Приводное устройство для трубопроводной арматуры, оснащенное энергонакопителем, с функцией перевода трубопроводной арматуры в безопасное положение
DRIVE DEVICE FOR PIPELINE VALVES, EQUIPPED WITH ENERGY ACCUMULATOR, WITH FUNCTION OF SWITCHING PIPELINE VALVES INTO SAFE POSITION

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электроприводному устройству для трубопроводной арматуры, оснащенному средством защиты от аварии. Изобретение может быть использовано на трубопроводах при транспорте нефти, газа и других продуктов, в химической и нефтехимической отраслях.
Приводные устройства широко используют для управления арматурой в трубопроводах. Для обеспечения надежной работы приводные устройства 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 (G05B 19/39, опубл. 10.09.2012) известно приводное устройство для клапана. Приводное устройство снабжено энергонакопителем, включающим в себя по меньшей мере один высокоемкий конденсатор, который в случае отказа основного питания обеспечивает перемещение клапана в безопасное положение. Приводное устройство содержит понижающий преобразователь напряжения, который при исправной сети понижает напряжение для заряда энергонакопителя, и повышающий преобразователь напряжения, который при неисправной сети подает питание 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.
При исправной сети напряжение поступает на импульсный источник питания (ИИП) постоянного/переменного тока (DC/AC), который вырабатывает напряжение, необходимое для тягового электродвигателя и электронных схем.
Недостатком известного приводного устройства является то, что 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.
Т.к. выходное напряжение подкачки меньше, чем нормальное напряжение питания, повышающий преобразователь не обеспечивает питание электродвигателей с номинальным напряжением 380 V и рассчитан на применение для относительно небольших клапанов или задвижек.
Кроме того, для питания повышающего преобразователя требуется стабильное напряжение, вырабатываемое импульсным источником питания (ИИП), ввиду невозможности работы повышающего преобразователя в широком диапазоне входного напряжения сети. В результате, оснащение устройства дополнительным блоком - источником питания (ИИП), увеличивает потери мощности приводного устройства, что приводит к низкой энергоэффективности устройства и увеличивает его массогабаритные показатели.
Из патента РФ 2442924 (F16K 31/00, F16K 31/04, H02J 9/06, Н02Н 7/09, Н02М 7/527, опубл. 20.02.2012) известно приводное устройство для трубопроводной арматуры, выполненное с возможностью перевода арматуры в безопасное положение при неисправной сети посредством схемы аварийной защиты. Данное устройство содержит емкостной накопитель энергии, привод исполнительного механизма с управляемым электродвигателем, двунаправленный преобразователь напряжения, выполненный с возможностью или понижения напряжения для заряда емкостного накопителя энергии при исправной сети, или повышения напряжения для разряда емкостного накопителя энергии на электродвигатель при неисправной сети, чтобы привести электродвигатель в действие.
При исправной сети электрический ток, который используется для питания электродвигателя и заряда емкостного накопителя энергии, преобразуют до относительно низкого потенциала посредством преобразователя напряжения, работающего в режиме понижения, 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.
Устройство работает от сети с определенным значением напряжения переменного или постоянного тока, например, или 24 VAC, или 110 VAC, или 230 VAC, или 24 VDC, или 72 VDC. Источник питания стабилизирует напряжение сети и подает в цепь устройства 10 напряжение одной и той же величины 24 VDC.
Накопитель энергии выполнен в виде одного или нескольких высокоемких конденсаторов. Каждый из последовательно соединенных конденсаторов шунтирован нормально разомкнутым ключом S3 и резистором.
Недостатком известного устройства 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 напряжения, потребуется значительно увеличить габариты индуктора, что приведет к большому увеличению потерь мощности.
Другим недостатком является наличие в устройстве постоянно работающего источника питания, что увеличивает потери электроэнергии и мощности устройства ввиду нагрева элементов источника питания. Тем самым снижется КПД устройства. Кроме того, наличие источника питания увеличивает массогабаритные показатели устройства.
Следующим недостатком устройства является то, что конденсаторы С1 шунтированы нормально разомкнутыми ключами S3, для замыкания которых требуется наличие питания. При разрядке конденсатора С1 происходит понижение напряжения до минимально допустимой величины, после чего ключ S3 вновь размыкается, т.е. невозможно разрядить конденсатор до нуля. Вследствие опасности работы с неразряженным до нуля конденсатором затруднено техническое обслуживание устройства. Кроме того, постоянное наличие на конденсаторе С1 заряда не позволяет вскрывать корпус энергоблока во взрывоопасной зоне при необходимости замены вышедшего из строя конденсатора.
Таким образом, остается актуальной проблема создания энергоэффективного приводного устройства с улучшенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего при неисправной сети значительные вращающие моменты на валу привода, соединенного с трубопроводной арматурой.
Технический результат, достигаемый предложенным приводным устройством:
- при понижении напряжения работа при широком диапазоне входного напряжения с обеспечением заряда энергонакопителя стабильным зарядным током;
- многократное понижение/повышение напряжения преобразователем напряжения;
- при повышении напряжения работа при широком диапазоне напряжения энергонакопителя с обеспечением преобразователем напряжения стабильного напряжения такой величины, которая достаточна для приведения в действие электродвигателя.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. Фиг. 1 - функциональная схема приводного устройства. Фиг. 2 - функциональная схема двунаправленного преобразователя напряжения с подсоединенным энергонакопителем.
На фиг. 1 приводное устройство 1 содержит контур 2 энергонакопителя и контур 3 привода исполнительного механизма. Контур 2 энергонакопителя содержит двунаправленный преобразователь 4 напряжения, микроконтроллер 5, энергонакопитель 6, блок 7 балансировки и мониторинга энергонакопителя, а также резистор (R) и ключ 9, выполненный предпочтительно в виде реле. Энергонакопитель 6 включает в себя один или несколько последовательно соединенных суперконденсаторов 8 емкостью 30 Ф или более.
На фиг. 2 двунаправленный преобразователь 4 напряжения включает в себя трехобмоточный трансформатор 10, подключенный между двумя мостовыми преобразователями 11 и 12. Каждый из мостовых преобразователей 11, 12 выполнен в виде полной мостовой схемы (Н-образного моста). Первый мостовой преобразователь 11 содержит электронные ключи 13-1 13-4, второй мостовой преобразователь 12 содержит электронные ключи 13-5 13-8. В трехобмоточном трансформаторе 10 одна из обмоток, условно названная первой, используется в качестве первичной в режиме понижения напряжения и вторичной в режиме повышения напряжения. Первая обмотка 15 соединена с первым мостовым преобразователем 11. Другая из обмоток, условно названная второй, используется в качестве первичной в режиме повышения напряжения. Вторая обмотка 16 соединена со вторым мостовым преобразователем 12. Следующая из обмоток, условно названная третьей, используется в качестве вторичной в режиме понижения напряжения. К третьей обмотке 17 подключен выпрямитель 14, соединенный с энергонакопителем 6 через электронный ключ 13-9. Все три обмотки 15, 16, 17 трансформатора 10 расположены на одном сердечнике, для компактности. Обмоточные данные трансформатора 10 позволяют обеспечить большую кратность понижения и повышения напряжения. Третья обмотка 17 выполнена с количеством витков, превышающим количество витков второй обмотки 16.
На фиг. 1 контур 3 привода исполнительного механизма включает в себя преобразователь частоты 18, микроконтроллер 19, служебный источник питания 20, электродвигатель 21, исполнительный механизм (редуктор) 22, трубопроводную арматуру 23. Служебный источник питания 20 соединен с микроконтроллером 5 через блок 24 гальванической развязки. На приведенной функциональной схеме показана внешняя сеть переменного тока, в этом случае контур 3 содержит выпрямитель 25.
Обозначения на фиг. 1 и 2: +DC - шина постоянного тока, имеющая положительный потенциал; SGND - силовая шина, потенциал которой условно принят за нулевой.
Приводное устройство для трубопроводной арматуры работает следующим образом.
При исправной сети на выпрямитель 25 (фиг. 1) поступает питающее напряжение (Uсети) постоянного/переменного тока, имеющее широкий диапазон значений, например в интервале от (Uн - 50%) до (Uн + 47%), где Uн - номинальное напряжение сети. Выпрямитель 25 преобразует переменное напряжение сети в постоянное или пропускает постоянное напряжение. Это напряжение поступает в контур 3 привода исполнительного механизма и в контур 2 энергонакопителя.
В контуре 3 привода исполнительного механизма напряжение с выхода выпрямителя 25 поступает на преобразователь частоты 18 для обеспечения питанием электродвигателя 21 и на служебный источник питания 20 для питания собственных нужд устройства.
В контуре 2 энергонакопителя первый мостовой преобразователь 11 (фиг. 2) по управляющему сигналу микроконтроллера 5 (фиг. 1) преобразует постоянное напряжение в переменное и регулирует скважность импульсов тока. Первый мостовой преобразователь 11 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов ключами 13-1÷13-4 своих диагоналей в зависимости от величины напряжения сети, изменяя скважность импульсов до определенной величины, необходимой для получения на выходе преобразователя напряжения 4 стабильного зарядного тока. При этом по сигналу микроконтроллера 5 ключи 13-5÷13-8 второго мостового преобразователя 12 разомкнуты, а ключ 13-9 замкнут. Переменное напряжение с выхода первого мостового преобразователя 11 понижается первой 15 и третьей 17 обмотками трансформатора, работающими в качестве соответственно первичной и вторичной обмоток, с коэффициентом трансформации k1, величина которого обеспечивает необходимую кратность понижения напряжения.
Затем диодный мост 14 выпрямляет пониженное переменное напряжение, и напряжение постоянного тока через замкнутый электронный ключ 13-9 поступает на емкостной энергонакопитель 6 для его заряда до максимального рабочего напряжения. Микроконтроллер 5 (фиг. 1) прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на энергонакопителе 6 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.
При работе преобразователя 4 напряжения (фиг. 2) в режиме понижения напряжения отношение напряжений преобразователя 4 напряжения равно:
Uсети/Uзаp1 = S1⋅k1, где
Uсети - напряжение сети, Uзар1 - напряжение для обеспечения заряда энергонакопителя 6, k1 - понижающий коэффициент трансформации трансформатора 10, S1 - скважность импульсов, регулируемая первым мостовым преобразователем 11.
Зная величину коэффициента трансформации k1 и измеренное значение напряжения сети, путем регулирования скважности трансформатора 10 поддерживают такое напряжение (Uзар1), которое обеспечивает заряд энергонакопителя 6 стабильным зарядным током, при широком диапазоне входного напряжения сети. При этом величина коэффициента трансформации k1 обеспечивает большую кратность понижения напряжения.
За счет того, что первый мостовой преобразователь 11 регулирует скважность импульсов путем попеременного изменения полярности первой 15 обмотки, полностью используется характеристика намагничивания сердечника трансформатора 10. Это способствует обеспечению компактности трансформатора 10, и следовательно, уменьшению потерь энергии.
Заряд сохраняется в энергонакопителе 6. Блок 7 (фиг. 1) мониторинга и балансировки периодически проверяет работоспособность по меньшей мере одного указанного высокоемкого конденсатора 8 путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.
Пример реализации технического решения в режиме понижения напряжения постоянного тока. При номинальном напряжении сети Uн=536 VDC для обеспечения максимального напряжения энергонакопителя Umax = 42VDC, отношение напряжений преобразователя 4 в зависимости от величины напряжения сети равно:
- при напряжении сети ниже номинального на 50%, т.е. для Uсети = 268 VDC,
Uсети / Umax = 268VDC / 42VDC = 6,38. Максимальное напряжение энергонакопителя 6 достигается тем, что ключи первого мостового преобразователя 11 обеспечивают скважность импульсов, равную 2 (коэффициент заполнения 50%). В этом случае отношение напряжений преобразователя 4 равно коэффициенту трансформации k1 трансформатора, т.е. Uсети / Uзар1 = 6,38=k1;
- при напряжении сети, равном номинальному, т.е. для Uсети = 536 VDC,
Uсети / Umax = 536VDC / 42VDC = 12,76. Максимальное напряжение энергонакопителя 6 достигается тем, что ключи первого мостового преобразователя 11 обеспечивают скважность импульсов, равную 4 (коэффициент заполнения 25%). В этом случае отношение напряжений преобразователя 4 равно удвоенному коэффициенту трансформации k1 трансформатора, т.е. Uсети / Uзар1 = 12,76 = 2 k1;
- при напряжении сети выше номинального на 47%, т.е. для Uвx = 788VDC,
Uсети / Umax = 788VDC / 42VDC = 18,76. Максимальное напряжение (Umax) энергонакопителя 6 достигается тем, что первый мостовой преобразователь 11 изменяет скважность импульсов до величины, равной 8 (коэффициент заполнения 12,5%). В этом случае отношение напряжений преобразователя Uсети / Uзар1 = 18,76 = 2,94 k1.
Таким образом, в режиме понижения напряжения постоянного тока, приводное устройство 1 работает при широком диапазоне входного напряжения сети от (Uн - 50%) до (Uн + 47%), отношение напряжений преобразователя 4 имеет относительно большую величину, т.е. преобразователь напряжения 4 может многократно понижать напряжение, например в 18,76 раз при Uсети = 788VDC.
Аналогично, в режиме понижения напряжения переменного тока преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне входного напряжения, обеспечивая максимальный заряд энергонакопителя 6 стабильным зарядным током.
Работа преобразователя напряжения 4 в режиме понижения напряжения при широком диапазоне напряжений на его входе, с обеспечением стабильного зарядного тока на его выходе, позволяет исключить стабилизирующий источник питания на входе приводного устройства 1, что уменьшает потери мощности приводного устройства. Это в итоге повышает энергоэффективность и улучшает массогабаритные показатели приводного устройства.
При неисправной сети (в результате отказа электропитания или падения напряжения ниже допустимой величины) двунаправленный преобразователь 4 напряжения работает в режиме повышения напряжения.
Микроконтроллер 5 (фиг. 1) размыкает ключ 13-9 (фиг. 2), и напряжение с емкостного энергонакопителя 6 (фиг. 1) поступает на второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2), который по управляющему сигналу микроконтроллера 5 (фиг. 1) преобразует постоянное напряжение в переменное и регулирует скважность импульсов тока. Второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов путем замыкания и размыкания ключей 13-5÷13-8 в зависимости от величины напряжения энергонакопителя 6, изменяя скважность импульсов до определенной величины, необходимой для получения на выходе преобразователя 4 стабильного напряжения. Например, при напряжении энергонакопителя 6 ниже максимального на 50% и равном максимальному, необходимое значение напряжения получают при скважности импульсов, равной соответственно 2 и 4. При этом ключ 9, шунтирующий цепь последовательно соединенных конденсаторов 8, выполнен нормально замкнутым, т.е. в отсутствии питания ключ 9 замкнут и шунтирует конденсаторы 8, благодаря чему обеспечивается безопасное техническое обслуживание приводного устройства 1 во взрывоопасных условиях.
Далее переменное напряжение с выхода второго мостового преобразователя 12 (фиг. 2) повышается второй 16 и первой 15 обмотками трансформатора, работающими в качестве соответственно первичной и вторичной обмоток. Вторая 16 и первая 15 обмотки трансформатора повышают напряжение с коэффициентом трансформации k2, величина которого обеспечивает большую кратность повышения напряжения.
Затем первый мостовой преобразователь 11, на этот раз выполняющий функцию выпрямителя, выпрямляет повышенное переменное напряжение. И напряжение постоянного тока, имеющее стабильное значение, подается в контур 3 привода исполнительного механизма.
В контуре 3 (фиг. 1) привода исполнительного механизма напряжение поступает на преобразователь частоты 18 для обеспечения питанием электродвигателя 21, чтобы привести электродвигатель 21 в действие и переместить арматуру 23 в безопасное положение при сохранении возможности регулирования крутящего момента/осевого усилия, и на служебный источник питания 20 для питания собственных нужд устройства 1.
При работе преобразователя 4 напряжения в режиме повышения напряжения отношение напряжений преобразователя 4 напряжения равно: Uзар2 / Uвых = S2⋅1/k2, где
Uзар2 - напряжение энергонакопителя 6; Uвых - напряжение на выходе преобразователя 4 напряжения, обеспечивающее работу контура 3 исполнительного механизма при неисправной сети; k2 - повышающий коэффициент трансформации трансформатора; S2 - скважность импульсов, регулируемая вторым мостовым преобразователем 12.
Зная величину коэффициента трансформации k2 и измеренное значение напряжения энергонакопителя (Uзар2), путем регулирования скважности (S2) трансформатора 10 поддерживают на выходе преобразователя 4 напряжения стабильное напряжение (Uвых), гарантирующее приведение в действие электродвигателя 21 даже при значительном снижении напряжения энергонакопителя 6. При этом величина коэффициента трансформации к2 обеспечивает большую кратность повышения напряжения.
За счет того, что второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов путем попеременного изменения полярности второй 16 обмотки, полностью используется характеристика намагничивания сердечника трансформатора 10. Это способствует обеспечению компактности трансформатора 10, и следовательно, уменьшению потерь энергии.
Пример реализации технического решения в режиме повышения напряжения постоянного тока. Отношение напряжений преобразователя 4 в зависимости от напряжения (Uзар2) энергонакопителя 6 равно:
- при напряжении энергонакопителя 6 ниже максимального на 50%, т.е. для Uзар2 = 0,5Umax = 21 VDC, Uзap2 / Uвых = 21 VDC / 536 VDC = 1/25,52. Напряжение на выходе преобразователя 4 напряжения, равное номинальному, Uвых = 536 VDC достигается тем, что ключи второго мостового преобразователя 12 обеспечивают скважность импульсов, равную 2 (коэффициент заполнения 50%). В этом случае Uзар2 / Uвых=k2;
- при напряжении энергонакопителя 6, равном максимальному, т.е. для Uзар2 = Umax = 42 VDC, Uзар2 / Uвых = 42VDC / 536VDC = 1/12,75. Это достигается тем, что второй мостовой преобразователь 12 изменяет скважность импульсов до величины, равной 4 (коэффициент заполнения 25%).
Таким образом, в режиме повышения напряжения постоянного тока, преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне напряжения энергонакопителя от (Uзар2 = Umax) до (Uзар2 = 0,5U max), преобразователь напряжения 4 может многократно повышать напряжение, например в 25,52 раз (при Uзар2 = 0,5U max).
Аналогично, в режиме повышения напряжения переменного тока преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне напряжения энергонакопителя 6, обеспечивая многократное повышение напряжения.
Благодаря многократному повышению напряжения преобразователь напряжения 4 обеспечивает приведение в действие электродвигателей с номинальным напряжением 380V, и следовательно, перемещение в безопасное положение трубопроводной арматуры, для которой требуются большие вращающие моменты.
Применение трехобмоточного трансформатора 10 позволяет получить такую величину кратности повышения напряжения, которая отлична от величины кратности понижения напряжения, например, превышает кратность понижения напряжения в заданное число раз. Поэтому можно выполнить оба необходимых условия: и обеспечить максимальное напряжение энергонакопителя 6, и обеспечить напряжение, достаточное для приведения в действие мощного электродвигателя 21. Это достигается тем, что третья обмотка 17 трансформатора выполнена с количеством витков, превышающим количество витков второй обмотки 16 в заданное число раз. Так, в приведенном выше примере реализации, количество витков третьей обмотки 17 превышает количество витков второй обмотки 16 в 4 раза, поэтому кратность повышения напряжения, равная 25,52 при низком заряде энергонакопителя, превышает кратность понижения напряжения, равную 6,38 при низком напряжении сети, в 4 раза. Ввиду того, что в двунаправленном двухобмоточном трансформаторе кратность повышения напряжения равна кратности понижения напряжения, можно выполнить только одно из двух вышеуказанных условий. Применение же четырехобмоточного трансформатора или двух двухобмоточных трансформаторов привело бы к увеличению массогабаритных показателей трансформатора.
Таким образом, выполнение двунаправленного преобразователя напряжения 4 в виде трехобмоточного трансформатора 10, скважность импульсов которого регулируется мостовыми преобразователями 11 и 12, при этом третья обмотка 17 трансформатора, используемая в качестве вторичной в режиме понижения напряжения, соединена с энергонакопителем 6 через ключ 13-9 и выполнена с числом витков, превышающим число витков второй обмотки 16, используемой в качестве первичной в режиме повышения напряжения, позволяет приводному устройству 1:
- в режиме понижения напряжения работать при широком диапазоне входного напряжения сети с обеспечением стабильного зарядного тока необходимой величины для заряда энергонакопителя 6 до максимального напряжения. В свою очередь, работа преобразователя напряжения 4 при широком диапазоне входного напряжения позволяет исключить энергозатратный источник питания на входе устройства 1, что способствует повышению энергоэффективности и увеличению КПД приводного устройства 1;
- в режиме повышения напряжения работать при широком диапазоне напряжения заряда на энергонакопителе 6 с обеспечением преобразователем напряжения 4 стабильного напряжения такой величины, которая достаточна для приведения в действие электродвигателя 21;
- в режимах понижения/повышения напряжения многократно понижать/повышать напряжение двунаправленным преобразователем напряжения 4 (в отличие от контроллера подкачки в патенте-аналоге №2461039 и индуктора в патенте-прототипе №2442924).
При этом, выполнение двунаправленного преобразователя напряжения 4 в виде трехобмоточного трансформатора (в отличие от четырехобмоточного трансформатора или двух двухобмоточных трансформаторов) позволяет уменьшить массогабаритные показатели преобразователя напряжения 4, что повышает энергоэффективность приводного устройства 1.