ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ЗАПОРНОЙ РЕГУЛИРУЕМОЙ АРМАТУРЫ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к области трубопроводного транспорта. Полезная модель может быть использована при изготовлении электроприводов, предназначенных для дистанционного и местного управления, запорной, запорно-регулирующей трубопроводной арматурой нефтепроводов, газопроводов, водопроводов, химических и других производств.
Известен привод запорно-регулирующей арматуры рюд (пат. РФ №2108513, МПК F16K 31/05, опубл. 10.04.1998 г.), содержащий электродвигатель, устройство ручного перемещения с маховиком и редуктор. Редуктор содержит кинематически соединенные между собой зубчатую и червячную передачи с выходным валом, соединенным с валиком блока контроля его положения. Устройство ручного перемещения выходного вала выполнено в виде дополнительной планетарной ступени редуктора и включает водило, сателлиты, внутреннее и наружное колесо. Водило жестко связано с выходным валом, внутреннее колесо - с червячным колесом редуктора, которое установлено с возможностью свободного вращения на выходном валу. Наружное колесо установлено с возможностью вращения относительно внутреннего колеса и снабжено червячным зубчатым венцом, кинематически связанным с червяком, на котором жестко закреплен маховик.
К недостаткам привода следует отнести низкий к.п.д., обусловленный использованием червячных передач, невозможность использования его для устройств с поворотной пробкой, имеющей поверхность тела вращения и большие габариты, т.к. он имеет две червячные передачи и две ступени зубчатых передач.
Известен привод трубопроводной запорной арматуры (пат. РФ №2225558, МКИ F16K 31/00, опубл. 2004.03.10 г.), содержащий двигатель вращения и передаточный механизм, вал, на котором несоосно установлен, по меньшей мере, один свободно вращающийся на валу резьбовой винт в паре с гайкой. Гайка выполнена соосной с валом и имеет диаметр больше диаметра резьбы винта на величину удвоенного эксцентриситет между осью винта и вала, а шаг ее равен шагу винта. Недостатком известного устройства является его сложность, связанная с наличием передаточного механизма, а также невозможность обеспечения постоянного значения коэффициента полезного действия передаточного механизма в процессе его эксплуатации.
Известен электропривод (пат. РФ №2005944, МПК F16K 31/04, опубл. 15.04.94 г.), содержащий электродвигатель с полым ротором, в котором размещен планетарно-винтовой редуктор, резьбовая втулка которого взаимодействует с винтовой резьбой проходящего внутри нее шпинделя. Недостатком данного привода является конструкция ручного дублера, приводящего во вращение непосредственно шпиндель, не обеспечивающая необходимый уровень безопасности обслуживающего персонала при включении электродвигателя.
Известен электромоторный привод с ручным дублером (пат. РФ №2103582, МПК F16К 31/05, опубл. 27.01.98 г.), содержащий корпус редуктора электромоторного привода с ручным дублером, в котором размещены червячное колесо, червяк, выполненный за одно целое с червячным валом, и кулачковая муфта. Муфта поочередно взаимодействует либо с кулачками зубчатого колеса, либо с кулачками маховика. Зубчатое колесо соединено кинематически с валом электродвигателя. Механизм принудительного перемещения муфты выполнен в виде кулачкового механизма, кулачок которого установлен в корпусе ручного дублера и соединен кинематически с кулачковой муфтой посредством пальца. Рабочий профиль поверхности кулачка периодически взаимодействует с выступом, расположенным в кольцевом пазу на торцевой поверхности кулачкового зубчатого колеса, при его повороте. Кулачковая муфта поджата к кулачкам зубчатого колеса пружиной, надетой на конец червячного вала.
Переключение режимов осуществляется кулачковой муфтой сцепления с механизмом ее принудительного перемещения. При включении электродвигателя муфта разъединяет сначала связь шпинделя с маховиком ручного управления, а затем происходит контакт выходного зубчатого колеса редуктора со шпинделем исполнительного механизма. Недостатком привода являются значительные масса и габариты, связанные с необходимостью увеличения габаритов зубчатого редуктора для получения требуемых передаточных отношений и низкий коэффициент полезного действия привода, обусловленный наличием муфты сцепления.
Известен электропривод (пат. РФ №2154219, МПК F16K 31/05, опубл. 10.08.2000 г.), содержащий корпус, в котором расположены электродвигатель, редуктор, ручной дублер с неподвижной полумуфтой сцепления и муфта ограничения крутящего момента в виде подпружиненной подвижной и неподвижной полумуфт. Электропривод снабжен преобразователем и соединенным с ним регистрирующим устройством. Преобразователь кинематически связан с муфтой ограничения крутящего момента, подпружиненная подвижная полумуфта которой выполнена двусторонней и установленной с возможностью попеременного взаимодействия с соответствующими неподвижными полумуфтами ручного дублера и муфты ограничения крутящего момента. Изобретение позволяет обеспечить возможность настройки величины крутящего момента независимо для обоих направлений вращения выходного вала электропривода путем определения направления вращения, что приводит к расширению функциональных возможностей. Недостатком электропривода является наличие специальных переключающих устройств конструкции, снижающих коэффициент полезного действия.
Общим недостатком приведенных аналогов является низкая точность поддержания вращающего момента и недостаточно высокая надежность и взрывобезопасность приводов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением, взятым за прототип, является электропривод (пат. РФ №103883, МПК F16K 31/05, опубл. 27.04.2010 г.), включающий асинхронный электродвигатель, выполненный со встроенным датчиком положения его ротора и кинематически соединенный с редуктором, блок электронного управления, выход которого соединен со статорной обмоткой электродвигателя и датчик положения, выход которого соединен с входом блока электронного управления.
К недостаткам электропривода следует отнести низкий коэффициент полезного действия, невысокую надежность, точность поддержания вращающего момента и недостаточное удобство эксплуатации.
Основной задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является создание электропривода для запорной регулируемой арматуры, обеспечивающего высокий коэффициент полезного действия, высокую надежность, точность поддержания вращающего момента и удобство эксплуатации, обладающего высокими массогабаритными показателями.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента полезного действия, надежности и точности поддержания вращающего момента электропривода.
При этом заявляемый электропривод обеспечивает оптимальный режим питания электродвигателя и стабильность скорости вращения, а также повышение взрывобезопасности электропривода, эргономических и эксплуатационных показателей, удобства монтажа и обслуживания.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в электроприводе для запорной регулируемой арматуры, включающем асинхронный электродвигатель, кинематически соединенный с редуктором, блок электронного управления, выход которого соединен со статорной обмоткой электродвигателя, выполненного со встроенным датчиком положения его ротора, датчик положения выходного вала редуктора, выход которого соединен с входом блока электронного управления, электродвигатель выполнен вентильным, а блок электронного управления и электродвигатель соединены через взрывозащищенную соединительную трубку.
Оптимально в электроприводе для запорной регулируемой арматуры в качестве редуктора использовать редуктор с циклоидным зацеплением.
Целесообразно электропривод для запорной регулируемой арматуры снабдить редуктором второй ступени, выполненным с возможностью повышения крутящего момента для различных типов присоединений.
Рекомендуется электропривод для запорной регулируемой арматуры снабдить ручным дублером, выполненным с возможностью автоматического отключения при пуске электродвигателя.
Предпочтительно в электроприводе для запорной регулируемой арматуры ручной дублер выполнить с расположенным в валу срезным штифтом, ограничивающим крутящий момент при работе в ручном режиме.
Рационально электропривод для запорной регулируемой арматуры снабдить встроенным лицевым постом управления.
Рекомендуется электропривод для запорной регулируемой арматуры снабдить коробкой выводов, выполненной с возможностью установки кабельных вводов с нескольких сторон.
Целесообразно в электроприводе для запорной регулируемой арматуры блок электронного управления снабдить термостатом.
Рекомендуется в электроприводе для запорной регулируемой арматуры блок электронного управления снабдить устройством диагностики.
Заявляемый технический результат достигается в результате применения вентильного электропривода и формирования оптимального напряжения питания электродвигателя и алгоритма управления, обеспечивающих высокий коэффициент полезного действия, а также применения устройства диагностики функциональных узлов электропривода, контура обратной связи, повышающего стабильность скорости вращения и точность поддержания вращающего момента.
Применение двухступенчатого редуктора и редуктора с циклоидным зацеплением в одной из ступеней обеспечивают большое передаточное отношение, высокую нагрузочную способность и надежность при минимальных массогабаритных показателях.
За счет изоляции в соединительной трубке электрических кабелей силовой и управляющей сети повышается надежность электропривода и обеспечивается взрывобезопасность.
Выполнение ручного дублера с возможностью автоматического отключения при пуске электродвигателя повышает безопасность работы заявляемого электропривода.
При помощи срезного штифта происходит ограничение крутящего момента ручного дублера при работе в ручном режиме.
Применение термостата, обеспечивающего оптимальную рабочую температуру блока электронного управления, позволяет дополнительно повысить надежность заявляемой полезной модели.
Заявляемый электропривод позволяет также повысить эргономические и эксплуатационные показатели, удобство монтажа и обслуживания посредством встроенного лицевого поста управления и коробки выводов, выполненной с возможностью установки кабельных вводов с четырех сторон.
Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема, а на фиг.2 - общий вид электропривода для запорной регулируемой арматуры.
Электропривод для запорной арматуры содержит вентильный электродвигатель 1, кинематически соединенный с редуктором 2, и электрически с блоком электронного управления 3. Выход блока электронного управления 3 соединен со статорной обмоткой вентильного электродвигателя 1, соединенного со встроенным датчиком положения ротора 4. Выходы датчика положения ротора 4 и датчика положения выходного вала редуктора 5 соединены с входами блока электронного управления 3.
Блок электронного управления 3 может содержать преобразователь переменного 3-х фазного напряжения в напряжение для питания электродвигателя, модуля управления, устройства диагностики, экрана отображения с индикацией положения привода и органами управления и термостата.
Модуль управления поддерживает местное управление электроприводом, удаленное управление по сети Modbus, удаленное аналоговое управление постоянным током 4-20 мА, дискретное управление в релейном или импульсном режиме.
Устройство диагностики осуществляет диагностику состоянии функциональных узлов при включении электропривода и в процессе работы.
Экран с органами управления служит для местного управления электроприводом, для настроек работы электропривода, просмотра последних параметров открывания - закрывания арматуры, просмотра журнала работы электропривода. На экране присутствуют индикаторы положения открыто - закрыто, местное управление, авария, муфта.
Датчик положения выходного вала редуктора 5, выполнен на энергонезависимых компонентах, что позволяет определять текущее положение выходного вала даже после выключения питания при переходе на ручной привод.
Термостат обеспечивает подогрев блока электронного управления 3 для запуска при внешней температуре ниже - 40 С.
Преобразователь переменного 3-х фазного напряжения служит для преобразования входного трехфазного переменного напряжения 380 В 50 Гц в переменное напряжение частотой 0-150 Гц, необходимого для питания электродвигателя 1. Стабилизация скорости вращения и момента достигается через обратную связь от датчиков тока двигателя и датчика положения ротора электродвигателя 4.
Основным несущим элементом электропривода для запорной регулируемой арматуры (фиг.2) является корпус редуктора первой ступени 6, который выполнен в виде прямоугольно-закругленной плиты, на которой крепятся все остальные функциональные элементы электропривода. Снизу по центру к корпусу присоединен цилиндрический корпус циклоидного редуктора второй ступени 7. Сверху по центру вертикально расположен цилиндрический кожух 8, в котором может располагаться ходовой винт арматуры, который проходит сквозь соосные редукторы первой и второй ступени. В левой части привода сверху расположен блок электронного управления 3 с микропроцессорной системой управления, встроенным лицевым постом управления и коробкой выводов для подключения питающих и сигнальных цепей, конструктивно имеющей возможность подключения со всех четырех сторон. Здесь также установлено устройство диагностики и датчик положения выходного вала редуктора 5. В правой части привода сверху расположен вентильный электродвигатель 1, который подключен к блоку электронного управления 3 соединительной трубкой 9, внутри которой проходят провода питания и провода входных - выходных сигналов. В нижней части корпуса редуктора первой ступени 6 расположен корпус ручного дублера 10, снабженный штурвалом 11. Включение ручного дублера 10 осуществляется путем поворота рычага 12. Во избежание поломки арматуры от работы ручного дублера 10 в валу штурвала 11 расположен срезной штифт, который служит ограничителем крутящего момента при работе в ручном режиме.
Работает электропривод для запорной регулируемой арматуры следующим образом. Рабочим положением электропривода в пространстве может быть любое положение, при котором он располагается выше горизонтальной плоскости, проходящей через ось арматуры. При установке конструкция электропривода монтируется основным несущим элементом - корпусом редуктора первой ступени 6 и вертикальным цилиндрическим кожухом 8 на ходовом винте запорной арматуры, который проходит сквозь соосные редукторы первой ступени 6 и второй ступени 7. В левой части привода сверху расположен блок электронного управления 3 с микропроцессорной системой управления, встроенным лицевым постом управления и коробка выводов для подключения питающих и сигнальных цепей, конструктивно имеющая возможность подключения со всех четырех сторон. После подсоединения к клеммам коробки выводов проводов силовых и сигнальных цепей производится настройка датчика положения ротора 4 и датчика положения выходного вала редуктора 5 и отладка электропривода.
Управление электроприводом может осуществляться дистанционно по командам, поступающим в блок электронного управления по аналоговым или цифровым каналам, либо в режиме местного управления посредством органов управления, расположенных на встроенном лицевом посту блока электронного управления 3.
Блок электронного управления 3, получив от оператора или автоматизированной системы команду на движение запорного органа арматуры в заданное положение, анализирует текущее положение выходного вала привода, основываясь на показаниях датчика положения выходного вала редуктора 5. В случае отклонения текущего положение от требуемого, блок электронного управления 3 формирует управляющее воздействие для вентильного электродвигателя 1 с учетом текущего положения его вала с требуемыми параметрами (значениями напряжений, токов, частоты, фазы напряжений и токов) для обеспечения заданной скорости перемещения запорного органа арматуры и заданного момента на выходном валу редуктора 2. Если момент сопротивления на выходном валу редуктора 2 мал, блок электронного управления 3 строго поддерживает заданную скорость движения выходного вала редуктора 2, если же момент сопротивления превышает заданную величину, то блок электронного управления 3 ограничивает момент на валу вентильного двигателя 1 таким образом, чтобы на выходном валу редуктора 2 момент не превысил заданного, скорость движения при этом уменьшается. Движение продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто заданное положение выходного вала редуктора 2, либо пока полностью не прекратится движение из-за того, что момент сопротивления превысит заданную величину, что позволяет предотвратить поломку механизма арматуры при уплотнении или при попадании посторонних предметов. В процессе выполнения поданной команды и после ее выполнения блок электронного управления 3 сигнализирует оператору или автоматизированной системе о текущем состоянии электропривода и результате выполнения команд.
Блок электронного управления 3 осуществляет также диагностику состояния функциональных узлов привода.
При отключении электроэнергии предусмотрен перевод работы электропривода на ручное управление.
Включение ручного дублера 10 осуществляется путем поворота рычага 12, при этом соединяющие полумуфты, расположенные соосно между электродвигателем и валом зубчатого механизма размыкаются, и перемещение запорного устройства арматуры производится вращением штурвала 11. При пуске вентильного электродвигателя 1 происходит автоматическое отключение ручного дублера 10, и обеспечивается переход на работу электропривода от вентильного электродвигателя 1.
Во избежание поломки арматуры от ручного дублера 10 в валу штурвала 11 расположен срезной штифт который служит ограничителем крутящего момента при работе в ручном режиме.
Электропривод для запорной регулируемой арматуры обеспечивает выполнение следующих функций:
- открывание - закрывание проходного сечения арматуры со встроенного или дистанционного пульта управления и остановку запорного устройства арматуры в любом положении диапазона перемещения;
- перемещение запорного устройства арматуры по предварительно заданным параметрам движения с целью изменения или полного закрывания - открывания проходного сечения арматуры;
- автоматическое отключение вентильного электродвигателя при достижении запорным устройством арматуры крайних положений;
- ограничение или регулирование крутящего момента в любом промежуточном положении запорного устройства арматуры и при достижении им крайних положений;
- автоматическое отключение вентильного электродвигателя при достижении нагрузки на выходном звене изделия заданного значения крутящего момента в любом положении диапазона перемещений запорного устройства арматуры;
- управление электроприводом в дистанционном режиме посредством внешней системы управления;
- выдачу информации на встроенный пульт управления и во внешнюю систему управления о достижении запорным устройством крайних положений и об ограничении момента при достижении заданных нагрузок на выходном звене;
- постоянный контроль положения запорного устройства арматуры и выдача информации на встроенный дисплей и на центральный пульт оператора;
- перемещение запорного устройства арматуры с помощью ручного дублера, постоянный контроль положения выходного звена и автоматическое отключение ручного дублера при включении вентильного электродвигателя;
- выдачу информации о результатах диагностики функциональных узлов привода на встроенный пульт управления и во внешнюю систему управления;
- ведение журнала событий во встроенной энергонезависимой памяти и выдачи при необходимости информации на встроенный пульт управления и во внешнюю систему управления.
Заявляемая полезная модель позволяет создать электропривод для запорной регулируемой арматуры, обеспечивающий высокий коэффициент полезного действия, высокую надежность, точность поддержания вращающего момента, удобный при монтаже и эксплуатации, обладающий высокими массогабаритными показателями.