BR112014012874B1

BR112014012874B1 - Acionador de válvula, controlador para acionador de válvula e método para operar uma haste de acionamento

Info

Publication number: BR112014012874B1
Application number: BR112014012874-0A
Authority: BR
Inventors: Brian Cooper; Peter George Clarke
Original assignee: Eaton Limited
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2021-06-15
Also published as: US20150108937A1; WO2013079453A1; CA2857220A1; US9335745B2; BR112014012874A2; GB201120464D0; JP6391468B2; EP2786482B1; BR112014012874B8; CN103959639A; ES2792831T3; RU2635554C2; EP2786482A1; CN103959639B; GB2496909A; CA2857220C; RU2014126424A; JP2014533924A

Abstract

acionador de válvula, controlador para acionador de válvula e método para operar uma haste de acionamento. um acionador de válvula (100) inclui uma haste de acionamento (102) para, em uso, ajustar uma válvula (104) entre uma posição aberta e uma posição fechada, um motor de indução ac (106) para acionar a haste de acionamento, um sensor de posição sem contato (110) configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular da haste de acionamento ou válvula, e um controlador (108) configurado para controlar o motor ac em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição.

Description

[001] A presente invenção refere-se aos acionadores de válvula.

[002] Os acionadores de válvula convencionais, tais como, aqueles usados em aeronave, p.ex., para controlar componentes nas asas, consistem em um motor DC escovado que aciona uma válvula 90° via uma montagem de redução de engrenagem. A posição da válvula é simplesmente controlada por uma combinação de sinais de comando e microchaves mecanicamente acionadas nas placas ajustáveis acionadas por um came. A taxa em que a válvula abre e fecha é descontrolada e varia dependendo da carga e voltagem fornecidas. Isso por vezes significa que a taxa pode variar em dez vezes a taxa esperada.

[003] Outra desvantagem de tal acionador convencional é que ele somente pode movimentar a válvula entre dois estados: aberto e fechado, sem nenhum meio de fornecer os estados intermediários. Os controladores de alguns acionadores de corrente usam sensores de posição discretos para determinar a posição da válvula. Tais acionadores exigem calibração manual antes do uso inicial e os designs convencionais não são modulares. As microchaves exigem ajuste manual mediante a montagem e são difíceis de ajustar exata e consistentemente. Tais acionadores também estão propensos à histerese e problemas devido ao efeito de retrocesso/martelo de água, que pode ocorrer quando existe um pico de pressão ou onda resultante quando um fluido em movimento é forçado para parar ou alterar a direção repentinamente (alteração de momentum). Além disso, a tecnologia existente de acionador também pode ter questões em termos de indicação e desgaste falso, p.ex., desgaste de escova e perda de exatidão introduzidos por poeira de carbono.

[004] As configurações da presente invenção são pretendidas para tratar pelo menos algumas das questões acima discutidas. Em algumas configurações, as microchaves são substituídas por não contato, p.ex., Efeito Hall, sensor de posição e o motor DC escovado é substituído por um motor de indução AC acionado por um inversor de senoide. Isso pode fornecer a capacidade de controlar a velocidade de ajuste de válvula do acionador ao ajustar a voltagem e saída de frequência do inversor para controlar a velocidade do motor AC. Essa capacidade pode ser ainda aprimorada pelo sensor sem contato fornecendo a posição absoluta da válvula, que permite à velocidade ser controlada relativa aos ângulos abertos de válvula e fechados de válvula, que pode fornecer a capacidade de eliminar os efeitos de martelo de água e picos ao abrir e fechar a válvula de uma forma controlada. De forma correspondente, em um aspecto, esta invenção fornece um acionador de válvula incluindo ou compreendendo:

[005] uma haste de acionamento para, em uso, ajustar uma válvula entre uma posição aberta e uma posição fechada;

[006] um motor de indução AC para acionar a haste de acionamento;

[007] um sensor de posição sem contato configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular (absoluta) da haste de acionamento ou válvula, e

[008] um controlador configurado para controlar o motor AC em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição.

[009] O controlador pode ajustar uma taxa em que o motor AC aciona a haste de acionamento dependente da posição da haste de acionamento. O controlador pode armazenar os dados representando pelo menos uma posição angular da haste de acionamento. Os dados podem representar uma posição ‘totalmente fechada de válvula’, uma posição ‘totalmente aberta de válvula’ e/ou posição(ões) intermediária(s), por exemplo. O controlador pode ser configurado para variar uma taxa em que o motor AC aciona a haste de acionamento entre as referidas posições angulares armazenadas de haste de acionamento. O controlador pode ser configurado para variar uma taxa em que o motor AC aciona a haste de acionamento em conformidade com os sinais externos/medições, tais como, um sinal com base em pressão.

[0010] O controlador pode ser configurado para operar uma pluralidade de diferentes aplicações de acionador de válvula. Para cada referida aplicação de acionador de válvula, o controlador pode armazenar os dados para variar a taxa de ajuste de haste de acionamento entre as posições angulares específicas para uma referida válvula ou uma referida haste de acionamento.

[0011] O controlador pode verificar a saída de posição pelo sensor de posição por energia de ciclagem aplicada ao sensor de posição entre as leituras.

[0012] O acionador pode ainda incluir pelo menos um relé de fecho (único polo magnético) para fornecer, em uso, um sinal lógico representando uma posição aberta/fechada da válvula.

[0013] O sensor de posição pode compreender um componente móvel, tal como, um imã, que pode ser fixada uma engrenagem em uma transmissão/caixa de câmbio para a haste de acionamento. O sensor de posição sem contato pode inclui um sensor de Efeito Hall.

[0014] O acionador pode ser configurado para operar com uma interface de seleção de posição de acionador. O acionador pode incluir um circuito de controle que é configurado para periodicamente ligar uma interface de direção de aeronave momentaneamente para auxiliar com os efeitos de eliminação de altas correntes de fuga nos disjuntores de estado sólido na interface de seleção de posição de acionador.

[0015] Em outro aspecto, esta invenção fornece um controlador de acionador de válvula incluindo: um dispositivo configurado para receber um sinal a partir de um sensor de posição sem contato configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular da haste de acionamento ou válvula, e um dispositivo configurado para controlar um motor de indução AC que, em uso, aciona a haste de acionamento, em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição.

[0016] Em ainda outro aspecto, esta invenção fornece um método de operar uma haste de acionamento para, em uso, ajustar uma válvula entre uma posição aberta e uma posição fechada, o método incluindo:

[0017] receber um sinal a partir de um sensor de posição sem contato configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular (absoluta) da haste de acionamento ou válvula, controlando um motor de indução AC que, em uso, aciona a haste de acionamento, em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição.

[0018] Enquanto a invenção foi acima descrita, ela se estende a qualquer combinação inventiva ou subcombinação de quaisquer desses recursos revelados aqui sozinhos ou conjuntamente com outros.

[0019] Somente por meio de exemplo, duas configurações específicas da invenção serão agora descritas, a referência sendo feita aos desenhos anexos, em que:

[0020] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um acionador de válvula exemplar, e a Figura 2 é um diagrama de bloco de uma arquitetura para o acionador de válvula.

[0021] Com referência à Figura 1, uma vista esquemática de um acionador exemplar 100 é mostrada. O acionador inclui uma haste de acionamento principal 102 que pode ser girada para movimentar uma válvula 104 entre uma posição fechada e uma posição aberta. A haste de acionamento é movimentada por um motor de indução AC 106 que é conectado a um controlador 108, que tipicamente compreenderá um Arranjo de Porta Programável em Campo, tal como, um AGL125 V2-QN132I produzido pela Microsemi Corporation. Também conectado ao controlador existe um sensor de posição sem contato 110. Na configuração exemplar, o sensor de posição é com base no Efeito Hall e inclui um componente magnético 111 que é conectado a uma engrenagem 112 na transmissão que movimenta a haste de acionamento principal; entretanto, será entendido que isso pode variar, p.ex., o componente de monitoramento de posição é direcionado conectado à haste principal, à válvula ou uma ou mais engrenagens em uma transmissão compreendendo diversas engrenagens diferentes. Também será entendido que outros tipos de dispositivos de monitoramento de posição sem contato poderiam ser usados, p.ex., tecnologia de sensor de deslocamento sem contato linear de imã permanente (PLCD). Considerando o sensor de posição 110 em mais detalhes, isso tipicamente compreende um circuito integrado (tendo dimensões de, p.ex., 6 mm x 6 mm x 1 mm), além de um componente de monitoramento magnético móvel. Um exemplo de um sensor adequado de Efeito Hall é AM256Q pela RLS/Renishaw, em combinação com um componente magnético RMM44A2C00 (um corpo cilíndrico tendo dimensões de, p.ex., 4 mm de diâmetro, 4 mm de altura, com um imã 605 Gauss, por exemplo, porém será apreciado que isso pode variar). O circuito é fixado ao alojamento de acionador (não mostrado) enquanto o componente magnético é fixado à engrenagem 112 na transmissão. Conforme a haste gira, o campo magnético aplicado ao circuito também gira. O circuito inclui um arranjo de ladrilhos de Efeito Hall e cada ladrilho produz uma voltagem que é dependente do campo magnético aplicado ao mesmo. A voltagem diferencial a partir dos ladrilhos define a posição absoluta do componente magnético com relação ao circuito.

[0022] O uso de um sensor de posição de Efeito Hall tem vantagens em termos de eliminar a necessidade para calibração manual/ajuste, que é uma exigência com microchaves, e redução dos efeitos de retrocesso. Ele também fornece um sinal capaz de indicar múltiplas posições como padrão, que, conforme abaixo discutido, pode permitir que a velocidade da haste de acionamento seja variada de modo que seja dependente da posição angular. Além disso, o sensor de posição é sem contato, é resistente à contaminação e também é insensível aos campos magnéticos. Tal sensor também tem baixas exigências de energia (p.ex., 23 mW em modo contínuo, <1 mW em modo amostrado). A saída de sinal pelo sensor 110 ao controlador 108 pode ser verificada por ciclagem da energia aplicada ao sensor pelo controlador entre as leituras.

[0023] O sensor de posição de Efeito Hall é, portanto, um dispositivo de posição absoluta e no caso de uma interrupção no abastecimento de energia ao acionador, normalmente revalidaria sua posição no reinício da energia. Entretanto, se a exigência de sistema for tal que o acionador tem linhas independentes de sinal de fechar/abrir, que fornece um sinal de nível de lógica alto/baixo (conforme pode ser o caso com os sistemas de aeronave), então isso pode ser atingido ao adicionar os relés de fecho magnético de único polo hermético, que são pequenos e confiáveis, e podem manter o relé fechado mesmo se a energia ao relé for terminada. Olhando o motor de indução AC 106 em mais detalhes, isso tipicamente compreenderá um rotor de alumínio de matriz e um estator de 3 fases encapsulado. Ele pode ser acionado por um acionador eletrônico de senoide com frequência/voltagem variável, capacidade de velocidade de acionador ajustável e freio dinâmico. A velocidade pode ser independente da voltagem de abastecimento. Os inventores apreciaram que o motor de indução tem vantagens sobre os motores PM sem escova convencionais devido ao baixo custo, simplicidade e maior confiabilidade.

[0024] A Figura 2 mostra uma arquitetura exemplar para um acionador de válvula usando os princípios acima descritos. O sensor de posição 110 está em comunicação com um controlador 108 que recebe energia de uma unidade de abastecimento de energia 202. O controlador também é conectado a uma interface de indicador de piloto 204 que é ligada a um conector 206 para proteção transitória. Em alguns casos, a proteção transitória pode ser em um circuito impresso, ao invés do conector. O conector também é ligado a uma unidade de proteção de polaridade reversa e/ou diodo 210. O controlador pode receber os dados a partir da interface de direção e transmitir sinais à unidade de proteção de polaridade. O controlador pode também transmitir sinais a um limite de corrente e unidade de limite de voltagem 212, bem como, uma ponte de transistor e acionamento de porta 214 que também está em comunicação com a unidade de limite 212. A ponte de transistor/acionamento de porta pode controlar o motor de indução AC 106 e é conectado a uma caixa de câmbio 216 que inclui pelo menos uma engrenagem cuja posição é monitorada pelo sensor de posição 110. Em algumas configurações, o acionador pode receber os sinais exigidos de posição de acionador, e transmitir a posição de acionador usando um barramento serial de dados.

[0025] As configurações do acionador podem ser usáveis com uma interface de seleção de posição. Se uma aeronave usar os disjuntores de estado sólido para selecionar a posição exigida de acionador, eles comumente têm uma alta corrente de fuga no estado DESLIGADO. Essa alta corrente de fuga pode enganar o acionador para identificar um estado DESLIGADO como LIGADO. Um circuito de controle pode compensar isso enquanto também mantém o consumo de energia em um mínimo. Ele pode fazer isso ao periodicamente ligar a interface de direção momentaneamente. O circuito de interface pode ser um circuito de baixa impedância que elimina os efeitos de alta corrente de fuga.

[0026] As configurações aqui descritas podem pelo menos parcialmente eliminar os problemas discutidos na introdução à especificação. O design do acionador é flexível e pode permitir que um único acionador seja usado em múltiplas aplicações. Isso pode ser atingido ao programar a velocidade de abertura/fechamento do acionador para adequar as aplicações específicas/válvulas diferentes. Por exemplo, o controlador pode ser configurado para ajustar uma taxa em que o motor AC aciona a haste de acionamento dependente da posição da haste de acionamento. O controlador pode armazenar os dados representando pelo menos uma posição angular de haste de acionamento. Os dados podem representar uma posição ‘totalmente fechada de válvula’, uma posição ‘totalmente aberta de válvula’ e/ou posição(ões) intermediária(s), por exemplo. O controlador pode ser configurado para variar uma taxa em que o motor AC aciona a haste de acionamento entre as referidas posições angulares armazenadas de haste de acionamento. O controlador pode ter uma tabela de consulta ou semelhante que armazena os dados incluindo posição(ões) de válvula e velocidades/taxas adequadas de acionamento para múltiplas aplicações. Será apreciado que as variações adicionais são possíveis, p.ex., a taxa de acionamento poderia ser variada em conformidade com os sinais/medições externos, tais como, leitura de medidor de pressão. Além disso, o arranjo de monitoramento de acionador pode ser usado para controlar um acionador com um diferente número de posições, por exemplo, um acionador de quatro posições.

Claims

1. Acionador de válvula, incluindo:- uma haste de acionamento (102) para, em uso, ajustar uma válvula (104) entre uma posição aberta e uma posição fechada;e- um motor de indução AC (106) para acionar a haste de acionamento (102), caracterizado pelo fato de um sensor de posição sem contato (110) ser configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular da haste de acionamento ou válvula (102) ou da válvula (104), e um controlador (108) configurado para controlar o motor de indução AC (106) em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição (110), sendo que o controlador (108) é configurado para ajustar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) dependente da citada posição angular da haste de acionamento e para armazenar os dados representando uma pluralidade de posições angulares de haste de acionamento (102), sendo que o controlador (108) é configurado para variar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) entre as referidas posições angulares armazenadas da haste de acionamento (102).

2. Acionador de válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os dados representam uma posição ‘totalmente fechada de válvula’, uma posição ‘totalmente aberta de válvula’ e/ou posição(ões) intermediária(s).

3. Acionador de válvula, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o controlador (108) ser configurado para variar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) em conformidade com pelo menos um sinal/medição externo.

4. Acionador de válvula, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o sinal/medição externo representar uma leitura de pressão.

5. Acionador de válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de o controlador (108) ser configurado para operar uma pluralidade de diferentes aplicações de acionador de válvula (100) e sendo que para cada referida aplicação de acionador de válvula (100), o controlador (108) é configurado para armazenar os dados para variar uma taxa de ajuste de haste de acionamento entre as posições angulares específicas para uma referida válvula (104) ou uma referida haste de acionamento (102).

6. Acionador de válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de o controlador (108) ser configurado para verificar a saída de posição pelo sensor de posição (110) por energia de ciclagem aplicada ao sensor de posição (110) entre as leituras.

7. Acionador de válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de ainda incluir pelo menos um relé de fecho para fornecer, em uso, um sinal lógico representando uma posição aberta/fechada da válvula (104).

8. Acionador de válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de o sensor de posição (110) compreender um componente móvel, tal como, um imã, que é fixado em uma engrenagem (112) em uma transmissão/caixa de câmbio para a haste de acionamento (102).

9. Acionador de válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de o acionador (103) ser configurado para operar com uma interface de seleção de posição de acionador (103).

10. Acionador de válvula, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o acionador (103) incluir um circuito de controle que é configurado para periodicamente ligar em uma interface de direção de aeronave (210) momentaneamente para auxiliar com os efeitos de eliminação das altas correntes de fuga nos disjuntores de estado sólido na interface de seleção de posição de acionador (103).

11. Controlador para acionador de válvula, caracterizado pelo fato de incluir:- um dispositivo (108) configurado para receber um sinal a partir de um sensor de posição sem contato (110) configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular da haste de acionamento (102) ou de uma válvula (104), e conectado a um dispositivo (110) configurado para controlar um motor de indução AC (106) que, em uso, é configurado para acionar a haste de acionamento (102), em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição (110), sendo que o citado controlador (108) é configurado para ajustar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) dependente da citada posição angular da haste de acionamento e para armazenar os dados representando uma pluralidade de posições angulares de haste de acionamento (102), sendo que o controlador (108) é configurado para variar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) entre as referidas posições angulares armazenadas da haste de acionamento (102).

12. Método para operar uma haste de acionamento, executado por um controlador para acionador de válvula (108) para, em uso, ajustar uma válvula (104) entre uma posição aberta e uma posição fechada, dito método caracterizado pelo fato de incluir:- receber um sinal a partir de um sensor de posição sem contato (110) configurado para, em uso, produzir um sinal representando uma posição angular da haste de acionamento ou válvula (102) ou a válvula (104), e controlar um motor de indução AC (106) que, em uso, aciona a haste de acionamento (102), em conformidade com a saída de sinal pelo sensor de posição (110); - ajustar uma taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) dependente da citada posição angular da haste de acionamento;- armazenar os dados representando uma pluralidade de posições angulares de haste de acionamento (102), e variar a taxa na qual o motor de indução AC (106) aciona a haste de acionamento (102) entre as referidas posições angulares armazenadas da haste de acionamento (102).