ES2924901T3

ES2924901T3 - Accionador de válvula electrónico con controlador de par predictivo de autocalibración

Info

Publication number: ES2924901T3
Application number: ES19872953T
Authority: ES
Inventors: Mark D Ollander; Daniel E Carlson; Michael Adam Rumore
Original assignee: Flowserve Management Co
Current assignee: Flowserve Management Co
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: KR102295540B1; KR20210049941A; CN112888886B; CN112888886A; WO2020081291A1; US20200124198A1; CA3116871C; CA3116871A1; EP3867552A1; US10920899B2; EP3867552A4; EP3867552B1

Abstract

Un controlador electrónico de un actuador de válvula calcula de manera predictiva las entradas del motor que harán que el actuador aplique las fuerzas o pares deseados a una válvula. Un sensor de fuerza/par del actuador mide la fuerza o el par aplicados en la salida del motor y/o la válvula para verificar la fuerza o el par aplicados y permitir la actualización de los ajustes de calibración según sea necesario. Tras la falla del sensor de fuerza/par, las realizaciones continúan la operación predictiva sin verificación del sensor o actualizaciones de calibración. Al fallar el control predictivo, las realizaciones continúan la actuación de la válvula bajo control reactivo a través del sensor de fuerza/par. La conexión a un simulador de válvula de calibración permite que las realizaciones realicen una autocalibración inicial usando el sensor de fuerza/par del actuador. El motor puede ser un motor de CA accionado por frecuencia variable o un motor de CC. La calibración puede incorporar propiedades mecánicas de un tren de engranajes del actuador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Accionador de válvula electrónico con controlador de par predictivo de autocalibración

Solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente de Estados Unidos con n.° 16/165.043, presentada el 19 de octubre de 2018.

Campo de la invención

La invención se refiere a accionadores de control tales como accionadores de válvula y, más en particular, a accionadores de válvula de par variable impulsados por motor y controlados electrónicamente.

Antecedentes de la invención

Las válvulas de control y los accionadores de válvula tienen una extensa aplicación en diversas industrias, tales como la generación de energía de todo tipo, el petróleo y la petroquímica, los textiles, el papel y el procesamiento de alimentos. Las válvulas de control a menudo se utilizan para controlar directa y/o indirectamente las temperaturas, las presiones y los flujos dentro de un sistema de circuito abierto o cerrado. La operación de una válvula de control generalmente implica colocar un tapón en relación con un asiento estacionario dentro de la válvula, de modo que el accionador quede acoplado directamente al tapón de válvula a través de un vástago que se usa para mover el tapón de válvula a la posición de control deseada. La acción de la válvula puede ser lineal o giratoria, dependiendo de si la válvula es de tipo lineal o giratorio. En el documento US 2016/238469 A1 se describen una válvula y un accionador del estado de la técnica.

Cabe señalar que en el presente documento se hace referencia frecuentemente al "par" que un accionador aplica a una válvula. Sin embargo, debe entenderse que, a menos que el contexto requiera lo contrario, tal como se utiliza en el presente documento el término "par" también se refiere a la fuerza de desplazamiento lineal, según la implementación del accionador de válvula sea giratoria o lineal. De manera similar, la "velocidad" de accionamiento de la válvula puede referirse a la velocidad lineal o giratoria, de acuerdo con la configuración de la válvula y el accionador. De manera adicional, debe entenderse que el término "vástago" de válvula, tal como se usa en el presente documento, no se limita a vástagos de válvula accionados por rotación, sino que se refiere genéricamente a cualquier elemento mecánico de una válvula que se manipule mediante un accionador de válvula para ajustar el grado de apertura o cierre de la válvula.

En el caso más sencillo, un accionador de válvula puede ser puramente mecánico. Sin embargo, a menudo es conveniente controlar eléctricamente un accionador de válvula, por varias razones, p. ej. para obtener control y/o monitoreo remoto. Esto puede permitir colocar la válvula en un entorno remoto, peligroso, inflamable y/o tóxico, y/o en un lugar que resulte poco conveniente o de difícil acceso.

El control remoto de un accionador de válvula eléctrica puede ser "manual", por ejemplo ajustando un potenciómetro. En otros casos, la función del accionador de válvula incluye componentes electrónicos de control integrados que permiten que el accionador efectúe tareas más complejas sin necesidad de intervención humana local inmediata, tal como en el caso de control o regulación de procesos, la implementación de perfiles de velocidad/par y/o una parada de emergencia. Para muchas de estas aplicaciones, la velocidad de funcionamiento y la fuerza o el par proporcionados por un accionador de válvula son parámetros importantes.

La velocidad y el par o la fuerza que aplica un accionador de válvula a una válvula se pueden controlar de muchas formas. En el caso más sencillo, si se requieren un par y una velocidad de accionamiento constantes, se puede acoplar un motor de velocidad fija a un conjunto de engranajes para proporcionar a una válvula la combinación correcta de velocidad y par. Sin embargo, este enfoque requiere que el fabricante seleccione y combine cuidadosamente un motor y un conjunto de engranajes apropiados para proporcionar un accionador con un par y una velocidad óptimos. Si un fabricante desea un tiempo de respuesta rápido para los pedidos de sus clientes, esto a su vez requiere que el fabricante almacene una amplia variedad de motores y conjuntos de engranajes. Adicionalmente, se debe emplear mano de obra especializada que sepa ensamblar las diferentes variaciones (a veces, cientos) de un único diseño de accionador de válvula genérico.

Otra desventaja de este enfoque es que, en caso de necesitar cambiar las características de par y velocidad de un accionador de válvula debido a un cambio o reevaluación de los requisitos de la válvula, deberá detenerse el accionador, desmontar el mismo, y volver a montarse con un conjunto de engranajes y/o motor diferentes.

Hay muchas aplicaciones en las que resulta deseable variar la velocidad y el par del accionador en el intervalo de accionamiento, y/o debido a la retroalimentación, los requisitos de control del proceso u otras condiciones de control. Por ejemplo, Los intercambiadores de calor son un tipo común de aplicación de control de circuito cerrado que puede requerir controlar y regular de manera variable el agua, el vapor y un líquido condensado. Incluso si se desea una velocidad de accionamiento constante, podría ser necesario variar el par aplicado en el intervalo de accionamiento de acuerdo con un perfil de par específico para obtener la velocidad de accionamiento constante deseada.

Por consiguiente, a menudo es deseable proporcionar un accionador de válvula que tenga un controlador y un motor capaces de proporcionar un par/velocidad de salida variable. Uno de los requisitos imprescindibles para muchos accionadores controlados electrónicamente y accionados por motor, con velocidad/par variable, es el de limitar la fuerza o el par máximo que se aplica mientras se mueve el vástago de una válvula de control de flujo a una posición controlada. De manera adicional, en muchas aplicaciones resulta deseable aplicar un par de acuerdo con un perfil de velocidad/par especificado a medida que se acciona la válvula. Incluso puede ser necesario controlar la velocidad/par aplicado de acuerdo con la retroalimentación del control del proceso u otras señales de control.

Hay muchos diseños y tamaños de válvulas diferentes, cada uno con sus propias limitaciones y características únicas de fuerza o par. Por lo tanto, uno de los desafíos con los que se encuentran los fabricantes de accionadores es diseñar un accionador que pueda controlar con precisión el par y posicionar la válvula de acuerdo con los requisitos operativos específicos.

Un posible enfoque es incluir un dispositivo sensor de par o fuerza entre el motor y el tren de engranajes asociado, y/o entre el tren de engranajes y la válvula, y que el controlador regule el par aplicado de acuerdo con los valores medidos. Por ejemplo, el dispositivo sensor puede ser:

• Un mecanismo resorte que se ajuste mecánicamente para cerrar un conjunto de contactos cuando se alcance una fuerza o par máximo especificado, enviando así al controlador electrónico una señal indicativa de que se ha alcanzado el nivel máximo de fuerza o par; o

• Un dispositivo electrónico tal como un extensómetro que mida dinámicamente el par o la fuerza y transmita al controlador electrónico una señal analógica representativa de la medición de la fuerza o el par, para que el sistema de control pueda tomar las acciones de control apropiadas.

Cabe destacar que este enfoque regulado por sensores resulta esencialmente reactivo, dado que el controlador opera de acuerdo con los valores medidos de un par que ya se ha aplicado a la válvula. De esta manera, existe la posibilidad de una latencia de medición y mecánica, por lo que podría aplicarse un nivel peligroso de fuerza o par en la válvula antes que el controlador electrónico pudiera reaccionar.

Otro enfoque es implementar lógica y algoritmos de software en el controlador electrónico que calculará la configuración del motor en función de un perfil de par/velocidad precalibrado para la válvula y el accionador, y hará que el controlador aplique la configuración calculada al motor eléctrico, provocando de este modo que el motor aplique el par motor deseado/requerido. En lugar de permitir que el motor funcione a su máxima capacidad, este enfoque esencialmente estrangula la energía del motor eléctrico para controlar y limitar la salida de par del motor. Por supuesto, un requisito previo esencial para este enfoque es medir con precisión las características eléctricas del motor y las propiedades mecánicas del engranaje del sistema, para crear un perfil fiable que pueda introducirse en el algoritmo de control.

Algunos ejemplos de este enfoque incluyen:

• Un motor sin sensores, de modo que sea necesario que el controlador electrónico prediga la orientación del rotor del motor con respecto al estátor del motor en cada momento, en función del historial de accionamiento, y que energice el motor en consecuencia para generar el par deseado.

• Un motor que incluya un sensor de posición del rotor que mida la posición del rotor del motor con respecto al estátor del motor y, en consecuencia, active el motor para generar el par deseado.

Cabe destacar que este enfoque de control de accionamiento del motor resulta esencialmente predictivo, porque los ajustes del motor se calculan e implementan en función de un perfil predefinido de la válvula y el accionador antes de que se aplique realmente la fuerza o el par, en lugar de en respuesta a una fuerza o par que ya se haya aplicado y medido. Si bien este enfoque evita un "sobreimpulso" del control debido a los tiempos de demora en la medición y la reacción, existe la posibilidad de que las características del motor y/o del tren de engranajes cambien con el tiempo y/o de que el sistema pierda su calibración, de modo que la predicción de la posición de la válvula y/o el par aplicado ya no sea precisa.

Una desventaja adicional de todos estos enfoques es que no toleran las fallas, en el sentido de que una falla del sistema de control de fuerza/par puede provocar daños en la válvula.

Por lo tanto, lo que se necesita es un aparato y un procedimiento para controlar y limitar la fuerza o el par aplicado a una válvula mediante un accionador de válvula controlado electrónicamente e impulsado por motor, de manera predictiva, precisa y prolongada durante la vida útil, tolerando las fallas.

Sumario de la invención

La presente invención consiste en un aparato y un procedimiento para controlar y limitar la fuerza o el par aplicado a una válvula por un accionador de válvula controlado electrónicamente e impulsado por motor, de manera predictiva, es decir no reactiva, precisa y prolongada durante la vida útil, tolerando las fallas. De acuerdo con la invención, el accionador controlado electrónicamente e impulsado por motor incluye una tecnología de accionamiento por motor eléctrico, que incluye sensores de tensión y/o de corriente de salida, que permite el control electrónico calibrado del par de salida del motor. En algunas realizaciones, el accionador incluye un motor de CA que es impulsado por un motor de frecuencia variable con control orientado al campo. En otras realizaciones, el accionador de válvula incluye un motor de CC controlado por una unidad motriz de CC variable. El accionador controla y limita la fuerza o el par que se aplica a una válvula de acuerdo con un algoritmo de control que se basa en las características eléctricas específicas del motor y, en algunas realizaciones, también en las propiedades mecánicas del tren de engranajes del sistema accionador.

El accionador de válvula de la presente invención incluye además al menos un sensor de medición del par, que está configurado para monitorear directa o indirectamente la fuerza o el par aplicado a la válvula y para transmitir sus mediciones al controlador electrónico.

El procedimiento de la presente invención incluye llevar a cabo una calibración inicial de la fuerza o el par aplicado en función de los parámetros de control del motor, antes de poner en servicio el accionador de válvula. En algunas realizaciones, la calibración se lleva a cabo manualmente y los resultados se introducen en una tabla de calibración del accionador. En otras realizaciones, esta calibración inicial se lleva a cabo conectando el accionador de válvula a un aparato de prueba, tal como un soporte de par, y permitiendo que el controlador electrónico auto-calibre el accionador aplicando diversos grados de par al aparato de prueba, y usando el sensor de medición de par incorporado para registrar el par aplicado para cada una de una pluralidad de configuraciones de parámetros de control del motor. En algunas de estas realizaciones, el soporte de par se comunica directamente con el accionador, mientras que en otras realizaciones un operario introduce los valores medidos por el soporte de par en la tabla de calibración del accionador.

Una vez que el accionador de válvula ha sido calibrado y puesto en servicio, el procedimiento divulgado incluye controlar predictivamente la fuerza o el par aplicado a la válvula, controlando el motor de acuerdo con los parámetros de calibración.

El procedimiento incluye además el monitoreo reactivo simultáneo de la fuerza o par que se aplica a la válvula, mediante la medición periódica o continua, directa o indirecta, con el sensor de medición de par, de la fuerza o par que se aplica a la válvula, y la acción de informar al controlador electrónico de la fuerza o par aplicado y medido. De acuerdo con las mediciones de fuerza o par aplicado, el controlador electrónico actualiza y modifica periódica o continuamente los parámetros de calibración, según sea necesario, para mantener un control predictivo preciso sobre la fuerza o el par aplicado a pesar de cualquier posible desgaste, deriva térmica, deriva de tensión, o cualquier otra fuente de imprecisiones en la calibración a corto o largo plazo que pudieran producirse. Por consiguiente, la velocidad y/o el par de salida se regulan directamente, al menos en parte, de acuerdo con la retroalimentación proporcionada por los sensores de tensión y/o corriente de salida del controlador del motor, mientras que la precisión de la tabla de calibración del accionador se verifica y actualiza mediante las mediciones realizadas por el sensor de medición de par.

Las realizaciones están además configuradas para detectar una falla del sistema de control predictivo o del sistema de control reactivo y, tras detectar una falla, para depender exclusivamente de la modalidad que no haya fallado para el control y la limitación continuos de la fuerza o el par aplicado, hasta que se repare la falla.

Pueden detectarse fallas en el sistema de medición reactivo, por ejemplo, si el controlador electrónico ya no recibe mediciones del sensor de medición de par, o si las mediciones recibidas son consistentemente cero, incluso cuando el motor está energizado, o si se encuentran fuera de un intervalo de valores "operativos" especificado. Por ejemplo, las realizaciones determinan que el sistema de medición del par ha fallado si la fuerza o el par notificados informan constantemente de una corriente o tensión de salida nula incluso cuando el motor está energizado, registran la escala completa incluso cuando el motor no está energizado, o informan de valores poco realistas y/o valores que están fuera de un intervalo específico de valores operativos.

De manera similar, las realizaciones determinan que el control predictivo ha fallado si los sensores de corriente y/o tensión de salida del controlador del motor no informan de valores de corriente o tensión, informan constantemente de una corriente o tensión de salida nula incluso cuando el motor está energizado, registran la escala completa incluso cuando el motor no está energizado, o informan de valores poco realistas y/o valores que están fuera de un intervalo específico de valores operativos.

Cabe señalar que, excepto cuando el contexto indique lo contrario, en el presente documento los términos "fuerza" y "par" se usan indistintamente para referirse al grado de accionamiento mecánico que se aplica a la válvula. Por ejemplo, el "sensor de medición de par" de las realizaciones puede medir una fuerza lineal que se aplique a la válvula, y no un par, de acuerdo con los requisitos de la realización. De manera similar, en el presente documento la expresión "motor" eléctrico no se limita a un motor convencional, un motor giratorio eléctrico, sino que puede incluir cualquier dispositivo que convierta la energía eléctrica en energía mecánica, incluidos, entre otros, accionadores de solenoide que están configurados para proporcionar una fuerza de salida lineal.

Además, la expresiones "engranajes" y "tren de engranajes" se utilizan ampliamente en el presente documento para referirse a cualquier mecanismo mecánico que altere la magnitud, la dirección y/o el tipo de una fuerza mecánica, par y/o velocidad, p. ej. cambiando el eje de giro, la dirección y/o magnitud de un par de giro, mediante la conversión de una fuerza lineal a un par giratorio, y/o la conversión de un par giratorio a una fuerza lineal. Si bien en el presente documento dichos "engranajes" y "trenes de engranajes" se enumeran en referencia a ciertas realizaciones, la presente invención no se limita a realizaciones que incluyen dichos "engranajes" o "trenes de engranajes".

Un primer aspecto general de la presente invención es un accionador de válvula controlado electrónicamente e impulsado por motor eléctrico. El accionador incluye un controlador electrónico, un motor eléctrico configurado para provocar un accionamiento lineal o giratorio de una válvula de acuerdo con una entrada del motor recibida desde el controlador electrónico, de modo que la aplicación de dicha entrada de motor a dicho motor eléctrico determina una fuerza o par de salida del motor que hace que se aplique una fuerza o par de válvula a un aparato externo al accionador, y en comunicación mecánica con la válvula; y un sensor de par configurado para medir una fuerza o par detectado que esté relacionado con la fuerza o par de la válvula. El controlador electrónico está configurado para:

a. almacenar un conjunto de parámetros de configuración del motor y un requisito de control de válvula, en donde dicho requisito de control de la válvula incluye una fuerza o un par necesario a aplicar a la válvula;

b. de acuerdo con el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado, determinar una entrada de motor prevista de la que se prediga que, al ser aplicada al motor eléctrico, haga que se aplique a la válvula la fuerza o el par requerido;

c. determinar una fuerza o un par detectados previstos que será medido por el sensor de par al aplicar la fuerza o el par requeridos a la válvula;

d. aplicar al motor eléctrico la entrada de motor prevista;

e. recibir desde el sensor de par una fuerza o un par detectados medidos;

f. comparar la fuerza o el par detectados medidos con la fuerza o el par detectados previstos; y

g. si la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos supera un límite especificado, modificar el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado de acuerdo con la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos.

Las realizaciones incluyen además un tren de engranajes configurado para convertir la fuerza o el par de salida del motor en la fuerza o el par de la válvula, y en donde el conjunto de parámetros de configuración del motor incluye parámetros relevantes para las propiedades mecánicas del tren de engranajes.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la fuerza o el par detectados puede ser sustancialmente igual a la fuerza o el par de salida del motor, o a la fuerza o el par de la válvula.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el accionador de válvula puede incluir una pluralidad de sensores de par, en donde el primero de los sensores de par está configurado para medir una primera fuerza o par detectado que es sustancialmente igual a la fuerza o par de salida del motor, mientras que el segundo de los sensores de par está configurado para medir una segunda fuerza o par que es sustancialmente igual a la fuerza o par de la válvula.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el motor eléctrico puede accionarse con corriente alterna y puede controlarse mediante una unidad motriz de frecuencia variable con control orientado al campo, o el motor eléctrico puede accionarse con corriente continua y puede controlarse mediante una fuente de corriente continua variable.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el controlador electrónico puede configurarse además para determinar un conjunto inicial de parámetros de control del motor, dicha determinación incluye aplicar secuencialmente al motor eléctrico una pluralidad de entradas de motor, y registrar para cada una de las entradas de motor aplicadas una correspondiente fuerza o par detectado medido por el sensor.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el controlador electrónico puede configurarse para que repita periódica o continuamente los pasos b a g. En algunas de estas realizaciones, el controlador electrónico está configurado además para detectar una falla del sensor de par y para, tras dicha detección de falla, continuar repitiendo los pasos b a d. En algunas de estas realizaciones, el controlador electrónico está configurado para determinar que el sensor de par ha fallado cuando el controlador electrónico no reciba una fuerza o un par detectados medidos previsto, o si una fuerza o un par detectados medidos recibido desde el sensor está fuera de un intervalo especificado de valores operativos.

En cualquiera de las realizaciones anteriores en donde el controlador electrónico está configurado para repetir periódica o continuamente los pasos b a g, la entrada de motor prevista aplicada al motor eléctrico puede incluir una corriente o tensión aplicada al motor eléctrico de acuerdo con una medición de corriente o tensión proporcionada por un sensor de corriente o tensión, y en donde, al detectar que el sensor de corriente o tensión ha fallado, el controlador electrónico está configurado además para implementar el control reactivo del motor eléctrico en función de las fuerzas o pares detectados medidos.

Cualquiera de las realizaciones anteriores puede incluir además un sensor de posición de válvula configurado para medir la posición de la válvula y comunicar la posición medida al controlador electrónico.

Cualquiera de las realizaciones anteriores puede incluir además un sensor de posición de rotor configurado para medir la posición giratoria de un rotor incluido en el motor eléctrico y comunicar la posición medida al controlador electrónico.

Un segundo aspecto general de la presente invención es un procedimiento para accionar una válvula de control. El procedimiento incluye proporcionar un accionador de válvula que comprende un controlador electrónico, un motor eléctrico configurado para provocar un accionamiento lineal o giratorio de una válvula de acuerdo con una entrada del motor recibida desde el controlador electrónico, de modo que la aplicación de dicha entrada de motor a dicho motor eléctrico determine una fuerza o par de salida del motor que haga que se aplique a la válvula una fuerza o par de válvula, y un sensor de par configurado para medir una fuerza o par detectado que esté relacionado con la fuerza o par de la válvula. El procedimiento incluye además hacer que el controlador electrónico:

h. almacene un conjunto de parámetros de configuración del motor y un requisito de control de la válvula, en donde dicho requisito de control de la válvula incluye una fuerza o un par necesario a aplicar a la válvula;

i. de acuerdo con el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado, determinar una entrada de motor prevista de la que se prediga que, al ser aplicada al motor eléctrico, haga que se aplique a la válvula la fuerza o el par requerido;

j. determinar una fuerza o un par detectados previstos que será medido por el sensor de par al aplicar a la válvula la fuerza o el par requeridos;

k. aplicar al motor eléctrico la entrada de motor prevista;

l. recibir desde el sensor de par una fuerza o un par detectados medidos;

m. comparar la fuerza o el par detectados medidos con la fuerza o el par detectados previstos; y

n. si la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos supera un límite especificado, modificar el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado de acuerdo con la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos.

En algunas realizaciones, el procedimiento comprende además hacer que el controlador electrónico determine un conjunto inicial de parámetros de control del motor, dicha determinación incluye aplicar secuencialmente al motor eléctrico una pluralidad de entradas de motor, y registrar para cada una de las entradas de motor aplicadas una correspondiente fuerza o par detectado medido por el sensor de par.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el procedimiento puede incluir además hacer que el controlador electrónico repita periódica o continuamente los pasos b a g.

Algunas de estas realizaciones incluyen además determinar mediante el controlador electrónico si el sensor de par ha fallado y, al determinar que el sensor de par ha fallado, seguir repitiendo los pasos b a d.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la entrada prevista del motor aplicada al motor eléctrico puede incluir una corriente o tensión aplicada al motor eléctrico de acuerdo con una medición de corriente o tensión proporcionada por un sensor de corriente o tensión, y en donde el procedimiento comprende además, al detectar que el sensor de corriente o tensión ha fallado, implementar el control reactivo del motor eléctrico en función de las fuerzas o pares detectados medidos.

Las características y ventajas descritas en el presente documento no son exhaustivas y, en particular, para los expertos en la materia serán evidentes muchas características y ventajas adicionales a la vista de los dibujos, la memoria descriptiva y las reivindicaciones. Asimismo, cabe señalar que el lenguaje utilizado en la memoria descriptiva se ha seleccionado principalmente con fines instructivos y de legibilidad, y no para limitar el ámbito de la materia objeto de la invención.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama de bloques que ilustra una realización del accionador de la presente invención; y

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que ilustra una realización del procedimiento de la presente invención.

Descripción detallada

La presente invención consiste en un aparato y un procedimiento para controlar y limitar la fuerza o el par aplicado a una válvula por un accionador de válvula controlado electrónicamente e impulsado por motor, de manera predictiva, precisa a corto y largo plazo, y tolerando las fallas. Haciendo referencia a la Fig. 1, el accionador 100 controlado electrónicamente e impulsado por motor incluye un motor eléctrico 102 que está controlado por un controlador 104 de motor, que puede controlar electrónicamente el par de salida del motor 102 de acuerdo con los sensores de corriente y/o tensión de salida incluidos en o en comunicación con el controlador 104 de motor.

El motor 102 puede ser cualquier motor adecuado conocido en la técnica. Numerosos tipos de motores están incluidos dentro del ámbito de la presente invención. Puede incluirse prácticamente cualquier motor de CA, incluyendo un motor de inducción monofásico o polifásico. El motor 102 de par/velocidad variable puede ser otro tipo de motor de CA, tal como un motor de rotor bobinado, un motor de varias velocidades, un motor de par constante o variable, o un motor universal. El ámbito de la presente invención incluye además motores síncronos, tales como motores síncronos no excitados, diseños de histéresis y reluctancia, y motores síncronos excitados por CC. El motor 102 de velocidad variable también puede ser un servomotor, un servomotor sin escobillas y/o un motor lineal.

El controlador 104 de motor puede ser cualquier controlador capaz de controlar la velocidad y el par del motor 102 de velocidad variable. Por ejemplo, el controlador 104 de motor puede ser un controlador de estado sólido. Cabe señalar que en el presente documento el término "controlador" se utiliza para referirse tanto a controladores como a unidades motrices.

En general, para los tipos de motores mencionados anteriormente, el par de salida del motor será aproximadamente directamente proporcional a la corriente con la que se alimente el motor 102, mientras que la velocidad del motor será aproximadamente proporcional a la tensión aplicada. Por lo tanto, al controlar la tensión con la que se alimenta el motor 102 controlará la velocidad del motor 102, mientras que el control de la corriente controlará el par motor.

De acuerdo con la presente invención, el controlador 104 de motor controla y limita la fuerza o el par que el motor 102 aplica a una válvula 106 de acuerdo con un algoritmo de control que se basa en las características eléctricas especificadas del motor y, en algunas realizaciones, se basa también en las propiedades mecánicas de un tren 108 de engranajes del sistema accionador 100. El controlador 104 de motor puede ser cualquier controlador adecuado que sea capaz de controlar la velocidad y/o el par de un motor de CA o CC conocido en la técnica.

El accionador de válvula 100 de la presente invención incluye además al menos un sensor 110, 112 de medición de par. La Fig. 1 indica dos posibles ubicaciones 110, 112 donde puede ubicarse el sensor de medición de par, dependiendo de si el sensor de par está configurado para monitorear directamente (112) la fuerza o el par aplicado a la válvula 106, o dependiendo de si está configurado (110) para monitorear la fuerza o el par de salida del motor eléctrico 100 que se aplica al tren 108 de engranajes. Ambos sensores 110, 112 de medición de par de la realización de la Fig. 1 transmiten sus mediciones 114 al controlador electrónico 104 del motor. En la realización de la Fig. 1, el accionador de válvula 100 puede controlarse y monitorearse de forma remota (116). Ciertas realizaciones similares pueden controlarse localmente además de, o en lugar de, controlarse remotamente.

La realización de la Fig. 1 incluye además un sensor 118 de posición de la válvula configurado para medir una posición de la válvula y comunicar la posición medida al controlador electrónico 104. Ciertas realizaciones similares incluyen un sensor de posición de rotor configurado para medir una posición giratoria de un rotor incluido en el motor eléctrico 102 y comunicar la posición medida al controlador electrónico 104.

Haciendo referencia a la Fig. 2, el procedimiento de la presente invención incluye, antes de poner el accionador de válvula en servicio, llevar a cabo una calibración inicial 200 de la fuerza o par que se aplica a la válvula 106 en función de los parámetros de control del motor. En algunas realizaciones, la calibración se lleva a cabo manualmente y los resultados se introducen en una tabla de calibración del accionador. En otras realizaciones, esta calibración inicial se lleva a cabo conectando el accionador de válvula a un aparato de prueba, tal como un "soporte de par", y permitiendo que el controlador electrónico autocalibre el accionador aplicando al aparato de prueba grados variables de par, y usando el sensor de medición de par incorporado para registrar el par aplicado para cada una de una pluralidad de configuraciones de parámetros de control del motor. En algunas de estas realizaciones, el soporte de par se comunica directamente con el accionador, mientras que en otras realizaciones un operario introduce los valores medidos por el soporte de par en la tabla de calibración del accionador.

De acuerdo con la realización, la calibración inicial puede llevarse a cabo para cada unidad antes de la instalación, o puede aplicarse una sola calibración a cada unidad idéntica de una serie, de modo que cualquier pequeña variación entre unidades se autocorrija durante el servicio de acuerdo con las mediciones realizadas por el sensor de par.

Una vez que el accionador de válvula ha sido calibrado y puesto en servicio, el procedimiento divulgado incluye controlar predictivamente la fuerza o el par aplicado a la válvula, de modo que el controlador 104 use la calibración de los parámetros del motor para predecir los ajustes de control del motor 202 que harán que el motor 102 produzca una fuerza o par deseado, o se mueva a una posición giratoria o lineal deseada sin exceder un par máximo especificado.

A continuación, se aplican (204) al motor 102 las configuraciones de control del motor previstas. Una vez que el motor 102 ha respondido aplicando una fuerza o par a la válvula 106, el controlador electrónico 104 recibe (206) valores medidos reales de la fuerza o par aplicado desde uno o más sensores 110, 112 de medición de par. Si la fuerza o par medido real que se ha aplicado a la válvula 106 es sustancialmente igual a la fuerza o par 208 deseado, prosigue el control de la válvula. Sin embargo, si la fuerza o par medido que se ha aplicado a la válvula 106 no es sustancialmente igual a la fuerza o par deseado, entonces el uno o más valores medidos se usan para actualizar la calibración de los parámetros del motor 210.

En función de la realización, la medición y recalibración de los parámetros del motor puede llevarse a cabo, por ejemplo, después de cada aplicación discreta de fuerza o par a la válvula 106, o de forma continua o periódica si la válvula está siendo accionada continuamente. De esta manera, se mantiene la precisión de la calibración del motor y se asegura que sea exacta, minimizando así cualquier posibilidad de que las configuraciones previstas puedan ser lo suficientemente erróneas como para causar daños a la válvula, incluso si hay desgaste, deriva térmica, deriva de tensión, o cualquier otro proceso a corto o largo plazo que pudiera introducir un error en la calibración.

Las realizaciones están además configuradas para detectar una falla del sistema de control predictivo o del sistema de control reactivo y, tras detectar una falla, depender exclusivamente de la modalidad que no haya fallado para el control y la limitación continuas de la fuerza o el par aplicado, hasta que se repare la falla.

Pueden detectarse fallas en el sistema de medición reactivo, por ejemplo, si el controlador electrónico 104 ya no recibe mediciones del uno o más sensores 110, 112 de medición de par, si las medidas recibidas son consistentemente nulas, incluso cuando el motor 102 está energizado, si las medidas tienen consistentemente el mismo valor, incluso cuando la energización del motor está cambiando, o si las medidas recibidas están fuera de un intervalo de valores "operativos" especificado. Por ejemplo, las realizaciones determinan que el sistema de medición del par ha fallado si la fuerza o el par notificado es siempre cero, siempre está a escala completa, o no responde al control del motor.

De manera similar, las realizaciones determinan que el control predictivo ha fallado si los sensores de corriente y/o tensión de salida del controlador del motor no informan de valores de corriente o tensión, informan constantemente de una corriente o tensión de salida nula incluso cuando el motor está energizado, registran constantemente la escala completa, o informan de valores poco realistas y/o valores que están fuera de un intervalo específico de valores operativos.

Además, la expresiones "engranajes" y "tren de engranajes" se utilizan ampliamente en el presente documento para referirse a cualquier mecanismo mecánico que altere la magnitud, la dirección, la velocidad, y/o el tipo de fuerza o par mecánico, p. ej. cambiando el eje de giro, la dirección y/o la amplitud de un par giratorio, mediante la conversión de una fuerza lineal a un par giratorio, y/o la conversión de un par giratorio a una fuerza lineal. Si bien en el presente documento dichos "engranajes" y "trenes de engranajes" se enumeran en referencia a ciertas realizaciones, la presente invención no se limita a realizaciones que incluyen dichos "engranajes" o "trenes de engranajes".

La descripción anterior de las realizaciones de la invención se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. Todas y cada una de las páginas de esta presentación, y todo su contenido, independientemente de cómo se caractericen, identifiquen o numeren, se consideran parte sustantiva de esta solicitud a todos los efectos, independientemente de la forma o ubicación dentro de la solicitud. Esta memoria descriptiva no pretende ser exhaustiva ni limitar la invención a la forma precisa descrita. A la luz de esta divulgación son posibles muchas modificaciones y variaciones.

Aunque la presente solicitud se muestra en un número limitado de formas, el ámbito de la invención no se limita solo a estas formas, sino que puede enmendarse con diversos cambios y modificaciones sin abandonar el ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. La divulgación presentada en el presente documento no divulga explícitamente todas las posibles combinaciones de características que caen dentro del ámbito de la invención. Las características descritas en el presente documento para las diversas realizaciones generalmente pueden intercambiarse y combinarse en cualquier combinación que no sea contradictoria, sin abandonar el ámbito de la invención. En particular, las limitaciones presentadas en las siguientes reivindicaciones dependientes pueden combinarse con sus correspondientes reivindicaciones independientes en cualquier número y en cualquier orden sin abandonar el ámbito de esta divulgación, a menos que las reivindicaciones dependientes sean de manera lógica incompatibles entre sí.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un accionador de válvula controlado electrónicamente e impulsado por motor eléctrico (100), que comprende:

un controlador electrónico (104);

un motor eléctrico (102) configurado para provocar el accionamiento lineal o giratorio de una válvula (106) de acuerdo con una entrada de motor recibida desde el controlador electrónico, de modo que la aplicación de dicha entrada de motor a dicho motor eléctrico determina una fuerza o un par de salida del motor que hace que se aplique una fuerza o un par de válvula a un aparato externo al accionador, y en comunicación mecánica con la válvula; y un sensor de par (110, 112) configurado para medir una fuerza o un par detectados que están relacionados con la fuerza o el par de la válvula;

estando dicho controlador electrónico configurado para:

A) almacenar un conjunto de parámetros de configuración del motor y un requisito de control de la válvula, en donde dicho requisito de control de la válvula incluye una fuerza o un par necesarios que hay que aplicar a la válvula;

B) de acuerdo con el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado, determinar una entrada de motor prevista de la que se prediga que, al ser aplicada al motor eléctrico, haga que se apliquen a la válvula la fuerza o el par requeridos;

C) determinar una fuerza o un par detectados previstos que serán medidos por el sensor de par cuando se apliquen a la válvula la fuerza o el par requeridos;

D) aplicar al motor eléctrico la entrada de motor prevista;

E) recibir desde el sensor de par una fuerza o un par detectados medidos;

F) comparar la fuerza o el par detectados medidos con la fuerza o el par detectados previstos; y

G) si la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos supera un límite especificado, modificar el conjunto de parámetros de configuración del motor almacenado de acuerdo con la diferencia entre la fuerza o el par detectados medidos y la fuerza o el par detectados previstos.

2. El accionador de válvula de la reivindicación 1, que comprende además un tren (108) de engranajes configurado para convertir la fuerza o el par de salida del motor en la fuerza o el par de la válvula, y en donde el conjunto de parámetros de configuración del motor incluye parámetros relevantes para las propiedades mecánicas del tren de engranajes.

3. El accionador de válvula de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en donde la fuerza o el par detectados son sustancialmente iguales a la fuerza o al par de salida del motor.

4. El accionador de válvula de la reivindicación 1 o de la reivindicación 2, en donde la fuerza o el par detectados son sustancialmente iguales a la fuerza o al par de la válvula.

5. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, en donde el accionador de válvula (100) incluye una pluralidad de sensores de par (110, 112), en donde el primero de los sensores de par está configurado para medir una primera fuerza o un primer par detectados que son sustancialmente iguales a la fuerza o al par de salida del motor, mientras que el segundo de los sensores de par está configurado para medir una segunda fuerza o un segundo par que son sustancialmente iguales a la fuerza o al par de la válvula.

6. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, en donde el motor eléctrico (102) es accionado con corriente alterna y controlado mediante un motor de frecuencia variable con control orientado al campo.

7. El accionador de válvula de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el motor eléctrico es accionado con corriente continua y controlado mediante una fuente de corriente continua variable.

8. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, en donde el controlador electrónico está configurado además para determinar un conjunto inicial de parámetros de control del motor, incluyendo dicha determinación aplicar secuencialmente al motor eléctrico una pluralidad de entradas de motor, y registrar para cada una de las entradas de motor aplicadas una fuerza o un par detectados correspondientes, medidos por el sensor.

9. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, en donde el controlador electrónico está configurado para repetir periódica o continuamente los pasos B) a G) de la reivindicación 1.

10. El accionador de válvula de la reivindicación 9, en donde el controlador electrónico está configurado además para detectar una falla del sensor de par y, tras dicha detección de falla, continuar repitiendo los pasos B) a D) de la reivindicación 1.

11. El accionador de válvula de la reivindicación 10, en donde el controlador electrónico está configurado para determinar que el sensor de par ha fallado cuando el controlador electrónico no recibe una fuerza o un par detectados medidos que estaban previstos, o si una fuerza o un par detectados medidos que se han recibido desde el sensor están fuera de un intervalo especificado de valores operativos.

12. El accionador de válvula de cualquiera de las reivindicaciones 9 - 11, en donde la entrada prevista del motor aplicada al motor eléctrico incluye una corriente o una tensión aplicadas al motor eléctrico de acuerdo con una medición de corriente o de tensión proporcionadas por un sensor de corriente o de tensión, y en donde, al detectar que el sensor de corriente o de tensión ha fallado, el controlador electrónico está configurado además para implementar el control reactivo del motor eléctrico en función de las fuerzas o los pares detectados medidos.

13. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, que comprende además un sensor de posición de la válvula configurado para medir una posición de la válvula y comunicar la posición de la válvula medida al controlador electrónico.

14. El accionador de válvula de cualquier reivindicación anterior, que comprende además un sensor de posición del rotor configurado para medir una posición giratoria de un rotor incluido en el motor eléctrico, y para comunicar al controlador electrónico la posición medida del rotor.

15. Un procedimiento para accionar una válvula de control (106), comprendiendo el procedimiento:

proporcionar un accionador de válvula (100), que comprende un controlador electrónico (104), un motor eléctrico (102) configurado para provocar el accionamiento lineal o giratorio de una válvula de acuerdo con una entrada de motor recibida desde el controlador electrónico,

de modo que la aplicación de dicha entrada de motor a dicho motor eléctrico determine una fuerza o un par de salida del motor que hagan que se apliquen una fuerza o un par de válvula a la válvula, y un sensor de par (110, 112) configurado para medir una fuerza o un par detectados que estén relacionados con la fuerza o el par de la válvula; y

hacer que el controlador electrónico:

A) almacene un conjunto de parámetros de configuración del motor y un requisito de control de la válvula, en donde dicho requisito de control de la válvula incluye una fuerza o un par necesarios que hay que aplicar a la válvula;

D) aplicar al motor eléctrico la entrada de motor prevista;

E) recibir desde el sensor de par una fuerza o un par detectados medidos;

16. El procedimiento de la reivindicación 15, en donde el procedimiento comprende además hacer que el controlador electrónico determine un conjunto inicial de parámetros de control del motor, incluyendo dicha determinación aplicar secuencialmente al motor eléctrico una pluralidad de entradas de motor, y registrar para cada una de las entradas de motor aplicadas una fuerza o un par detectados correspondientes, medido por el sensor de par.

17. El procedimiento de la reivindicación 15 o de la reivindicación 16, en donde el procedimiento incluye además hacer que el controlador electrónico repita periódica o continuamente los pasos B) a G) de la reivindicación 15.

18. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 15 - 17, que comprende además determinar mediante el controlador electrónico si el sensor de par ha fallado y, al determinar que el sensor de par ha fallado, seguir repitiendo los pasos B) a D) de la reivindicación 15.

19. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 15 -18, en donde la entrada prevista del motor aplicada al motor eléctrico incluye una corriente o una tensión aplicadas al motor eléctrico de acuerdo con una medición de corriente o de tensión proporcionadas por un sensor de corriente o de tensión, y en donde el procedimiento comprende además, al detectar que el sensor de corriente o de tensión ha fallado, implementar el control reactivo del motor eléctrico en función de las fuerzas o los pares detectados medidos.