ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ПРИВОД ДЛЯ КРАТКОВРЕМЕННЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ С СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И ВСТРОЕННЫМ УСТРОЙСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и общему машиностроению, в частности к интегрированным электроприводам, предназначенным для кратковременных режимов работы.
Известен автоматизированный электропривод для запорной арматуры, содержащий электродвигатель, силовой коммутатор, запорный элемент, шпиндель, редуктор, блок индикации, таймер, блок диагностирования положений запорного элемента, выполненный в виде импульсного магнитно-индуктивного датчика, устройство управления, отличающийся тем, что снабжен преобразователем импульсного сигнала, вход которого подключен к выходу блока диагностирования положения запорного элемента, а выход подключен к первому входу устройства управления, также снабжен блоком санкционированного включения электропривода, вход которого подключен к первому выходу устройства управления, а первый и второй выходы подключены соответственно к выходу таймера и к выходу силового коммутатора, а также снабжен счетчиком включений электропривода, первый и второй входы которого подключены соответственно к третьему выходу силового коммутатора и к третьему выходу устройства управления, а выход подключен к третьему входу устройства управления (патент Российской Федерации на изобретение №2301935, 2007 г., кл. МПК F16К 31/04, F16К 37/00).
Недостатком вышеназванного автоматизированного электропривода является наличие внешнего датчика положения, который усложняет и делает менее надежной конструкцию. Также отсутствует возможность регулировки момента на валу электрической машины, что не позволяет обеспечить плавное закрытие запорного органа арматуры, что вызывает ускоренный износ уплотнительных поверхностей затвора и, как следствие - потерю его герметичности после каждого цикла в процессе эксплуатации.
Наиболее близким аналогом является интеллектуальный мехатронный модуль управления электроприводом запорной арматуры, содержащий систему управления, выполненную с возможностью подключения к электронной вычислительной машине посредством цифровых каналов связи и содержащую микропроцессорное устройство управления, входы которого подключены к выходам двух датчиков напряжения, а выходы через полупроводниковый коммутатор подключены к электродвигателю, при этом полупроводниковый коммутатор выполнен с возможностью подключения в электрическую сеть, отличающийся тем, что модуль дополнительно содержит как минимум три датчика положения ротора, установленные в зазоре электродвигателя, датчик температуры, установленный в обмотке электродвигателя, три датчика тока, которые подключены к выходам полупроводникового коммутатора, а их выходы соединены с входами микропроцессорного устройства управления (патент Российской Федерации на полезную модель №81399, 2009 г., кл. МПК F16К 31/02, F16К 31/56).
Указанный интеллектуальный мехатронный модуль управления электроприводом запорной арматуры предусматривает регулирование момента на валу электрической машины, также отсутствует необходимость во внешнем датчике положения штока, что является его преимуществом по сравнению с конструкцией вышеназванного автоматизированного электропривода.
Однако в обеих конструкциях не предусмотрена возможность работы от маломощной сети в повторно-кратковременном режиме и отсутствует возможность кратковременного срабатывания при аварийном отключении электропитания.
Задачей полезной модели является обеспечение повторно-кратковременного режима работы привода от маломощной электросети, в том числе при отключении электропитания и, как следствие - плавное безударное открытие-закрытие запорного органа трубопроводной арматуры.
Данная задача решается в интегрированном приводе для кратковременных режимов работы с синхронной электрической машиной с постоянными магнитами и встроенным устройством управления, характеризующимся тем, что привод содержит находящиеся в функционально-конструкционном единстве щиты, закрепленный между ними статор с тороидальным магнитопроводом и кольцевыми обмотками, ротор, выполненный из двух соосных немагнитных дисков, в каждом из которых выполнено четное количество окон, в которые уложены постоянные магниты чередующейся полярности и осевой намагниченностью, прикрепленные к магнитному диску, диски ротора расположены по обе стороны от статора и жестко связаны между собой и с валом, сигнальный диск, который закреплен на наружной поверхности одного из дисков ротора и содержит расположенные по окружности постоянные магниты чередующейся полярности с осевой намагниченностью, число которых равно или кратно числу постоянных магнитов, расположенных на диске ротора, линейные датчики Холла, число которых равно числу кольцевых обмоток статора, которые установлены на плате, расположенной в окне торцевой стенки щита напротив магнитов сигнального диска, и подключены к входам платы устройства управления, закрепленной на защитном стальном основании, установленном на наружной поверхности щита привода, которая содержит блок стабилизации и защиты от перенапряжения, подключенный к конденсаторной батарее, соединенной с инвертором, работа которых обеспечивается контроллером, а входы устройства управления соединены с выводами обмоток статора. В обмотку статора встроен датчик температуры, обработка показаний которого позволяет устройству управления обеспечить аварийное отключение при перегреве привода. Свободный конец вала привода усилен и приспособлен для подключения ручного дублера привода, проходящего через кожух и свободные центральные отверстия электронных плат устройства управления. Устройство управления имеет интерфейс связи с устройством верхнего уровня. Устройство управления имеет линии дискретного управления.
Полезная модель поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, где:
- на фиг. 1 схематично показан интегрированный привод для кратковременных режимов работы с синхронной электрической машиной с постоянными магнитами и встроенным устройством управления (без конденсаторной батареи) согласно полезной модели, вид в продольном разрезе;
- на фиг. 2 - интегрированный привод в поперечном разрезе;
- на фиг. 3 - обобщенная схема интегрированного привода;
- на фиг. 4 - изображена функциональная схема блока стабилизации и защиты от перенапряжений.
На фигурах приняты следующие обозначения основных элементов: 1 - щит; 2 - второй щит; 3 - подшипники; 4 - вал; 4' - свободный конец вала; 5 - статор; 5' - обмотки статора; 6 - тороидальный магнитопровод; 7 - выводы кольцевых трехфазных обмоток; 8 - плата устройства управления; 9 - основание; 10 - диски ротора; 11 - постоянные магниты; 12 - магнитный диск; 13 - сигнальный диск датчика углового положения ротора; 14 - сигнальные магниты датчика углового положения ротора; 15 - чувствительные элементы датчика углового положения ротора (линейные датчики Холла); 16 - плата датчика углового положения ротора; 17 - соединительные провода; 18 - вторая плата устройства управления; 19 - устройство управления; 20 - блок стабилизации и защиты от перенапряжения; 21 - конденсаторная батарея; 22 - инвертор; 23 - синхронная электрическая машина; 24 - датчики тока в фазах инвертора; 25 - контроллер; 26 - фидер постоянного тока; 27 - датчик входного напряжения; 28 - блок защиты от перенапряжения; 29 - датчик тока; 30 - блок стабилизации напряжения; 31 - датчик выходного напряжения; 32 - силовой кабель; 33 - кабель управления; 34 - кожух; ДТ - датчики температуры в обмотках двигателя синхронной электрической машины; ДПР - датчик углового положения ротора.
Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, интегрированный привод содержит синхронную электрическую машину со щитами 1 и 2, в которых на подшипниках 3 установлен вал 4. Со щитами 1 и 2 жестко связан статор 5 в виде тороидального магнитопровода 6 с кольцевыми трехфазными обмотками 5', выводы 7 которых соединены с платой 8 устройства управления, закрепленной на основании 9, установленном на наружной поверхности щита 2. На валу 4 закреплен ротор в виде двух соосных немагнитных дисков 10, которые расположены по обе стороны от статора 5. В каждом из дисков 10 ротора выполнены окна, в которые уложены постоянные магниты 11, прикрепленные к магнитному диску 12. На каждом диске 10 ротора может располагаться любое четное количество постоянных магнитов 11 с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью. К диску 10 ротора, более удаленному от выходного (рабочего) конца вала 4, прикреплен сигнальный диск 13 датчика углового положения ротора (ДПР) с сигнальными магнитами 14 чередующейся полярности в количестве, равном числу полюсов постоянных магнитов 11, расположенных на диске 10 ротора. Диаметр расположения сигнальных магнитов 14 выбирается минимально возможным для данной синхронной электрической машины. Предпочтителен внешний размер сигнального диска 13 меньше размера окружности, касающейся внутренних поверхностей постоянных магнитов 11, расположенных на дисках 10 ротора. Чувствительные элементы 15 датчика углового положения ротора (ДПР) представляют собой линейные датчики Холла и расположены на плате 16, закрепленной в окне торцевой стенки щита 2 напротив сигнальных магнитов 14. Минимальная величина угла окна в щите 2 для установки платы 16 составляет:
р - число пар полюсов постоянных магнитов 11, расположенных на дисках 10 ротора.
После общей сборки синхронной электрической машины 23 (фиг. 3) настройка датчика углового положения ротора (ДПР) может осуществляться смещением платы 16 в окне щита 2 (фиг. 1).
Свободный конец вала 4' усилен, приспособлен для подключения ручного дублера привода и проходит через свободное центральное отверстие устройства управления 19.
Число чувствительных элементов 15 соответствует числу фаз обмоток статора 5'. Чувствительные элементы 15 расположены на плате 16 таким образом, чтобы угол между их осями для трехфазной синхронной электрической машины составлял:
р' - число пар полюсов электрической машины (число пар полюсов постоянных магнитов 11, установленных на дисках 10 ротора).
Чувствительные элементы 15 соединительными проводами 17 подключены к входам устройства управления 19, которое выполнено на платах 8 и 18, закрепленных на защитном стальном основании 9, установленном на наружной поверхности щита 2. Плата 16 с чувствительными элементами 15 фиксируется после настройки ее положения в окне щита 2.
На фиг. 3 показан блок стабилизации напряжения и защиты от перенапряжения 20, соединенный с конденсаторной батареей 21, подключенной к инвертору 22, который соединен с синхронной электрической машиной 23. В фазах инвертора 22 установлены датчики тока 24. Контроллер 25 подключен к блоку стабилизации и защиты 20, инвертору 22, датчикам тока 24 и синхронной электрической машине 23.
На фиг. 4 показан блок стабилизации и защиты от перенапряжения, состоящий из фидера постоянного тока 26, подключенного к датчику входного напряжения 27, который соединен с блоком защиты от перенапряжения 28, получающего данные от датчика тока 29. По выходу датчика тока 29 подключен блок стабилизации напряжения 30, соединенный с датчиком выходного напряжения 31.
Устройство управления работает следующим образом.
Питание интегрированного привода осуществляется через фидер 26 от сети постоянного тока. Наличие и контроль величины входного напряжения производится с помощью датчика входного напряжения 27 и при снижении величины ниже порога, установленного аппаратными средствами, датчик генерирует дискретный сигнал, поступающий в контроллер 25.
Обеспечение кратковременного режима работы при питании от сети с ограниченной мощностью или при потере питания достигается применением конденсаторной батареи 21, служащей буферным звеном, в которой накапливается энергия от сети питания.
Применение блока стабилизатора 30 совместно с блоком защиты от перенапряжения 28 позволяет поддерживать рабочее значение напряжения на конденсаторной батарее 21, чем обеспечивается необходимая величина накопленной энергии (W):
Uc - напряжение на конденсаторной батарее 21;
С - электрическая емкость конденсаторной батареи 21.
Величина емкости С конденсаторной батареи 21 и напряжение Uc определяются из расчета необходимой производимой работы привода и характеристик синхронной электрической машины.
вх
Блок защиты от перенапряжения 28 ограничивает ток заряда (I) конденсаторной батареи на заданном уровне по показаниям датчика тока 29 и при достижении установленного напряжения Uc на конденсаторной батарее 21 прекращает заряд. Это обеспечивает работу интегрированного привода при величине напряжения входной цепи выше величины номинального напряжения на конденсаторной батарее 21. Применение активной защиты от перенапряжения позволяет передать всю энергию в исполнительное устройство без излишних омических потерь, возникающих при применении варистора или иных методов защиты.
При величине напряжения входного фидера ниже Uc включается блок стабилизации напряжения 30, собранный по схеме повышающего широтно-импульсного преобразователя. Он обеспечивает заряд конденсаторной батареи 21 до номинального значения. Выходное напряжение блока стабилизации напряжения 30 контролируется датчиком выходного напряжения 31, подключенным к контроллеру 25.
Инвертор 22 по звену постоянного тока подсоединен к конденсаторной батарее 21 и обеспечивает работу синхронной электрической машины 23, используя накопленную энергию.
Контроллер является центральным элементом устройства управления и обеспечивает взаимодействие составных узлов устройства управления и частей привода. Программное обеспечение, установленное в контроллере, обеспечивает реализацию алгоритмов совместной работы частей привода.
В контроллере 25 реализована трехконтурная система регулирования с контурами тока, скорости и положения. В контуре тока применены алгоритмы векторного управления. Для этого используется информация о положении ротора электрической машины относительно статора 5, получаемая с линейных датчиков Холла 15 (фиг. 1), и информация о мгновенных значениях фазных токов, поступающая с датчиков токов 24. Контуры скорости и положения организованы по классической схеме. Инвертор 22 формирует синусоидальные токи заданной амплитуды в обмотках синхронной электрической машины 23, что позволяет задавать электромагнитный момент в широком диапазоне частот вращения, начиная от нулевой.
Управление моментом для широкого диапазона частот вращения позволяет реализовать в полезной модели следующие режимы кратковременной работы:
1) формирование заданной частоты вращения при заданном ускорении;
2) формирование заданного момента для фиксации исполнительного механизма в крайнем положении;
3) формирование перемещения с заданными параметрами.
Наличие конденсаторной батареи 21 и специальное программное обеспечение контроллера 25 позволяют осуществить за счет накопленной энергии перевод исполнительного механизма в предварительно заданное положение при поступлении с датчика входного напряжения 27 дискретного сигнала, свидетельствующего о снижении напряжения питания ниже установленного значения или при потере связи с устройством верхнего уровня.
Для приема дискретных сигналов от системы верхнего уровня в контроллере 25 предусмотрены каналы связи и реализован последовательный интерфейс с контролем короткого замыкания и обрыва. Для обеспечения надежности работы привода к контроллеру 25 подключаются датчики температуры (ДТ) в обмотках синхронной электрической машины 23, показания которых обрабатываются, и при достижении порогового значения формируется сообщение устройству верхнего уровня.
Элементы устройства управления, представленные на фиг. 3 и 4, расположены на платах 8 и 18, закрепленных на защитном основании 9 (фиг. 1). Питание устройства управления осуществляется силовым кабелем 32, соединение с устройством верхнего уровня обеспечивается кабелем управления 33. Устройство управления, закрепленное на щите 2, может быть закрыто кожухом 34.
Конструктивное исполнение платы 8 и основания 9 позволяет применять ручной дублер, подсоединяемый к свободному концу вала 4'.
Конструкция данного интегрированного привода, содержащего находящиеся в функционально-конструкционном единстве (системе) синхронную электрическую машину с постоянными магнитами, датчик углового положения ротора электрической машины, устройство управления с блоком стабилизации и защиты от перенапряжения, подключенные к конденсаторной батарее и соединенные с инвертором, работа которых обеспечивается контроллером, обеспечивает повторно-кратковременный режим работы привода от маломощной электросети, в том числе при отключении электропитания, и, как следствие - плавное безударное открытие-закрытие запорного органа трубопроводной арматуры.