Электропривод трубопроводной арматуры

Полезная модель относится к приводам управления трубопроводной арматурой и может быть использована в трубопроводном транспорте для управления запорной, запорно-регулирующей трубопроводной арматурой нефтепроводов, газопроводов, водопроводов, химических и других производств.
Из патента РФ 103883 (опубл. 27.04.2011) известен электропривод для запорной арматуры с крутящим моментом 100 Нм и более, выбранный за ближайший аналог. Электропривод содержит асинхронный электродвигатель, кинематически соединенный с редуктором, блок электронного управления, выход которого соединен со статорной обмоткой электродвигателя, и датчик положения, выход которого соединен со входом блока электронного управления.
Недостатком электропривода по указанному патенту является применение асинхронного электродвигателя. Исходя из принципа действия асинхронного электродвигателя, для него характерны: активные потери в обмотке ротора, скольжение, относительно низкий коэффициент мощности (cos ϕ). Потери в роторе приводят к снижению к.п.д. асинхронного двигателя. Скольжение, возрастающее при увеличении нагрузки, приводит к падению частоты вращения двигателя. Относительно низкий коэффициент мощности ухудшает энергетические показатели, что снижает к.п.д. В результате, применение асинхронного электродвигателя приводит к увеличению массогабаритных показателей.
Электродвигатель и блок электронного управления в ближайшем аналоге размещены в отдельных корпусах. При этом корпус электродвигателя снабжен подшипниковыми щитами, с внешней стороны одного из которых размещен установленный на валу ротора датчик положения. Для защиты датчика положения от воздействия внешней среды и в целях взрывозащиты электропривода, корпус электродвигателя снабжен дополнительной крышкой (см. фиг. 2). Таким образом, изготовление электропривода сопряжено с изготовлением дополнительных массивных корпусных деталей. Кроме того, статорная обмотка электродвигателя выполнена с большим вылетом лобовых частей (см. фиг. 2).
Предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить материалоемкость и габариты электропривода при одновременном улучшении его технических характеристик.
Техническим результатом является уменьшение массогабаритных показателей электродвигателя при одновременном повышении его к.п.д. и увеличении крутящего момента. При этом применен редуктор с лучшими массогабаритными показателями и исключением проворачивания выходного звена при воздействии на него внешней нагрузки.
Технический результат достигают за счет того, что заявляемый электропривод трубопроводной арматуры, как и ближайший аналог, содержит электродвигатель, кинематически соединенный с редуктором, блок электронного управления, выход которого соединен со статорной обмоткой электродвигателя, и датчик положения, своим выходом соединенный со входом блока электронного управления.
В отличие от ближайшего аналога, в качестве электродвигателя применен синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ).
Кроме того, СДПМ выполнен встраиваемого исполнения и размещен в единой оболочке с блоком электронного управления и датчиком положения.
Кроме того, в качестве редуктора может быть применен червячный редуктор.
Кроме того, статорная обмотка может быть выполнена в виде размещенных на зубцах статора катушек с обмоткой.
Сущность полезной модели иллюстрирует упрощенная схема электропривода трубопроводной арматуры.
Электропривод включает размещенные в единой оболочке 1 блок электронного управления 2, синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) 3 встраиваемого исполнения и датчик положения 4 вала СДПМ, установленный на валу ротора 5 СДПМ. СДПМ 3 представляет собой электродвигатель, в конструкцию ротора 5 которого включены постоянные магниты 6. В качестве датчика положения 4 использован магнитоэлектрический датчик на основе магниторезисторной схемы. Кинематическая связь СДПМ 3 с редуктором 7 осуществлена, например, при помощи конической зубчатой передачи, т.е. за счет того, что на входном валу редуктора 7 размещена угловая шестерня, взаимодействующая с валом-шестерней на валу СДПМ 3 (на фигуре не показаны).
В качестве редуктора 7 может быть применен червячный редуктор, как более простой в изготовлении редуктор с лучшими массогабаритными характеристиками. Т.е. для обеспечения одного и того же передаточного отношения массогабаритные характеристики червячного редуктора лучше, например, по сравнению с редуктором на основе зубчатой передачи.
Входной вал редуктора 7 выполнен в виде червячного вала 8, взаимодействующего с червячным колесом 9. При этом червячное колесо 9 установлено на валу 10, который является выходным звеном редуктора 7. Выходное звено редуктора 7 снабжено указателем его положения (на фигуре не показан).
Обмотка статора 11 может быть выполнена в виде размещенных на зубцах статора 11 катушек с обмоткой (на фигуре не показаны), что минимизирует вылет лобовых частей обмотки статора 11 и способствует компактности СДПМ 3.
Работа электропривода осуществляется следующим образом.
Команда поворота выходного вала 10 редуктора на заданный угол поступает в блок электронного управления 2. Блок электронного управления 2 формирует и подает напряжение на статарную обмотку 11 СДПМ 3, и управляет СДПМ по сигналам, полученным от датчика положения 4. При этом за счет того, что магнитное поле возбуждается постоянными магнитами 6 ротора СДПМ, в последнем отсутствуют электрические потери в роторе, и его cos ϕ ≈1, что приводит к повышению индукции в воздушном зазоре СДПМ. В результате увеличивается номинальный момент вращения СДПМ при относительно небольших (например, по сравнению с асинхронными двигателями) габаритах. Кроме того, СДПМ, управляемый по сигналам с датчика положения 4 ротора, является вентильным электродвигателем, т.е. имеет более простой алгоритм управления. При этом установка датчика положения 4 на валу ротора 5 СДПМ позволяет повысить точность позиционирования выходного вала 10 редуктора даже при использовании датчика с невысоким разрешением.
СДПМ 3 посредством кинематической связи приводит во вращение редуктор 7, передающий вращение трубопроводной арматуре. При достижении выходным звеном редуктора 7 заданного конечного или промежуточного положения, датчик положения 4 отправляет в блок электронного управления 2 сигнал подтверждения данного действия, и блок 2 отключает СДПМ 3. Кроме того, по сигналам датчика положения 4 ведут контроль текущего положения выходного звена редуктора 7 и величины крутящего момента СДПМ с отключением СДПМ при превышении заданного момента.
Благодаря отсутствию электрических потерь в роторе СДПМ и относительно высокому коэффициенту мощности, можно увеличивать ток в статоре, что приводит к увеличению крутящего момента. В результате, уменьшаются массогабаритные показатели электродвигателя при одновременном повышении его к.п.д. и увеличении крутящего момента. В результате СДПМ имеют лучшие массогабаритные показатели по сравнению с другими типами электрических машин. Таким образом, применение СДПМ не только уменьшает габариты электродвигателя, но и повышает его к.п.д., увеличивает крутящий момент, что в целом позволяет обеспечить лучшие технические характеристики электропривода. Кроме того, благодаря отсутствию скольжения частота вращения СДПМ при изменении нагрузки постоянна.
Применение червячного редуктора 7 обеспечивает лучшие массогабаритные показатели по сравнению, например, с зубчатым редуктором, при их одинаковом передаточном отношении.
Кроме того, для червячной передачи характерно самоторможение, которое предотвращает ее обратный ход после остановки привода, что необходимо для исключения проворачивания выходного звена при воздействии на него внешней нагрузки. Указанное проворачивание может привести к аварийной ситуации, возникшей в результате самопроизвольного изменения положения арматуры. Т.е. применение червячной передачи исключает установку на выходном звене редуктора дополнительного механизма против обратного хода, что способствует упрощению конструкции.
Размещение в единой оболочке 1 блока электронного управления 2, СДПМ 3 и датчика положения 4 позволяет упростить конструкцию электропривода и снизить его материалоемкость.