UNA VÁLVULA O ACTUADOR DE REGULADOR, DE OPERACIÓN
ELÉCTRICA, QUE TIENE UN MOTOR ELÉCTRICO DIRECTAMENTE ACOPLADO A LA FLECHA DE ACCIONAMIENTO DEL ACTUADOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con motores primarios electromotrices y, de manera más particular, con actuadores eléctricamente operados para abrir, cerrar y/o modular válvulas y reguladores para controlar el flujo de fluidos en tuberías y ductos .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El control automático del flujo de los fluidos en tuberías y ductos industriales es ampliamente utilizado en áreas tales como la generación de potencia, la refinación de petróleo, aceite y gas, en las industrias de la pulpa y el papel, la química, la de alimentos y bebidas, la de procesamiento petroquímico y la del tratamiento de aguas y de aguas residuales. Hasta hoy, estos actuadores han utilizado motores de inducción de corriente alterna de velocidad fija, que están acoplados al actuador por medio de una unidad de engranajes de gusano/tornillo sin fin, en forma integral al actuador. Una de las desventajas de estos sistemas de la técnica anterior es que se requiere de una combinación de diferentes motores y engranajes para proporcionar las velocidades de salida requeridas, lo que resulta en altos inventarios. Además, normalmente se requiere cambiar los componentes o cambiar el modelo para efectuar un cambio de velocidad ya que cada combinación de motor y engranaje tiene una velocidad de salida constante. Otra desventaja de los sistemas de la técnica anterior es que para mantener un par de torsión o torque de salida determinado a través de una amplia gama de velocidades, requiere de una amplia gama de motores. Para reducir los costos, una práctica estándar es limitar el número de motores utilizados y esto resulta en una reducción del par de torsión o torque con un aumento en la velocidad. Una desventaja adicional de los sistemas de la técnica anterior es que el engranaje introduce superficies de desgaste (y, de este modo, pérdidas de potencia por fricción) entre el motor y la flecha de accionamiento de salida. * Los actuadores de la técnica anterior tienen grados variables de funciones electrónicas y mecánicas dentro del sistema y para instalar el equipo y hacer ajustes en el campo. Sin embargo, estas funciones presentan algunos problemas que incluyen el desarmado para efectuar el ajuste físico, provocando un retardo en el tiempo de proceso y todo trabajo de intrusión requiere de autorización para apagar el equipo por seguridad y permitir el acceso. La mayoría de las máquinas de la técnica anterior tienen arreglos para la operación manual durante los periodos de falla de la energía eléctrica. Durante estos periodos, es esencial detectar y monitorear esas operaciones manuales para asegurar que se mantiene la indicación de la posición, de modo que no se pierda la calibración inicial. Algunos actuadores estándar existentes están ajustados con un engranaje complejo para proporcionar esta indicación de la posición.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN De conformidad con un aspecto de la invención, se proporciona un actuador eléctricamente operado para operar una válvula o un regulador que tiene una flecha de accionamiento la cual tiene un requerimiento de torque operativo mayor de 10 Nm, el actuador eléctricamente operador comprende: (i) un alojamiento que tiene un interior, (ii) una flecha de accionamiento montada en forma giratoria dentro del alojamiento y que tiene un primer extremo que se extiende desde el alojamiento para acoplarse a la flecha de accionamiento de la válvula o regulador.
(iii) un motor eléctrico que tiene un rotor y un estator, el motor eléctrico tiene la capacidad de desarrollar un par de torsión o torque mayor de 10 Nm y que está montado dentro del alojamiento con el rotor montado en forma coaxial con la flecha y el estator fijo al interior del alojamiento y (iv) un medio para controlar la operación del motor. En una forma preferida de la invención, hay un único medio para conectar el motor eléctrico con la flecha de accionamiento que en forma adecuada puede comprender un embrague . De preferencia, el motor eléctrico de torque constante, de imán permanente y de velocidad variable es un motor de corriente directa de torque elevado, operado mediante modulación de anchura del impulso (PWM-por sus siglas en inglés) . El motor de corriente directa y de imán permanente operador por PWM, proporciona una velocidad de salida que puede variar en forma infinita (en etapas de una RPM) con respecto a la gama de velocidad mínima/máxima. De este modo, una modalidad de la invención puede cubrir de 6 a 12 actuadores diferentes de las combinaciones de la unidad de motor de CA y engranajes de la técnica anterior. Al cambiar el ajuste del ciclo de trabajo por PWM (mediante un teclado numérico montado en el equipo o en una unidad de mano o desde un lugar remoto a lo largo de la posición de la línea) , puede cambiarse la velocidad del motor en una gama fija. Dos modalidades de la presente invención pueden reemplazar a 24 diferentes combinaciones de unidad de motor de CA y engranaje de la técnica anterior (una gama del proveedor) , lo que resulta en bajos inventarios en refacciones y se abstiene de la necesidad de cambiar el modelo para alterar la combinación de velocidad/torque. El motor de corriente directa e imán permanente proporciona un torque constante en toda la gama de velocidades . El motor axialmente montado y directamente acoplado a la flecha elimina las superficies de desgaste del engranaje requerido en los sistemas de la técnica anterior. Esta invención proporciona una eficiencia mecánica mejorada ya que se eliminan las pérdidas de potencia por fricción inherentes en los engranajes integrales de los sistemas de la técnica anterior. Una ventaja adicional de la invención es que la detección y el monitoreo de la posición durante las operaciones manuales se consigue sin un engranaje complejo. El motor eléctrico consiste de un estator y de un rotor. El estator está conectado a un dispositivo de conmutación semiconductor, de estado sólido y trifásico que es alimentado con un voltaje de CD desde una unidad rectificadora trifásica. Al conmutar el dispositivo de estado sólido, el motor es impulsado como un motor de CA. De este modo, el dispositivo de conmutación está actuando como inversor . Al controlar la operación del dispositivo de conmutación de estado sólido con una señal modulada por la anchura del impulso (PWM-por sus siglas en inglés) , la velocidad el motor puede variarse en forma infinita entre los valores mínimo y máximo determinados. El motor puede diseñarse para proporcionar una gama especificada de velocidades a un torque requerido. Un microprocesador controla la señal de PWM para las velocidades determinadas que están fijas en los parámetros de control operativo y mantiene estas velocidades mediante la referencia al detector de posición del rotor. Si la velocidad comienza a caer debido a una carga impuesta a la flecha, entonces el microprocesador aumentará la señal de PWM, lo que resultará en un mayor voltaje que será conmutado al estator, permitiendo la corrección de la velocidad requerida y que se mantenga el requerimiento de mayor torque a la velocidad constante fijada. Cuando se utiliza este motor como la base para un actuador, permite que una unidad específicamente diseñada proporcione el torque de salida requerido a través de una gama de velocidades de salida. El actuador de la invención incorpora un control de la unidad de motor y un control por microprocesador de interfaz humana. El control de la unidad de motor contiene toda la circuitería necesaria para accionar y proteger al motor. El microprocesador está programado para controlar la unidad de modulación por anchura de impulsos del motor, permitiendo así que la velocidad del motor pueda variarse a través de toda su gama . El microprocesador también contiene al programa que permitirá que se fijen todos los parámetros de control operativos y que proporcione una alarma particular cuando se exceda de algún ajuste. En una modalidad de la invención, el actuador incluye un control de interfaz humana que comprende circuitería que permite que todos los parámetros sean ajustados desde una posición local o remota. Este control se conecta en el microprocesador para que la operación básica del actuador coincida con los requerimientos del sistema de control en el que éste es un elemento funcional . Las operaciones del bus de campo también son manejadas a través de esta circuitería, mediante una interfaz de coincidencia o equiparación.
52/90 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un actuador de válvula eléctricamente operado, de conformidad con una modalidad de la invención; la Figura 2 es una vista tomada a lo largo de las líneas II-II de la Figura 1; la Figura 3 es una vista tomada a lo largo de las líneas III-III de la Figura 1; la Figura 4 es una vista en elevación lateral aumentada de la leva de desembrague y el enganche con los retenes o pernos de accionamiento del manguito de accionamiento acoplado a los pernos de accionamiento del rotor; la Figura 5 es una vista similar a la Figura 4, en donde los retenes o pernos de accionamiento del manguito de accionamiento están desacoplados de los pernos de accionamiento del rotor; la Figura 6 es un diagrama de bloques de un primer sistema de control para la operación del actuador de las Figuras 1 a 5, y la Figura 7 es un diagrama de bloques de un segundo sistema de control para la operación del actuador de las Figuras 1 a 5.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS El actuador 10 de la modalidad de la invención mostrada en las Figuras 1 a 5 incluye un alojamiento principal 11 que define un compartimiento 12 para flecha, un compartimiento 13 para terminal, cerrado por una cubierta 14 para terminal, un compartimiento 15 de control, cerrado por una cubierta 16 de control, un compartimiento auxiliar 66 (ver Figuras 1 y 3) , cerrado por una cubierta 67 y un compartimiento 68 para codificador (ver Figuras 1 y 3), cerrado por una cubierta 69. Una flecha 17 está soportada por medio de un rodamiento 18 en el extremo inferior del alojamiento 11 y un rodamiento 19 en el extremo superior del alojamiento 11. La flecha 17 puede hacerse girar mediante un motor eléctrico 21 que tiene un estator 22 fijo al alojamiento 11 y un rotor 23. El rotor 23 puede ser acoplado a la flecha 17 mediante el embrague 24. La flecha 17 también puede hacerse girar mediante un volante de mano 20 para la operación manual cuando no sea operable el motor eléctrico 21, por ejemplo, en caso de una falla en el suministro de la energía eléctrica. El compartimiento 12 para flecha está cerrado por una cubierta superior 25 y por una base 26 de la unidad. La cubierta superior 25 tiene una abertura central que recibe la maza 28 del volante de mano 20. El faldón 27, que se extiende hacia abajo, de la cubierta superior 25 soporta al rodamiento 19a. La maza 28 tiene una abertura central que recibe a la flecha 17 con un rodamiento 19 entre ellas. La maza 28 está sellada con respecto a la flecha 17 mediante el sello 29 y con respecto a la cubierta superior 25 mediante el sello 30. En este caso, el volante de mano 20 está asegurada a la maza 26 mediante el perno 31. La base 26 de la unidad tiene una abertura central para recibir el extremo de la fecha 17, que está soportado por el rodamiento 18. La base 26 de la unidad está sellada con respecto a la fecha 17 mediante el sello 34. La base 26 de la unidad está asegurada al alojamiento 11 mediante tornillo (no mostrados) . Según puede verse con detalle en las Figuras 3, 4 y 5, el motor eléctrico 21 está colocado encima de la base 26 de la unidad con el estator 22 asegurado al faldón 35, que está suspendido hacia abajo, del alojamiento 11. El estator 22 está asegurado al faldón 35 mediante tornillos 65. El rotor 23 está montado en forma giratoria en la flecha 17 mediante el rodamiento 36. La maza 37 del rotor 23 tiene una multitud de pernos 30 de accionamiento que se extienden hacia arriba, adaptados para acoplarse a las patillas 39 de accionamiento en el manguito de accionamiento 40, que está montado en forma deslizable en la flecha 17 mediante cuñas 41. El manguito de accionamiento 40 incorpora una rampa de leva 43 en su cara inferior que está acoplada mediante una leva 46 que está asegurada a la flecha de desembrague 47. Un enganche 44 que está montado en forma pivotante alrededor del eje 45 en la leva 46 es empujado por el resorte 48, asegurado a la leva 46 mediante tornillos 49. La flecha de desembrague 47 es empujada por el resorte de retorno 50. En la Figura 4, el actuador se muestra en el modo de accionamiento de motor. La flecha de desembrague 47 se hace girar mediante una palanca manual 54 (ver Figura 1) para permitir que las patillas 39 de accionamiento se desembraguen de los pernos 38 de accionamiento, según se muestra en la Figura 4 para la operación manual de la flecha 17. En la Figura 5, se muestra al actuador en el modo manual con las patillas 39 de accionamiento del manguito de accionamiento 40, sostenidas en forma despejada de los pernos 38 de accionamiento de la maza 37 del rotor mediante el acoplamiento de la cola 51 del enganche 44 con el resalto 52 de la maza de rotor 37 y la cabeza 53 de la leva 46 con la rampa 43 de la leva del manguito de accionamiento 40. La rueda 55 del detector de flecha está montada en la flecha 17 por encima del manguito de accionamiento 40. Entre la rueda 55 y el manguito de accionamiento 40 hay un resorte 56 que impulsa al manguito de accionamiento
52/90 40 hacia abajo cuando la cola 51 del enganche 44 se retira del resalto 52 con la rotación del rotor 23. La rueda 55 del detector de flecha está alineada con el cartucho 58 del detector de flecha asegurado en una abertura del alojamiento 11 mediante tornillos 59. Como puede observarse en la Figura 3 , el compartimiento de potencia 13 tiene un bloque terminal 60 que está asegurado al alojamiento 11 mediante tornillos 61. La cubierta de control 16 tiene una ventana de exhibición 62 e interruptores/botones 63. La operación del control de potencia y los sistemas indicadores del actuador de las Figuras 1 a 5 se muestran en las Figuras 6 y 7. Mediante las líneas 100 se suministra la alimentación trifásica a una unidad 101 de conmutación de potencia, la cual suministra a su vez al inversor 102 a través de la línea 103. El inversor 102 proporciona la energía al motor 21, que hace girar a la flecha 17. En caso de que no haya potencia y de operación manual, se proporciona un respaldo de batería para suministrar energía al circuito detector de posición de flecha 117, esto permite el registro de cualquier rotación de la flecha (en forma manual) durante periodos en que no haya energía. El interruptor de paro de la batería 118 apaga el suministro de la batería si durante un periodo de
52/90 tiempo determinado no se detecta ninguna rotación de la flecha. Cualquier operación manual de la flecha reactivará automáticamente al circuito de batería a través del interruptor 118. El microprocesador 104 recibe señales que representan la temperatura del motor 21 a través de la línea 105, de la posición de la flecha 17 mediante la línea 106, de la temperatura del inversor 102 mediante la línea 107 y de la velocidad del rotor mediante la línea 115. Todas las funciones de control son manejadas por el microprocesador 104, el cual a su vez alimenta los requerimientos de velocidad y los ajustes de torque al dispositivo de lógica programable (PLD) 113. En la Figura 6, el control local es mediante el teclado numérico 117 y mediante el control remoto 111. Los siguiente parámetros se fijan mediante el teclado numérico 117 antes de poner en servicio al dispositivo : • Número de código de acceso preferido • Modo: OFF (APAGADO) - LOCAL - REMOTE (REMOTO) - CALÍBRATE (CALIBRAR) • Modo de operación de avance lento o de enganche • Requerimiento de paro de emergencia Cerrar, Abrir o Detener • "Cerrar al Torque" "Cerrar al Límite"
52/90 Velocidad de Abertura en RPM Velocidad de Cierre en RPM Ajuste del Torque de Abertura en Nm Ajuste del Torque de Cierre en Nm Límite de viaje de Abertura (Número de Vueltas para Abrir completamente) 100% • Límite de Cierre (completamente cerrado) 0% Para el control local hay dos botones dedicados del teclado numérico para la operación de abertura y cierre cuando se selecciona en modo LOCAL o CALÍBRATE. Todas las indicaciones y ajustes se leen en la Pantalla de Cristal Líquido 110. Con estos parámetros de control en su lugar, el dispositivo puede operarse en forma segura . En la Figura 7, el control local es mediante la unidad de mano (emisor de infra-rojos) 108 y el control remoto mediante 111. Para el control local y la indicación 112, hay dos interruptores montados en el puerto de control del dispositivo-uno selecciona el control ya se el lado de OFF para la Operación Local o Remota y el otro selecciona cualquier lado de los comandos STOP, Cióse u Open (DETENER, Cerrar o Abrir, respectivamente) . Los siguientes parámetros se ajustan mediante la unidad de mano (emisor de infra-rojos) 108 antes de poner al dispositivo en servicio:
52/90 Número de código de acceso preferido Modo de operación de avance lento o enganche Requerimiento de paro de emergencia Cióse, Open o Stop "Cierre al Torque" o "Cierre al Límite" Velocidad de abertura en RPM Velocidad de cierre en RPM Ajuste del Torque de Abertura en Nm Ajuste del Torque de Cierre en Nm • Límite de viaje de Abertura (Número de Vueltas para Abrir completamente) 100% • Límite de Cierre (completamente cerrado) 0% Todas las indicaciones y ajustes se leen en la Pantalla de Cristal Líquido 110. Con estos parámetros de control en su lugar, el dispositivo puede operarse en forma segura. La indicación local (116 en la Figura 6 y 112 en la Figura 7) es mediante tres diodos emisores de luz (LEDs-por sus siglas en inglés) y una pantalla de cristal líquido alfa/numérica de 16 pixeles (LED-por sus siglas en inglés) 110. Las señales de los LED son CLOSED-ALARM-OPEN. La LCD 110 muestra todos los ajustes durante la interrogación En Línea cuando se requieren los valores de pre-ajuste, más • La indicación de posición 0-100% en aumento o en
52/90 disminución durante la operación, junto con las palabras de Cierre o de Abertura, dependiendo de la dirección y Abierto o Cerrado al término de cada viaje . La siguiente indicación de alarma será mostrada para : • Abertura de disparo de Torque (aplicar la abreviatura para ajustar 16 pixeles) • Cierre de disparo de Torque • Temperatura del motor • Temperatura de los componentes electrónicos • Batería baja Con el control remoto y la indicación 111, las funciones de control estándar son Open-STOP-Cióse, igual que con el control local. La indicación es para: • Completamente cerrado • Completamente abierto • Remoto seleccionado • Voltaje OK • Falla • Indicación de posición 4-20 mA El control remoto opcional se ofrece para: • Control de posición analógico (utilizado para dispositivos de modulación) • La conexión en interfaz del bus de campo para la
52/90 calibración remota, el control y la interrogación en línea. Todos los parámetros de control están almacenados en el circuito microprocesador 104. Se ha escrito software personalizado para manejar todas las funciones operativas y de procedimiento según se requiera para operar al dispositivo de conformidad con la especificación de los requerimientos funcionales. El dispositivo de lógica programable (PLD) 113 está programado para operar a la unidad de conmutación cuando recibe una señal proveniente de los circuitos de detección del rotor mediante la línea 114. La unidad de conmutación opera a su vez al inversor, que impulsa al motor 21. La dirección del impulso de conmutación está determinada por la señal de modulación por anchura del impulso (PWM) recibida desde el microprocesador 104. Mientras más largo sea el impulso, más rápida será la velocidad del motor. La señal de velocidad de PWM está controlada por los parámetros de pre-ajuste del microprocesador 104 para las velocidad de apertura y cierre requeridas. Diversas modificaciones pueden efectuarse en los detalles de diseño y construcción sin desviarse del alcance o ámbito de la presente invención.
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