RU36478U1 - Электропривод - Google Patents

Description

1$Жл

Voo3

:,

F16K31 05Изобретение относится к электроприводам, в частности, к комбинированным средствам управления запорной арматурой (задвижками, клапанами, кранами и т.п.) с помощью электродвигателя и вручную и может быть использовано на трубопроводах при транспорте нефти, нефтепродуктов, в химической и нефтехимической отраслях. Известен электропривод (патент РФ на изобретение №2154219, F16K31 05, опубликованный 10.08.2000, бюллетень №22), содержащий электродвигатель, редуктор, ручной дублер, кулачковую муфту ограничения крутящего момента, преобразователь и соединенное с ним регистрирующее устройство. Преобразователь кинематически связан с муфтой ограничения крутящего момента. Муфта ограничения крутящего момента выполнена в виде подпружиненной подвижной и неподвижной полумуфт. При возрастании величины крутящего момента на выходном валу электропривода осевое перемещение подвижной полумуфты передается преобразователю, который при соответствующей механически заданной в нем величине крутящего момента для данного направления вращения вала механически воздействует на регистрирующее устройство. Электропривод. Регистрирующее устройство срабатывает и отключает электрическое питание электродвигателя. Недостатком этого электропривода является неточность отключения электродвигателя муфтой по отношению к заданному крутящему моменту и непредусмотренное срабатывание муфты при запуске привода. Погрешность отключения составляет от 40 до 100 %. Кроме того, после отключения электродвигателя от сети детали электропривода испытывают ударную нагрузку, что приводит к их сотрясению и износу и снижает надежность работы и срок службы электропривода. Муфта излишне нагружает шпиндель запорной арматуры за счет инерции вращающихся деталей и создает ударные нагрузки на деталях электропривода и на арматуре. Известен электропривод, описанный в Руководстве по хранению, установке и техническому обслуживанию «Приводы для трубопроводной арматуры и системы контроля (фирма BIFFI, Италия, 1994 г.). Электропривод содержит электродвигатель, редуктор, ручной дублер, реверсивный контактор, электромеханическую муфту ограничения крутящего момента и потенциометрический датчик положения выходного звена редуктора, при этом муфта и датчик снабжены механизмами настройки срабатывания выключателей электродвигателя соответственно при определенном моменте и при определенном положении. W : Недостатками этого электропривода вследствие использования электромеханической муфты ограничения крутящего момента являются неточность отключения электродвигателя, наличие ударной нагрузки на детали электропривода и на арматуру при отключении электродвигателя от сети, что приводит к их износу, снижению надежности работы и срока службы. Задание предельного крутящего момента требует удаления кожуха с этого механизма, делая устройство неудобным в эксплуатации. Недостатком потенциометрического датчика положения выходного звена редуктора является переменная точность измерения, зависящая от пути, пройденного им. Так, точность измерения потенциометрического датчика падает при малом пути прохождения по гиперболической функции. Известен электропривод, описанный в Рекламном проспекте «Приводы Роторк класса IQ. Новое поколение интеллектуальных необслуживаемых трехфазных электрических приводов (публикация 110 R, издание г., фирма Роторк, Великобритания, США). Электропривод содержит асинхронный электродвигатель, редуктор, ручной дублер, реверсивный контактор, датчик положения затвора выходного звена редуктора, датчик крутящего момента, задатчик положения выходного звена редуктора, задатчик предельного крутящего момента. Датчиком положения является магнито-импульсный счетчик, основанный на эффекте Холла. Датчик положения преобразует количество оборотов на валу электродвигателя в электрический сигнал, который сравнивается с конечными положениями. ч О заложенными в задатчике положения. Датчик и задатчик положения питаются от электрической сети. При отсутствии питания от сети архивацию данных и калибровку конечных положений выходного звена редуктора поддерживает электрическая батарея. Датчик крутящего момента выполнен как пьезодатчик. Осевая нагрузка вала червяка электродвигателя с помощью пьезодатчика преобразуется в электрический сигнал, прямо пропорциональный развиваемому крутящему моменту в электроприводе и сравниваемый с сигналом, заданным в задатчике предельного крутящего момента. Недостатками этого электропривода являются следующие. При израсходовании ресурса электрической батареи и работе с ручным дублером утрачивается калибровка конечных положений, и требуется новая калибровка. Осевая нагрузка вала червяка электродвигателя может быть распределена неравномерно, что влияет на точность работы датчика крутящего момента. Реверсивный контактор отключает электродвигатель без плавного торможения, что приводит к износу элементов электропривода и снижению надежности его работы. Известен электропривод, описанный в Рекламном проспекте «Защита, контроль и мониторинг электроприводов Accutronix MX фирмы Limitorque Corporation, 2000 г. Электропривод содержит асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, передаточный механизм в виде редуктора, ручной дублер, реверсивный контактор, оптомеханический Ч датчик положения выходного звена передаточного механизма, датчик крутящего момента, задатчик положения выходного звена передаточного механизма и задатчик предельного крутящего момента. Оптомеханический датчик положения является энкодером абсолютного положения (патент США №5640007, G01D5 347). Сенсорный механизм энкодера включает светоизлучатель и светоприемник (фототранзисторы), которые определяют диапазон кодовых связей, обеспеченных между парой энкодерных колес, чье вращение согласуется с вращением вала (ротора) электродвигателя. Оптомеханический датчик положения энергонезависим от электропитания, то есть отсутствие какого-либо питания у датчика положения не влияет на определение им положения выходного звена передаточного механизма. Это качество позволяет при передвижении выходного звена передаточного механизма с помощью ручного дублера сохранить калибровку его конечных положений, существовавщую до отключения электропитания, поэтому после работы с ручным дублером и при последующем включении электропитания датчик точно измерит положение выходного звена передаточного механизма относительно позиций «открыто и «закрыто. Датчик крутящего момента определяет «работу на упор, то есть работает по принципу, например, тензодатчика или пьезодатчика. Задатчик положения выходного звена передаточного механизма и задатчик предельного крутящего момента соединены входами с оптомеханическим W датчиком положения и с датчиком крутящего момента соответственно, а выходами- с реверсивным контактором. Выходное звено передаточного механизма поочередно устанавливают в положения «открыто и «закрыто и формируют задатчиком положения соответствующие этим положениям сигналы, определяющие диапазон перемещения выходного звена и воспринимаемые оптомеханическйм датчиком положения. При достижении выходным звеном передаточного механизма крайних положений «открыто или «закрыто задатчик положения выдает сигнал на реверсивный контактор об отключении электродвигателя. В задатчике предельного крутящего момента формируют соответствующий сигнал. Сигнал с датчика крутящего момента сопоставляется с заданным сигналом в задатчике предельного крутящего момента. При превышении в электроприводе заданного предельного крутящего момента с выхода задатчика предельного крутящего момента на реверсивный контактор поступает сигнал об отключении электродвигателя. При этом реверсивный контактор выполнен с возможностью подобного отключения, например, за счет встроенного в него реле тока, реагирующего на сигнал с задатчика положения или с задатчика предельного крутящего момента. Этот электропривод обладает следующими недостатками. Наличие датчика крутящего момента является вмещательством в конструкцию передаточного механизма (редуктора) и приводит к усложнению, увеличению габаритов и снижению надежности передаточного механизма и электропривода в целом. Кроме того, требуется подбор датчика крутящего момента в зависимости от крутящего момента, на который рассчитан электропривод, а это усложняет сборку электропривода. При использовании подобных датчиков крутящего момента для некоторых типов передаточных механизмов, например, волновых редукторов с промежуточными звеньями, отсутствует линейность в определении крутящего момента в зависимости от нагрузки на электроприводе, что снижает точность и надежность отключения электродвигателя при превыщении предельного крутящего момента. Реверсивный контактор отключает асинхронный электродвигатель без плавного торможения, что приводит к быстрому износу элементов электропривода и снижению надежности его работы Задачами изобретениями являются упрощение конструкции, уменьщение габаритов, повышение надежности работы электропривода, а также повышение точности и надежности отключения электродвигателя , при превышении предельного крутящего момента в электроприводе независимо от нагрузки, на которую он рассчитан, и для любого типа передаточного механизма. Технический результат, обеспечиваемый изобретением по сравнению с прототипом, выражается в устранении механического вмешательства элемента, определяющего крутящий момент, в конструкцию передаточного механизма электропривода, а также в повышении точности определения крутящего момента этим элементом независимо от нагрузки, на которую рассчитан электропривод, и для любого типа передаточного механизма. Как и прототип, электропривод содержит асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, передаточный механизм, ручной дублер, реверсивный контактор, оптомеханический датчик положения выходного звена передаточного механизма, задатчик положения выходного звена передаточного механизма, имеющий первый вход задания конечного положения и второй вход, соединенный с оптомеханическим датчиком положения. В отличие от прототипа электропривод содержит бесконтактный коммутатор напряжения, установленный между реверсивным контактором и асинхронным электродвигателем, и блок крутящего момента, выполненный с возможностью вычисления крутящего момента как функции тока статора асинхронного электродвигателя, частоты вращения его ротора, частоты тока питающей асинхронный электродвигатель электрической сети, параметров передаточного механизма, а также с возможностью задания предельного крутящего момента и отключения асинхронного электродвигателя при превыщении в электроприводе этого момента и имеющий первый вход, соединенный со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя через датчик тока, второй вход, соединенный с оптомеханическим датчиком положения выходного звена передаточного механизма, третий вход, соединенный с питающей Ч v асинхронный электродвигатель электрической сетью на участке до бесконтактного коммутатора напряжения, и выход, соединенный с бесконтактным коммутатором напряжения, а задатчик положения имеет выход, подключенный к бесконтактному коммутатору напряжения, при этом электропривод выполнен с возможностью определения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя для блока крутящего момента по показанию оптомеханического датчика положения. Реверсивный контактор может быть соединен через датчик тока со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя и выполнен с возможностью размыкания при превышении в электроприводе заданного предельного крутящего момента по сигналу с датчика тока. Блок крутящего момента может быть выполнен с возможностью вычисления крутящего момента как функции, дополнительно зависящей от напряжения питающей асинхронный электродвигатель электрической сети. Электропривод может быть выполнен с возможностью отключения асинхронного электродвигателя в крайнем положении выходного звена передаточного механизма при превыщении заданного для этого положения предельного крутящего момента. Блок-схема электропривода изображена на фигурах 1 и 2 со следующими обозначениями: 1- асинхронный электродвигатель, 2передаточный механизм, 3- ручной дублер, 4- реверсивный контактор, 5оптомеханический датчик положения выходного звена передаточного v механизма , 6- задатчик положения выходного звена передаточного механизма , 7- бесконтактный коммутатор напряжения, 8- блок крутящего момента, 9- датчик тока статора асинхронного электродвигателя . Электропривод содержит асинхронный электродвигатель 1 с короткозамкнутым ротором, приводящий в действие передаточный механизм 2. Передаточный механизм 2 может быть выполнен, например, в виде червячного, волнового редуктора, редуктора с промежуточными звеньями, кулисы. Электропривод снабжен ручным дублером 3. Реверсивный контактор 4 коммутирует питание асинхронного электродвигателя 1 и задает направление его вращения. Датчик положения 5 выполнен оптомеханическим. Под оптомеханическим понимается датчик, состоящий из ряда оптических дисков, связанных между собой механическими звеньями с различными коэффициентами передач, зависящими от способа кодирования и декодирования (например, код Грея, двоичный код и т.д.). Задатчик положения 6 выходного звена передаточного механизма 2 имеет первый вход задания конечного положения и второй вход, соединенный с оптомеханическим датчиком положения 5, а также выход, подключенный к бесконтактному коммутатору напряжения 7. Задатчик положения 6 выполнен в виде устройства, запоминающего сигналы «открыто и «закрыто, задающиеся через первый вход, и сравнивающего с ними сигнал, поступающий на второй вход задатчика положения 6 от ,U}V) оптомеханического датчика положения 5 о текущем положении выходного звена передаточного механизма 2. При достижении выходным звеном передаточного механизма 2 крайнего положения «открыто или «закрыто задатчик положения 6 подает сигнал об этом с выхода на бесконтактный коммутатор напряжения 7. Бесконтактный коммутатор напряжения 7 установлен между реверсивным контактором 4 и асинхронным электродвигателем 1 и представляет из себя тиристорный или любой другой регулятор напряжения. Бесконтактный коммутатор напряжения 7 служит для плавного торможения асинхронного электродвигателя 1 с последующим прерыванием его электрического питания при поступлении на бесконтактный коммутатор напряжения 7 сигнала с блока крутящего момента 8 о превышении заданного предельного крутящего момента в электроприводе или сигнала от задатчика положения 6 выходного звена передаточного механизма 2 о достижении выходным звеном передаточного механизма 2 положений, соответствующих положениям «открыто или «закрыто. Блок крутящего момента 8 выполнен с возможностью вычисления крутящего момента как функции тока статора асинхронного электродвигателя 1, частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя 1, частоты питающей асинхронный электродвигатель 1 электрической сети и параметров передаточного механизма 2. Под Ч

Wp- частота вращения ротора асинхронного электродвигателя 1.

Данные о величине тока I статора асинхронного электродвигателя 1 поступают в блок крутящего момента 8 за счет соединения первого входа этого блока 8 через датчик тока 9 со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя 1. В качестве датчика тока 9 могут быть использованы, например, шунты. параметрами передаточного механизма 2 имеются в виду тип передачи (червячный или другой редуктор, кулиса и т.п.), коэффициент передачи, исполнение элементов передачи (качество, точность установки элементов относительно друг друга, наличие люфтов, размеры элементов с учетом нагрузки и т.п.). С передаточного механизма 2 снимают характеристику, зависящую от указанных выше параметров. Информация о параметрах в виде этой характеристики вносится в блок крутящего момента 8 программируемым способом. В качестве сведений, подтверждающих возможность вычисления крутящего момента блоком 8, можно привести следующие. Из теории электропривода известно, что крутящий момент на валу асинхронного электродвигателя является функцией f(I , S) квадрата тока статора I и скольжения S в асинхронном двигателе, причем скольжение вычисляют по формуле 5 , где Wc- частота тока питающей электрической сети , ,:j 12 Оо Ч Данные о частоте Wc тока питающей асинхронный электродвигатель 1 сети поступают в блок крутящего момента 8 за счет соединения третьего входа этого блока 8 с питающей асинхронный электродвигатель 1 электрической сетью на участке до бесконтактного коммутатора напряжения 7. Соединение на этом участке исключает искажение бесконтактным коммутатором напряжения Тданных о частоте тока питающей сети. При этом электропривод выполнен с возможностью определения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя 1 Wp для блока крутящего момента 8 по показанию оптомеханического датчика положения 5, с которым блок крутящего момента 8 соединен вторым входом. Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя 1 определяется по показанию оптомеханического датчика положения 5 согласно следующим зависимостям: f(w). (1) (wp) (2), где Шд-частота импульсов оптомеханического датчика положения 5, Г(Шд)- функция частоты импульсов оптомеханического датчика положения 5, Ти- интервал времени, за который измеряется частота импульсов оптомеханического датчика положения 5, Ч v NW- количество импульсов оптомеханического датчика положения 5 за интервал времени Тц, являющееся кодом и пропорциональное частоте вращения ротора Wp асинхронного электродвигателя 1, Wp- частота вращения ротора асинхронного электродвигателя 1, f(wp)- функция частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя 1. За интервал времени Т„ определяют функцию f(w3). По формуле (1) вычисляют код (количество импульсов оптомеханического датчика положения 5) NW, пропорциональный по формуле (2) частоте вращения ротора асинхронного двигателя 1. Таким образом, код N, полученный по показанию оптомеханического датчика положения 5, пропорционален частоте вращения ротора Wp и учитывается блоком крутящего момента 8 при вычислении крутящего момента как величина, соответствующая частоте вращения ротора Wp асинхронного электродвигателя 1. В электроприводе для реализации возможности определения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя 1 Wp по показанию оптомеханического датчика положения 5 имеются средство измерения интервала времени Т,, за который измеряется частота импульсов оптомеханического датчика 5, например, таймер, а также счетчик импульсов оптомеханического датчика 5. Блок крутящего момента 8 выполнен с возможностью задания предельного крутящего момента. Предельный крутящий момент задают программируемым способом. Помимо этого, блок крутящего момента 8 выполнен с возможностью отключения асинхронного электродвигателя 1 при превыщении заданного предельного момента за счет того, что он имеет выход, соединенный с бесконтактным коммутатором напряжения 7. С выхода блока крутящего момента 8 подают сигнал для срабатывания бесконтактного коммутатора напряжения 7 с обеспечением плавного торможения и последующего отключения асинхронного электродвигателя 1 при превышении заданного предельного крутящего момента в электроприводе. Для автоматического размыкания реверсивного контактора 4 при превыщении заданного предельного крутящего момента реверсивный контактор 4 может быть соединен через датчик тока 9 со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя 1 (фиг.2) и выполнен с возможностью размыкания при превыщении заданного предельного крутящего момента по сигналу с датчика тока 9. Возможность такого размыкания обеспечивается, например, за счет встроенного в реверсивный контактор 4 реле тока, реагирующего на сигнал с датчика тока 9 об отсутствии тока в статорной обмотке асинхронного электродвигателя 1. ,,( Wp.асинхронного электродвигателя 1 , то блок крутящего момента 8 может быть выполнен с возможностью вычисления крутящего момента, как функции, дополнительно зависящей от напряжения питающей асинхронный электродвигатель 1 электрической сети, так как э.д.с. является функцией напряжения этой сети, тока статора асинхронного электродвигателя 1 и параметров схемы замещения электродвигателя. Последние вносятся в блок крутящего момента 8 и используются им для вычисления крутящего момента. Данные о напряжении питающей асинхронный электродвигатель 1 сети поступают в блок крутящего момента 8 за счет соединения одного из входов блока 6 с питающей асинхронный электродвигатель 1 сетью на участке до бесконтактного коммутатора напряжения 7, где отсутствует искажение данных о напряжении питающей сети. Электропривод может быть выполнен с возможностью отключения асинхронного электродвигателя 1 в крайнем положении выходного звена передаточного механизма 2 при превышении заданного для крайнего положения предельного крутящего момента. Эта возможность необходима, например, при таком управлении запорной арматурой, когда следует создать усилие уплотнения в конце хода затвора запорной арматуры. Возможность реализована в блоке крутящего момента 8 программируемым путем. ) Ч Поочередно устанавливают выходное звено передаточного механизма 2 в положения «открыто и «закрыто электроприводом или ручным дублером 3. При этом в задатчике положения 6 задают сигналы в виде кодов, соответствующие этим положениям. В блоке крутящего момента 8 задают предельный крутящий момент. Па асинхронный электродвигатель 1 подают электрическое питание, замыкая реверсивный контактор 4. Асинхронный электродвигатель 1 приводит в движение передаточный механизм 2. Передаточный механизм 2 передвигает свое выходное звено передаточного механизма 2 в положение «открыто или «закрыто. Оптомеханический датчик положения 5 определяет положение выходного звена передаточного механизма 2 на всем пути его движения и выдает информацию о положении в виде сигналовкодов. При достижении выходного звена передаточного механизма 2 крайних положений «открыто или «закрыто сигнал от оптомеханического датчика положения 5 поступает к задатчику положения 6. Задатчик положения 6 сравнивает его с заданным в нем сигналом, соответствующим положению «открыто или «закрыто, и подает сигнал об отключении асинхронного электродвигателя 1 на бесконтактный коммутатор напряжения 7. Бесконтактный коммутатор напряжения 7 плавно тормозит и отключает асинхронный электродвигатель 1. 17 w v При отсутствии электрического питания выходное звено передаточного механизма 2 перемещают с помощью ручного дублера 3. При дальнейшем включении электрического питания оптомеханический датчик положения 5 сохраняет калибровку конечных положений выходного звена передаточного механизма 2 и точно определяет его реальное положение. Предельный крутящий момент, заданный в блоке крутящего момента 8 программируемым путем, сравнивается с вычисляемым в этом же блоке 8 текущим крутящим моментом. При превыщении предельного крутящего момента блок крутящего момента 8 подает сигнал на бесконтактный коммутатор напряжения 7 об отключении асинхронного электродвигателя 1. Бесконтактный коммутатор напряжения 7 плавно тормозит и отключает асинхронный электродвигатель 1 от питающей сети. Затем вручную отключают реверсивный контактор 4. Если реверсивный контактор 4 соединен через датчик тока 9 со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя 1 (фиг.2), то размыкание реверсивного контактора 4 по сигналу с датчика тока 9 при превыщении заданного предельного крутящего момента происходит автоматически, например, за счет срабатывания реле тока, встроенного в реверсивный контактор 4 и реагирующего на сигнал с датчика тока 9 об отсутствии тока в статорной обмотке асинхронного электродвигателя 1, прежде обесточенной бесконтактным коммутатором напряжения 7. 18 Чй ч Если электропривод выполнен с возможностью отключения асинхронного электродвигателя 1 в крайнем положении выходного звена передаточного механизма 2 при превышении заданного для этого положения предельного крутящего момента, то в блоке крутящего момента 8 задают программируемым путем значение предельного крутящего момента для этого положения. В этом случае при достижении выходного звена передаточного механизма 2 крайнего положения «открыто или «закрыто отключение асинхронного электродвигателя 1 бесконтактным коммутатором напряжения 7 происходит не по сигналу оптомеханического датчика положения 5, а по сигналу с блока крутящего момента 8 при превышении заданного предельного крутящего момента для крайнего положения выходного звена передаточного механизма 2. В результате этого происходит уплотнение затвора запорной арматуры.I Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом изобретении происходит упрощение конструкции, уменьшение габаритов, повышение надежности работы электропривода, а также надежности и точности отключения асинхронного двигателя при превышении заданного крутящего момента в электроприводе независимо от нагрузки, на которую он рассчитан, и для любого типа передаточного механизма за счет включения в его блок-схему блока крутящего момента и за счет того, что электропривод выполнен с возможностью определения для блока крутящего момента частоты вращения ротора асинхронного

электродвигателя по показанию оптомеханического датчика положения, а также за счет других отличительных признаков.

Claims (4)

1. Электропривод, содержащий трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, передаточный механизм, ручной дублер, реверсивный контактор, оптомеханический датчик положения выходного звена передаточного механизма, задатчик положения выходного звена передаточного механизма, имеющий первый вход задания конечного положения и второй вход, соединенный с оптомеханическим датчиком положения, отличающийся тем, что электропривод содержит бесконтактный коммутатор напряжения, установленный между реверсивным контактором и асинхронным электродвигателем, и блок крутящего момента, выполненный с возможностью вычисления крутящего момента как функции тока статора асинхронного электродвигателя, частоты вращения его ротора, частоты тока, питающей асинхронный электродвигатель электрической сети, параметров передаточного механизма, а также с возможностью задания предельного крутящего момента и отключения асинхронного электродвигателя при превышении в электроприводе этого момента и имеющий первый вход, соединенный со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя через датчик тока, второй вход, соединенный с оптомеханическим датчиком положения выходного звена передаточного механизма, третий вход, соединенный с питающей асинхронный электродвигатель электрической сетью на участке до бесконтактного коммутатора напряжения, и выход, соединенный с бесконтактным коммутатором напряжения, а задатчик положения имеет выход, подключенный к бесконтактному коммутатору напряжения, при этом электропривод выполнен с возможностью определения частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя для блока крутящего момента по показанию оптомеханического датчика положения.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что реверсивный контактор соединен через датчик тока со статорной обмоткой асинхронного электродвигателя и выполнен с возможностью размыкания при превышении в электроприводе заданного предельного крутящего момента по сигналу с датчика тока.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что блок крутящего момента выполнен с возможностью вычисления крутящего момента как функции, дополнительно зависящей от напряжения питающей асинхронный электродвигатель электрической сети.

4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью отключения асинхронного электродвигателя в крайнем положении выходного звена передаточного механизма при превышении заданного для этого положения предельного крутящего момента.