейса (8) посредством коммуникации (линии связи) RS-485 (см. рисунок к патенту РФ №100582) и предназначен для передачи информации в блок (14) от датчиков (5) и (6), блока (3) через блок сетевого интерфейса (8).
Третий блок сетевого интерфейса (19) «предназначен для удаленной передачи данных и управления». В описании к патенту РФ №100582 сказано, что блок 14 осуществляет «взаимодействие с внешним управляющим устройством по цифровому промышленному интерфейсу через блок сетевого интерфейса (19)», из чего можно сделать вывод, что блок (19) выполнен с возможностью соединения с автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) верхнего уровня.
Блок 14 «может... производить обработку дискретных входных сигналов управления от управляющего устройства через блок дискретных входов (16)». Блок 14 «формирует выходные дискретные сигналы... и выдает их через блок дискретных выходов 17, который гальванически разделяет сигналы от блока обработки данных 14 и усиливает мощность выходных сигналов для внешнего управляющего устройства». «Блок аналогового выхода 18 преобразовывает цифровой сигнал в унифицированный токовый сигнал, пропорциональный сигналу с датчика положения или датчика момента электропривода и выдает его на внешнее управляющее устройство». Из вышесказанного можно сделать вывод, что блок аналогового выхода (18), блок дискретных входов (16), блок дискретных выходов (17) также выполнены с возможностью соединения с АСУ ТП верхнего уровня.
Датчик положения (5) измеряет положение выходного звена (вала) электропривода и по последовательному цифровому интерфейсу передает значение положения в блок (3), «основным элементом которого является процессор, содержащий программное обеспечение, реализующее функциональные возможности блока и энергонезависимую память, в которой сохраняются параметры настройки». Также по последовательному цифровому интерфейсу в блок (3) передается значение момента, измеренного датчиком момента (6). Блок (3) выдает информацию о положении выходного звена электропривода и моменте на блок сетевого интерфейса (8) и далее по линии связи R.S-485 через блок сетевого интерфейса (11) в блок (14), «выполненный на микропроцессоре с программным обеспечением».
В данном техническом решении возможно удаление интеллектуального модуля управления от электропривода на значительное расстояние (до 1200 м). Удаление интеллектуального модуля управления от электропривода исключает воздействие на интеллектуальный модуль вибраций со стороны электропривода, температурных перепадов и других экстремальных условий среды в зоне трубопровода и, следовательно, повышает точность и надежность работы интеллектуального модуля управления. Проще решается проблема обогрева интеллектуального модуля при низких температурах в зимнее время. От зоны установки электропривода до интеллектуального модуля управления прокладывают всего два кабеля: информационный (витая пара) и силовой. Несмотря на протяженность и близкое расположение данных кабелей, исключено влияние наведенных в них э.д.с. и, следовательно, наведенного тока на работу коммутатора за счет расположения блоков дискретных входов и выходов в отдаленном от электропривода интеллектуальном модуле. Напротив, расположение блоков дискретных входов и выходов у электропривода нередко приводит к распознаванию коммутатором наведенного тока в качестве сигнала к включению двигателя, то есть к самозапуску электропривода. Кроме того, интеллектуальный модуль управления, находящийся на расстоянии от электропривода, расположен в зоне, не требующей осуществления мероприятий по взрывозащите.
Однако, при потере коммуникации RS-485 (см. рисунок к патенту РФ №100582), например, при работе сварочного аппарата или во время проведения земляных работ, невозможно при превышении заданного предельного крутящего момента электропривода отключить электродвигатель (2) из-за отсутствия сигнала с датчика момента (6).
Кроме того, устройство управления электроприводом по патенту РФ №100582 с традиционным датчиком крутящего момента характеризуется достаточно низкой скоростью реакции блока (14), который «формирует сигнал на отключение...силового коммутатора (12) по заложенному алгоритму...», при превышении заданного предельного крутящего момента.
А для некоторых типов передаточных механизмов, например, волнового редуктора, отсутствует линейность в определении крутящего момента традиционным датчиком в зависимости от нагрузки на электропривод. То есть реакция устройства управления по патенту РФ №100582 на превышение заданного крутящего момента для таких редукторов будет недостоверной. Решение этой проблемы известными средствами является технически сложной, приводит к увеличению количества деталей и габаритов устройства управления, требует подготовки высококвалифицированного персонала для калибровки и ремонта.
Датчик момента в устройстве управления по патенту РФ №100582 калибруется вручную, что предполагает доступ персонала в корпус электропривода в сложных полевых условиях в зоне установки электропривода на трубопроводе.
В описании к патенту РФ на изобретение №2290745 (МПК H02P 6/08, H02P 6/24, опубликован 27.12.2006) представлено устройство управления электроприводом с электродвигателем, снабженным коммутатором с интерфейсным модулем (бесконтактным коммутатором напряжения). Это устройство содержит датчик положения выходного звена электропривода (1), первый блок (2), выполненный на основе микропроцессора («задатчик положения») и запоминающий сигналы положения, которые поступают на его вход от внешней системы управления. Кроме того, блок (2) соединен другим входом с датчиком положения (1) и имеет возможность сравнивать сигнал от датчика положения (1) с поступившим в него сигналом от внешней системы управления для своевременного срабатывания коммутатора (5).
Второй блок (3), выполненный на основе микропроцессора («блок крутящего момента»), имеет возможность вычисления крутящего момента как функции тока статора электродвигателя, частоты вращения его ротора, частоты тока. Для получения данных о токе и его частоте блок (3) соединен входом с датчиком тока (4). Для получения данных о частоте вращения ротора блок (3) соединен входом с датчиком положения (1).
Если крутящий момент в блоке (3) вычисляется по алгоритму, учитывающему электродвижущую силу (э.д.с.) и частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя, то в блоке (3) имеется возможность вычисления крутящего момента как функции, дополнительно зависящей от напряжения питающей асинхронный двигатель электрической сети, так как э.д.с. является функцией напряжения сети, тока статора электродвигателя и параметров схемы замещения электродвигателя. При этом параметры схемы замещения вносятся в блок (3) и используются им для вычисления крутящего момента. Данные о напряжении питающей сети поступают в блок (3) через его первый вход, предназначенный для датчика тока (4) (фиг. 1 в описании к патенту РФ №2290745 на изобретение), или третий вход, предназначенный для данных о частоте тока сети на участке до коммутатора (5) (фиг. 3 в описании к патенту РФ №2290745 на изобретение). Предельный крутящий момент задают в блоке (3) программируемым способом.
Если в электроприводе превышен заданный предельный крутящий момент, то на выходе блока (3) мгновенно формируется сигнал о превышении вычисленного текущего крутящего момента над заданным предельным крутящим моментом с практически одновременным поступлением этого сигнала с выхода блока (3) на коммутатор (5), что приводит к отключению электродвигателя от питающей сети, (следовательно, к отключению электропривода).
Скорость реакции устройства по патенту РФ №2290745 на превышение заданного предельного крутящего момента, выше, чем у устройства по патенту РФ №100582. Для редукторов волнового типа устройство по патенту РФ №2290745 точно определяет крутящий момента в зависимости от нагрузки на электропривод. Устройство по патенту РФ №2290745 не требует ручной калибровки.
Однако в устройстве по патенту РФ №2290745 не разработаны средства для отнесения блока (3), вычисляющего крутящий момент, на расстояние от электропривода, установленного на арматуре трубопровода. В результате, блок (3) подвержен вибрационному, температурному и иному воздействию в зоне использования, что негативно влияет на безотказную работу устройства управления электроприводом.
За наиболее близкий аналог (прототип) принят патент РФ №100582 на полезную модель.
Задачей изобретения является повышение вероятности безотказной работы и быстродействия устройства управления электроприводом при превышении заданного крутящего момента для электроприводов любого типа, в том числе, с волновым редуктором, а также повышения удобства в обслуживании персоналом.
Технический результат по сравнению с прототипом заключается, во-первых, в обеспечении определения крутящего момента при нарушении соединения между первым блоком сетевого интерфейса, располагаемым у электропривода, и вторым блоком сетевого интерфейса, располагаемым на удалении от электропривода в интеллектуальном модуле управления, во-вторых, в повышении скорости реакции блока, выполненного на основе микропроцессора для обработки данных и диагностики и установленного в интеллектуальном модуле управления, на превышение заданного предельного крутящего момента.
Как и наиболее близкий аналог (прототип), устройство управления электроприводом с электродвигателем, соединяемым с источником электрического питания с помощью коммутатора с интерфейсным модулем, содержит датчик положения выходного звена электропривода, первый выполненный на основе микропроцессора блок, соединенный входом с упомянутым датчиком положения и предназначенный для обработки данных, полученных от этого датчика положения, первый блок питания, соединенный с упомянутым первым блоком на основе микропроцессора и выполненный с возможностью подключения к источнику электрического питания, первый блок сетевого интерфейса, соединенный с упомянутым первым блоком на основе микропроцессора, интеллектуальный модуль управления, включающий корпус, второй выполненный на основе микропроцессора блок для обработки данных и диагностики и соединенные с ним второй блок питания, второй блок сетевого интерфейса, третий блок сетевого интерфейса, блок аналогового выхода, блок дискретных входов, блок дискретных выходов, при этом указанный второй блок на основе микропроцессора выполнен с возможностью соединения с интерфейсным модулем упомянутого коммутатора, второй блок питания выполнен с возможностью подключения к источнику электрического питания, второй блок сетевого интерфейса выполнен с возможностью соединения с первым блоком сетевого интерфейса, а третий блок сетевого интерфейса, блок аналогового выхода, блок дискретных входов и блок дискретных выходов выполнены с возможностью соединения с автоматизированной системой управления технологическим процессом,
В отличие от прототипа второй блок на основе микропроцессора выполнен с возможностью приема сигнала о текущем токе статора упомянутого электродвигателя и сигнала о текущем напряжении в каждой фазе электрической цепи, питающей упомянутый электродвигатель, и с возможностью вычисления крутящего момента электропривода с учетом указанных сигналов.
В частном случае выполнения заявляемого устройства интеллектуальный модуль управления содержит участок электрической цепи, выводы которого выполнены с возможностью его последовательного включения в упомянутую электрическую цепь, питающую электродвигатель, при этом в каждой фазе указанного участка электрической цепи установлен датчик тока и датчик напряжения, соединенные для передачи упомянутых сигналов соответственно о текущем токе и текущем напряжении с упомянутым вторым блоком на основе микропроцессора. А упомянутый второй блок питания может быть подключен к указанному участку электрической цепи.
Устройство изображено на фигуре 1 со следующими обозначениями:
1 - электропривод,
2 - электродвигатель,
3 - коммутатор,
4 - интерфейсный модуль коммутатора,
5 - редуктор электропривода,
6 - запорная или регулирующая арматура трубопровода,
7 - датчик положения,
8 - первый блок, выполненный на основе микропроцессора,
9 - первый блок питания,
10 - первый блок сетевого интерфейса,
11 - корпус интеллектуального модуля управления,
12 - второй блок, выполненный на основе микропроцессора,
13 - второй блок питания,
14 - второй блок сетевого интерфейса,
15 - третий блок сетевого интерфейса,
16 - автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП),
17 - блок аналогового выхода,
18 - блок дискретных входов,
19 - блок дискретных выходов,
20 - участок электрической цепи в интеллектуальном модуле управления,
21, 22 - выводы участка электрической цепи в интеллектуальном модуле управления,
23 - датчик тока,
24 -датчик напряжения.
Заявляемое устройство предназначено для управления электроприводом 1, содержащим электродвигатель 2. Соединение электродвигателя 2 с источником электрического питания обеспечивает коммутатор 3 с интерфейсным модулем 4. Коммутатор 3 располагают в силовой цепи, питающей электродвигатель 2. Под интерфейсным модулем 4, которым снабжен коммутатор 3, имеется ввиду периферийный процессор для управления работой коммутатора 3, а также для связи по стандартному интерфейсу ввода-вывода с внешним электронным устройством управления. Для прямого пуска электродвигателя в качестве коммутатора 3 может быть установлен контактор. Для плавного пуска, исключающего ударное приложение нагрузки к редуктору 5, в качестве коммутатора 3 может быть установлено устройство плавного пуска, обеспечивающее постепенного изменение напряжения в цепи, питающей электродвигатель 2. В конкретном исполнении для прямого пуска используют электромагнитный реверсивный контактор серии LC2D фирмы Schneider Electric, Telemecanique, а для плавного пуска - устройство плавного пуска марки Schneider Alistart 48 ATS 48D32Y фирмы Schneider Electric. Коммутатор 3 с интерфейсным модулем 4 функционально не входит в состав заявляемого устройства.
В электроприводе 1 электродвигатель 2 соединен с редуктором 5, выходное звено которого предназначено для кинематической связи с запорной или регулирующий трубопроводной арматурой 6.
Заявляемое устройство управления содержит датчик положения 7 выходного звена электропривода 1 и, следовательно, положения затвора арматуры 6. Датчиком положения 7 может быть любой из общепринятых датчиков положения, устанавливаемых в корпусе электропривода (1). В конкретном исполнении заявляемого устройства датчик положения 7 - это многооборотный, оптический абсолютный датчик положения марки Avago АЕАТ84 фирмы Avago Technologies, регистрирующий количество оборотов вала электродвигателя (2).
Первый блок 8, выполненный на основе микропроцессора, соединен своим входом с датчиком положения 7 и предназначен для обработки данных, полученных от датчика 7. Блок 8 соединен с первым блоком питания 9, выполненным с возможностью подключения к источнику электрического питания, и первым блоком сетевого интерфейса 10. В конкретном исполнении заявляемого устройства блок 8 включает микроконтроллер марки TMS320F28022 фирмы Texas Instruments с микросхемой энергонезависимой памяти AT24C64BN компании Atmel. Вход данного микроконтроллера соединен с буфером входа, выполненным на микросхеме 74НС125М производства фирмы Fairchild Semiconductor. Буфер входа в блоке 8 предназначен для соединения с выходом датчика положения 7, с первым блоком питания 9 (выполнен на базе трансформаторов напряжения Hammond 162Е56 со стабилизацией выходного напряжения 24 В на импульсных стабилизаторах напряжения, например LM5005) и с выходом первого блока сетевого интерфейса 10 (гальванически развязанные преобразователи RS-485 ADM2587 производства Analog Devices). Кроме того, вход указанного микроконтроллера блока 8 может быть соединен с выходами датчика температуры (не показан) и микросхемы часов реального времени и календаря (не показана), служащей для привязки сигнала от датчика положения к реальному времени. Выход указанного микроконтроллера соединен с буфером выхода (выполнен на микросхеме 74НС125М производства фирмы Fairchild Semiconductor), который, во-первых, соединен с входом первого блока сетевого интерфейса 10 и, во-вторых, может быть соединен со средствами обеспечения индикации (не показаны). Указанные выше элементы 7, 8, 9, 10 заявляемого устройства расположены во взрывозащищенном корпусе электропривода 1. Первый блок питания 9 в конкретном исполнении подключают к однофазной питающей цепи (не показано).
Заявляемое устройство содержит интеллектуальный модуль. В корпусе 11 интеллектуального модуля управления расположен второй блок 12, выполненный на основе микропроцессора и предназначенный для обработки поступающих в него данных и диагностики электропривода 1 (то есть оценки технического состояния и режимов работы электропривода 1). Второй блок на основе микропроцессора 12 выполнен с возможностью соединения с интерфейсным модулем 4 коммутатора 3.
Ко второму блоку 12 присоединены 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 питания 13 выполнен с возможностью подключения к источнику электрического питания. В конкретном исполнении блок 13 подключают к питающей трехфазной электрической цепи.
Второй блок сетевого интерфейса 14 может быть соединен информационным кабелем с первым блоком сетевого интерфейса 10 для обеспечения обмена данными между блоками 8 и 12.
Третий блок сетевого интерфейса 15, блок аналогового выхода 17, блок дискретных входов 18, блок дискретных выходов 19 могут быть соединены информационным кабелем с автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) верхнего уровня 16.
Блок аналогового выхода 17 предназначен для обеспечения токового сигнала от второго блока на основе микропроцессора 12 в АСУ ТП 16 о положении выходного звена электропривода 1 и его крутящем моменте.
Блок дискретных входов 18 передает второму блоку на основе микропроцессора 12 сигналы управления от АСУ ТП 16 (например, команды «Открыть», «Закрыть», «Стоп»).
Блок дискретных выходов 19 служит для передачи сигналов, сформированных в результате обработки данных и диагностики, от блока 12 к АСУ ТП 16.
Второй блок на основе микропроцессора 12 выполнен с возможностью приема сигнала о текущем токе статора электродвигателя 2 в каждой фазе электрической цепи, питающей электродвигатель 2, и приема сигнала о текущем напряжении в каждой фазе электрической цепи, питающей электродвигатель 2. Кроме этого, блок 12 выполнен с возможностью вычисления крутящего момента электропривода с учетом полученных им сигнала о текущем токе статора электродвигателя 2 и сигнала о текущем напряжении в каждой фазе электрической цели, питающей электродвигатель 2.
В конкретном исполнении второй блок 12 содержит микроконтроллер марки TMS320F28334 фирмы Texas Instruments, у которого для каждой фазы электрической цепи, питающей электродвигатель 2, имеется соответствующий вход для принятия сигнала о текущем токе статора электродвигателя 2 в фазе и вход для принятия сигнала о текущем напряжении в фазе. Помимо этого, данный микроконтроллер блока 12 соединен с буфером входа и буфером выхода (буферы выполнены на микросхеме 74НС125М производства фирмы Fairchild Semiconductor), которые позволяют осуществить связь блока 12 с другими элементами заявляемого устройства. Так, буфер входа блока 12 соединяют с выходом интерфейсного модуля 4 коммутатора 3 (контактора, устройства плавного пуска). Кроме того, буфер входа соединен с выходом второго блока питания 13 (который выполнен на базе трансформаторов напряжения Hammond 162Е56 со стабилизацией выходного напряжения 24 В на импульсных стабилизаторах напряжения, например LM5005), второго блока сетевого интерфейса 14, третьего блока сетевого интерфейса 15, блока дискретных входов 18. В конкретном исполнении второй и третий блоки сетевых интерфейсов 14 и 15 выполнены как гальванически развязанные преобразователи RS-485 ADM2587 производства Analog Devices, а блок дискретных входов - это гальванические развязанные аналоговые преобразователи напряжения ADUM3190 производства Analog Devices. Буфер выхода в блоке 12 соединяют с входом интерфейсного модуля 4 коммутатора 3. Кроме того, буфер выхода в блоке 12 соединен с входом второго блока сетевого интерфейса 14, третьего блока сетевого интерфейса 15, блока дискретных выходов 19, блока аналогового выхода 17. В конкретном исполнении блок дискретных выходов 19 - это реле марки Omron G6DS, а блок аналогового выхода 17 - преобразователь МСР4726 производителя Microchip.
С микроконтроллером блока 12 соединена микросхема памяти, выполненная как сегнетоэлектрическая энергонезависимая память объемом 1 Мб FM25V10 компании Ramtron. В микросхеме памяти блока 12 хранится информация, заданная программируемым способом, о конечных положениях затвора арматуры 6, предельном крутящем моменте электропривода 1, как и остальные настройки (временные и токовые характеристики, настройки коэффициентов конкретных редукторов 5 по моменту, настройки передаточных коэффициентов конкретных редукторов 5 по положению и др.).
С микроконтроллером блока 12 могут быть соединены датчик температуры и микросхема часов реального времени и календаря. В конкретном исполнении датчик температуры может быть выполнен на микросхеме измерения температуры ADT75ARZ производства Analog Devices. В качестве микросхем часов реального времени и календаря можно использовать микросхему DS3231SN# производства MAXIM INTEGRATED PRODUCTS.
Как было сказано выше, блок 12 выполнен с возможностью вычисления крутящего момента электропривода 1 с учетом полученных им сигнала о текущем токе статора электродвигателя 2 в каждой фазе электрической цепи, питающей электродвигатель 2, и сигнала о текущем напряжении в каждой фазе электрической цели, питающей электродвигатель 2. Вычисление может быть задано в блоке 12 программируемым способом по экспериментально полученным зависимостям, устанавливающим связь крутящего момента с током статора электродвигателя 2 и напряжением электрической цепи, питающей электродвигатель 2.
В конкретном исполнении устройства, предназначенном для управления трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, в основу алгоритма расчета крутящего момента на валу электродвигателя 2 положена экспериментально полученная табличная зависимость с интерполяцией промежуточных значении.
Определение крутящего момента электропривода осуществляется как
1) зависимость М=f(U, ϕ), где М - крутящий момент электропривода, U - напряжение электрической цепи, питающей электродвигатель 2, ϕ (угол нагрузки) - угол между векторами тока статора электродвигателя 2 и напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2, (угол ϕ характеризует наличие в нагрузке реактивной составляющей)
или как
2) зависимость М=f(U, I), где М - крутящий момент электропривода, U -напряжение электрической цепи, питающей электродвигатель 2, I - тока статора электродвигателя 2.
При малых крутящих моментах электропривода используется зависимость М=f(U, ϕ). Малыми крутящими моментами можно считать такие, при изменении которых дельта изменения тока статора электродвигателя 2 меньше дельты изменения угла между векторами тока статора электродвигателя 2 и напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2.
Если при изменении момента дельта изменения тока статора электродвигателя больше дельты изменения угла между векторами тока статора электродвигателя 2 и напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2, то для расчета момента используется зависимость М=f(U, I).
На основании зависимостей М=f(U, ϕ), М=f(U, I) формируются поверхности, представленные на фигурах 2 и 3, по которым осуществляется индикация крутящего момента электропривода.
Результирующая трехмерная поверхность для определения крутящего момента электропривода получается при комбинации двух указанных выше функциональных зависимостей, где ось тока статора электродвигателя 2 совмещена с осью угла ϕ. За узловые точки приняты результаты экспериментальных данных, а промежуточные участки получены с использованием алгоритма линейной интерполяции.
В итоге, для электродвигателя 2 (или для каждой модели электродвигателя 2, если их несколько) снимается многомерная таблица, характеризующая крутящий момент электропривода 1 как функцию тока статора электродвигателя 2, напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2, и угла ϕ (угла нагрузки) между векторами тока статора электродвигателя 2 и напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2: М=f(U, I, ϕ), где для трехфазной электрической цепи
1
2
3
U=(U+U+U)/3 усредненное значение напряжения электрической цепи,
1
2
3
где U, U, U - напряжение в первой, второй и третьей фазах электрической цепи, питающей электродвигатель 2 соответственно, при этом
1n
2
3
, где U - мгновенное напряжение при n-ом квантовании, n - число квантований на одном периоде синусоиды, соответствующей частоте 50 Гц (выражение верно для напряжения электрической цепи во второй фазе U и в третьей фазе U),
1
2
3
I=(I+I+I)/3 - усредненное значение тока статора электродвигателя 2,
1
2
3
где I, I, I - токи статора электродвигателя 2 в первой, второй и третьей фазах соответственно,
2
3
- мгновенное значение тока n-ом квантовании тока статора электродвигателя, n - число квантований на одном периоде синусоиды, соответствующей частоте 50 Гц (выражение верно для токов статора электродвигателя 2 во второй фазе I и в третьей фазе I),
1
2
3
ϕ=(ϕ|+ϕ+ϕ)/3 - усредненное по фазам электрической цепи, питающей электродвигатель 2, значение угла ϕ между векторами тока статора и напряжения в электрической цепи, питающей электродвигатель 2, где
1
2
3
ϕ, ϕ, ϕ - угол сдвига фаз между током статора электродвигателя И' напряжением в первой, второй и третьей фазе электрической цепи, питающей электродвигатель 2 соответственно.
фактический
расчетный
При таком вычислении нет необходимости просчитывать процедуру с высокой частотой дискретизации, а период расчета обычно составляет 0,1-0,5 секунд. Точность определения крутящего момента электропривода составляет М=М±10% в диапазоне изменений фазных напряжений 120-270 В.
Таким образом, блок 12 выполнен с возможностью вычисления крутящего момента электропривода на основании энергетических характеристик электродвигателя 2 и параметров электрической цепи, питающей электродвигатель 2.
Как известно, крутящий момент электродвигателя прямо пропорционален квадрату напряжения в электрической цепи, питающей этот электродвигатель. Поскольку интеллектуальный модуль управления с блоком 12 может быть отнесен на значительное расстояние (до 1200 м) от электропривода 1, то влияние падения напряжения электрической цепи на крутящий момент существенно. Следовательно, признак полезной модели, касающийся выполнения блока 12 с возможностью приема сигнала о напряжении электрической цепи и вычисления крутящего момента электропривода с учетом этого сигнала, является существенным.
В заявляемом устройстве интеллектуальный модуль управления может содержать участок 20 электрической цепи, питающей электродвигатель 2. Выводы 21 и 22 участка 20 выполнены с возможностью последовательного включения участка 20 в электрическую цепь, питающую электродвигатель 2. При этом в каждой фазе участка 20 установлен датчик тока 23 и датчик напряжения 24, соединенные с блоком 12 для передачи ему сигналов о текущем токе и о текущем напряжении соответственно.
В исполнении устройства управления, предназначенном для электропривода с трехфазным асинхронным двигателем, участком 20 является четырехжильный силовой кабель. К каждому из трех фазных проводов и нулевому проводу этого кабеля 20 по схеме «фаза-ноль» подключен датчик напряжения 24. А также к каждому из трех фазных проводов этого кабеля 20 подключен датчик тока 23. Выходы датчиков тока 23 и датчиков напряжения 24 связаны с входами микроконтроллера блока 12. Вывод 21 силового кабеля 20 присоединяют к электрической цепи, питающей электродвигатель 2, со стороны источника питания, а вывод 22 присоединяют к электрической цепи со стороны коммутатора 3. Датчики тока 23 могут быть выполнены на базе датчиков тока LEM LA50-P фирмы LEM. Датчики напряжения 24 могут быть выполнены на базе микросхемы HCPL-7510 фирмы Avago Technologies. За счет того, что в каждой фазе участка 20 может быть установлен датчик напряжения 24, возможен контроль состояния электрической цепи на ее входе в интеллектуальный модуль (напряжения фаз и частоты). Датчик напряжения 24 позволит определить, не отсоединена ли фаза, на которой он установлен, от источника питания и не является ли это причиной того, что электродвигатель 2 не может создать крутящий момент. Второй блок питания 13 может быть также присоединен к участку 20 электрической цепи, питающей электродвигатель 2.
В конкретном исполнении заявляемое устройство работает следующим образом. От АСУ ТП 16 по информационному кабелю (позицией не показан) через блок дискретный входов 18 в блок 12 подают сигнал управления о включении электродвигателя 2 (например, команда «Открыть» или «Закрыть» арматуру трубопровода). От блока 12 по информационному кабелю (позицией не показан) сигнал поступает в интерфейсный модуль 4 коммутатора 3. Коммутатор 3 замыкает электрическую цепь и приводит в действие электродвигатель 2, электропривод 1 и арматуру 6.
Датчик положения 7 отслеживает перемещение выходного звена электропривода 1. Сигналы с датчика положения 7 поступают в блок 8, затем в первый блок сетевого интерфейса 10 и далее по информационному кабелю (позицией не показан) во второй блок сетевого интерфейса 14 и в блок 12.
Сигналы с установленного в каждой фазе электрической цепи, питающей электродвигатель 2, датчика тока 23, а также с датчика напряжения 24 поступают в блок 12 для вычисления крутящего момента электропривода 1.
Блок 12 выдает сигналы на блок дискретных выходов 19, блок аналогового выхода 17, третий блок сетевого интерфейса 15 для передачи технологической информации в АСУ ТП 16 (например, в АСУ ТП, находящуюся в диспетчерском пункте управления участком трубопровода).
В блоке 12 сравниваются заданные в нем программируемым способом значения конечных положений затвора арматуры 6 и предельного крутящего момента электропривода 1 с текущим положением и текущим крутящим моментом. При достижении выходным звеном электропривода 1 (затвором арматуры 6) конечного положения или при превышении предельного крутящего момента в электроприводе 1, блок 12 по информационному кабелю дает сигнал в интерфейсный модуль 4 коммутатора 3 на отключение электродвигателя 2 от питающей электрической цепи.
В заявляемом устройстве сигнал о крутящем моменте не передается за счет соединения с помощью линии связи (например, RS-485) от блока сетевого интерфейса 10 к блоку сетевого интерфейса 14. Поэтому в случае нарушения этого соединения между блоками 10 и 14 заявляемое устройство, в отличие от прототипа, отключит электродвигатель 2 при превышении заданного предельного крутящего момента. Следовательно, в заявляемом устройстве повышается вероятность безотказной работы.
Как было сказано выше, период расчета крутящего момента в блоке 12 составляет 0,1-0,5 секунд, что свидетельствует о том, что реакция блока 12 практически одновременна с превышением заданного предельного крутящего момента, следовательно, в заявляемом устройстве повышается быстродействие.
Кроме того, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство точно определяет крутящий момент редукторов волнового типа в зависимости от нагрузки без усложнения устройства, увеличения количества деталей и габаритов, что расширяет сферу его использования.
Заявляемое устройство не требует ручной калибровки, предполагающей доступ в корпус электропривода, что повышает удобство в обслуживании.
Для визуализации информации о текущем положении затвора арматуры 6 и неисправностях или информации предупреждающего характера предусмотрен блок индикации (не показан), расположенный у электропривода 1, соединенный входом с блоком 8 и получающий информацию от блока 12 через блоки сетевого интерфейса 14, 10 и блок 8. С помощью датчика положения 7 осуществляют контроль наличия движения запорной арматуры после поступления команды «Открыть» или «Закрыть». Отсутствие движения затвора арматуры при наличии тока в электродвигателе 2 свидетельствует о неисправности арматуры 6 или двигателя 2, что приводит к выдаче сигнала «Авария». При команде на перемещение арматуры и информации от датчика положения 7 о начале движения, отклонение внешних факторов (напряжения питания, тока в фазе электродвигателя) не приводит к останову электродвигателя 2 вплоть до достижения конечных положений затвора арматуры 6. Отклонение внешних факторов, потенциально мешающих выполнять перемещение, выводится блоком 12 в виде сигнала и индикации «Предупреждение». Данный сигнал через третий блок сетевого интерфейса 15 и блок дискретных выходов 19 поступает в АСУ ТП 16 (в диспетчерский пункт управления участком нефтепровода), а через второй и первый блоки сетевого интерфейса 14, 10 и блок 8 поступает в блок индикации (не показан).
В заявляемом устройстве можно задать настройки интеллектуального модуля (положение затвора арматуры, предельный крутящий момент) с помощью переносного пульта (не показан) через приемо-передатчик Bluetooth и блок пультового интерфейса (не показаны), соединенный с блоком 12.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство управления электроприводом 1 с электродвигателем 2, соединение которого с источником электрического питания обеспечивает коммутатор 3 с интерфейсным модулем 4, позволяет определить крутящий момент при нарушении соединения между первым блоком сетевого интерфейса, располагаемым у электропривода, и вторым блоком сетевого интерфейса, располагаемым на удалении от электропривода в интеллектуальном модуле управления, и повысить скорость реакции блока, выполненного на основе микропроцессора для обработки данных и диагностики и установленного в интеллектуальном модуле управления, на превышение заданного предельного крутящего момента. Данный технический результат приводит к повышению вероятности безотказной работы и быстродействия заявляемого устройства при превышении заданного крутящего момента, а также к повышению удобства в его обслуживании.