Электропривод трубопроводной арматуры с функцией перевода трубопроводной арматуры в безопасное положение

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электроприводу трубопроводной арматуры, оснащенному средством защиты от аварии при отказе питающего напряжения или его падении ниже допустимой величины. Полезная модель может быть использована на трубопроводах при транспорте нефти, газа и других продуктов, в химической и нефтехимической отраслях.
Электроприводы широко используют для управления трубопроводной арматурой. Для обеспечения надежной работы электроприводы снабжают накопителями энергии, предназначенными для работы в отказоустойчивом режиме, т.е. для перемещения трубопроводной арматуры в безопасное положение в случае отказа основного питания или падения напряжения ниже допустимой величины.
Из патента РФ 2461039 (опубл. 10.09.2012) известен электропривод клапана. Привод снабжен энергонакопителем, включающим в себя по меньшей мере один высокоемкий конденсатор, который в случае отказа основного питания обеспечивает перемещение клапана в безопасное положение. Привод содержит понижающий преобразователь энергии, который при исправной сети понижает напряжение для заряда энергонакопителя, и повышающий преобразователь энергии, который при неисправной сети повышает напряжение для подачи питания с энергонакопителя на электродвигатель и систему управления, чтобы переместить клапан в безопасное положение.
В качестве повышающего преобразователя используется контроллер подкачки. Выходное напряжение подкачки таково, что оно меньше, чем нормальное напряжение питания.
Основным недостатком является наличие в приводе повышающего преобразователя, который увеличивает потери мощности при подаче питания с энергонакопителя на электродвигатель. В целом это снижает энергоэффективность привода и увеличивает его массогабаритные показатели.
Кроме того, повышающий преобразователь не обеспечивает многократное (более чем в 4 раза) повышение напряжения. Это обусловлено тем, что максимальный коэффициент усиления контроллера подкачки составляет не более 4. В противном случае, если коэффициент усиления превысит 4, то КПД повышающего преобразователя резко упадет до величины 0,1.
Из патента РФ 2442924 (опубл. 20.02.2012) известно приводное устройство для трубопроводной арматуры, выполненное с возможностью перевода арматуры в безопасное положение при неисправной сети. Данное устройство, выбранное за ближайший аналог, содержит емкостный накопитель энергии, преобразователь напряжения, выполненный с возможностью понижения напряжения для заряда емкостного энергонакопителя, и электродвигатель, управляемый посредством специализированной интегральной схемы (управляемый электродвигатель).
В нормальном рабочем режиме напряжение сети подается на блок питания, который стабилизирует напряжение сети и подает в цепь устройства напряжение одной и той же величины. Напряжение с выхода блока питания подают на управляемый электродвигатель. А также напряжение с выхода блока питания преобразуют до относительно низкого потенциала посредством преобразователя напряжения, и накапливают энергию в емкостном накопителе энергии.
В случае падения напряжения ниже предельного значения или отказа электропитания, электрическую энергию, накопленную в емкостном накопителе энергии, содержащем по меньшей мере один высокоемкий конденсатор, преобразуют посредством того же преобразователя напряжения до относительно высокого потенциала и используют в режиме повышения для обеспечения работы двигателя до тех пор, пока не будет достигнуто заданное положение, обеспечивающее безопасность.
Преобразователь напряжения выполнен в виде индуктора L1, подсоединенного между двумя ключами. В режиме повышения напряжения микроконтроллер направляет ШИМ-сигнал на первый ключ. Если первый ключ замкнут, ток проходит через индуктор L1 и заряжает конденсатор С1. Если первый ключ разомкнут, свободный ток проходит через диод D2 и индуктор L1, и конденсатор С1 заряжается дополнительно. Аналогично в режиме понижения напряжения, микроконтроллер направляет ШИМ-сигнал на второй ключ для разряда конденсатора С1.
Основным недостатком известного устройства является опосредованная подача энергии с энергонакопителя на управляемый электродвигатель через повышающий преобразователь энергии, что увеличивает потери мощности при передаче накопленной энергии. В целом это снижает энергоэффективность привода и увеличивает его массогабаритные показатели.
Другим недостатком является выполнение преобразователя напряжения в виде индуктора L1, т.к. индуктор не обеспечивает многократное повышение/понижение напряжения при ее преобразовании. В противном случае, для многократного повышения/ понижения энергии, потребуется значительно увеличить габариты индуктора, что приведет к большому увеличению потерь мощности.
Технической задачей полезной модели является повышение энергоэффективности электропривода, обеспечивающего перемещение трубопроводной арматуры в безопасное положение в случае отказа основного питания или падения напряжения ниже допустимой величины.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении потерь энергии при подаче питания с энергонакопителя на управляемый электродвигатель.
Техническая задача решается и технический результат достигается тем, что электропривод трубопроводной арматуры, выполненный с возможностью перевода трубопроводной арматуры в безопасное положение, как и ближайший аналог, содержит управляемый электродвигатель, емкостный энергонакопитель, выполненный с возможностью обеспечения электродвигателя накопленной энергией, и преобразователь напряжения, выполненный с возможностью понижения входного напряжения для обеспечения заряда емкостного энергонакопителя.
В отличие от ближайшего аналога, энергонакопитель выполнен с возможностью заряда до значения напряжения, равного значению напряжения, соответствующему нормальному рабочему режиму электродвигателя.
Кроме того, электропривод выполнен с возможностью одновременной подачи питания на электродвигатель с энергонакопителя и с преобразователя напряжения, своим выходом соединенного с управляемым электродвигателем.
Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежей. На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого электропривода. Фиг. 2 поясняет конструктивное устройство электропривода.
Позициями на чертежах обозначены: 1 – корпус электропривода; 2 – преобразователь напряжения; 3 – энергонакопитель; 4 – блок управления; 5 – электродвигатель; 6 – преобразователь частоты электродвигателя; 7 – выпрямитель; 8 – исполнительный механизм; 9 – трубопроводная арматура; 10 – вал электродвигателя.
Электропривод трубопроводной арматуры содержит корпус 1 (фиг.2), в котором расположены преобразователь напряжения 2, энергонакопитель 3, блок управления 4, электродвигатель 5 с преобразователем частоты 6 и выпрямитель 7 (фиг. 1 и 2). Питание электропривода может быть осуществлено от сети переменного или постоянного тока. Исполнительный механизм 8 и трубопроводная арматура 9 (фиг.1) не входят в состав заявляемого электропривода.
Преобразователь напряжения 2 выполнен с возможностью понижения величины входного напряжения до определенного значения (номинального напряжения). В конкретном исполнении преобразователь напряжения 2 выполнен в виде полумостового преобразователя, включающего в себя трансформатор и электронные управляемые ключи. Преобразователь напряжения 2 своим выходом соединен с энергонакопителем 3, а также соединен с электродвигателем 5 через преобразователь частоты 6 электродвигателя.
Энергонакопитель 3 выполнен в виде последовательно соединенных суперконденсаторов. Количество и емкости суперконденсаторов рассчитаны таким образом, чтобы при полном заряде обеспечить напряжение на энергонакопителе 3, равное напряжению электродвигателя 5 в его нормальном рабочем режиме. Например, если напряжение питания электродвигателя 220В, 50В, или равно другой конкретной величине, то количество и емкости суперконденсаторов при полном заряде энергонакопителя обеспечивают напряжение на энергонакопителе соответственно 220В, 50В или равное данной конкретной величине.
Энергонакопитель 3 своим выходом соединен с нагрузкой, включающей электродвигатель 5 с преобразователем частоты 6 электродвигателя.
В качестве электродвигателя 5 применен синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. В синхронном двигателе с ротором на постоянных магнитах (по сравнению с асинхронным двигателем) магнитный поток создается и поддерживается постоянными магнитами, поэтому не требуется потребления реактивных токов из сети, что способствует снижению электрических потерь, и следовательно, способствует снижению затрат электроэнергии на компенсацию указанных потерь.
Величина питающего напряжения, соответствующего нормальному рабочему режиму электродвигателя 5, равна величине номинального напряжения на выходе преобразователя напряжения 2 и равна величине напряжения полностью заряженного энергонакопителя 3.
Преобразователь частоты 6 электродвигателя выполнен на основе управляемых электронных ключей, например, IGBT- ключей, полевых (MOSFET) транзисторов.
Блок управления 4, выполненный на основе программируемого логического контроллера, управляет работой электропривода. Датчики напряжения (на чертеже не показаны) установлены на входе и выходе преобразователя напряжения 2 и на входе выпрямителя 7, и соединены со входами блока управления 4 информационными линиями связи для отправления сигналов о значениях напряжения, соответственно, на входе и выходе преобразователя напряжения 2 и на входе выпрямителя 7.
На фиг. 2 схематично показаны защитный корпус 1 электропривода с установленными в нем электронными и электромеханическими модулями: электродвигателем 5 встраиваемого исполнения, преобразователем напряжения 2, энергонакопителем 3, преобразователем частоты 6 электродвигателя, блоком управления 4 и выпрямителем 7. Указанные модули 5, 2, 3, 6, 4, 7 жестко закреплены между собой в соответствии с их расположением в корпусе 1 при помощи известных сборочных операций, и соединены  электрическими и информационными линиями связи в соответствии со схемой на фиг.1.
Вал 10 электродвигателя имеет возможность соединения с валом исполнительного механизма 8, с возможностью замены одного исполнительного механизма 8 на другой. Вал 10 электродвигателя выполнен выступающим из корпуса 1 (см. фиг. 2) для удобства упомянутой замены. Сменные исполнительные механизмы 8 могут быть различных типов, например, многооборотного или неполнооборотного или прямоходного типа. При этом в пределах каждого типа сменные исполнительные механизмы могут иметь различные выходные характеристики по моменту и скорости. Это обеспечивает унификацию электропривода, и следовательно, улучшает технико-экономические показатели его изготовления.
Работа электропривода осуществляется следующим образом.
Блок управления 4 осуществляет управление работой электропривода, в частности работой преобразователя напряжения 2, энергонакопителя 3 и электродвигателя 5 посредством преобразователя частоты 6.
При наличии в сети нормального напряжения и работе от сети переменного тока входное питающее напряжение поступает на выпрямитель 7, который преобразует переменное напряжение электрической сети в постоянное напряжение. При работе от сети постоянного тока выпрямитель 7 пропускает постоянное напряжение сети на преобразователь напряжения 2.
Напряжение постоянного тока поступает на вход преобразователя напряжения 2, который понижает это напряжение до определенного значения (номинального напряжения). Пониженное напряжение поступает на энергонакопитель 3 для обеспечения его полного заряда, а также поступает на электродвигатель 5, управляемый преобразователем частоты 6. Заряд энергонакопителя 3 производят до значения напряжения, равного напряжению на выходе преобразователя напряжения 2 и равного напряжению, обеспечивающему нормальный рабочий режим электродвигателя 5. Полностью заряженный энергонакопитель 3 переходит в энергосберегающий режим сохранения заряда.
При наличии в сети нормального напряжения питание на управляемый электродвигатель 5 может быть подано одновременно с преобразователя напряжения 2 и с энергонакопителя 3, что позволяет обеспечить высокую выходную мощность привода и способствует эффективному расходованию энергии. Это особенно актуально для работы отсечной арматуры, когда необходимо срабатывание арматуры за минимально короткое время.
При отказе питающей сети или падении питающего напряжения ниже допустимой величины, энергонакопитель 3 по сигналу блока управления 4 подает питание на электродвигатель 5, управляемый преобразователем частоты 6 (управляемый электродвигатель). По мере разряда энергонакопителя 3 преобразователь частоты 6 снижает частоту подаваемого на электродвигатель 5 напряжения пропорционально падению напряжения энергонакопителя 3, тем самым поддерживая необходимый крутящий момент на валу 10 двигателя. Например, необходимый крутящий момент на валу 10 двигателя обеспечивается вплоть до пятикратного снижения напряжения на выходе преобразователя напряжения 2 и выходе энергонакопителя 3.  И электродвигатель 5 через исполнительный механизм (редуктор) 8 переводит трубопроводную арматуру 9 в безопасное положение.
При падении питающего напряжения ниже допустимой величины питание на управляемый электродвигатель 5 может быть подано одновременно с преобразователя напряжения 2 и с энергонакопителя 3, что позволяет в данных условиях повысить выходную мощность привода.
Благодаря заряду энергонакопителя 3 до напряжения, величина которого соответствует нормальному рабочему режиму электродвигателя 5, накопленная энергия поступает в нагрузку (управляемый преобразователем частоты электродвигатель 5) напрямую, в отличие от опосредованной передачи накопленной энергии в нагрузку через повышающий преобразователь напряжения в прототипе. Это позволяет существенно снизить потери энергии, и следовательно, повысить выходную мощность привода при переводе арматуры в безопасное положение.
Таким образом, предложен энергоэффективный электропривод для работы в отказоустойчивом режиме, позволяющий обеспечить безопасную работу трубопроводной арматуры различных типов.