IT202200000710A1 - Attuatore multigiro per valvole - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione un attuatore multigiro per valvole, generalmente utilizzate in impianti industriali, quali impianti chimici o petroliferi, per la gestione del flusso di un fluido in una condotta. Le valvole sono in genere di diversa tipologia, secondo le esigenze; nel settore impiantistico sono grandemente utilizzate, ad esempio, valvole a sfera, a farfalla, a serranda o a saracinesca, ed altri tipi ancora.

Tutte le valvole hanno in comune la presenza di un otturatore che pu? passare da una posizione di completa chiusura, in cui ostruisce la condotta e impedisce il passaggio di fluido, ad una posizione di completa apertura, in cui ? consentito il passaggio di fluido attraverso la massima sezione utile. Fra le due posizioni limite, esistono numerose posizioni intermedie di apertura parziale. In genere, con riferimento alla sezione utile di passaggio, la posizione di completa chiusura corrisponde a 0% della sezione utile e la posizione di completa apertura a 100% della sezione utile. Secondo il tipo di valvola o di cinematica fra attuatore e valvola, il passaggio dell?attuatore dalla posizione di completa chiusura alla posizione di completa apertura corrisponde ad un predefinito numero di giri (o di frazioni di giro) dell?albero dell?attuatore.

Un attuatore del tipo di quello oggetto della presente invenzione ? collegato meccanicamente alla valvola per comandarne l?apertura e la chiusura tramite comandi elettrici, impartiti a distanza dal luogo di installazione della valvola o localmente, ed ? in grado di gestire la rotazione dell?albero su pi? giri o per una frazione di giro.

Una delle esigenze pi? sentite nel settore ? la possibilit? di impostare la durata della manovra di apertura, ad esempio la durata del cambio di posizione dell?attuatore fra la posizione di completa chiusura e quella di completa apertura, poich? da tale tempo di manovra pu? dipendere la risposta dell?impianto ad una predefinita esigenza impiantistica.

Al momento, sono note soluzioni di attuatori rotativi che, definita la taglia del motore elettrico e quindi la massima coppia erogabile, garantiscono il passaggio dalla posizione di completa chiusura alla posizione di completa apertura in un predefinito intervallo di tempo. Tuttavia, se le esigenze impiantistiche variano, ? necessario sostituire l?attuatore con uno avente un motore di taglia diversa.

Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un attuatore multigiro che soddisfi le suddette esigenze e superi gli inconvenienti dell?arte nota.

Tale scopo ? raggiunto da un attuatore multigiro secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti descrivono ulteriori vantaggiose forme di realizzazione. Le caratteristiche e i vantaggi dell?attuatore multigiro secondo la presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure delle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 mostra un assieme costituito da una valvola e un attuatore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 rappresenta l?attuatore della figura 1; - la figura 3a illustra una vista frontale dell?attuatore della figura 2;

- la figura 3b raffigura una vista in pianta dall?alto dell?attuatore della figura 2;

- la figura 4 ? una vista in sezione dell?attuatore della figura 2, secondo il piano di sezione IV-IV della figura - la figura 5 ? una vista in sezione dell?attuatore della figura 2, secondo il piano di sezione V-V della figura 3a;

- la figura 6 ? una vista in sezione dell?attuatore della figura 2, secondo il piano di sezione VI-VI della figura 3b;

- la figura 7 rappresenta una interfaccia comandi locali dell?attuatore della figura 2;

- la figura 8 raffigura uno schema di un?unit? di potenza e di un?unit? di controllo dell?attuatore della figura 2;

- la figura 9 illustra un esempio di andamento della coppia erogata dall?attuatore in funzione del tempo o della posizione angolare.

Con riferimento alle figure delle tavole allegate, con 1 si ? complessivamente indicato un assieme costituito da una valvola 2 applicabile ad una condotta per il transito di un fluido e un attuatore multigiro 4 collegato meccanicamente alla valvola 2 per comandarla in apertura e in chiusura.

Preferibilmente, l?attuatore 4 comprende un involucro 6 che delimita un vano interno chiuso a tenuta rispetto all?ambiente esterno.

L?involucro 6 ? costituito da un corpo centrale 7, ad esempio realizzato in un unico pezzo, in materiale metallico, preferibilmente in alluminio, a forma di T, che si estende lungo un asse longitudinale X e lungo un asse trasversale Y, ortogonale all?asse longitudinale. L?attuatore 4 comprende inoltre un primo coperchio 8 e un secondo coperchio 10, applicati a chiusura delle estremit? del corpo centrale 7 lungo l?asse longitudinale X, e un terzo coperchio 12, applicato a chiusura dell?estremit? del corpo centrale 7 lungo l?asse trasversale Y. Preferibilmente, ciascun coperchio 8, 10 , 12 ? realizzato in un unico pezzo, in materiale metallico, ad esempio in alluminio.

Preferibilmente, inoltre, l?attuatore 4 comprende un volantino 14 applicato esternamente al corpo centrale 7, girevole manualmente attorno ad un asse principale Z, ortogonale ad un piano immaginario che contiene l?asse longitudinale X e l?asse trasversale Y. Il volantino 14 ? utilizzabile per l?azionamento manuale dell?attuatore. Inoltre, preferibilmente, l?attuatore 4 comprende una leva di sblocco 16, applicata esternamente al corpo centrale 7, azionabile manualmente per passare dall?azionamento automatico dell?attuatore 4 all?azionamento manuale e viceversa.

L?attuatore 4 comprende inoltre un motore elettrico 20 alloggiato nel vano interno dell?involucro 6, preferibilmente all?interno del primo coperchio 8 di detto involucro 6. Il motore 20 presenta un albero motore 22 rotante, avente asse motore K disposto di preferenza parallelamente all?asse longitudinale X.

Il motore 20 ? un motore di tipo brushless, ossia un motore a corrente alternata avente un rotore 24, solidale all?albero motore 22, a magneti permanenti, circondato da uno statore 26 provvisto di avvolgimenti. L?attuatore 4 comprende inoltre un cinematismo 28 adatto a trasformare la rotazione dell?albero motore 22 attorno all?asse motore K in una rotazione di un albero principale 30 dell?attuatore attorno all?asse principale Z, ortogonale all?asse motore K. Ad esempio, detto cinematismo 28 comprende una vite senza fine 32 solidale in rotazione all?albero motore 22 e preferibilmente coassiale a questo, e una ruota dentata 34, che ingrana con la vite senza fine 32 ed ? solidale in rotazione all?albero principale 30, direttamente o tramite un dispositivo ad innesto 31 comandato da una forchetta inseritore collegato alla leva di sblocco 16.

L?albero principale 30 si estende lungo l?asse principale Z fra una prima estremit? 33 prossimale al volantino 14 e una seconda estremit? 35, opposta alla prima, adatta ad essere meccanicamente collegata alla valvola 2, ad esempio ad uno stelo di questa solidale all?otturatore, direttamente o indirettamente tramite un elemento di presa 36 solidale in rotazione all?albero principale 30 e collegabile alla valvola 2.

L?attuatore 4 comprende inoltre un trasduttore 40 adatto a rilevare la posizione angolare dell?albero principale 30. Ad esempio, detto trasduttore 40 comprende una vite senza fine 42, avente un asse trasduttore W, ad esempio ortogonale all?asse principale Z, che ingrana permanentemente con una ruota dentata 44 solidale in rotazione all?albero principale 30 o ricavata come porzione di detto albero. Il trasduttore 40 ? collegato inoltre ad una flangia 46 fissa, impegnata con l?albero rotante della vite senza fine 42.

Preferibilmente, il trasduttore 40 ? costituito da un encoder assoluto multigiro, ad esempio magnetico, provvisto di un sistema di recupero dell?energia per effetto Wiegand. Ad esempio, l?encoder ha risoluzione a 24 bit (12 bit monogiro e 12 bit multigiro).

L?attuatore 4 comprende inoltre una unit? di potenza (UP) 100 alloggiata nell?involucro 7, preferibilmente solidale al secondo coperchio 10 che chiude il corpo centrale 6, e una unit? di controllo (UC) 200 alloggiata nell?involucro 7, preferibilmente fissata al fondo del secondo coperchio 10.

L?unit? di potenza 100 comprende un raddrizzatore 102 collegato alla rete elettrica e adatto a trasformare una corrente alternata in corrente continua; il raddrizzatore 102 ? operativamente collegato all?unit? di controllo 200 per alimentarla elettricamente in corrente continua.

L?unit? di potenza 100 comprende inoltre un inverter 104 adatto a trasformare una corrente continua in una corrente alternata a frequenza variabile; l?inverter 104 ? operativamente collegato al raddrizzatore 102 per essere alimentato in corrente continua e al motore elettrico 20 per alimentarlo in corrente alternata a frequenza variabile, in funzione della coppia che si intende erogare.

L?unit? di controllo 200 comprende mezzi di elaborazione elettronici 202, ad esempio comprendenti uno o pi? microprocessori, configurati o programmati per ricevere dati o segnali in ingresso, elaborarli sulla base di un software e trasmettere dati o segnali in uscita. I mezzi di elaborazione 202 sono operativamente collegati con l?unit? di potenza 100, ed in particolare con l?inverter 104, per gestirne il funzionamento, e con il trasduttore 40 per ricevere segnali di posizione Sp relativi alla posizione angolare dell?albero principale 30.

Preferibilmente, l?unit? di controllo 200 comprende inoltre una interfaccia comandi locali 204, accessibile ad un utilizzatore dal fondo del secondo coperchio 10, comprendente preferibilmente un display 204a numerico e/o grafico, un selettore 204b per selezionare il funzionamento in modalit? di controllo locale o remoto o lo spegnimento dell?attuatore (preferibilmente provvisto di due sensori ad effetto Hall per la modalit? di controllo locale o remoto), e pulsanti 204c per comandare l?attuatore in apertura o in chiusura o l?arresto immediato (ciascuno preferibilmente provvisto di un sensore ad effetto Hall). Preferibilmente, il selettore 204b ? impegnabile con un lucchetto o simili, per consentire la selezione di una modalit? di funzionamento solo ad un utilizzatore provvisto di una chiave.

Poich? l?attuatore 4, una volta montato alla valvola, pu? assumere un qualsiasi orientamento nello spazio, il secondo coperchio 10 ? montabile al corpo centrale 6 in diverse posizioni angolari, in modo che l?interfaccia comandi locale 204 visibile dal fondo di detto secondo coperchio 10 possa assumere l?orientamento pi? comodo per un?agevole lettura ed utilizzo da parte dell?utilizzatore.

Preferibilmente, l?unit? di controllo 200 comprende inoltre una interfaccia comandi remoti 206 per il ricevimento di comandi da remoto, ad esempio tramite comunicazione Bluetooth?, wireless o via cavo.

Preferibilmente, l?unit? di controllo 200 comprende una batteria 208 per l?alimentazione elettrica dell?unit? di controllo 200, ad esempio in modalit? di risparmio energetico o in condizioni di emergenza.

Preferibilmente, inoltre, la batteria 208 ? operativamente collegata al trasduttore 40 e all?interfaccia comandi locali 204, ed in particolare al display 204a di questa. Ci? consente di disporre dell?informazione di posizione angolare dell?albero principale 30 dell?attuatore 4 anche quando l?attuatore non ? alimentato dalla rete elettrica (modalit? di funzionamento LOW POWER). A tale scopo, il traduttore 40 ? provvisto di sensori ad effetto Hall 210 operativamente collegati con l?unit? di controllo 200.

Quando l?attuatore 4 ? alimentato dalla rete elettrica (modalit? di funzionamento POWER ON), indipendentemente che l?azionamento manuale sia disabilitato o abilitato, il trasduttore 40 ? alimentato elettricamente e fornisce un segnale di posizione Sp in funzione della posizione angolare dell?albero principale 30; il segnale di posizione Sp ? elaborato dall?unit? di controllo 200 ed ? rappresentato nel display 204a dell?interfaccia comandi locali 204.

Quando l?attuatore 4 non ? alimentato dalla rete elettrica (modalit? di funzionamento LOW POWER), indipendentemente che l?azionamento manuale sia disabilitato oppure abilitato, il trasduttore 40 non ? normalmente alimentato elettricamente e non fornisce alcun segnale di posizione. Solo nel momento in cui l?albero principale 30 subisce una rotazione, dovuta ad un azionamento manuale tramite il volantino oppure ad un azionamento elettrico tramite un?alimentazione ausiliaria, i sensori effetto Hall 210 inviano un segnale di sveglia Sw all?unit? di controllo 200, la quale, tramite l?alimentazione delle batterie 208, alimenta il trasduttore 40 e rileva un segnale di posizione Sp; il segnale di posizione Sp ? elaborato dall?unit? di controllo 200 ed ? rappresentato nel display 204a dell?interfaccia comandi locali 204, alimentata tramite la batteria 208.

Un predefinito attuatore ? progettato in modo da essere in grado di erogare una coppia nominale Cn; preferibilmente, sono disponibili attuatori secondo l?invenzione in grado di erogare una coppia nominale Cn pari a 30/60 Nm, 120, 250/500 e 1000 Nm. Tale parametro definisce la ?taglia? di un predefinito attuatore.

Prima di avviarne il normale funzionamento, l?attuatore ? configurato fornendo ai mezzi di elaborazione 202 la coppia nominale (Cn) e il tempo Tciclo in cui aprire o chiudere la valvola, ad esempio il tempo T100 in cui raggiungere la posizione di completa apertura (100%) a partire dalla posizione di completa chiusura (0% al tempo T0).

I mezzi di elaborazione 202 sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore, all?avviamento dell?azionamento, ad esempio a partire dalla posizione di completa chiusura (figura 9) o di completa apertura, una coppia di picco Cpk maggiore della coppia nominale Cn, ad esempio pari a 1,4 volte la coppia nominale (in generale, Cpk = n?Cn, in cui n compreso tra 1,1 e 1,6), per un periodo molto limitato di tempo (Tpk), sufficiente a fare cessare l?effetto di trattenimento esercitato dalle guarnizioni e dall?attrito statico all?avviamento dell?azionamento. La coppia di picco Cpk, ossia il valore n, e il tempo di mantenimento Tpk della coppia di picco sono impostabili dall?utilizzatore, ad esempio tramite software.

Inoltre, i mezzi di elaborazione 202 sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore una coppia C1 necessaria per raggiungere la posizione angolare desiderata (?%) in un tempo desiderato (T), ad esempio la posizione di completa apertura (?% = 100%) nel tempo T100 desiderato.

Preferibilmente, inoltre, i mezzi di elaborazione 202 sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore, in prossimit? della posizione angolare desiderata, ad esempio la posizione di completa chiusura, una ulteriore coppia di picco, ad esempio pari alla coppia di picco Cpk o alla coppia nominale Cn, in modo da forzare la posizione di completa apertura, vincendo la deformazione delle guarnizioni e l?assestamento dei componenti.

Preferibilmente, inoltre, i mezzi di elaborazione 202 sono configurati o programmati per evitare che l?attuatore assorba dalla rete una potenza elettrica maggiore di una potenza elettrica limite prefissata. A tale scopo, i mezzi di elaborazione 202 calcolano una potenza assorbita istantaneamente pari alla coppia erogata istantaneamente dall?attuatore per la velocit? angolare istantanea: Pass = C??. Fissata la potenza limite, la coppia istantanea ? modificata in modo da non eccedere nella potenza assorbita, tenendo conto del tempo T desiderato per raggiungere la posizione angolare desiderata.

La funzionalit? dell?attuatore multigiro e le configurazioni o programmazioni impostabili dall?operatore sono comunque sempre in conformit? con la normativa di riferimento, quali la UNI EN ISO 22153: 2021 ed eventuali successive modifiche.

Secondo una forma preferita di realizzazione, inoltre, l?attuatore 4 comprende un sensore temperatura 212 adatto a rilevare la temperatura del motore elettrico 20 e operativamente collegato all?unit? di controllo 200 che elabora un segnale di temperatura St generato da detto sensore temperatura 212 e segnala una condizione di allarme per l?attuatore.

Inoltre, secondo una forma preferita di realizzazione, l?attuatore 4 comprende un sensore umidit? 214 adatto a rilevare l?umidit? all?interno dell?involucro dell?attuatore e operativamente collegato all?unit? di controllo 200 che elabora un segnale di umidit? Su generato da detto sensore umidit? 214 e segnala una condizione di allarme per l?attuatore.

Secondo una forma preferita di realizzazione, inoltre, l?attuatore 4 comprende un accelerometro 216 adatto a rilevare un?accelerazione dell?involucro dell?attuatore e operativamente collegato all?unit? di controllo 200 che elabora un segnale di accelerazione Sa generato da detto accelerometro 216 e segnala una condizione di allarme per l?attuatore, dovuta ad esempio ad un terremoto o ad un urto contro l?attuatore.

Innovativamente, l?attuatore secondo la presente invenzione soddisfa le esigenze del settore e supera gli inconvenienti di cui si ? detto con riferimento all?arte nota, in quanto consente di regolare il tempo di esecuzione di una manovra di apertura o di chiusura secondo le necessit?.

? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche all?attuatore sopra descritto, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (17)

RIVENDICAZIONI

1. Attuatore multigiro (4) per una valvola (2), comprendente un albero principale (30) collegabile meccanicamente alla valvola (2) per movimentarla in apertura e in chiusura, un motore elettrico (20) di tipo brushless a corrente alternata, operativamente collegato all?albero principale (30) per azionarlo in rotazione, un trasduttore (40) adatto a rilevare la posizione angolare dell?albero principale (30), una unit? di potenza (100) comprendente un inverter (104) operativamente collegato al motore elettrico (20), e un?unit? di controllo (200) comprendente mezzi di elaborazione elettronici (202) operativamente collegati all?inverter (104) e al trasduttore (40), in cui, definita per l?attuatore una coppia nominale (Cn), i mezzi di elaborazione (202) sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore, all?avviamento dell?azionamento, una predefinita coppia di picco (Cpk) maggiore della coppia nominale (Cn) per un predefinito tempo di avviamento (Tpk) o una predefinita rotazione di avviamento (?pk) dell?albero principale.

2. Attuatore multigiro secondo la rivendicazione 1, in cui la coppia di picco (Cpk) e il tempo di avviamento (Tpk) o la rotazione di avviamento (?pk) sono impostabili da un utilizzatore.

3. Attuatore multigiro secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la coppia di picco (Cpk) ? n-volte la coppia nominale (Cn): Cpk = n ? Cn, in cui n ? compreso tra 1,1 e 1,6 (1,1 ? n ? 1,6), preferibilmente pari a 1,4.

4. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di elaborazione (202) sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore una coppia (C1) necessaria per raggiungere una posizione angolare desiderata (?%) in un tempo desiderato (T%).

5. Attuatore multigiro secondo la rivendicazione 4, in cui il tempo desiderato (T%) ? impostabile dall?utilizzatore.

6. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di elaborazione (202) sono configurati o programmati per far erogare all?attuatore, in prossimit? di una posizione angolare desiderata (?%), una ulteriore coppia di picco.

7. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di elaborazione (202) sono configurati o programmati per evitare che l?attuatore assorba dalla rete una potenza elettrica istantanea maggiore di una potenza elettrica limite prefissata.

8. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sensore temperatura (212) adatto a rilevare la temperatura del motore elettrico (20), operativamente collegato all?unit? di controllo (200) per segnalare una condizione di allarme.

9. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sensore umidit? (214) adatto a rilevare l?umidit? all?interno di un involucro dell?attuatore, operativamente collegato all?unit? di controllo (200) per segnalare una condizione di allarme.

10. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un accelerometro (216) adatto a rilevare un?accelerazione di un involucro dell?attuatore, operativamente collegato all?unit? di controllo (200) per segnalare una condizione di allarme.

11. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una interfaccia comandi locali (204), operativamente collegata all?unit? di controllo (200).

12. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un volantino (14) girevole manualmente attorno all?asse principale (Z) per l?azionamento manuale dell?attuatore.

13. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il motore (20) presenta un albero motore (22) rotante avente un asse motore (K) ortogonale all?asse principale (Z).

14. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il trasduttore (40) ? costituito da un encoder assoluto multigiro, ad esempio magnetico.

15. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?unit? di controllo (200) comprende una interfaccia comandi remoti (206) per il ricevimento di comandi da remoto.

16. Attuatore multigiro secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?unit? di controllo (200) comprende una batteria (208) per l?alimentazione elettrica dell?unit? di controllo (200) in modalit? di risparmio energetico o in condizioni di emergenza.

17. Attuatore multigiro secondo la rivendicazione 16, in cui la batteria (208) ? operativamente collegata al trasduttore (40) e detto traduttore (40) ? provvisto di sensori ad effetto Hall (210) operativamente collegati all?unit? di controllo (200), per disporre dell?informazione di posizione angolare dell?albero principale (30) dell?attuatore anche quando l?attuatore non ? alimentato dalla rete elettrica.