KR20130081725A - 가변 속도 액추에이터 - Google Patents

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KR20130081725A
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윌리엄 티. 도렌티
대니얼 제이. 모리스
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플로우서브 매니지먼트 컴퍼니
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Abstract

전기 모터를 포함하는 밸브 액추에이터가 개시되는데, 밸브 액추에이터는 가변 속도에서 모터를 작동시킬 수 있는 고상 모터 컨트롤러와 내재된 제동을 제공하는 기어 세트를 포함한다. 밸브 액추에이터의 속도와 토크는 선택될 수 있다. 밸브에 의해 실현되는 속도와 토크는 밸브 스트로크의 길이에 걸쳐 변화할 수 있다. 밸브 액추에이터는 프로세스 컨트롤러로서 작용하기에 충분한 로직을 포함할 수 있다.

Description

가변 속도 액추에이터{VARIABLE SPEED ACTUATOR}
본 발명은 일반적으로 전기 모터를 포함하는 밸브 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이러한 밸브 엑추에이터의 제어에 관한 것이다.
밸브 액추에이터는 모든 형태의 동력 생성, 석유 및 석유화학, 섬유, 제지 및 식품 가공 등 많은 산업분야에 널리 적용되고 있다. 밸브 액추에이터에 의해 제공된 작동 속도와 토크는 중요한 파라미터이다. 일반적으로, 고정 속도 모터는 속도와 토크의 정확한 조합만을 밸브에 제공하도록 기어 세트에 결합된다. 정확한 모터와 기어 세트는 제조자에 의해 결합되어야 한다. 만일, 제조자가 고객의 주문에 대한 빠른 배송시간을 갖기를 원한다면, 제조자는 폭넓고 다양한 모터와 기어 세트의 재고를 확보하여야 한다. 또한, 단일한 제네릭 밸브 액추에이터 구성에 대하여 때때로 수백종의 상이한 변형체의 집단에 대한 지식이 있는 숙련된 노동자가 고용되어야만 한다.
더욱이, 심지어 다수의 고객이 정확히 동일한 속도와 토크 특성을 갖춘 밸브 액추에이터를 원한다고 하더라도, 고객들은 종종 상이한 전력 공급을 사용할 수 있다. 어떤 고객은 480 VAC 3상 60 Hz를 원할 수 있고, 다른 고객은 110 VAC 단상 50 Hz를 원할 수 있으며, 또 다른 고객은 24 VDC 만을 사용할 수 있을지 모른다. 이전에 공지된 시스템들은 상이한 전력 공급에 대한 고객들의 수요를 충족하기 위하여 규격품으로 공급되는 밸브 액추에이터를 제공하지 못하였다.
현재, 사용자가 밸브 액추에이터의 토크와 속도 특성의 변경을 원한다면, 액추에이터는 이용을 중단하고, 분해된 후 상이한 기어 세트 및/또는 모터로 재조립되어야 한다. 필요한 것은 고객의 수요를 충족하기 위하여 재고로 준비되어야 할 모터와 기어 세트의 개수를 줄이는 것이다. 나아가, 노동자가 조립 훈련을 받아야 하는 모델의 개수를 줄일 필요도 있다. 또한, 액추에이터에 의해 전달되는 속도와 토크의 조정을 분해를 요구하지 않으면서 허용할 필요성이 있다.
추가적으로, 고정 속도 밸브 액추에이터는 밸브가 항상 고정된 속도에서 작동되기 때문에 프로세스 컨트롤러로서 활용성이 제한된다. 밸브 액추에이터를 프로세스 컨트롤러로서 작동시킬 수 있게 할 필요가 있다.
이러한 문제들을 해결하려는 시도 중 하나는 DC 모터에 전송되는 전류를 제어하기 위하여 초퍼(chopper)와 정류기의 사용을 통하는 것이었다. 이러한 시도는 단상 또는 3상의 고전압 또는 저전압 AC 전류가 사용될 수 있게 하며, 모터의 속도와 토크의 제어를 허용한다. 이러한 시도에 대한 변형은 AC 정류 후 인버터를 사용하여 AC 모터를 제어하는 것이다. 그러나, 이러한 시도들은 토크 리미트 스위치의 사용을 필요로한다. 조작자는 밸브 액추에이터에 의해 전달되는 속도와 토크를 기계적으로 조정할 수 있으나, 기껏해야 밸브 액추에이터에 의해 초과될 수 없는 최대 토크 또는 최대 속도를 설정하는 정도만 할 수 있었다. 조작자는 리미트 스위치 없이 밸브 스트로크의 길이에 걸쳐 가변적인 속도 또는 토크 프로파일을 설정할 수 없었다. 기어 세트는 밸브 액추에이터와 함께 포함되어, 밸브 액추에이터의 하우징 내에 위치되었다.
전술한 시도들은 사용자가 속도 및 토크 전위차계를 조정할 것을 요구하며, 또한 조작자가 밸브 스트로크의 길이에 걸쳐 가변적인 속도 또는 토크 프로파일의 설정을 허용하지 않았다. 이러한 시도들은 대형 기계적 스위치와 토크 리미트 스위치 없이 밸브 액추에이터의 속도와 토크를 설정하는 방법을 제공하지 않을 뿐만 아니라, 밸브 액추에이터가 프로세스 컨트롤러로서 작동할 수 있게 하는 메카니즘도 제공하지 않는다.
전술한 문제들을 해결하기 위한 다른 시도들은 가변 속도를 제공하기 위하여 DC 모터와 스위칭식 릴럭턴스 모터를 사용하였다. 그러나, 이 경우에도, 밸브 액추에이터는 전력 상실의 경우에 모터의 공회전(spinning)을 방지하기 위하여 별도의 제동 메카니즘을 요구한다. 필요한 것은 간단하고 내재하는 제동능력을 구비한 가변속 밸브 액추에이터이다.
본 발명의 일실시예는, 가변속 모터와, 상기 가변속 모터와 작동가능하게 연결되고 상기 가변속 모터를 동작시키도록 구성될 수 있는 고상 모터 컨트롤러와, 상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되는 웜/웜 기어 세트를 포함하는 밸브 액추에이터이다.
본 발명의 다른 실시예는, 범용 계자 연결 블록과, 전력 공급을 수용하도록 작동가능한 전원 컨버터와, 가변속 모터와, 상기 전원 컨버터에 작동가능하게 연결되고, 상기 가변속 모터를 동작시키도록 구성될 수 있는 고상 모터 컨트롤러와, 상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되고, 기어 세트를 포함하는 제동 장치를 포함하는 밸브 액추에이터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 하우징과, 모터 컨트롤러와, 출력 축을 구비한 가변속 모터로서, 상기 가변속 모터가 상기 모터 컨트롤러에 의해 제어되도록 구성되며, 상기 모터 컨트롤러와 가변속 모터가 상기 하우징 내에 일체화되는 가변속 모터와, 상기 하우징 외측에서 상기 출력 축에 작동가능하게 결합되는 기어 트레인을 포함하는 밸브 액추에이터를 포함한다.
본 발명의 특정 실시예는, 가변속 모터와 작동가능하게 연결되는 고상 모터 컨트롤러를 포함하는 밸브 액추에이터를 제공하는 단계로서, 기어 세트가 상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되는 밸브 액추에이터를 제공하는 단계와, 상기 밸브 액추에이터가 작동될 때, 상기 고상 모터 컨트롤러에 의해 상기 가변속 모터가 구동될 속도를 상기 고상 모터 컨트롤러에서 설정하는 단계와, 전력 중단의 경우에 역 구동부하에 대항하여 상기 기어 세트로 상기 가변속 모터를 잠금하는 단계를 포함하는 밸브 액추에이터 작동 방법을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 기어 세트를 포함하는 변속 가능한 전기 구동식 밸브 액추에이터에 작동가능하게 연결되는 고상 밸브 액추에이터 컨트롤러에서 명령 신호를 수신하는 단계와, 상기 고상 밸브 액추에이터 컨트롤러에서 피드백 신호를 수신하는 단계와, 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이가 있는지 결정하는 단계와, 상기 전기 구동식 밸브 액추에이터를 작동시킴으로써 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이를 최소화하는 단계를 포함하는 전기 구동식 밸브 액추에이터의 작동 방법을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 출력 축을 포함하는 모터와, 상기 모터에 작동가능하게 연결되어, 가변 속도 및 토크에서 상기 모터를 작동시킬 수 있는 고상 모터 컨트롤러와, 상기 모터의 출력 축에 결합되는 웜/웜 기어 세트를 포함하는 밸브 액추에이터를 포함하는 밸브 작동 시스템이다.
본 명세서는 본 발명으로 간주되는 바를 명확하게 청구하고 있는 특허청구범위에 의해 결론지어 지지만, 첨부 도면을 참조하여 이하의 본 발명에 대한 설명을 읽는다면 당업자가 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 가변속 모터와 모터 컨트롤러를 포함하는 가변 속도 밸브 액추에이터의 실시예를 나타내는 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 전원 컨버터와 기어 세트가 추가된 상태를 예시하고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전원 컨버터와 모터 컨트롤러가 병합된 상태를 예시하며,
도 4는 전원 컨버터가 없는 본 발명의 실시예를 나타내며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 밸브 액추에이터의 일부로서 계자 연결 단자(field connection terminal)를 포함하는 상태를 나타내며,
도 6은 기어 세트가 없는 전원 컨버터의 실시예를 나타내며,
도 7은 모터 컨트롤러와 가변속 모터가 개별 하우징에 있으며, 기어 세트가 하우징 외측에 위치하는 밸브 액추에이터의 실시예를 나타내며,
도 8은 본 발명의 밸브 액추에이터의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 컨트롤러의 포함을 나타내며,
도 9는 밸브 액추에이터 컨트롤러와 소통하는 모터 컨트롤러의 일부로서 전원 컨버터가 일체화되는 본 발명의 실시예를 나타내며,
도 10은 전원 컨버터로부터의 입력을 수신하는 밸브 액추에이터 컨트롤러의 일부로서 모터 컨트롤러가 일체화되는 본 발명의 실시예를 나타내며,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 단일 장치 내의 밸브 액추에이터 컨트롤러, 모터 컨트롤러, 및 전원 컨버터의 조합을 나타내며,
도 12는 모터 컨트롤러에 의해 수신될 수 있는 다양한 피드백 신호의 예을 나타내며,
도 13은 프로세스 컨트롤러로서 동작하는 밸브 액추에이터의 실시예를 나타낸다.
전기 모터를 포함하는 밸브 액추에이터가 개시되는데, 밸브 액추에이터는 출력 축의 역구동으로부터 부하를 방지하는 기어 세트와 가변 속도에서 모터를 구동시킬 수 있는 고상 모터 컨트롤러(solid-state motor controller)를 포함한다. 밸브 액추에이터의 속도와 토크는 선택될 수 있다. 본 발명은 밸브 액추에이터에서 토크 리미트 스위치 또는 기타 토크 전용 토크 감지 수단 및 별도의 제동 메카니즘을 설치할 필요성을 제거할 수 있다.
설명의 편의를 위하여, 도면에서 동일한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낼 수 있다. 이하, 도 1을 참조하면, 밸브 액추에이터(100)의 특정 실시예는 모터 컨트롤러(20)와 가변속 모터(10)를 포함한다. 모터 컨트롤러(20)는 전원(90)으로부터 전기 입력을 수용한다. 모터 컨트롤러(20)는 가변속 모터(10)에 대한 전기 에너지의 출력을 제어한다. 가변속 모터(10)는 밸브(80)에 결합될 수 있다. 대안적으로, 모터(10)는 액추에이터 기어 박스(회전형 또는 선형 출력부)에 결합될 수도 있는데, 상기 기어 박스는 밸브(80) 또는 기타 구동되는 부하에 차례로 결합될 수도 있다.
가변속 모터(10)는 당 기술분야에서 공지된 적절한 모터가 될 수 있다. 본 발명에 의하면, 많은 가변속 모터가 고려된다. 사실상, 적절한 컨트롤러와 컨버터를 구비한 임의의 AC 모터는 가변 속도에서 기능을 수행할 수 있다. 가변속 모터(10)는 단상 및 다상 유도 모터를 포함한다. 다상 유도 모터에는 디자인 A & B, C, D 및 F 의 일반적인 네 그룹과, 수반되는 서브그룹이 포함된다. 가변속 모터(10)는 권선형 로터 모터(wound-rotor motors), 다단속 모터, 정(constant) 토크 모터와 가변 토크 모터, 및 직교류 겸용 모터와 같은 기타 AC 모터가 될 수 있다. 히스테리시스 구성과 릴럭턴스 구성의 비여자식(non-excited) 동기 모터와 DC 여자식 동기 모터를 포함하는 동기 모터가 사용될 수도 있다. 가변속 모터(10)는 서보 모터, 브러시리스 서보 모터, 및 리니어 모터가 될 수도 있다.
가변속 모터(10)는 DC 모터가 될 수도 있다. 적절한 DC 모터에는, 예컨대 분권형, 직권선형, 복권형, 및 브러시리스 DC 모터가 포함된다. 가변속 모터(10)는 브러시형 또는 브러시리스형 DC 리니어 모터, 또는 코어리스 모터가 될 수도 있다. 예컨대 링 모터 또는 팬케익 모터(pancake motor)가 사용될 때, 가변속 모터(10)는 임의의 개수의 극(pole)을 가질 수 있다. 가변속 모터(10)는 한계 각 토크 모터(limited-angle torque motor), 또는 한계 각 토크 모터로서 결선된 브러시리스 DC 모터가 될 수도 있다. 가변속 모터(10)는 영구 자석형 스텝 모터(디스크형 모터 등), 무자석 브러시리스 스텝 모터(가변 릴럭턴스 모터 등), 및 스위칭식 릴럭턴스 브러시리스 DC 모터(하이브리드 영구 자석 모터라고도 알려짐)를 포함할 수 있다. 가변속 모터(10)는 2상, 3상, 4상, 5상 모터와 DC 서보 모터와 같은 스텝 모터를 포함할 수 있다.
앞서 나열된 모터들은 제한하고자 하는 것이 아니라, 가변속 모터(10)로서 사용될 수 있는 다양한 모터들을 예시한 것이다. 임의의 제어 방법에 의하여 가변 속도에서 구동될 수 있는 임의의 모터는 가변속 모터(10)로서 사용될 수 있다. 또한, 비록 서보 모터가 특정 형태의 모터로서 상세하게 기술되었다 하더라도, 모터 위치의 피드백은 전술한 임의의 모터와 일체화될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
모터 컨트롤러(20)는 가변속 모터(10)의 속도와 토크를 제어할 수 있는 임의의 컨트롤러가 될 수 있다. 일실시예에서, 모터 컨트롤러(20)는 고상 컨트롤러(solid-state controller)가 될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "컨트롤러"라는 용어는 컨트롤러와 드라이버를 통칭한다. 모터 컨트롤러(20)는 사용되는 모터의 형태에 따라 다양할 것이다. 브러시를 구비한 DC 모터는 주로 "계자(field)" 라고 불리는 권선형 고정자와 "전기자(armature)" 라고 불리는 권선형 회전자로 이루어진다. 본 명세서에서 사용되는 "권선(windings, wound)" 이라는 용어는 선재의 래핑(wire wrappings)은 물론, 주권선용(통상적으로 철계 금속 적층체를 포함함) 프레임과 금속 층을 의미한다. 예를 들어, 직권형 DC 모터의 경우에, 전기자와 계자는 직렬로 연결된다. 모터의 속도는 모터에 공급되는 전류에 거의 직접적으로 비례한다. 따라서, 모터에 공급되는 전압을 제어함으로써 모터의 속도가 제어될 것이다. 전류를 제어함으로써 모터의 토크가 제어될 것이다. 모터 컨트롤러(20)는 전위차계 또는 가감 저항기(rheostat) 등의 가변 저항(variable resistor)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 트라이액, 및 실리콘 제어 정류기(SCR)가 사용될 수도 있다. 가변속 모터(10)와 호환되는 임의의 적절한 방법이 사용될 수도 있다.
분권형 DC 모터는 개별적인 계자 전원과 전기자 전원을 갖는다. 따라서, 상이한 형태의 제어가 요구된다. 계자가 고정 전원을 가지고 전기자가 전원이 가변적인 경우, 이를 전기자-전압 제어라고 한다. 전기자-전압 제어는 속도 범위에 걸쳐 일정한 토크를 제공한다. 계자가 가변적이고 전기자의 전원이 고정된 경우, 이를 분권-계자 제어라고 한다. 분권-계자 제어는 속도 범위에 걸쳐 일정한 마력을 제공한다. 복권형 DC 모터는 직권형 및 분권형을 모두 사용한다. 모터 컨트롤러(20)는 전기자-전압 제어, 분권-계자 제어, 또는 복권형 모터 제어를 제공할 수 있다.
브러시리스 DC 모터는 권선형 전기자를 갖지 않지만, 대신에 회전자로서 영구 자석을 사용한다. 영구 자석 회전자를 회전(spin)시키기 위하여 요구되는 교번 자계를 형성하는데 필요한 바에 따라, 브러시 대신, 계자 권선(적층형 금속층)의 전류가 전후로 스위칭된다. 스위칭 속도를 제어하기 위하여 PWM이 흔히 사용되지만, 모터 컨트롤러(20)는 속도 및/또는 토크를 제어하기 위하여 임의의 적절한 방법을 채용할 수 있다.
AC 유도 모터는 권선형 고정자 회전자를 가지며, 권취된 권선 또는 전도성 "바(bar)" [농형(squirrel cage)]를 가질 수도 있으나, 전력은 고정자에만 공급된다. AC 모터의 속도는 거의 대부분 전원의 주파수와 전압을 변화시킴으로써 제어된다. 본 발명의 특정 실시예에서, 모터 컨트롤러(20)는 가변 주파수 구동기(VFD)가 될 수 있다. VFD는 본질적으로 AC를 DC로 컨버트, 그리고 재차 DC 전류를 AC로 인버트한다. 인버터는 AC 출력파의 주파수 및 전압을 제어한다. 출력주파수는 AC 모터의 속도를 결정한다. 출원 전압은 모터의 토크를 결정한다. AC에서 DC로의 컨버전을 달성하기 위하여 사용될 수 있는 적절한 장치에는, 예컨대 다이오드, 정류기, 사이리스터, 및 SCR가 포함된다. DC 전류를 AC 전류로 인버트하기 위하여 절연(고립이라고도 함) 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)와 같은 반도체가 사용될 수도 있다. 대안적으로, 바이폴라 트랜지스터, FET, MOSFET, 및 트랜지스터-변압기가 사용될 수도 있다. 동기 모터는 유도 모터와 유사한 방식으로 제어된다. 모터 컨트롤러(20)는 당 기술분야에서 공지된 AC 모터의 속도 및/또는 토크를 제어할 수 있는 임의의 적절한 컨트롤러가 될 수 있다.
도 2는 밸브 액추에이터(100)가 전원 컨버터(30)와 기어 세트(40)를 더 포함하는 본 발명의 일실시예를 나타낸다. 전원 컨버터(30)는 전원(90)으로부터 전기 입력을 받고, 모터 컨트롤러(20)에 적절한 전력 공급을 출력한다. 기어 세트(40)는 가변속 모터(10)의 출력 축에 결합된다. 다음, 기어 세트(40)는 밸브(80)에 결합된다.
도 3에 도시된 다른 실시예에서, 전원 컨버터(30)는 모터 컨트롤러(20)로서 동일한 하우징 내에 일체화될 수 있다. 전원 컨버터(30)의 일부 또는 모든 기능은 모터 컨트롤러(20)에 의해서도 달성될 수 있다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(20)로서 VFD가 사용될 때, VFD는 단상 AC를 3상 AC로 컨버팅하는 기능을 수행할 수도 있다. 따라서, 별도의 위상 컨버터는 필요가 없다. 그러나, 이러한 목적으로 VFD를 활용하기 보다는 범용 전원 컨버터(30)에 내장되는 개별적인 위상 컨버터를 갖는 것이 바람직할 수 있다. VFD는 AC를 DC로 컨버전하고 재차 AC로 인버전하는 역할도 할 수 있다. 따라서, 모터 컨트롤러(20)가 VFD를 포함할 때는, 모터 컨트롤러(20)에 의한 이러한 양태의 전력 컨버전이 실행될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 실시예와 같이, 전원 컨버터(30)가 요구되지 않는 상황이 있을 수 있다. 전원 컨버터(30)는 전원(90)을 어느 전압에서 다른 전압으로 변경할 수 있는 변압기(예컨대, 가변 변압기)가 될 수 있다. 전원 컨버터(30)는 AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, DC-AC 인버터, 또는 위상 컨버터가 될 수도 있다. 전원 컨버터(30)는 범용 전원 컨버터로 구성될 수도 있다. 이렇게, 전원 컨버터는 임의의 상용 전압 및 전류 형태를 취하여, 이를 모터 컨트롤러(20)에 의해 사용될 수 있는 형태로 컨버트할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 전원 컨버터는 온보드 위치 또는 프로세스 컨트롤러에 급전할 수 있는 저전압 AC 및/또는 DC 전력을 형성할 수 있으며, 외부 장치(예컨대, 스위치, 지시기, 및 상태 신호)를 구동하기 위한 전력 소스가 될 수 있다. 전원(90)은 유효한 임의의 전원이 될 수 있다. 전원(90)의 몇몇 예로서, 208 ~ 690 VAC 3상 50 또는 60 Hz, 120 또는 230 VAC 단상, 12 VDC, 24 VDC, 및 48 VDC가 포함된다. 본 발명의 실시예는 24 VDC로부터 690 VAC까지의 임의의 전압을 수용할 수 있다.
전원 컨버터(30)는 단일 장치 또는 다중 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 전원 컨버터(30)는 전술한 DC 컨버터, AC 스텝 다운 또는 스텝 업 변압기, 또는 위상 컨버터를 포함할 수 있다.
도 5의 실시예를 참조하면, 계자 연결 블록(60)은 밸브 액추에이터(100)에 포함될 수도 있다. 계자 연결 블록(60)은 전원 컨버터(30) 또는 모터 컨트롤러(20)에 전원(90)을 연결하는데 필요한 임의의 방식으로 구성될 수 있다. 계자 연결 블록(60)은 전원 컨버터(30) 및/또는 모터 컨트롤러(20)와 함께 단일 장치 내에 일체화될 수도 있다. 계자 연결 블록(60)은 범용 전원 컨버터(30)와 함께 사용되도록 범용 연결 블록으로 구성될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 전원(90)에 의해 전달되는 임의의 전압 또는 암페어수를 다루기 위하여, 계자 연결 블록(60)은 적절한 포스트, 러그, 캠 록, 핀 및 슬리브 커넥터, 또는 다른 연결 장치와 함께 구성될 수 있다. 계자 연결 블록(60)은 단일 연결 메카니즘 또는 다중 연결 메카니즘을 가질 수도 있다. 예를 들어, 계자 연결 블록(60)은 AC와 DC 와이어를 위하여 러그가 고착될 수 있는 포스트의 단일 세트를 가질 수 있다. 대안적으로, 계자 연결 블록(60)은 DC 와이어를 위한 러그 및/또는 포스트의 세트, 및 AC 와이어를 위한 러그 및/또는 포스트의 세트를 가질 수 있다. 계자 연결 블록(60)은 AC 및 DC 연결 메카니즘의 다중 세트를 가질 수도 있다.
계자 연결 블록(60)은 조작자가 하나의 전원 형태를 위하여 계자 연결 블록(60)을 잘못 결선함으로써 실제로 상이한 형태의 전원이 공급되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조작자가 480 VAC 3상을 사용하고자 했으나, 우연히 480 VAC 컨덕터 2개를 DC 러그의 세트에 연결한다면, 문제가 발생할 수 있다. 공급되는 전압과 전류의 형태를 계자 연결 블록(60)이 자동으로 감지하여 적절한 예방조치를 취하도록 구성되거나, 어떤 전류와 전압이 공급될지를 사용자가 확인할 수 있는 메카니즘이 제공될 수 있다. 자동 감지는 당 기술분야에서 공지된 센서를 통해 달성될 수 있다. 다음, 조작자의 전력 공급부를 전원 컨버터(30)의 적절한 부분에 전기적으로 연결하기 위하여, 계자 연결 블록(60) 내의 컨트롤러는 적절한 스위치기어와 체결될 수 있다. 전력 컨디셔너 모듈은 임의의 광범위한 가능한 입력 전압을 수용하여, 작동을 허용하거나(안전 한계 이내인 경우) 모터의 작동을 방지할 수 있다. 접촉부를 통해 전류가 유동하는 동안 스위치기어의 변경 시도를 방지하기 위하여 회로 보호부(circuit protection)가 추가될 수 있다.
나아가, 가변속 모터(10)가 AC 모터이고, 전원(90)이 DC 전력 공급일 때는, DC 전력을 모터 컨트롤러(20)에 직접 공급하는 것이 바람직할 수 있는데, 이때 가변속 모터(10) 제어의 일부로서 DC 전력을 AC 전력으로 인버트할 것이다.
계자 연결 블록(60) 또는 밸브 액추에이터(100)의 임의의 다른 부분은, 회로 차단기, 및 서지 보호기와 같은, 임의의 필요한 전류 및 전압 보호부(current and voltage protection)를 포함할 수 있다.
계자 연결 블록(60)과 관련하여 설명된 모든 구조 및 기능들은 전원 컨버터(30), 모터 컨트롤러(20), 및/또는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)와 함께 단일 하우징 내에 일체화될 수도 있다. 이러한 단일 하우징은 밸브 액추에이터(100)의 일부로서 포함될 수 있다. 추가적으로, 계자 연결 블록(60)과 전원 컨버터(30)는 완전히 일체화될 수 있다.
범용 전원 컨버터(30)를 사용함으로써, 밸브 액추에이터 제조자는 고객이 가지고 있을 수 있는 임의의 전원(90)과 호환가능하고 규격이 정해진 사이즈 범위에서 단일 밸브 액추에이터(100)를 제작할 수 있다. 또한, 가변속 모터(10)를 활용함으로써, 밸브 액추에이터(100)는 광범위한 밸브(80)와 호환될 수 있다. 고상 모터 컨트롤러(20)는 주어진 밸브(80)에 대한 최적 속도와 토크의 구성을 허용한다. 속도와 토크는 조작자, 제조자, 대리인 또는 판매자에 의해 설정될 수 있다. 따라서, 협소한 범위의 밸브 액추에이터(100)가 광범위한 밸브 적용범위의 요구를 충족시킬 수 있다. 협소한 범위의 밸브 액추에이터(100)는, 이전에 다른 밸브 액추에이터로는 불가능했던 규모의 경제를 달성하기 위하여 충분히 다량으로 생산될 수 있다.
선택적으로, 밸브 액추에이터(100)는 기어 세트(40)를 포함한다. 기어 세트(40)는 밸브 액추에이터(100)의 일부로서 또는 밸브 액추에이터(100)에 결합될 수 있는 별개 부재로서 포함될 수 있다. 일실시예에서, 기어 세트(40)는 웜 축이 가변속 모터(10)의 출력 축에 직접적으로 결합되어 밸브 액추에이터(100)의 일부로서 일체화되는 웜/웜 기어 세트가 될 수 있다. 모터가 활성화되지 않을 때 밸브의 위치 변경을 방지하기 위하여, 웜/웜 기어 세트는 밸브 액추에이터(100)에 대한 제동 또는 잠금을 내재적으로 제공한다. 그러나, 기어 세트(40)는 유성 기어 세트와 같은 다른 기어가 될 수 있다. 도 6은 기어 세트(40)가 제공되지 않은 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 가변속 모터(10)의 출력 축은 밸브(80)에 직접적으로 결합될 수 있다.
특정 실시예에서, 중공형 축, 높은 폴 카운트(pole count), 고 토크, 저속 "팬케익(pancake)" 모터는 기어 박스 없이 밸브를 직접 구동하고 밸브 스템(valve stem)을 허용하기 위하여 사용될 수 있다. 직접적인 구동을 위하여, 중공형 축 액추에이터에서, 액추에이터가 정지되었을 때 그 위치에서 액추에이터를 "잠글" 필요가 있다. 모터 컨트롤러에 대한 영속도 명령을 통해 컨트롤러에 의해 그 위치를 능동적으로 유지할 수 있다. 대안적으로, 중공형 축 구성은 3 포지션 모터/핸드휠 클러칭 시스템 및 솔레노이드 구동식 브레이크를 사용할 수 있다. 제1 위치는 솔레노이드 구동식 브레이크가 결합된 채로 정지하거나 해제된 솔레노이드 브레이크와 함께 모터동작하는 것을 포함한다. 제2 위치는 모터가 결합해제되고 브레이크가 결합되는 것(즉, 솔레노이드 중단)을 포함한다. 제3 위치는 모터가 결합해제되고, 브레이크도 결합해제(솔레노이드 중단)되며, 핸드휠이 결합되는 것을 포함한다. 핸드휠을 조작하기 위하여, 레버는 제3 위치로 이동되고, 핸드휠은 소망하는 밸브 위치로 회전되며, 레버는 밸브 위치를 유지하기 위하여 제1 위치 또는 제2 위치로 이동된다.
도 7은 밸브 액추에이터(100)에 기어 세트(40)가 존재하지만, 가변속 모터(10)와 모터 컨트롤러(20)가 개별 하우징(70) 내에 수용되는 실시예를 나타낸다. 전원 컨버터(30)도 하우징(70) 내에 존재할 수 있다. 일실시예에서, 하우징(70)은 모터 하우징이다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(20)와 전원 컨버터(30)는 모터 하우징 내에 위치될 수 있다. 대안적으로, 모터 컨트롤러(20)와 전원 컨버터(30)는 하우징(70) 상에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 모터 컨트롤러(20)와 전원 컨버터(30)는 하우징(70)의 구멍을 통해 가변속 모터(10)에 결선될 수 있다. 모터 컨트롤러(20)와 전원 컨버터(30)가 적절하게 커버링 됨으로써, 하우징(70)은 NEMA 4와 같은 임의의 소망하는 NEMA 등급을 갖게 된다. 추가적으로, 도 7의 실시예에서, 전원 컨버터(30)는 존재하지 않거나 모터 컨트롤러(20)와 함께 단일 장치로 일체화될 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)도 하우징(70) 내에 위치될 수 있다. 모터 컨트롤러(20)도 밸브 액추에이터 컨트롤러(50) 내에 일체화될 수 있다.
밸브(80)는 멀티 턴 밸브 또는 90°턴 밸브가 될 수 있다. 밸브(80)는 글로브 밸브, 게이트 밸브, 슬루스 밸브, 나비 밸브, 플러그 밸브, 볼 밸브, 또는 멀티 포트 밸브가 될 수 있다. 밸브(80)는 기어 세트(40) 없이 또는 기어 세트와 함께 가변속 모터(10)에 의해 동작될 수 있는 다른 액추에이터 구동식 부하(load) 또는 임의의 밸브가 될 수 있다.
도 8을 참조하면, 밸브 액추에이터(100)는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)도 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브 액추에이터(100)의 하우징(70) 내에 위치된다. 그러나, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 대안적으로 하우징(70)의 외부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)를 밸브 액추에이터(100)에 연결하는 전기 리드와 함께 밸브 액추에이터(100) 근처에 있는 지지 구조체 상에 장착될 수 있다.
일실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 모터 컨트롤러(20)를 제어한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 모터 컨트롤러(20)가 전원 컨버터(30)로부터 분리되거나, 도 9에 도시된 바와 같이, 전원 컨버터(30)가 모터 컨트롤러(20)로서 전원 컨버터에 일체화될 수 있다. 도 8은 모터 컨트롤러(20)로부터 분리된 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)를 나타낸다. 대안적으로, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 전원(90)으로부터 직접적으로 전력을 받을 수 있으며, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 전원(90)에 상태 인디케이터와 출력 신호를 전송할 수 있다. 그러나, 도 10에 도시된 바와 같이, 모터 컨트롤러(20)는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)과 함께 단일 장치로 일체화될 수 있다. 도 11은 전원 컨버터(30) 역시 밸브 액추에이터 컨트롤러(50) 및 모터 컨트롤러(20)와 함께 단일 장치로 일체화된 것을 나타낸다.
도면에는 모터 컨트롤러(20)가 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 일체화되는 것으로 도시되어 있다고 하더라도, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 모터 컨트롤러(20)에 일체화된 것으로도 보일 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 유사하게, 모터 컨트롤러(20) 및/또는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 의해 수행된 기능은 전원 컨버터(30)에 의해서도 수행될 수 있다.
밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 신호를 전송 및 출력할 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 프로세스 명령 신호, 프로세스 피드백 신호, 밸브 위치 명령 신호, 밸브 위치 피드백 신호, 및 모터 위치 신호를 수신할 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50) 또는 모터 컨트롤러(20) 중 하나는 임의의 수의 피드백 신호를 수신할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 가변속 모터(10)는 회전자(또는 전기자) 위치 신호, 회전자 속도 신호, 모터 전류 신호, 또는 모터 토크 신호와 같은 피드백 신호(15)를 생성할 수 있다. 피드백 신호(15)는 밸브 액추에이터(100) 출력 토크, 출력 속도, 및 위치를 유도하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 피드백 신호(15)는 밸브(80) 토크, 속도 및 위치를 산출하는 데 사용될 수 있다. 기어 세트(40)는 피드백 신호(16)를 생성하도록 구성될 수 있다. 피드백 신호(16)는 밸브 액추에이터(100) 출력 토크, 속도, 및/또는 위치를 지시할 수 있다. 피드백 신호(16)는 웜 기어 또는 웜 축의 토크 및/또는 속도와 같은 기어 트레인의 임의의 부분의 데이터를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 밸브(80)는 피드백 신호(17)를 생성하도록 구성될 수 있다. 피드백 신호(17)는 밸브(80) 토크, 속도 및 위치를 직접적으로 지시하는 데 사용될 수 있다. 도 12는 피드백 신호(15, 16, 17)를 수신하는 모터 컨트롤러(20)를 나타낸다. 그러나, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)가 신호들을 수신할 수도 있다.
밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 의해 전송되는 신호들의 예에는 센서, 작동기, 모터 컨트롤러(20), 가변속 모터(10) 및 기타 밸브 액추에이터(100) 외부 시스템에 대한 쿼리(queries)를 포함한다.
밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 위치 컨트롤러 또는 프로세서 컨트롤러로서 작동할 수 있다. 위치 컨트롤러의 실시예에서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 위치 명령 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 위치 명령 신호는 밸브의 소망하는 위치를 지시할 수 있다. 위치 신호는 프로세스 컨트롤러, 작동기, 스위치, 전위차계, 프로세스 기능 블록, 신호 생성기, 또는 위치 컨트롤러에 의하는 등의 임의의 표준 수단에 의해 생성될 수 있다. 밸브(80)의 위치를 결정하기 위하여, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 피드백 신호(15)를 경유하여 가변속 모터(10)의 회전자의 모터 컨트롤러(20) 정보를 사용할 수 있다. 피드백 신호(15)는 본질적으로 위치 피드백 신호의 출처 역할을 한다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 위치 명령 신호와 위치 피드백 신호 사이에 에러(차이)가 있는지 여부를 판단할 수 있다. 에러가 감지되면, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 에러를 최소화하고자 밸브 액추에이터(100)를 조정할 수 있다. 성능 튜닝(예컨대, 반응 시간, 허용 오버슈트, 정착 시간, 및/또는 허용 에러)은 조작자에 의해 구성되거나, 디폴트 값으로 제조자에 의해 프리셋될 수 있다.
프로세스 컨트롤러의 실시에에서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 프로세스 명령 신호와 프로세스 피드백 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 프로세스 명령 신호는 소망하는 프로세스 변수 설정치(process variable set-point)를 지시한다. 프로세스 피드백 신호는 프로세스 변수의 실제 조건을 지시한다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 두 신호 사이의 에러가 있었는지 여부를 판단하여 설정된 수용가능한 밴드 안으로 에러를 줄이기 위하여 밸브를 조정할 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 비례 제어, 비례 플러스 적분 제어, 비례 플러스 적분 플러스 미분 제어, 또는 비례 플러스 미분 제어와 같은 임의의 형태의 제어 응답을 포함할 수 있다.
밸브 액추에이터(100)는 고정 속도 또는 가변 속도 중 하나에서 밸브(80)를 작동시키도록 구성될 수 있다. 고정 속도 실시예에서, 본 발명의 밸브 액추에이터(100)는 크기(scale) 면에서 개선된 제조 경제성을 제공할 수 있다. 추가적으로, 밸브 액추에이터(100)는 가변 속도에서 작동하도록 구성될 수 있다.
밸브 액추에이터(100)는 조작자에 의해 가변 속도에서 작동하도록 구성될 수 있다. 조작자는 밸브(80)가 작동되는 속도에 걸쳐 거의 무제한의 제어권을 가질 수 있다. 조작자는 밸브 액추에이터(100)가 동작하는 설정 속도를 선택하거나, 속도 프로파일에 진입할 수 있다. 속도 프로파일은 조작자로 하여금 밸브(80) 스트로크의 상이한 부분에 대하여 상이한 밸브 속도를 지정할 수 있도록 한다. 조작자는 밸브(80) 스트로크를 따라 상이한 위치 및 상이한 속도에서 전달될 수 있는 허용 토크를 설정할 수도 있다. 따라서, 밸브(80)의 토크와 속도는 밸브(80)의 첫 개방 시에는 개방 전에, 또는 첫 폐쇄 시에는 폐쇄 전에 제한될 수 있다. 특정 실시예에서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50) 및/또는 모터 컨트롤러(20)는 고상 컨트롤러인데, 이 경우 속도 또는 토크가 변경되어야 할 때를 확인하기 위하여 토크 제한 스위치의 필요성이 제거된다. 대신에, 피드백 신호(15)를 통한 모터 위치 및 토크에 대한 모터 컨트롤러(20)의 정보는 밸브(80)의 토크 및/또는 속도를 제한하거나 변화시켜야할 때를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 토크는 모터 전류, 전압, 온도, 백 EMF, 누설자속, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 유도될 수 있다. 따라서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)가 고상 컨트롤러일 때, 조작자는 기계적 스위치를 조정할 필요없이 감속 또는 가속되는 밸브 스트로크를 따라 위치를 변경할 수 있다.
조작자가 밸브(80)의 고정 속도 또는 속도 프로파일을 변경할 수 있다는 것은 전체적인 시스템 이득을 결정하는 데 큰 유연성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 더 높은 밸브 속도는 더 높은 시스템 이득과 동일시될 수 있으며, 반대로 더 낮은 밸브 속도는 더 낮은 시스템 이득과 동일시될 수 있다. 나아가, 밸브 속도와 시스템 이득 사이의 관계로 인하여, 밸브 액추에이터(100)의 변속 능력은 조작자에게 제어 시스템의 정밀 튜닝을 위한 툴을 제공한다. 이러한 점은 시스템 안정화를 가능케하는 튜닝 상수를 찾기 어려운 민감한 제어 시스템에서 특히 유리할 수 있다.
추가적으로, 일단 튜닝 상수가 선택되면, 조작자는 튜닝 상수를 변경하기 보다는 밸브(80)의 속도를 변경할 수 있다. 이러한 점은, 조작자가 인테그럴 와인드 업(integral wind-up) 및 당 기술분야에서 알려진 기타 문제와 같은 PID 컨트롤러와 관련된 문제를 방지하는 튜닝 상수의 제한된 세트를 가지고 있는 공정에서 특히 유리할 수 있다. 이러한 시나리오에서, 밸브 속도의 조정은 컨트롤러의 튜닝 상수를 변경하는 것보다 이익이 될 수 있다.
예를 들어, 많은 조작자들은 밸브의 유지보수를 위한 공정의 셧다운을 방지하려고 시도한다. 대신에, 조작자는 전체 공정이 셧다운 되고 임의의 필요한 수리가 한 번에 실시되는 년중 주어긴 시간 동안 밸브가 충분히 작동하도록 유지하고자 할 것이다. 따라서, 밸브의 용착(sticking)이 개시될 때, 어떤 조작자들은 용착 밸브에 대한 보상으로 컨트롤러의 튜닝 상수를 조정할 것이다. 본질적으로, 용착 전(pre-sticking) 밸브 프로세스 조건에 유사한 실제 결과에 접근하기 위하여, 조작자는 곧바로 또는 상당한 정도로 밸브의 위치를 변경하도록 밸브에 명령을 시도하고자 컨트롤러 튜닝 상수를 변경할 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 폐쇄 루프 위치 컨트롤러는 명령 속도를 달성하려는 시도에서 최대 전압(최대 토크) 까지 상승하는 내내 필요에 따라 모터 전압을 조정할 수 있다. 컨트롤러의 타이밍 파라미터에서 Ki 상수 또는 타이머를 조정함으로써, 조작자는 밸브가 더욱 스티키(sticky)해 짐에 따라 액추에이터의 거동을 조정할 수 있다.
그러나, 복잡하거나 민감한 시스템의 경우, 안정된 프로세스를 위하여 실제로 제공되는 튜닝 상수의 제한된 세트가 있을 수 있다. 밸브(80)에서 속도를 변경하기 위하여 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)를 조정함으로써, 단순히 고정 속도를 변경하는 것이 아니라, 밸브가 가진 모든 문제를 수용하기 위하여 밸브 속도 프로파일이 조정되거나 형성될 수 있다. 밸브가 개방시에만 용착 된다면, 밸브를 최초 개방할 때는 더 큰 토크가 공급될 수 있다. 밸브가 밸브 스트로크의 중간에 용착 된다면, 밸브가 용착되는 범위에 걸쳐 속도 또는 토크가 증가될 수 있다.
밸브(80)의 동작 속도를 결정하기 위하여, 밸브 액추에이터(100)는 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)의 적절한 로직과 함께 구성될 수 있다. 이러한 로직은 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)가 프로세스 컨트롤러로서 기능할 때 밸브 액추에이터 컨트롤러(50) 내에 일체화될 수 있다. 이러한 실시예에서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 가변속 모터(10)가 작동하여 기어 세트(40)와 밸브(80)를 차례로 작동시키는 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 변수 설정치와 프로세스 변수의 피드백 사이의 차이가 클 때 밸브(80)가 고속에서 작동하도록, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)가 구성될 수 있다. 유사하게, 프로세스 신호들 사이의 에러(차이)가 작을 때, 밸브(80)는 저속에서 작동한다. 에러의 주어진 크기에 대응하기 위하여, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 미리 선정된 속도의 제한된 세트로 설정될 수 있다. 대안적으로, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 해당 에러에 따라 밸브(80)가 작동될 수 있는 본질적으로 무한의 속도를 가질 수 있다.
밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 프로세스 변수 설정치의 변화에 대한 제1 반응이 고속에서 작동되는 밸브(80)를 야기하고, 밸브(80)의 위치에 대한 후속 변화가 저속에서 발생하여 속도를 낮추도록 구성될 수도 있다. 이러한 접근은 일체형 와인드 업(wind-up)을 방지하는데 유용할 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 당 기술분야의 당업자에게 자명한 다양한 방식에 응답하도록 구성될 수 있다. 프로그래밍 컨트롤러와 컨트롤러 하드웨어는 당 기술분야에서 공지되어 있다. 따라서, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 사용되는 정확한 소프트웨어, 하드웨어, 및/또는 펌웨어는 본 명세서에서 설명하지 않는다.
도 13을 참조하여, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)를 온도 프로세스 컨트롤러로서 사용하는 일실시예를 설명한다. 반응 용기(200)는 반응 용기의 측부 주위에 가열 자켓(210)을 갖는다. 반응 용기(200)의 입력과 출력은 도시되지 않았다. 파이프(220)는 가열 자켓(210)에 고온수를 공급한다. 가열 자켓(210)의 고온수로부터 온 열은 파이프(220)에 전달된다. 가열 자켓(210)으로 공급되는 고온수의 유량이 클수록, 반응 용기(200)의 온도가 높아진다. 고온수의 유량은 밸브(80)에 의해 제어된다. 밸브(80)의 인렛은 파이프(260)에 연결된다. 가열 자켓(210)을 통해 순환된 고온수는 파이프(270)를 통해 배출된다. 밸브(80)는 밸브 액추에이터(100)에 의해 회전된다. 신호(240)는 반응 용기(200)에 대한 온도 설정치를 지시하는 온도 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 전송된 프로세스 명령 신호이다. 신호의 출처는 도 13에 지시되지 않았다. 신호들(240, 250)은 0 내지 20 또는 5 내지 20 mA 신호, 0 내지 10 또는 0 내지 50 mV 신호, 0 내지 5, 1 내지 5 또는 0 내지 10 Vdc 신호, 또는 디지털 통신 버스(모드버스, 파운데이션 필드버스, 프로파이버스, ASi, 디바이스넷, 인터넷, 이더넷 등)의 디지털 메세지 또는 기타 컨트롤러 신호 형태가 될 수 있다. 신호(250)는 온도 센서(230)로부터 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)로 전송된 프로세스 피드백 신호이다.
본 실시예에서는, 단순화를 위하여, 밸브(80)가 고온수의 상이한 유량으로 캘리브레이션 된 것으로 되어있다. 실제로, 다른 센서들은 물론, 적어도 하나의 고온수 유동 센서가 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)에 신호를 제공할 수 있다. 추가적으로, 임의의 개수의 온도 센서(230)가 사용될 수 있다.
온도 센서(230)에 의해 사소한 온도 변화가 감지될 때, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 이에 대한 응답으로 상대적으로 저속에서 밸브(80)의 위치를 이에 대응하여 조금 변경할 수 있다. 대안적으로, 큰 폭의 온도 하강이 감지된다면, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브(80)를 많이, 그리고 상대적으로 큰 유량으로 개방할 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브(80)를 작동시키는 데 사용되는 속도를 결정하는, 신호(240)와 신호(250) 사이의 차이의 정도에 따라, 매우 느림, 느림, 중간, 빠름, 매우 빠름과 같은 주어진 속도 세트를 가질 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브(80)가 작동될 수 있는 무한개의 속도를 본질적으로 가질 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 신호(240)와 신호(250) 사이의 차이뿐만 아니라, 신호(240) 자체의 변화까지도 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조작자에 의해 온도 설정치가 급격하게 증가된다면, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 반응 용기(200)의 온도가 서서히 증가되도록 밸브(80)를 천천히 개방할 수 있다. 그러나, 신호(250)의 변화가 신호(250)와 신호(240) 사이의 에러의 출처가 된다면, 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 밸브(80)가 위치를 재빨리 변경하도록 할 것이다.
밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 주로 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합이 될 수 있다. 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는 PC, 또는 기타 제어 하드웨어 및 소프트웨어와 인터페이스되도록 구성될 수 있다. 모터 컨트롤러(20)와 밸브 액추에이터 컨트롤러(50)는, 당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 전원(90) 또는 별개의 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 특정 실시예와 개념을 또한 포함한다.
제1항
가변속 모터와,
상기 가변속 모터와 작동가능하게 연결되고 상기 가변속 모터를 동작시키도록 구성될 수 있는 고상 모터 컨트롤러와,
상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되는 기어 세트를 포함하는
밸브 액추에이터.
제2항
제1항에 있어서,
상기 가변속 모터는 모터 위치 피드백을 구비한 AC 동기 릴럭턴스 모터, 모터 위치 피드백을 구비하지 않은 AC 동기 릴럭턴스 모터, 모터 위치 피드백을 구비한 DC 브러시리스 모터, 및 모터 위치 피드백을 구비하지 않은 DC 브러시리스 모터를 포함하는 그룹에서 선택되는
밸브 액추에이터.
제3항
제1항에 있어서,
상기 가변속 모터는 단상 유도 모터, 다상 유도 모터, 권선형 로터 모터, 다단속도 모터, 정 토크 모터, 가변 토크 모터, 직교류 겸용 모터 동기 히스테리시스 모터, DC 여자식 동기 모터, 서보모터, 브러시리스 서보 모터, 및 리니어 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 AC 모터인
밸브 액추에이터.
제4항
제1항에 있어서,
싱기 가변속 모터는 분권형, 직권선형, 복권형, 브러시리스 DC 모터, 리니어 모터, 브러시리스 리니어 모터, 코어리스 모터, 링 모터, 팬케익 모터(pancake motor), 한계 각 토크 모터(limited-angle torque motor), 영구 자석형 스텝 모터, 가변 릴럭턴스 모터, 스위칭식 릴럭턴스 모터, 및 서보 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 DC 모터인
밸브 액추에이터.
제5항
제1항에 있어서,
전원 컨버터를 더 포함하는
밸브액추에이터.
제6항
제5항에 있어서,
상기 전원 컨버터는 AC-AC 변환, DC-DC 컨버팅, AC-DC 컨버팅, DC-AC 인버팅 및 위상 컨버팅을 포함하는 기능 중 하나 이상을 수행할 수 있는
밸브 액추에이터.
제7항
제5항에 있어서,
상기 전원 컨버터와 고상 모터 컨트롤러는 단일 장치로 일체화되는
밸브 액추에이터.
제8항
제1항에 있어서,
상기 모터 컨트롤러를 제어할 수 있는 밸브 액추에이터 컨트롤러를 더 포함하는
밸브 액추에이터.
제9항
제1항에 있어서,
상기 고상 모터 컨트롤러는 상기 가변속 모터의 속도와 토크를 변화시키도록 동작가능한
밸브 액추에이터.
제10항
제1항에 있어서,
상기 고상 모터 컨트롤러는 상기 가변속 모터가 작동되는 미리 선택된 속도 및 토크의 세트를 갖는
밸브 액추에이터.
제11항
제1항에 있어서,
상기 고상 모터 컨트롤러는 사용자에 의해 제한되는 미리 선택된 토크를 갖는
밸브 액추에이터.
제12항
제1항에 있어서,
상기 가변속 모터가 작동되는 속도 및 토크는 조작자에 의해 조정될 수 있는
밸브 액추에이터.
제13항
제1항에 있어서,
상기 고상 모터 컨트롤러는 상기 가변속 모터가 작동되는 미리 선택된 속도와 토크 프로파일의 세트를 갖는
밸브 액추에이터.
제14항
제1항에 있어서,
상기 기어 세트는 상기 밸브 액추에이터에 일체화되는
밸브 액추에이터.
제15항
제1항에 있어서,
상기 기어 세트는 상기 고상 모터 컨트롤러를 수용하는 하우징 외측에 있는
밸브 액추에이터.
제16항
상기 기어 세트는 밸브의 밸브 스템과 직접 짝을 이루도록 작동될 수 있는
밸브 액추에이터.
제17항
제1항에 있어서,
상기 기어 세트는 액추에이터 구동식 부하(load) 또는 밸브에 직접 결합될 수 있는 리니어 모터 또는 중공형 축과 직접 짝을 이루도록 작동될 수 있는
밸브 액추에이터.
제18항
제1항에 있어서,
상기 기어 세트는 솔레노이드 구동식 브레이크 및 3 위치 모터/핸드휠 클러칭 시스템을 갖는 중공형 축과 직접 짝을 이루도록 작동될 수 있는
밸브 액추에이터.
제19항
제1항에 있어서,
밸브 액추에이터 컨트롤러를 더 포함하는
밸브 액추에이터.
제20항
제19항에 있어서,
상기 밸브 액추에이터 컨트롤러는 상기 밸브 액추에이터에 일체화되는
밸브 액추에이터.
제21항
제19항에 있어서,
상기 밸브 액추에이터 컨트롤러는 신호를 전송하고 수신하도록 작동될 수 있는
밸브 액추에이터.
제22항
제21항에 있어서,
수신된 신호는 명령 신호와 피드백 신호, 프로세스 변수 설정치 신호와 위치 신호, 및 프로세스 변수 피드백 신호와 모터 위치 신호를 포함하는
밸브 액추에이터.
제23항
제19항에 있어서,
상기 밸브 액추에이터 컨트롤러는 밸브의 동작을 제어함으로써 프로세스의 비례 제어, 비례 플러스 적분 제어, 비례 플러스 미분 제어, 또는 비례 플러스 적분 플러스 미분 제어가 가능한
밸브 액추에이터.
제24항
제19항에 있어서,
상기 밸브 액추에이터 컨트롤러는 밸브가 동작될 속도와 토크를 결정하는 로직을 포함하는
밸브 액추에이터.
제25항
제19항에 있어서,
상기 모터 컨트롤러는 상기 밸브 액추에이터 컨트롤러 내에 일체화되는
밸브 액추에이터.
제26항
제1항에 있어서,
상기 모터 컨트롤러에 작동가능하게 연결되는 계자 연결 블록을 더 포함하는
밸브 액추에이터.
제27항
제26항에 있어서,
상기 계자 연결 블록은 상기 모터 컨트롤러에 작동가능하게 연결되는 전원 컨버터에 작동가능하게 연결되는
밸브 액추에이터.
제28항
제26항에 있어서,
상기 계자 연결 블록은 범용 계자 연결 블록인
밸브 액추에이터.
제29항
범용 계자 연결 블록과,
전력 공급을 수용하도록 작동가능한 전원 컨버터와,
가변속 모터와,
상기 전원 컨버터에 작동가능하게 연결되고, 상기 가변속 모터를 동작시키도록 구성될 수 있는 고상 모터 컨트롤러와,
상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되고, 기어 세트를 포함하는 제동 장치를 포함하는
밸브 액추에이터.
제30항
하우징과,
모터 컨트롤러와,
출력 축을 구비한 가변속 모터로서, 상기 가변속 모터가 상기 모터 컨트롤러에 의해 제어되도록 구성되며, 상기 모터 컨트롤러와 가변속 모터가 상기 하우징 내에 일체화되는 가변속 모터와,
상기 하우징 외측에서 상기 출력 축에 작동가능하게 결합되는 기어 트레인을 포함하는
밸브 액추에이터.
제31항
제30항에 있어서,
상기 모터 컨트롤러에 작동가능하게 결합되는 전원 컨버터를 더 포함하는
밸브 액추에이터.
제32항
제30항에 있어서,
상기 하우징은 모터 하우징인
밸브 액추에이터.
제33항
제32항에 있어서,
상기 모터 하우징은 액추에이터 하우징 내측에 있는
밸브 액추에이터.
제34항
출력 축을 포함하는 모터와,
상기 모터에 작동가능하게 연결되어, 가변 속도 및 토크에서 상기 모터를 작동시킬 수 있는 고상 모터 컨트롤러와,
상기 모터의 출력 축에 결합되는 기어 세트를 포함하는 밸브 액추에이터를 포함하는
밸브 작동 시스템.
제35항
가변속 모터와 작동가능하게 연결되는 고상 모터 컨트롤러를 포함하는 밸브 액추에이터를 제공하는 단계로서, 기어 세트가 상기 가변속 모터에 작동가능하게 연결되는 밸브 액추에이터를 제공하는 단계와,
상기 밸브 액추에이터가 작동될 때, 상기 고상 모터 컨트롤러에 의해 상기 가변속 모터가 구동될 속도를 상기 고상 모터 컨트롤러에서 설정하는 단계와,
전력 중단의 경우에 역 구동부하에 대항하여 상기 기어 세트로 상기 가변속 모터를 잠금하는 단계를 포함하는
밸브 액추에이터 작동 방법.
제36항
제35항에 있어서,
상기 밸브 액추에이터가 작동될 때, 상기 가변속 모터에 의해 생성될 토크를 상기 고상 모터 컨트롤러에서 설정하는 단계를 더 포함하는
밸브 액추에이터 작동 방법.
제37항
기어 세트를 포함하는 변속 가능한 전기 구동식 밸브 액추에이터에 작동가능하게 연결되는 고상 밸브 액추에이터 컨트롤러에서 명령 신호를 수신하는 단계와,
상기 고상 밸브 액추에이터 컨트롤러에서 피드백 신호를 수신하는 단계와,
상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이가 있는지 결정하는 단계와,
상기 전기 구동식 밸브 액추에이터를 작동시킴으로써 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이를 최소화하는 단계를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터의 작동 방법.
제38항
제37항에 있어서,
상기 명령 신호는 프로세스 변수 설정치 신호를 포함하며, 상기 피드백 신호는 프로세스 변수 피드백 신호를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제39항
제38항에 있어서,
상기 전기 구동식 밸브 액추에이터를 작동시킴으로써 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이를 최소화하는 단계는 상기 전기적으로 구동되는 밸브 액추에이터를 일정한 속도에서 작동시키는 단계를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제40항
제39항에 있어서,
상기 일정한 속도는 밸브 액추에이터 컨트롤러에 의해 결정되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제41항
제39항에 있어서,
상기 일정한 속도는 조작자에 의해 설정되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제42항
제38항에 있어서,
상기 전기 구동식 밸브 액추에이터를 작동시킴으로써 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이를 최소화하는 단계는 상기 전기적으로 구동되는 밸브 액추에이터를 일정한 토크에서 작동시키는 단계를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제43항
제28항에 있어서,
상기 전기 구동식 밸브 액추에이터를 작동시킴으로써 상기 명령 신호와 상기 피드백 신호 사이의 차이를 최소화하는 단계는 밸브 스트로크의 길이에 걸쳐 상기 전기적으로 구동되는 밸브 액추에이터를 가변 속도에서 작동시키는 단계를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제44항
제43항에 있어서,
가변 속도 또는 최대 허용 속도는 사용자에 의해 결정되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제45항
제43항에 있어서,
가변 속도는 밸브 액추에이터 컨트롤러에 의해 결정되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제46항
제37항에 있어서,
상기 명령 신호는 위치 명령 신호를 포함하며, 상기 피드백 신호는 모터 위치 신호를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제47항
제46항에 있어서,
상기 모터 위치 신호는 모터 컨트롤러로부터 전송되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제48항
제46항에 있어서,
상기 모터 위치 신호는 밸브 액추에이터 컨트롤러로부터의 쿼리(query)의 결과인
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제49항
제37항에 있어서,
밸브 액추에이터 컨트롤러는 비례 제어, 비례 플러스 적분 제어, 비례 플러스 미분 제어, 또는 비례 플러스 적분 플러스 미분 제어가 가능한
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제50항
제37항에 있어서,
밸브 액추에이터 컨트롤러는 상기 전기 구동식 밸브 액추에이터의 하우징 내에 일체화되는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
제51항
제37항에 있어서,
상기 피드백 신호는 속도, 토크 또는 위치가 결정될 수 있는 신호를 포함하는
전기 구동식 밸브 액추에이터 작동 방법.
전술한 명세서에 상세하게 개시하였음에도, 첨부된 특허청구범위에 의해 전술한 기술 및 실시예는 더욱 상세하게 설명되며, 본 발명이 개시된다. 당 기술분야의 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 기술 및 실시예에 대한 많은 다양한 변경을 할 수 있음은 자명하다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위로만 제한되는 것은 아니다.

Claims (10)

  1. 하우징과,
    모터 컨트롤러와,
    출력 축을 갖는 가변속 모터로서, 모터 컨트롤러에 의해 제어되도록 구성되고, 상기 모터 컨트롤러와 가변속 모터가 하우징 내에 일체화되는 가변속 모터 및
    상기 하우징의 외측에서 상기 출력 축에 작동가능하게 결합되는 기어 트레인을 포함하는
    밸브 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터 컨트롤러에 작동가능하게 결합되는 전원 컨버터를 더 포함하는
    밸브 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변속 모터는 모터 위치 피드백을 구비한 AC 동기 릴럭턴스 모터, 모터 위치 피드백을 구비하지 않은 AC 동기 릴럭턴스 모터, 모터 위치 피드백을 구비한 DC 브러시리스 모터, 및 모터 위치 피드백을 구비하지 않은 DC 브러시리스 모터를 포함하는 그룹에서 선택되는
    밸브 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변속 모터는 단상 유도 모터, 다상 유도 모터, 권선형 로터 모터, 다단속도 모터, 정 토크 모터, 가변 토크 모터, 직교류 겸용 모터, 동기 히스테리시스 모터, DC 여자식 동기 모터, 서보모터, 브러시리스 서보 모터, 및 리니어 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 AC 모터인
    밸브 액추에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변속 모터는 분권형, 직권선형, 복권형, 브러시리스 DC 모터, 리니어 모터, 브러시리스 리니어 모터, 코어리스 모터, 링 모터, 팬케익 모터(pancake motor), 한계 각 토크 모터(limited-angle torque motor), 영구 자석형 스텝 모터, 가변 릴럭턴스 모터, 스위칭식 릴럭턴스 모터, 및 서보 모터를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 DC 모터인
    밸브 액추에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    밸브 액추에이터 컨트롤러를 더 포함하는
    밸브 액추에이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밸브 액추에이터 컨트롤러는 밸브 액추에이터에 일체화되는
    밸브 액추에이터.
  8. 제6항에 있어서,
    모터 컨트롤러는 밸브 액추에이터 컨트롤러에 일체화되는
    밸브 액추에이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모터 컨트롤러에 작동가능하게 연결되는 계자 연결 블록을 더 포함하는
    밸브 액추에이터.
  10. 제1항에 따르는 밸브 액추에이터를 제공하는 단계와,
    상기 밸브 액추에이터가 작동될 때, 상기 모터 컨트롤러에 의해 상기 가변속 모터가 구동될 속도를 상기 모터 컨트롤러에서 설정하는 단계와,
    전력 중단의 경우에 역 구동 부하에 대항하여 상기 기어 트레인으로 상기 가변속 모터를 잠금하는 단계를 포함하는
    밸브 액추에이터 작동 방법.
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