RU2719544C1 - Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position - Google Patents
Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position Download PDFInfo
- Publication number
- RU2719544C1 RU2719544C1 RU2019131394A RU2019131394A RU2719544C1 RU 2719544 C1 RU2719544 C1 RU 2719544C1 RU 2019131394 A RU2019131394 A RU 2019131394A RU 2019131394 A RU2019131394 A RU 2019131394A RU 2719544 C1 RU2719544 C1 RU 2719544C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- winding
- transformer
- converter
- energy storage
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
- H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
- H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
- H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
- H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
- H02M5/10—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using transformers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Emergency Management (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электроприводному устройству для трубопроводной арматуры, оснащенному средством защиты от аварии. Изобретение может быть использовано на трубопроводах при транспорте нефти, газа и других продуктов, в химической и нефтехимической отраслях.The invention relates to electrical engineering, in particular, to an electric drive device for pipe fittings equipped with a means of protection against accident. The invention can be used on pipelines in the transport of oil, gas and other products, in the chemical and petrochemical industries.
Приводные устройства широко используют для управления арматурой в трубопроводах. Для обеспечения надежной работы приводные устройства снабжают накопителями энергии, предназначенными для работы в отказоустойчивом режиме, т.е. для перемещения трубопроводной арматуры в безопасное положение в случае отказа основного питания или падения напряжения ниже допустимой величины.Actuators are widely used to control valves in pipelines. To ensure reliable operation, the drive devices are equipped with energy storage devices designed to operate in a fault-tolerant mode, i.e. to move the pipe fittings to a safe position in the event of a power failure or voltage drop below the permissible value.
Из патента РФ 2461039 (G05B 19/39, опубл. 10.09.2012) известно приводное устройство для клапана. Приводное устройство снабжено энергонакопителем, включающим в себя по меньшей мере один высокоемкий конденсатор, который в случае отказа основного питания обеспечивает перемещение клапана в безопасное положение. Приводное устройство содержит понижающий преобразователь напряжения, который при исправной сети понижает напряжение для заряда энергонакопителя, и повышающий преобразователь напряжения, который при неисправной сети подает питание с энергонакопителя на электродвигатель и систему управления, чтобы переместить клапан в безопасное положение.From the patent of the Russian Federation 2461039 (G05B 19/39, publ. 09/10/2012), a drive device for a valve is known. The drive unit is equipped with an energy storage device including at least one high-capacity capacitor, which in the event of a main power failure ensures the valve moves to a safe position. The drive device contains a step-down voltage converter, which, when a network is working properly, lowers the voltage to charge the energy storage device, and a step-up voltage converter, which, when the network is faulty, supplies power from the drive to the electric motor and control system to move the valve to a safe position.
В качестве повышающего преобразователя используется контроллер подкачки. Выходное напряжение подкачки таково, что оно меньше, чем нормальное напряжение питания.A swap controller is used as a boost converter. The swap output voltage is such that it is less than the normal supply voltage.
При исправной сети напряжение поступает на импульсный источник питания (ИИП) постоянного/переменного тока (DC/AC), который вырабатывает напряжение, необходимое для тягового электродвигателя и электронных схем.With a working network, the voltage is supplied to a pulsed power supply (IIP) of direct / alternating current (DC / AC), which generates the voltage necessary for the traction motor and electronic circuits.
Недостатком известного приводного устройства является то, что повышающий преобразователь не обеспечивает многократное (более чем в 4 раза) повышение напряжения. Это обусловлено тем, что максимальный коэффициент усиления контроллера подкачки составляет не более 4. В противном случае, если коэффициент усиления превысит 4, то КПД. повышающего преобразователя резко упадет до величины 0,1.A disadvantage of the known drive device is that the boost converter does not provide a multiple (more than 4 times) voltage increase. This is because the maximum gain of the swap controller is not more than 4. Otherwise, if the gain exceeds 4, then the efficiency. boost converter will drop sharply to 0.1.
Т.к. выходное напряжение подкачки меньше, чем нормальное напряжение питания, повышающий преобразователь не обеспечивает питание электродвигателей с номинальным напряжением 380 V и рассчитан на применение для относительно небольших клапанов или задвижек.Because the pumping output voltage is less than the normal supply voltage, the boost converter does not provide power to electric motors with a rated voltage of 380 V and is designed for use with relatively small valves or gate valves.
Кроме того, для питания повышающего преобразователя требуется стабильное напряжение, вырабатываемое импульсным источником питания (ИИП), ввиду невозможности работы повышающего преобразователя в широком диапазоне входного напряжения сети. В результате, оснащение устройства дополнительным блоком - источником питания (ИИП), увеличивает потери мощности приводного устройства, что приводит к низкой энергоэффективности устройства и увеличивает его массогабаритные показатели.In addition, to power the boost converter, a stable voltage is required produced by the switching power supply (IIP), due to the impossibility of operation of the boost converter in a wide range of input mains voltage. As a result, equipping the device with an additional unit - a power source (IIP), increases the power loss of the drive device, which leads to low energy efficiency of the device and increases its overall dimensions.
Из патента РФ 2442924 (F16K 31/00, F16K 31/04, H02J 9/06, Н02Н 7/09, Н02М 7/527, опубл. 20.02.2012) известно приводное устройство для трубопроводной арматуры, выполненное с возможностью перевода арматуры в безопасное положение при неисправной сети посредством схемы аварийной защиты. Данное устройство содержит емкостной накопитель энергии, привод исполнительного механизма с управляемым электродвигателем, двунаправленный преобразователь напряжения, выполненный с возможностью или понижения напряжения для заряда емкостного накопителя энергии при исправной сети, или повышения напряжения для разряда емкостного накопителя энергии на электродвигатель при неисправной сети, чтобы привести электродвигатель в действие.From the patent of the Russian Federation 2442924 (F16K 31/00, F16K 31/04,
При исправной сети электрический ток, который используется для питания электродвигателя и заряда емкостного накопителя энергии, преобразуют до относительно низкого потенциала посредством преобразователя напряжения, работающего в режиме понижения, и накапливают энергию в емкостном накопителе энергии. В случае падения напряжения ниже предельного значения или отказа электропитания, электрическую энергию, накопленную в емкостном накопителе энергии, содержащем по меньшей мере один высокоемкий конденсатор, преобразуют посредством того же преобразователя напряжения до относительно высокого потенциала и используют в режиме повышения для обеспечения работы двигателя до тех пор, пока не будет достигнуто заданное положение, обеспечивающее безопасность.With a working network, the electric current, which is used to power the electric motor and charge the capacitive energy storage, is converted to a relatively low potential by means of a voltage converter operating in the reduction mode, and the energy is stored in the capacitive energy storage. In the event of a voltage drop below the limit value or a power failure, the electric energy stored in the capacitive energy storage device containing at least one high-capacity capacitor is converted by means of the same voltage converter to a relatively high potential and is used in boost mode to ensure that the engine runs until until you reach the set position for safety.
Преобразователь напряжения выполнен в виде индуктора L1, подсоединенного между двумя ключами. В режиме повышения напряжения микроконтроллер направляет ШИМ-сигнал на первый ключ. Если первый ключ замкнут, ток проходит через индуктор L1 и заряжает конденсатор С1. Если первый ключ разомкнут, свободный ток проходит через диод D2 и индуктор L1, и конденсатор С1 заряжается дополнительно. Аналогично в режиме понижения напряжения, микроконтроллер направляет ШИМ-сигнал на второй ключ для разряда конденсатора С1.The voltage converter is made in the form of an inductor L1 connected between two switches. In voltage boost mode, the microcontroller sends a PWM signal to the first key. If the first switch is closed, current flows through inductor L1 and charges capacitor C1. If the first switch is open, free current passes through the diode D2 and inductor L1, and the capacitor C1 is charged additionally. Similarly, in the undervoltage mode, the microcontroller sends a PWM signal to the second key for the discharge of capacitor C1.
Устройство работает от сети с определенным значением напряжения переменного или постоянного тока, например, или 24 VAC, или 110 VAC, или 230 VAC, или 24 VDC, или 72 VDC. Источник питания стабилизирует напряжение сети и подает в цепь устройства 10 напряжение одной и той же величины 24 VDC.The device operates on mains with a specific AC or DC voltage, for example, either 24 VAC, or 110 VAC, or 230 VAC, or 24 VDC, or 72 VDC. The power source stabilizes the mains voltage and supplies the circuit of the
Накопитель энергии выполнен в виде одного или нескольких высокоемких конденсаторов. Каждый из последовательно соединенных конденсаторов шунтирован нормально разомкнутым ключом S3 и резистором.The energy storage device is made in the form of one or more high-capacity capacitors. Each of the series-connected capacitors is shunted by a normally open switch S3 and a resistor.
Недостатком известного устройства является выполнение преобразователя напряжения в виде индуктора L1, т.к. индуктор не обеспечивает многократное повышение/понижение напряжения при ее преобразовании. В противном случае, для многократного повышения/понижения напряжения, потребуется значительно увеличить габариты индуктора, что приведет к большому увеличению потерь мощности.A disadvantage of the known device is the implementation of the voltage Converter in the form of an inductor L1, because the inductor does not provide a multiple increase / decrease in voltage during its conversion. Otherwise, to repeatedly increase / decrease the voltage, it will be necessary to significantly increase the dimensions of the inductor, which will lead to a large increase in power loss.
Другим недостатком является наличие в устройстве постоянно работающего источника питания, что увеличивает потери электроэнергии и мощности устройства ввиду нагрева элементов источника питания. Тем самым снижется КПД устройства. Кроме того, наличие источника питания увеличивает массогабаритные показатели устройства.Another disadvantage is the presence in the device of a constantly working power source, which increases the loss of electricity and device power due to the heating of the power supply elements. This reduces the efficiency of the device. In addition, the presence of a power source increases the overall dimensions of the device.
Следующим недостатком устройства является то, что конденсаторы С1 шунтированы нормально разомкнутыми ключами S3, для замыкания которых требуется наличие питания. При разрядке конденсатора С1 происходит понижение напряжения до минимально допустимой величины, после чего ключ S3 вновь размыкается, т.е. невозможно разрядить конденсатор до нуля. Вследствие опасности работы с неразряженным до нуля конденсатором затруднено техническое обслуживание устройства. Кроме того, постоянное наличие на конденсаторе С1 заряда не позволяет вскрывать корпус энергоблока во взрывоопасной зоне при необходимости замены вышедшего из строя конденсатора.Another disadvantage of the device is that capacitors C1 are shunted by normally open switches S3, for the closure of which requires the presence of power. When the capacitor C1 is discharged, the voltage decreases to the minimum acceptable value, after which the key S3 opens again, i.e. it is not possible to discharge the capacitor to zero. Due to the danger of working with a capacitor that is not discharged to zero, the maintenance of the device is difficult. In addition, the constant presence of a charge on capacitor C1 does not allow opening the power unit casing in the explosive zone if it is necessary to replace a failed capacitor.
Таким образом, остается актуальной проблема создания энергоэффективного приводного устройства с улучшенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающего при неисправной сети значительные вращающие моменты на валу привода, соединенного с трубопроводной арматурой.Thus, the problem of creating an energy-efficient drive device with improved operating characteristics, which, when the network is faulty, provides significant torques on the drive shaft connected to the pipeline valve, remains relevant.
Технический результат, достигаемый предложенным приводным устройством:The technical result achieved by the proposed drive device:
- при понижении напряжения работа при широком диапазоне входного напряжения с обеспечением заряда энергонакопителя стабильным зарядным током;- when lowering the voltage, work with a wide range of input voltage to ensure that the energy storage charge has a stable charging current;
- многократное понижение/повышение напряжения преобразователем напряжения;- repeated decrease / increase of voltage by a voltage converter;
- при повышении напряжения работа при широком диапазоне напряжения энергонакопителя с обеспечением преобразователем напряжения стабильного напряжения такой величины, которая достаточна для приведения в действие электродвигателя.- with increasing voltage, work with a wide voltage range of the energy storage device providing the voltage converter with a stable voltage of such a value that is sufficient to drive the electric motor.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. Фиг. 1 - функциональная схема приводного устройства. Фиг. 2 - функциональная схема двунаправленного преобразователя напряжения с подсоединенным энергонакопителем.The invention is illustrated using the drawings. FIG. 1 is a functional diagram of a drive device. FIG. 2 is a functional diagram of a bi-directional voltage converter with an attached energy storage device.
На фиг. 1 приводное устройство 1 содержит контур 2 энергонакопителя и контур 3 привода исполнительного механизма. Контур 2 энергонакопителя содержит двунаправленный преобразователь 4 напряжения, микроконтроллер 5, энергонакопитель 6, блок 7 балансировки и мониторинга энергонакопителя, а также резистор (R) и ключ 9, выполненный предпочтительно в виде реле. Энергонакопитель 6 включает в себя один или несколько последовательно соединенных суперконденсаторов 8 емкостью 30 Ф или более.In FIG. 1, the
На фиг. 2 двунаправленный преобразователь 4 напряжения включает в себя трехобмоточный трансформатор 10, подключенный между двумя мостовыми преобразователями 11 и 12. Каждый из мостовых преобразователей 11, 12 выполнен в виде полной мостовой схемы (Н-образного моста). Первый мостовой преобразователь 11 содержит электронные ключи 13-1 13-4, второй мостовой преобразователь 12 содержит электронные ключи 13-5 13-8. В трехобмоточном трансформаторе 10 одна из обмоток, условно названная первой, используется в качестве первичной в режиме понижения напряжения и вторичной в режиме повышения напряжения. Первая обмотка 15 соединена с первым мостовым преобразователем 11. Другая из обмоток, условно названная второй, используется в качестве первичной в режиме повышения напряжения. Вторая обмотка 16 соединена со вторым мостовым преобразователем 12. Следующая из обмоток, условно названная третьей, используется в качестве вторичной в режиме понижения напряжения. К третьей обмотке 17 подключен выпрямитель 14, соединенный с энергонакопителем 6 через электронный ключ 13-9. Все три обмотки 15, 16, 17 трансформатора 10 расположены на одном сердечнике, для компактности. Обмоточные данные трансформатора 10 позволяют обеспечить большую кратность понижения и повышения напряжения. Третья обмотка 17 выполнена с количеством витков, превышающим количество витков второй обмотки 16.In FIG. 2, a
На фиг. 1 контур 3 привода исполнительного механизма включает в себя преобразователь частоты 18, микроконтроллер 19, служебный источник питания 20, электродвигатель 21, исполнительный механизм (редуктор) 22, трубопроводную арматуру 23. Служебный источник питания 20 соединен с микроконтроллером 5 через блок 24 гальванической развязки. На приведенной функциональной схеме показана внешняя сеть переменного тока, в этом случае контур 3 содержит выпрямитель 25.In FIG. 1
Обозначения на фиг. 1 и 2: +DC - шина постоянного тока, имеющая положительный потенциал; SGND - силовая шина, потенциал которой условно принят за нулевой.The notation in FIG. 1 and 2: + DC - DC bus with positive potential; SGND is a power bus, the potential of which is conditionally taken as zero.
Приводное устройство для трубопроводной арматуры работает следующим образом.The drive device for pipe fittings operates as follows.
При исправной сети на выпрямитель 25 (фиг. 1) поступает питающее напряжение (Uсети) постоянного/переменного тока, имеющее широкий диапазон значений, например в интервале от (Uн - 50%) до (Uн + 47%), где Uн - номинальное напряжение сети. Выпрямитель 25 преобразует переменное напряжение сети в постоянное или пропускает постоянное напряжение. Это напряжение поступает в контур 3 привода исполнительного механизма и в контур 2 энергонакопителя.With a working network, the rectifier 25 (Fig. 1) receives a supply voltage (U network) of direct / alternating current, which has a wide range of values, for example, in the range from (Un - 50%) to (Un + 47%), where Un is the rated voltage network. The
В контуре 3 привода исполнительного механизма напряжение с выхода выпрямителя 25 поступает на преобразователь частоты 18 для обеспечения питанием электродвигателя 21 и на служебный источник питания 20 для питания собственных нужд устройства.In the
В контуре 2 энергонакопителя первый мостовой преобразователь 11 (фиг. 2) по управляющему сигналу микроконтроллера 5 (фиг. 1) преобразует постоянное напряжение в переменное и регулирует скважность импульсов тока. Первый мостовой преобразователь 11 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов ключами 13-1÷13-4 своих диагоналей в зависимости от величины напряжения сети, изменяя скважность импульсов до определенной величины, необходимой для получения на выходе преобразователя напряжения 4 стабильного зарядного тока. При этом по сигналу микроконтроллера 5 ключи 13-5÷13-8 второго мостового преобразователя 12 разомкнуты, а ключ 13-9 замкнут. Переменное напряжение с выхода первого мостового преобразователя 11 понижается первой 15 и третьей 17 обмотками трансформатора, работающими в качестве соответственно первичной и вторичной обмоток, с коэффициентом трансформации k1, величина которого обеспечивает необходимую кратность понижения напряжения.In the
Затем диодный мост 14 выпрямляет пониженное переменное напряжение, и напряжение постоянного тока через замкнутый электронный ключ 13-9 поступает на емкостной энергонакопитель 6 для его заряда до максимального рабочего напряжения. Микроконтроллер 5 (фиг. 1) прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на энергонакопителе 6 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.Then the
При работе преобразователя 4 напряжения (фиг. 2) в режиме понижения напряжения отношение напряжений преобразователя 4 напряжения равно:When the voltage Converter 4 (Fig. 2) in the voltage lowering mode, the voltage ratio of the
Uсети/Uзаp1 = S1⋅k1, гдеUnets / Usp1 = S1⋅k1, where
Uсети - напряжение сети, Uзар1 - напряжение для обеспечения заряда энергонакопителя 6, k1 - понижающий коэффициент трансформации трансформатора 10, S1 - скважность импульсов, регулируемая первым мостовым преобразователем 11.Unets is the mains voltage, Uzar1 is the voltage to ensure the charge of the
Зная величину коэффициента трансформации k1 и измеренное значение напряжения сети, путем регулирования скважности трансформатора 10 поддерживают такое напряжение (Uзар1), которое обеспечивает заряд энергонакопителя 6 стабильным зарядным током, при широком диапазоне входного напряжения сети. При этом величина коэффициента трансформации k1 обеспечивает большую кратность понижения напряжения.Knowing the value of the transformation coefficient k1 and the measured value of the network voltage, by regulating the duty cycle of the
За счет того, что первый мостовой преобразователь 11 регулирует скважность импульсов путем попеременного изменения полярности первой 15 обмотки, полностью используется характеристика намагничивания сердечника трансформатора 10. Это способствует обеспечению компактности трансформатора 10, и следовательно, уменьшению потерь энергии.Due to the fact that the
Заряд сохраняется в энергонакопителе 6. Блок 7 (фиг. 1) мониторинга и балансировки периодически проверяет работоспособность по меньшей мере одного указанного высокоемкого конденсатора 8 путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.The charge is stored in the
Пример реализации технического решения в режиме понижения напряжения постоянного тока. При номинальном напряжении сети Uн=536 VDC для обеспечения максимального напряжения энергонакопителя Umax = 42VDC, отношение напряжений преобразователя 4 в зависимости от величины напряжения сети равно:An example of the implementation of a technical solution in the mode of lowering the DC voltage. With a rated voltage of the network Un = 536 VDC to ensure the maximum voltage of the energy storage Umax = 42VDC, the ratio of the voltage of the
- при напряжении сети ниже номинального на 50%, т.е. для Uсети = 268 VDC,- when the mains voltage is below the nominal by 50%, i.e. for U network = 268 VDC,
Uсети / Umax = 268VDC / 42VDC = 6,38. Максимальное напряжение энергонакопителя 6 достигается тем, что ключи первого мостового преобразователя 11 обеспечивают скважность импульсов, равную 2 (коэффициент заполнения 50%). В этом случае отношение напряжений преобразователя 4 равно коэффициенту трансформации k1 трансформатора, т.е. Uсети / Uзар1 = 6,38=k1;Networks / Umax = 268VDC / 42VDC = 6.38. The maximum voltage of the
- при напряжении сети, равном номинальному, т.е. для Uсети = 536 VDC,- at a network voltage equal to the nominal, i.e. for U network = 536 VDC,
Uсети / Umax = 536VDC / 42VDC = 12,76. Максимальное напряжение энергонакопителя 6 достигается тем, что ключи первого мостового преобразователя 11 обеспечивают скважность импульсов, равную 4 (коэффициент заполнения 25%). В этом случае отношение напряжений преобразователя 4 равно удвоенному коэффициенту трансформации k1 трансформатора, т.е. Uсети / Uзар1 = 12,76 = 2 k1;Networks / Umax = 536VDC / 42VDC = 12.76. The maximum voltage of the
- при напряжении сети выше номинального на 47%, т.е. для Uвx = 788VDC,- when the mains voltage is above the nominal by 47%, i.e. for Uvx = 788VDC,
Uсети / Umax = 788VDC / 42VDC = 18,76. Максимальное напряжение (Umax) энергонакопителя 6 достигается тем, что первый мостовой преобразователь 11 изменяет скважность импульсов до величины, равной 8 (коэффициент заполнения 12,5%). В этом случае отношение напряжений преобразователя Uсети / Uзар1 = 18,76 = 2,94 k1.Networks / Umax = 788VDC / 42VDC = 18.76. The maximum voltage (Umax) of the
Таким образом, в режиме понижения напряжения постоянного тока, приводное устройство 1 работает при широком диапазоне входного напряжения сети от (Uн - 50%) до (Uн + 47%), отношение напряжений преобразователя 4 имеет относительно большую величину, т.е. преобразователь напряжения 4 может многократно понижать напряжение, например в 18,76 раз при Uсети = 788VDC.Thus, in the mode of lowering the DC voltage, the
Аналогично, в режиме понижения напряжения переменного тока преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне входного напряжения, обеспечивая максимальный заряд энергонакопителя 6 стабильным зарядным током.Similarly, in the mode of lowering the AC voltage, the
Работа преобразователя напряжения 4 в режиме понижения напряжения при широком диапазоне напряжений на его входе, с обеспечением стабильного зарядного тока на его выходе, позволяет исключить стабилизирующий источник питания на входе приводного устройства 1, что уменьшает потери мощности приводного устройства. Это в итоге повышает энергоэффективность и улучшает массогабаритные показатели приводного устройства.The operation of the
При неисправной сети (в результате отказа электропитания или падения напряжения ниже допустимой величины) двунаправленный преобразователь 4 напряжения работает в режиме повышения напряжения.In case of a faulty network (as a result of a power failure or voltage drop below the permissible value), the
Микроконтроллер 5 (фиг. 1) размыкает ключ 13-9 (фиг. 2), и напряжение с емкостного энергонакопителя 6 (фиг. 1) поступает на второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2), который по управляющему сигналу микроконтроллера 5 (фиг. 1) преобразует постоянное напряжение в переменное и регулирует скважность импульсов тока. Второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов путем замыкания и размыкания ключей 13-5÷13-8 в зависимости от величины напряжения энергонакопителя 6, изменяя скважность импульсов до определенной величины, необходимой для получения на выходе преобразователя 4 стабильного напряжения. Например, при напряжении энергонакопителя 6 ниже максимального на 50% и равном максимальному, необходимое значение напряжения получают при скважности импульсов, равной соответственно 2 и 4. При этом ключ 9, шунтирующий цепь последовательно соединенных конденсаторов 8, выполнен нормально замкнутым, т.е. в отсутствии питания ключ 9 замкнут и шунтирует конденсаторы 8, благодаря чему обеспечивается безопасное техническое обслуживание приводного устройства 1 во взрывоопасных условиях.The microcontroller 5 (Fig. 1) opens the key 13-9 (Fig. 2), and the voltage from the capacitive energy storage 6 (Fig. 1) is supplied to the second bridge converter 12 (Fig. 2), which, according to the control signal of the microcontroller 5 (Fig. 1), 1) converts direct voltage to alternating current and regulates the duty cycle of current pulses. The second bridge converter 12 (Fig. 2) regulates the duty cycle of the pulses by closing and opening the keys 13-5 ÷ 13-8 depending on the voltage value of the
Далее переменное напряжение с выхода второго мостового преобразователя 12 (фиг. 2) повышается второй 16 и первой 15 обмотками трансформатора, работающими в качестве соответственно первичной и вторичной обмоток. Вторая 16 и первая 15 обмотки трансформатора повышают напряжение с коэффициентом трансформации k2, величина которого обеспечивает большую кратность повышения напряжения.Further, the alternating voltage from the output of the second bridge converter 12 (Fig. 2) rises the second 16 and first 15 windings of the transformer, operating as respectively the primary and secondary windings. The second 16 and the first 15 windings of the transformer increase the voltage with a transformation coefficient k2, the value of which provides a large increase in voltage.
Затем первый мостовой преобразователь 11, на этот раз выполняющий функцию выпрямителя, выпрямляет повышенное переменное напряжение. И напряжение постоянного тока, имеющее стабильное значение, подается в контур 3 привода исполнительного механизма.Then, the
В контуре 3 (фиг. 1) привода исполнительного механизма напряжение поступает на преобразователь частоты 18 для обеспечения питанием электродвигателя 21, чтобы привести электродвигатель 21 в действие и переместить арматуру 23 в безопасное положение при сохранении возможности регулирования крутящего момента/осевого усилия, и на служебный источник питания 20 для питания собственных нужд устройства 1.In the circuit 3 (Fig. 1) of the actuator actuator, the voltage is supplied to the
При работе преобразователя 4 напряжения в режиме повышения напряжения отношение напряжений преобразователя 4 напряжения равно: Uзар2 / Uвых = S2⋅1/k2, гдеWhen the
Uзар2 - напряжение энергонакопителя 6; Uвых - напряжение на выходе преобразователя 4 напряжения, обеспечивающее работу контура 3 исполнительного механизма при неисправной сети; k2 - повышающий коэффициент трансформации трансформатора; S2 - скважность импульсов, регулируемая вторым мостовым преобразователем 12.Uзар2 - voltage of
Зная величину коэффициента трансформации k2 и измеренное значение напряжения энергонакопителя (Uзар2), путем регулирования скважности (S2) трансформатора 10 поддерживают на выходе преобразователя 4 напряжения стабильное напряжение (Uвых), гарантирующее приведение в действие электродвигателя 21 даже при значительном снижении напряжения энергонакопителя 6. При этом величина коэффициента трансформации к2 обеспечивает большую кратность повышения напряжения.Knowing the value of the transformation coefficient k2 and the measured value of the energy storage voltage (Uzar2), by regulating the duty cycle (S2) of the
За счет того, что второй мостовой преобразователь 12 (фиг. 2) регулирует скважность импульсов путем попеременного изменения полярности второй 16 обмотки, полностью используется характеристика намагничивания сердечника трансформатора 10. Это способствует обеспечению компактности трансформатора 10, и следовательно, уменьшению потерь энергии.Due to the fact that the second bridge converter 12 (Fig. 2) regulates the duty cycle of the pulses by alternating the polarity of the second 16 windings, the magnetization characteristic of the core of the
Пример реализации технического решения в режиме повышения напряжения постоянного тока. Отношение напряжений преобразователя 4 в зависимости от напряжения (Uзар2) энергонакопителя 6 равно:An example of the implementation of a technical solution in the mode of increasing DC voltage. The voltage ratio of the
- при напряжении энергонакопителя 6 ниже максимального на 50%, т.е. для Uзар2 = 0,5Umax = 21 VDC, Uзap2 / Uвых = 21 VDC / 536 VDC = 1/25,52. Напряжение на выходе преобразователя 4 напряжения, равное номинальному, Uвых = 536 VDC достигается тем, что ключи второго мостового преобразователя 12 обеспечивают скважность импульсов, равную 2 (коэффициент заполнения 50%). В этом случае Uзар2 / Uвых=k2;- when the
- при напряжении энергонакопителя 6, равном максимальному, т.е. для Uзар2 = Umax = 42 VDC, Uзар2 / Uвых = 42VDC / 536VDC = 1/12,75. Это достигается тем, что второй мостовой преобразователь 12 изменяет скважность импульсов до величины, равной 4 (коэффициент заполнения 25%).- when the
Таким образом, в режиме повышения напряжения постоянного тока, преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне напряжения энергонакопителя от (Uзар2 = Umax) до (Uзар2 = 0,5U max), преобразователь напряжения 4 может многократно повышать напряжение, например в 25,52 раз (при Uзар2 = 0,5U max).Thus, in the mode of increasing the DC voltage,
Аналогично, в режиме повышения напряжения переменного тока преобразователь напряжения 4 работает при широком диапазоне напряжения энергонакопителя 6, обеспечивая многократное повышение напряжения.Similarly, in the mode of increasing the AC voltage, the
Благодаря многократному повышению напряжения преобразователь напряжения 4 обеспечивает приведение в действие электродвигателей с номинальным напряжением 380V, и следовательно, перемещение в безопасное положение трубопроводной арматуры, для которой требуются большие вращающие моменты.Due to the multiple increase in voltage, the
Применение трехобмоточного трансформатора 10 позволяет получить такую величину кратности повышения напряжения, которая отлична от величины кратности понижения напряжения, например, превышает кратность понижения напряжения в заданное число раз. Поэтому можно выполнить оба необходимых условия: и обеспечить максимальное напряжение энергонакопителя 6, и обеспечить напряжение, достаточное для приведения в действие мощного электродвигателя 21. Это достигается тем, что третья обмотка 17 трансформатора выполнена с количеством витков, превышающим количество витков второй обмотки 16 в заданное число раз. Так, в приведенном выше примере реализации, количество витков третьей обмотки 17 превышает количество витков второй обмотки 16 в 4 раза, поэтому кратность повышения напряжения, равная 25,52 при низком заряде энергонакопителя, превышает кратность понижения напряжения, равную 6,38 при низком напряжении сети, в 4 раза. Ввиду того, что в двунаправленном двухобмоточном трансформаторе кратность повышения напряжения равна кратности понижения напряжения, можно выполнить только одно из двух вышеуказанных условий. Применение же четырехобмоточного трансформатора или двух двухобмоточных трансформаторов привело бы к увеличению массогабаритных показателей трансформатора.The use of a three-winding
Таким образом, выполнение двунаправленного преобразователя напряжения 4 в виде трехобмоточного трансформатора 10, скважность импульсов которого регулируется мостовыми преобразователями 11 и 12, при этом третья обмотка 17 трансформатора, используемая в качестве вторичной в режиме понижения напряжения, соединена с энергонакопителем 6 через ключ 13-9 и выполнена с числом витков, превышающим число витков второй обмотки 16, используемой в качестве первичной в режиме повышения напряжения, позволяет приводному устройству 1:Thus, the implementation of a
- в режиме понижения напряжения работать при широком диапазоне входного напряжения сети с обеспечением стабильного зарядного тока необходимой величины для заряда энергонакопителя 6 до максимального напряжения. В свою очередь, работа преобразователя напряжения 4 при широком диапазоне входного напряжения позволяет исключить энергозатратный источник питания на входе устройства 1, что способствует повышению энергоэффективности и увеличению КПД приводного устройства 1;- in the mode of undervoltage operation with a wide range of input voltage of the network to ensure a stable charging current of the required value for charging
- в режиме повышения напряжения работать при широком диапазоне напряжения заряда на энергонакопителе 6 с обеспечением преобразователем напряжения 4 стабильного напряжения такой величины, которая достаточна для приведения в действие электродвигателя 21;- in the mode of increasing voltage to work with a wide range of voltage of the charge on the
- в режимах понижения/повышения напряжения многократно понижать/повышать напряжение двунаправленным преобразователем напряжения 4 (в отличие от контроллера подкачки в патенте-аналоге №2461039 и индуктора в патенте-прототипе №2442924).- in the mode of lowering / increasing voltage, repeatedly lowering / increasing voltage by a bidirectional voltage converter 4 (unlike the swap controller in the analogue patent No. 2461039 and the inductor in the prototype patent No. 2442924).
При этом, выполнение двунаправленного преобразователя напряжения 4 в виде трехобмоточного трансформатора (в отличие от четырехобмоточного трансформатора или двух двухобмоточных трансформаторов) позволяет уменьшить массогабаритные показатели преобразователя напряжения 4, что повышает энергоэффективность приводного устройства 1.At the same time, the implementation of a
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019131394A RU2719544C1 (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019131394A RU2719544C1 (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2719544C1 true RU2719544C1 (en) | 2020-04-21 |
Family
ID=70415418
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019131394A RU2719544C1 (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2719544C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5519295A (en) * | 1994-04-06 | 1996-05-21 | Honeywell Inc. | Electrically operated actuator having a capacitor storing energy for returning the actuator to a preferred position upon power failure |
RU2165669C1 (en) * | 1999-12-21 | 2001-04-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Космос Энво" | Charger-discharger |
RU2235934C2 (en) * | 2002-09-13 | 2004-09-10 | ООО "Промтехкомплект" | Automatic electrical drive for valving |
US7023163B2 (en) * | 2003-11-20 | 2006-04-04 | Siemens Building Technologies | Fail-safe electric actuator using high voltage capacitors |
RU2442924C2 (en) * | 2006-05-24 | 2012-02-20 | Белимо Холдинг Аг | Protective drive device for damper or valve |
RU2461039C2 (en) * | 2006-07-10 | 2012-09-10 | Роторк Контролз Лимитед | Improved valve power drive |
-
2019
- 2019-10-03 RU RU2019131394A patent/RU2719544C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5519295A (en) * | 1994-04-06 | 1996-05-21 | Honeywell Inc. | Electrically operated actuator having a capacitor storing energy for returning the actuator to a preferred position upon power failure |
RU2165669C1 (en) * | 1999-12-21 | 2001-04-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Космос Энво" | Charger-discharger |
RU2235934C2 (en) * | 2002-09-13 | 2004-09-10 | ООО "Промтехкомплект" | Automatic electrical drive for valving |
US7023163B2 (en) * | 2003-11-20 | 2006-04-04 | Siemens Building Technologies | Fail-safe electric actuator using high voltage capacitors |
RU2442924C2 (en) * | 2006-05-24 | 2012-02-20 | Белимо Холдинг Аг | Protective drive device for damper or valve |
RU2461039C2 (en) * | 2006-07-10 | 2012-09-10 | Роторк Контролз Лимитед | Improved valve power drive |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108463935B (en) | Bidirectional DC/DC converter and method for charging an intermediate circuit capacitor of a DC/DC converter from a low-voltage battery | |
US7768807B2 (en) | Bidirectional no load control with overshoot protection | |
RU2442924C2 (en) | Protective drive device for damper or valve | |
CN102237814A (en) | Converter device and uninterruptible power supply comprising such a device | |
TWI572109B (en) | Dc power supply divice | |
JP2014220896A (en) | Charge/discharge control device | |
RU2719544C1 (en) | Drive device for pipeline valves, equipped with energy accumulator, with function of switching pipeline valves into safe position | |
WO2018189953A1 (en) | Power conversion device and contactless power supply system | |
JP5347362B2 (en) | Emergency power circuit | |
EP4236049A1 (en) | Active-bridge converter circuit, active-bridge converter arrangement and method for operating the active-bridge converter circuit | |
WO2018234019A1 (en) | Driver for emergency lighting | |
WO2020114649A1 (en) | Bidirectional dc/dc converter and method for operating the dc/dc converter | |
CN100386962C (en) | Second generation high-voltage large-power frequency converter | |
EP2326147A2 (en) | Operating control device for operating a light | |
CN107517014B (en) | The Pwm controller and its control method of switch type power supplying device | |
JP2013034276A (en) | Electric power unit and nuclear reactor control rod control apparatus using the same | |
KR101387239B1 (en) | Power converting apparatus | |
US9031198B2 (en) | Power assist for use of high power X-ray generators to operate from low power single phase supply lines | |
JP6338808B1 (en) | Power converter and contactless power supply system | |
KR20180040004A (en) | Precharger | |
CN113824204B (en) | Hardware system power supply circuit and circuit control method thereof | |
JP2014100050A (en) | Power-feeding system | |
CN116191620A (en) | Four-port active bridge converter for hybrid energy storage and pulse load access | |
RU2386203C1 (en) | Rectifying plant | |
CN110912413A (en) | Energy bidirectional flow energy-saving device and energy bidirectional flow control method thereof |