ЭЛЕКТРОПРИВОД ТРУБОПРОВОДНОЙ 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 электропривод трубопроводной запорной арматуры с механической системой управления, позволяющий превращать вращательное движение вала двигателя в замедленное поступательное перемещение трубопроводной арматуры [1. Патент РФ №2225558, МКИ 7 F 16 K 31/00, опубл. 2004.03.10.]. Этот привод содержит двигатель вращения и передаточный механизм. При этом передаточный механизм содержит 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 эксцентриситета между осью винта и вала, а шагом равна шагу винта.
Недостатком известного устройства является его сложность, связанная с наличием передаточного механизма, а также невозможность обеспечения постоянного значения кпд передаточного механизма в процессе его эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели, является электропривод дистанционного управления многооборотной и неполноповоротной запорной арматурой на трубопроводах различного назначения. Этот электропривод содержит блок электронного управления, а также асинхронный электродвигатель, редуктор, со встроенными в него датчиком
зад
зад
момента (тензометрический датчик) и датчиком положения вала электродвигателя (в источнике 2, с.27 он назван путевым датчиком), и ручной дублер, при этом редуктор механически связан с асинхронным электродвигателем. Блок электронного управления выполнен из модуля силового преобразователя (в источнике 2, с.26 он назван блоком силовой коммутации и выполнен на симисторах) и управляющего устройства, имеющего два управляющих входа для задания требуемых значений положения и момента П, М, (в источнике 2 с.26 управляющее устройство состоит из процессорного блока) и три информационных входа. Силовой вход модуля силового преобразователя подключен к сети переменного напряжения, а его выход связан с обмотками статора асинхронного электродвигателя. При этом три информационных выхода управляющего устройства соединены соответственно с тремя входами блока силовой коммутации, а информационный выход модуля силового преобразователя связан с информационным входом управляющего устройства.
Блок электронного управления позволяет управлять пуском и остановом электродвигателя, контролировать крутящий момент на выходном валу электропривода по датчику момента и угловые перемещения выходного вала. В данном устройстве используют серийный асинхронный электродвигатель с напряжением питания, как правило, 380 В и частотой вращения 3000 об/мин или 1500 об/мин, а для управления задвижкой требуется частота вращения ее запорного устройства 1-60 об/мин, что требует использование редуктора с высоким коэффициентом редукции. Редуктор является сложным в изготовлении и имеет высокую стоимость (не менее 30% от стоимости всего привода). [2. Журнал "Химическое и нефтегазовое машиностроение №1, 2002, с.26-27].
К недостаткам известного электропривода следует отнести невозможность регулирования момента и скорости на запорном устройстве задвижки, что снижает точность ее закрытия или открытия по моменту и положению. При настройке задвижки на отключение по моменту в течение заданного времени инерционные механические массы вращающихся частей приводят к
значительному превышению реального момента на запорном устройстве относительно его заданной величины. Отсутствие регулирования по скорости снижает точность управления технологическими параметрами (давление, расход) особенно при необходимости синхронного регулирования несколькими задвижками одновременно. Кроме того, наличие редуктора усложняет механическую часть электропривода и повышает его стоимость.
Задачей полезной модели является создание электропривода трубопроводной арматуры, позволяющего получить технический результат, заключающийся в повышении точности управления задвижкой по моменту и положению при одновременном расширении диапазона регулирования скорости вращения выходного вала электродвигателя и снижении стоимости электропривода.
Поставленная задача решается тем, что электропривод трубопроводной арматуры так же, как прототип содержит асинхронный электродвигатель, датчик положения вала электродвигателя, ручной дублер и блок электронного управления. При этом блок электронного управления имеет управляющее устройство и модуль силового преобразователя, силовой вход которого подключен к сети переменного напряжения, а его выход связан с обмотками статора асинхронного электродвигателя. Управляющее устройство имеет два управляющих входа для задания требуемых значений положения и момента, и три информационных входа, один из которых связан с информационным выходом модуля силового преобразователя. Три информационных входа модуля силового преобразователя связаны с тремя информационными выходами управляющего устройства, а второй информационный вход управляющего устройства связан с датчиком положения вала электродвигателя. В отличие от прототипа в заявляемом электроприводе трубопроводной арматуры асинхронный электродвигатель, датчик положения вала электродвигателя и ручной дублер объединены в исполнительное устройство и выполнены в одной оболочке. При этом асинхронный электродвигатель выполнен высоко-моментным низкоскоростным с полым ротором, а ручной дублер
механически связан с ротором асинхронного электродвигателя и выполнен со встроенным в него магнитным датчиком положения ручного дублера, связанным с третьим информационным входом управляющего устройства. При этом датчик положения вала электродвигателя, имеет гальванический источник питания и механически связан с ротором асинхронного электродвигателя. Управляющее устройство блока управления выполнено на аналого-цифровом сигнальном процессоре, реализующем алгоритм векторного управления асинхронным электродвигателем и регулирование положения, скорости и момента. При этом он содержит регуляторы положения, скорости, момента, и имеет третий управляющий вход для задания значения скорости, и четвертый информационный вход, соединенный с информационным выходом модуля силового преобразователя.
При этом число витков обмотки статора высокомоментного низкоскоростного асинхронного электродвигателя увеличено по сравнению с числом витков серийного электродвигателя и определено по формуле:
ф разр
где, W- число витков в фазе разрабатываемого электродвигателя,
ф сер
W- число витков в фазе серийного электродвигателя,
ф min
U - минимально возможное фазное напряжение разрабатываемого электродвигателя,
ф
nom
U- номинальное фазное напряжение серийного электродвигателя,
cep
f- частота напряжения питания серийного электродвигателя,
разр
f - максимальная частота питающего напряжения разрабатываемого электродвигателя.
Модуль силового преобразователя выполнен, например, из выпрямителя, фильтра и автономного инвертора напряжения, при этом силовой вход
выпрямителя является силовым входом модуля силового преобразователя. Выход выпрямителя связан со входом фильтра, выход которого соединен со входом автономного инвертора напряжения, а его выход является выходом модуля силового преобразователя.
q
d
d
q
q
ya
yb
yc
d
d
d
Управляющее устройство, выполнено на аналого-цифровом сигнальном процессоре, содержащем следующие программные блоки: задания положения, П-регулятора положения, задания скорости, ПИ-регулятора скорости, задания момента, ПИ-регулятора составляющей тока статора I (момента), преобразователя координат, защиты, задатчика составляющей тока статора I (потока), ПИ-регулятора составляющей тока статора I (потока), расчета скорости. Выход блока задания положения связан со входом П-регулятора положения, второй вход которого является информационным входом управляющего устройства блока управления. Выход П-регулятора положения связан со входом блока задания скорости, выход которого связан со входом ПИ-регулятора скорости, второй вход которого связан с выходом блока расчета скорости, выход которого связан с первым входом преобразователя координат. Выход ПИ-регулятора скорости связан со входом блока задания момента, выход которого соединен со входом ПИ-регулятора составляющей тока статора I (момента), выход которого связан со вторым входом преобразователя координат, первый выход которого соединен со вторым входом ПИ-регулятора составляющей тока статора I (момента). Второй, третий и четвертый выходы преобразователя координат связаны соответственно со входами блока защиты, выходы которого являются информационными выходами управляющего устройства блока управления U, U, U. Четвертый вход блока защиты является третьим информационным входом управляющего устройства. Выход задатчика составляющей тока статора I (потока) связан со входом ПИ-регулятора составляющей тока статора I (потока), выход которого связан с третьим входом преобразователя координат, пятый выход которого соединен со вторым входом ПИ-регулятора составляющей тока статора I (потока). Четвертый и пятый входы
а
b
зад
зад
зад
преобразователя координат являются информационными входами управляющего устройства блока управления I, I. Вход блока задания положения П и вторые входы блоков задания скорости Nи задания момента М являются управляющим входами управляющего устройства блока управления.
Совокупность существенных признаков электропривода трубопроводной арматуры, заявляемого в качестве полезной модели, не известна заявителю из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
Совокупность отличительных признаков заявляемой полезной модели позволяет повысить точность управления задвижкой по моменту и положению при одновременном расширении диапазона регулирования скорости электродвигателя и снижении стоимости электропривода. Это достигается тем, что асинхронный электродвигатель выполнен с полым ротором, выбран по требуемому моменту на запорном устройстве задвижки и выполнен с повышенным числом витков обмотки статора, что позволяет ему работать от блока управления на низких частотах вращения (1-100 об/мин) с пониженным напряжением питания и сниженными токами потребления. При этом управляющее устройство блока управления выполнено на аналого-цифровом сигнальном процессоре, позволяющем регулировать положение, скорость и осуществлять векторное управление моментом асинхронного электродвигателя. Кроме того, выполнение исполнительного устройства в одной оболочке упростило механические и электрические связи между асинхронным электродвигателем, ручным дублером, датчиком положения ротора и гальваническим источником питания. Вышеизложенное позволило исключить редуктор в элекгроприводе при одновременном повышении точности управления запорной арматурой по моменту и положению и снизить его стоимость.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого электропривода трубопроводной арматуры, на фиг.2 приведена блок схема управляющего устройства блока управления электропривода.
зад
зад
зад
а
b
ya
yb
yc
вых
вых
вых
зад
зад
зад
Электропривод (см фиг.1) содержит блок электронного управления 1 (БУ) и исполнительное устройство 2 (ИУ). Блок электронного управления 1 содержит управляющее устройство 3, имеющее управляющие входы для задания требуемых значений положения, момента и скорости (П, М, N), и модуль силового преобразователя 4, содержащий выпрямитель 5, силовой вход которого подключен к сети переменного напряжения (трехфазной или однофазной), а его выход связан со входом фильтра 6, выход которого соединен со входом автономного инвертора напряжения 7, выход которого связан с обмотками статора асинхронного электродвигателя 8. Асинхронный электродвигатель 8 механически связан с датчиком положения вала электродвигателя 9, ручным дублером 10, имеющим встроенный магнитный датчик положения ручного дублера 11. Датчик положения вала электродвигателя 9 имеет гальванический источник питания 12. Три управляющих выхода управляющего устройства 3 соединены соответственно с тремя управляющими входами автономного инвертора напряжения 7. Два информационных выхода автономного инвертора напряжения 7 соединены соответственно с информационными входами управляющего устройства 3. А два других информационных входа управляющего устройства 3 соединены соответственно с выходами датчика положения 9 вала электродвигателя и магнитного датчика положения ручного дублера 11. Кроме того, использованы обозначения: I - выходной ток инвертора фазы А, I - выходной ток инвертора фазы В; U, U, U - управляющие сигналы инвертора соответственно фазы А, В, С; М - электромагнитный момент на выходном валу электродвигателя, N - скорость вращения вала электродвигателя, П - положение выходного вала электродвигателя; П, М, N- команды задания положения, момента и скорости электродвигателя.
q
Управляющее устройство 3 блока управления 1 электропривода (см. фиг.2) содержит следующие программные блоки: задания положения 13, П-регулятора положения 14, задания скорости 15, ПИ-регулятора скорости 16, задания момента 17, ПИ-регулятора составляющей тока статора I
d
d
sd
sq
sq
sd
(момента) 18, преобразователя координат 19, защиты 20, задатчика составляющей тока статора I (потока) 21, ПИ-регулятора составляющей тока статора I (потока) 22, расчета скорости 23. На фиг.2 использованы также обозначения: i, i - составляющие тока статора в ортогональной системе координат ротора с осями d-q, V, V - ошибки регуляторов составляющих тока статора.
c
ф
ф
ф
ф
Работа рассмотрена на конкретном примере выполнения электропривода, в котором управляющее устройство 3 выполнено на аналого-цифровом сигнальном процессоре, содержащем следующие программные блоки: преобразователь координат асинхронного электродвигателя 19, расчета скорости 23, двух ПИ-регуляторов составляющих токов статора 18, 22, ПИ-регулятор скорости 16, задания момента 17, П-регулятор положения 14, блок задания положения 13. Модуль силового преобразователя 4 содержит выпрямитель 5, фильтр 6, автономный инвертор напряжения 7. Силовой вход выпрямителя 5 связан с сетью переменного напряжения U, а его выход связан со входом фильтра 6, выход которого соединен со входом автономного инвертора напряжения 7, который выполнен по схеме трехфазного транзисторного моста на IGBT транзисторах, в выходных фазах А и В которого включены датчики токов соответственно фазы А и В (на чертеже не показано), выходные сигналы которых образуют информационные выходы автономного инвертора напряжения 7 и подаются на информационные входы устройства управления 3. Асинхронный электродвигатель 8 состоит из статора с трехфазной обмоткой и полого ротора с короткозамкнутой обмоткой. Асинхронный электродвигатель выбран по требуемому моменту на входном звене задвижки 30 Н·м, что позволило, при напряжении питания 220 В и частоте вращения вала электродвигателя 1-100 об/мин выполнить обмотку статора с повышенным числом витков W=432 (в серийном электродвигателе при напряжении 220 В, W=144) и в три раза снизить значение потребляемого тока электродвигателя I=4 А, а при закрытии задвижки обеспечить момент 60 Н·м при потребляемом токе электродвигателя I=8 А.
Датчик положения вала электродвигателя 9 состоит из зубчатого колеса, закрепленного на валу асинхронного электродвигателя, и чувствительных элементов, выполненных на магниторезисторах, и имеет гальванический источник питания (литиевый элемент) 12. Магнитный датчик положения ручного дублера 11 выполнен на датчике Холла и встроен в ручной дублер 10. Ручной дублер 10 выполнен с механизмом, позволяющим управлять задвижкой в ручном режиме.
c
зад
зад
зад
зад
зад
зад
а
b
ya
yb
yc
Электропривод работает следующим образом. При подаче электропитания переменное сетевое напряжение U преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя 5 и фильтра 6 и подается на вход автономного инвертора напряжения 7. Ручной дублер 10 при этом отсоединен от вала электродвигателя и находится в положении «автоматический режим». С магнитного датчика 11 ручного дублера 10 в управляющее устройство 3 поступает сигнал, разрешающий включение электродвигателя 8. Управление задвижкой трубопровода осуществляется с помощью управляющих команд П, М, N, поступающих на входы управляющего устройства 3 (блоки 13, 17, 15). Эти сигналы задают требуемые положение задвижки П, скорость задвижки N, и требуемый момент закрытия (открытия) задвижки M. Управляющее устройство 3 реализует алгоритм векторного управления асинхронного электродвигателя 8. Для этого используется информация о токах I, I, поступающая на информационные входы (на входы преобразователя координат 19) управляющего устройства 3 с датчиков токов фаз А и В, и информация о частоте вращения ротора, определенная в блоке расчета скорости 23, по информации, поступающей с датчика положения вала электродвигателя 9. Преобразователь координат 19 управляющего блока 3 вычисляет составляющие тока статора, соответствующие потоку и моменту электродвигателя, вычисляет частоту вращения магнитного поля статора и преобразует ошибки ПИ-регуляторов составляющих тока статора 18, 22 в управляющие широтно-импульсные сигналы U, U, U, поступающие на вход автономного инвертора напряжения 7 через блок защиты 20. ПИ-регуляторы составляющих
зад
зад
токов статора 18, 22 одновременно выполняют функцию регуляторов момента и потока электродвигателя. Структурная схема управляющего устройства 3 выполнена по системе подчиненного регулирования, с контурами регулирования, момента, скорости и положения. Автономный инвертор напряжения 7 в соответствии с управляющими сигналами формирует на входе асинхронного электродвигателя трехфазные синусоидальные сигналы переменной частоты, амплитуды и фазы из постоянного выпрямленного сетевого напряжения. Электродвигатель, подключенный к запорному устройству задвижки, перемещает его в заданное положение, с заданной скоростью. Останов электродвигателя может происходить как по условию достижения требуемого положения П, контролируемого по датчику положения вала электродвигателя 9, так и по условию достижения заданного усилия М. После достижения заданного усилия, например, при закрытии задвижки, начинает работать регулятор момента и стабилизировать выходной момент на валу электродвигателя, чем и обеспечивается высокая точность закрытия задвижки по моменту. По истечении заданного времени создания требуемого усилия электродвигатель обесточивается. Управляющее устройство позволяет задавать разные максимальные моменты электродвигателю и разные скорости движения при начале движения запорного устройства задвижки, при его движении, и останове для закрытия или открытия.
Регулятор скорости управляющего устройства 3 обеспечивает широкий диапазон (1-100 об/мин) задания скоростей запорному устройству задвижки, а также высокую точность их поддержания. Регулятор положения обеспечивает высокую точность останова электродвигателя 8 (не более одного градуса) и удерживает запорное устройство задвижки в заданном положении при изменении давления в трубопроводе.
Для контроля положения задвижки при отключенном электропитании в исполнительном устройстве установлен гальванический источник питания 12 (например, литиевый элемент), который обеспечивает электропитанием датчик положения вала электродвигателя 9. В случае перемещения запорного
устройства задвижки ручным дублером 10 микроконтроллер датчика положения вала электродвигателя 9 считывает изменяющееся положение и сохраняет эту информацию у себя в памяти. После подачи электропитания на электропривод управляющее устройство 3 считывает информацию о положении запорного устройства задвижки с датчика положения вала электродвигателя 9 и определяет новое текущее положение.
Таким образом, заявляемый электропривод трубопроводной арматуры управляет запорным устройством задвижки без редуктора, обеспечивая высокую точность ее закрытия (открытия) по моменту и положению при расширенном диапазоне скорости, и имеет более низкую стоимость. Кроме того, расширение диапазона скоростей и повышение точности их регулирования позволяет применять данный электропривод на различных типах задвижек без традиционной замены электродвигателя или редуктора, а также при необходимости обеспечить синхронное управление несколькими задвижками.
Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на известной элементной базе на современном оборудовании и по современной технологии. Заявляемый электропривод для трубопроводной арматуры может найти применение для дистанционного и местного управления исполнительными органами запорной, запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах нефтяной, газовой и др. промышленности.