NO334421B1

NO334421B1 - Elektrisk drevet ventilaktuator med elektromekanisk innretning for detektering av endestopp

Info

Publication number: NO334421B1
Application number: NO20092873A
Authority: NO
Inventors: Jon Flidh; Christian Borchgrevink
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2014-03-03
Also published as: SG178445A1; NO20092873A1; MY155984A; AU2010286127A1; EP2467630A4; US20130056658A1; CN102549325A; US9482359B2; AU2010286127B2; WO2011021093A1; BR112012003725A2; CN102549325B; EP2467630A1

Abstract

En elektrisk drevet ventilaktuator er beskrevet, som omfatter et bevegelig ledd (14; 21) drevet av en elektromotor (22) i lineær bevegelse mellom ventilstillingene stengt og åpen, idet elektrisk kraft til motoren blir tilført via en strømregulator (25) inkludert en innretning for detektering av tilført strøm. Det bevegelige leddet er konstruert for en dødgangsvandring (L) innenfor hvilken ventilen (10) er enten helt åpen eller helt stengt, og det bevegelige leddet er tilknyttet med buffermiddel (30) som i løpet av dødgangsvandringen gradvis øker dreiemomentet og kraften som kreves for å flytte det bevegelige leddet videre i retning av henholdsvis åpen og stengt stilling av ventilen (10).

Description

Elektrisk drevet ventilaktuator med elektromekanisk innretning for detektering av endestopp

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk drevet ventilaktuator som omfatter en bevegelig del som tjener til å bevege en ventil mellom åpen og stengt stilling, idet ventilaktuatoren omfatter en bevegelig del i form av en ventilstang stivt forbundet med et ventillegeme, der det bevegelige delen blir drevet av en elektro-motor i lineær bevegelse mellom lukket og åpen ventilstilling, idet elektrisk kraft til motoren blir tilført via en strømregulering, inkludert en detekteringsinnretning for tilført strøm.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk

I undervannsindustri blir ventiler tradisjonelt aktivert av hydrauliske innretninger. I en hydraulisk aktuator er det ingen problemer med å regulere og detektere endestilling, fordi det ligger naturlig for et hydraulisk system. Når enden av slaget blir nådd, vil ventilstangen stoppe og det hydrauliske trykket går tilbake til normalt arbeidstrykk.

I elektrisk drevne ventilaktuatorer er dette ganske annerledes. Motorens dreiemoment er proporsjonalt med den tilførte strømstyrken. Dersom rotoren i en motor blir stoppet eller hindret, som for eksempel ved at ventilstangen kommer til en plutselig stopp ved enden av slaget, vil strømmen i statorviklingen øke for å overvinne det ekstra dreiemomentet som kreves for å bevege rotoren. Dersom strømtilførselen til statoren ikke blir regulert, vil statorvikling-ene bli overopphetet og motoren bli ødelagt. En strømbegrenser som typisk blir elektronisk regulert, er påkrevd for å unngå at motor-viklingene blir overopphetet. Den primære reguleringen kan oppnås ved hjelp av en posisjonsføler inkludert i reguleringskretsen og som er i stand til å detektere posisjonen til ventilstangen. Denne fremgangsmåten er vist for eksempel i EP 0 287 299, der en mikro-prosessor periodisk kontrollerer status for ventilstangen i en motordrevet ventil og bryter strømmen til ventilmotoren dersom visse forhåndsfastsatte kriterier for ventilstangens stilling og belast-ningen på ventilstangen er oppfylt. Dersom imidlertid posisjons-føleren kommer ut av stilling eller feiler på annen måte, vil strømreguleringen ikke lenger virke, og motoren mister beskyttelse mot overoppheting.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse har som mål å eliminere problemet som er nevnt ovenfor, og å skaffe en feilsikker detektering av endestopp og vern mot overoppheting av motoren i en elektrisk drevet ventilaktuator.

Målet blir oppnådd ved hjelp av en elektrisk drevet ventilaktuator som omfatter de trekkene som er angitt i patentkrav 1.

Foreliggende oppfinnelse sørger altså kort sagt for en elektrisk drevet ventilaktuator som angitt ovenfor, i tilleggkarakterisertved at den bevegelige delen i hver ende av slaget er konstruert for en dødgangsvandring i åpningsretning og stengeretning der ventilen er enten helt åpen eller helt stengt, og ved at den bevegelige delen er utstyrt med buffermiddel som i løpet av dødgangsvandringen gradvis øker dreiemoment og kraft som kreves for å bevege den bevegelige delen ytterligere i retning av henholdsvis åpen og lukket ventilstilling.

Ved disse tiltakene er det fremskaffet en elektromekanisk innretning for detektering av endestopp der en oppnår en tidlig detektering av endestillingen. Den mekaniske delen av løsningen vil gi en absolutt indikasjon av posisjonen til den bevegelige delen, og sørger for både et fysisk rom og et tidsvindu der økningen i tilført strøm kan overvåkes og motoren bli stoppet på en kontrollert måte. Foreliggende oppfinnelse unngår derved krav til øyeblikkelig reak-sjon hos reguleringskretsen, hvilket ellers blir krevd i elektrisk drevne ventilaktuatorer f.eks. ved feil i posisjonsføleren.

Selv om den er oppstått i undervannsindustrien, vil det være åpenbart at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til bruk undervann men derimot er anvendelig ved alle slags elektrisk drevne ventilaktuatorer av denne typen. I noen anvendelser kan endestoppinnretningen i oppfinnelsen bli brukt som et primært reguleringsmiddel, slik som i en sluseventilaktuator, f.eks. I andre anvendelser kan endestoppinnretningen brukes som et sekundært og redundant reguleringsmiddel, slik som i en strupeventilaktuator f.eks., og endestoppinnretningen vil i så fall ikke bare beskytte motoren fra overoppheting men kan også utgjøre et middel for kalibrering av f.eks. en primær posisjonsføler i ventilaktuatoren.

I én foretrukket utførelse er den bevegelige delen montert mellom motstående vegger innenfor en ventilkapsling eller en aktuatorkapsling, og et buffermiddel er anbrakt på hver av nevnte motstående vegger. Alternativt, i en andre foretrukket utførelse er den bevegelige delen montert mellom motstående vegger innenfor en ventilkapsling eller en aktuatorkapsling, og et buffermiddel er anbrakt i hver ende av den bevegelige delen. I hver utførelse kan kapslingen utgjøre en del av aktuatoren, eller en ventilkapsling koblet til aktuatoren.

Buffermiddelet er et fjærende element som lar seg komprimere under last fra den bevegelige delen og som fortrinnsvis har elastisitet til å gå tilbake til opprinnelig form når lasten blir fjernet. Alternativer inkluderer mekaniske fjærer, elastiske homogene legemer og komprimerbare gassvolumer.

I en foretrukket utførelse er buffermiddelet en tallerkenfjær. Enda mer foretrukket er det at buffermiddelet omfatter et sett av tall-erkenf jærer som blir valgt til å skaffe en kontrollert fleksibilitet over dødgangsvandringen av den bevegelige delen, slik at det på denne måten også oppnås en tilsvarende typisk økning i strømmen motoren krever under dødgangsvandringen. I denne utførelsen kan minst én tallerkenfjær i settet av tallerkenfjærer ha en fleksibilitet som avviker fra fleksibiliteten av minst én ekstra tallerkenfjær inkludert i settet.

Ytterligere egenskaper og fordeler som foreliggende oppfinnelse byr på, vil være åpenbare ut fra følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelser.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

Oppfinnelsen er illustrert skjematisk på tegningsfiguren, Fig. 1. Med henvisning til tegningsfiguren er en ventil, generelt angitt med henvisningstallet 10, innstillbar til åpen og stengt stilling ved hjelp av en ventilaktuator generelt angitt med henvisningstallet 20.Ventilen 10 omfatter en ventilkapsling 11 som har en inntaksåpning 12 og en uttaksåpning 13 for fluidstrøm med ventilen i åpen stilling (som vist). Fluidstrømmen gjennom ventilen 10 blir regulert av et ventillegeme 14 som er lineært bevegelig i kapslingen mellom åpen og stengt stilling. Forflytting og innstilling av ventillegemet 14 blir utført av en bevegelig stang 21, som kommer inn gjennom en vegg 15 i ventil-/aktuatorkapslingen og står i forbindelse med ventillegemet. Stangen 21 blir drevet i frem- og tilbakegående bevegelse av en elektromotor 22 via en rotasjon-til-lineær-omformer 23 som omdanner den roterende bevegelsen av motoren til en lineær bevegelse av stangen. Motoren 22 får tilført elektrisk kraft fra en kraftkilde 24 via strømregulator 25. Strømregulatoren 25 omfatter en innretning som detekterer tilført strøm og kan også omfatte en strømbegrenser, på vanlig måte.

Det generelle arrangementet som er beskrevet hittil gjelder for mange utførelser av elektrisk drevne ventilaktuatorer. I undervanns praksis vil ventilstangen 21, motoren 22, den rotasjon-til-lineær-omformeren 23 samt andre komponenter som kreves for en feilsikker drift av ventilaktuatoren typisk være montert i en trykkompensert kapsling som kan kobles til ventilen. En posisjonssensor, slik som en elektrisk transformator brukt til å måle lineær bevegelse (Linear Variable Differential Transformer - LVDT) kan være innrettet i aktuatorkapslingen for å detektere stillingen til ventilen og ventilstangen. Foreliggende oppfinnelse, slik den videre er beskrevet nedenfor, fungerer like bra som et primærmiddel for detektering av endestilling eller som et sekundærmiddel for redundant detektering av endestilling i tillegg til en LVDT-sensor dersom det er passende. Det vil være klart at når den brukes i kombinasjon, vil endestoppdetekteringen i foreliggende oppfinnelse også kunne tjene til kalibrering av posisjonssensoren, slik som LVDT-sensoren.

Med videre henvisning til tegningsfiguren omfatter innretningen for detektering av endestopp i foreliggende oppfinnelse et buffermiddel 30 som gir en mekanisk og absolutt indikasjon for endestillingen av ventillegemet 14 og av ventilstangen 21 som er forbundet med dette. Buffermiddelet 30 kan således være innrettet som vist på innbyrdes motsatte vegger av ventilkapslingen for å komme i kontakt med de tilsvarende endene av ventillegemet, i hver endestilling av ventillegemet. Det vil være åpenbart at buffermiddel 30 alternativt kan være innrettet i hver ende av ventillegemet for å komme i kontakt med den tilsvarende veggen på ventilkapslingen. Det vil også være klart, selv om det ikke er vist på tegningsfiguren, at buffermiddel 30 alternativt kan være innrettet i aktuatorkapslingen for samvirke med ventilstangen 21.

Buffermiddelet 30 er innrettet slik at det virker som en fjærende demper ved enden av slaget, og yter en gradvis økende motstand mot videre bevegelse av ventillegemet/ventilstangen i retning av henholdsvis fullt åpen eller fullt stengt stilling. For dette formålet er buffermiddelet 30 fortrinnsvis utformet som et element som har elastiske egenskaper, slik som en mekanisk fjær, et legeme av elastisk materiale eller et komprimerbart gassvolum. Én fordel-aktig utførelse av oppfinnelsen benytter et buffermiddel som inkluderer et sett av tallerkenfjærer som er valgt slik at en oppnår en kombinasjon av signifikant og karakteristisk retardasjon av ventillegemet/ventilstangen, tilsvarende en lett detekterbar økning i strøm tilført til motoren. I slik en pakke med tallerkenfjærer kan alle tallerkener være identiske, eller settet av tallerkener kan være dannet av tallerkener med forskjellig elastisitet og kombinert til å gi en ønsket ikke-lineær økning i kraftbehov, dersom det er ønskelig.

I alle tilfeller virker buffermiddelet 30 i et fysisk rom- eller tidsvindu som oppstår som resultat av at den bevegelige delen 14, 21 er konstruert for en dødgangsvandring L, innenfor hvilken ventilen i hver ende av slaget er enten helt åpen eller helt stengt. Dødgangsvandringen kan realiseres på ulike måter i henhold til den detaljerte strukturen til ventilen eller ventilaktuatoren. Et ventillegeme kan for eksempel være utformet med et gjennomløps-hull for fluid, hvilket gjennomgangshull blir forlenget slik at det tillates ytterligere forskyvning av ventillegemet i fullt åpen stilling av ventilen. Likedan kan ventilkapsling og ventillegeme være strukturert slik at ventillegemet kan forskyves ytterligere i stengeretningen når ventilen er helt stengt.

I korthet gir dødgangsvandringen av den bevegelige delen og buffermiddelet i hver ende av slaget, i samband med strømreguler-ingen, en innretning for elektromekanisk detektering av endestopp som beskytter motoren mot overoppheting og sørger for jevn og pålitelig regulering av motoren i en elektrisk drevet ventilaktuator .

Foreliggende oppfinnelse er selvsagt ikke på noen måte begrenset til utførelsene som er beskrevet ovenfor. Tvert om vil mange muligheter for modifikasjoner av oppfinnelsen være åpenbare for en person med normal kjennskap til feltet, uten å avvike fra grunnideen ved oppfinnelsen slik den er definert i de vedlagte patentkravene.

Claims

1. En elektrisk drevet ventilaktuator som omfatter en bevegelig del (14; 21) som tjener til å bevege en ventil (10) mellom åpen og stengt stilling, idet ventilaktuatoren omfatter en bevegelig del (14; 21) i form av en ventilstang (21) stivt forbundet med et ventillegeme (14), der den bevegelige delen blir drevet av en elektromotor (22) i lineær bevegelse mellom ventilens åpne og lukkede stilling, idet elektrisk kraft til motoren blir tilført via en strømregulering (25) inkludert en innretning for å detektere tilført strøm,karakterisert vedat det bevegelige delen i hver endestilling er konstruert for en dødgangsvandring (L) i åpningsretning og stengeretning der ventilen (10) er enten helt åpen eller helt stengt, og ved at den bevegelige delen er tilknyttet et buffermiddel (30) som i løpet av dødgangsvandringen gradvis øker dreiemoment og kraft som kreves for å flytte den bevegelige delen videre i retning av henholdsvis åpen og stengt stilling av ventilen (10) .

2. Aktuator i henhold til krav 1, idet den bevegelige delen (14; 21) er montert mellom motstående vegger innbefattet i en ventil- eller aktuatorkapsling (11), og et buffermiddel (30) er anbrakt på hver av nevnte motstående vegger.

3. Aktuator i henhold til krav 1, idet den bevegelige delen (14; 21) er montert mellom motstående vegger innbefattet i en ventil- eller aktuatorkapsling (11), og et buffermiddel (30) er anbrakt i hver ende av den bevegelige delen.

4. Aktuator i henhold til hvilket som helst av kravene 1 til 3, idet buffermiddelet (30) er et elastisk element.

5. Aktuator i henhold til krav 4, idet buffermiddelet (30) omfatter minst én tallerkenfjær.

6. Aktuator i henhold til krav 5, idet buffermiddelet (30) omfatter en sett av tallerkenfjærer, i det minste én av disse har en fleksibilitet som avviker fra fleksibiliteten av minst én annen tallerkenfjær i settet med tallerkenfjærer.