Электрические исполнительные механизмы

В соответствии с ГОСТ 14691-69 «Устройства исполнительные для систем автоматического регулирования» электрические исполнительные механизмы (далее ЭИМ) определяются как исполнительные механизмы, использующие электрическую энергию. ЭИМ предназначены для перемещения регулирующих органов исполнительных устройств в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. ЭИМ перемещают рабочие органы запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, обеспечивают функционирование регулирующих устройств: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, шиберов, шаровых кранов, отсекателей и т. д. в системах автоматического регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности. Они применяются также в процессах дистанционного открытия-закрытия ворот, дверей, люков, вентиляционных каналов и т. д. Принцип работы ЭИМ заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу. Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих органах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей, штоков или других силовых конструкционных элементов. Для работы в системах автоматического регулирования ЭИМ, называемые также электроприводы, часто содержат дополнительные блоки или датчики обратной связи (датчики положения, дающие информацию о положении выходного элемента исполнительного механизма, и блоки концевых выключателей), промежуточные выключатели для сигнализации в определенном положении исполнительных устройств, запуска или остановки дополнительного оборудования и т. п. В зависимости от назначения арматуры (запорная или регулирующая), электроприводы оснащаются различными блоками сигнализации положения. В электроприводах для запорной арматуры обычно достаточно наличия концевых и моментных выключателей. Для запорно-регулирующих, регулирующих приводов, помимо концевых и моментных выключателей, часто требуется блок сигнализации положения, т. е. положение арматуры представляется в виде непрерывного сигнала. В различных типах приводов положение хода штока может передаваться в виде реостатного, индуктивного или токового сигнала. Как правило, большинство приводов имеют токовый блок положения (диапазон изменения сигнала 4…20 мА). Электроприводы выпускаются как в общепромышленном, так и во взрывозащищенном исполнении. Для настройки или управления в экстренной ситуации электроприводы снабжают ручными дублерами. По характеру движения выходного элемента электроприводы обычно классифицируются на: · поворотные (выходной элемент вращается по дуге до 360о), для управления шаровыми кранами и поворотными дисковыми затворами · многооборотные (выходной элемент вращается более 360о), для управления шиберными и клиновыми задвижками · прямоходные (выходной элемент перемещается поступательно), для управления клапанами любых типов. Наиболее часто в отечественной практике применяются электроприводы следующих производителей: Отечественные: · ОАО «ЗЭиМ» г. Чебоксары · ЗАО «Тулаэлектропривод» 301114, Тульская обл., Ленинский р-он, пос. Плеханово · ООО «Научно-производственное предприятие Томская электронная компания» (ООО НПП «Томская электронная компания», ООО «НПП ТЭК»), · ООО НПО «Сибирский Машиностроитель» (ООО «Сибмаш») Зарубежные: · AUMA · BIFFI · Hartmann & Braun · Honeywell · Kromshcroder · REGADA (Словакия) · ROTORK · Siemens · и другие Упрощенная кинематическая схема ЭИМ представлена на рис. 1. Рисунок 1. Упрощенная кинематическая схема ЭИМ В зависимости от типа электроприводы могут состоять из следующих основных узлов: 1 – электродвигатель 2 – силовой редуктор с главной понижающей передачей, например, 3 – червячная пара (как пример силовой передачи) 4 - блок сигнализации положения выходного вала, который может содержать: 5 – реостатный датчик положения, 6 – концевые выключатели, нажатие на которые осуществляют 7 – кулачки концевых выключателей, кинематически связанные с выходным валом механизма, 8 – узел преобразования вращения выходного вала, который может быть представлен как 9 – шариковинтовой парой для прямоходных механизмов или 10 – рычагом или коромыслом для поворотных механизмов и 11 – ручной привод со своей передачей и механизмами блокирования/деблокирования ручного привода. ЭИМ работает следующим образом. При подаче напряжения питания на электродвигатель 1 исполнительного механизма, ротор последнего начинает вращаться. Через силовой редуктор 2 с главной понижающей передачей, например червячной 3, вращение от электродвигателя передается на выходной вал механизма, при этом благодаря большому передаточному отношению, частота вращения выходного вала механизма понижается, а момент на выходном валу механизма возрастает. Закрепленные на выходном валу рычаг 10 или механизм преобразования вращательного движения в поступательное 9, приходят в движение и, при соединении их со штоком, например, клапана, перемещают последний. При снятии напряжения с электродвигателя, ротор электродвигателя с некоторым выбегом, останавливается и движение выходного вала механизма прекращается. При реверсе электродвигателя, кинематически связанный с ротором электродвигателя выходной вал механизма приходит во вращение в обратном направлении, а при остановке электродвигателя, так же останавливается и выходной вал механизма. Силовая передача и силовой редуктор, как уже отмечалось, имеют, как правило, большое передаточное отношение, благодаря чему силовая передача обладает свойством самоторможения и любые моменты или усилия, прикладываемые со стороны выходного вала, не приводят к вращению валов механизма. Выходной вал исполнительного механизма, таким образом, сохраняет свое положение при отсутствии сигналов управления и обесточенном электродвигателе. Очевидно, что в этом случае исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора, который суммирует и сохраняет управляющие воздействия. Для контроля положения выходного вала механизмы оснащаются блоками сигнализации 4, которые могут содержать датчики положения 5 и концевые микровыключатели 6, которые так же кинематически связаны с главной силовой передачей механизма, благодаря чему обеспечивается достоверная информация о положении выходного вала механизма и его промежуточных положениях. Для перемещения выходного вала механизма без подачи напряжения на электродвигатель, что бывает необходимо при монтаже, пусконаладочных работах и при парировании аварийных ситуаций, электроприводы оснащаются ручными дублерами 11, которые могут быть либо постоянно подключенными к главной передаче механизма, либо подключаться через соответствующие механизмы блокирования/деблокирования ручного привода. На упрощенной кинематической схеме рис. 1 показаны не все возможные функциональные узлы современных электрических исполнительных механизмов. В зависимости от конструкции привода исполнительные механизмы могут содержать ограничители моментов и усилий (так называемые моментные муфты), компенсаторы линейных расширений, антиконденсационные или антиморозные обогреватели, тормоза для ограничения величины выбега выходного вала и предотвращения его перемещения от усилия регулирующего органа при отсутствии напряжения на электродвигателе и целый ряд других узлов и элементов. Современные, так называемые «интеллектуальные электроприводы» дополнительно могут содержать электронные блоки для управления и диагностики работоспособности механизмов, связи их с системами контроля и управления более высокого уровня, локальные регуляторы, сигнализаторы, кнопки и ключи для местного дистанционного и автоматического управления. Следует так же отметить, что отечественная и зарубежная промышленность выпускают наборы функциональных узлов исполнительных механизмов: редукторы, электродвигатели, блоки конечных выключателей, ручные приводы, блоки индикации, встраиваемые микроконтроллеры, функциональную электронику. Эти функциональные узлы исполнительных механизмов позволяют создавать проектно-компонуемые изделия по составу, которые, в свою очередь, могут в зависимости от требований конкретного применения иметь комплектацию от самой простой до самой сложной. На рисунках 2…5 представлены внешние виды и краткие описания некоторых электрических исполнительных механизмов. Рисунок 2. Исполнительный механизм МЭО-6,3/10-0,25-01 (производствоОАО “ЗЭиМ” г. Чебоксары, Россия) Состав механизма: электродвигатель синхронный, редуктор червячный, ручной привод, блок сигнализации положения реостатный БСПР или индуктивный БСПИ или токовый БСПТ или блок концевых выключателей БКВ, рычаг. Рисунок 3. Многооборотный электропривод с электромеханической системой управления Гусар-МВ М.В.И12.50.28.У1 (производство – ООО НПО «Сибирский Машиностроитель» г. Томск, Россия) Состав механизма: электродвигатель асинхронный, редуктор волновой с промежуточными звеньями, ручной привод, электромеханический модуль управления для обеспечения любых заданных крутящих моментов на открытие и закрытие запорной арматуры, электромеханическая перестраиваемая муфта ограничения крутящего момента, местный указатель положения запорного органа арматуры, муфта включения ручного дублера. Рисунок 4. Электропривод прямоходный ST 0 (ELECTRIC LINEAR ACTUATOR) (производство – REGADA, Словакия) Стандартное оснащение: цилиндрический редуктор, напряжение 230 VAC или 24 VDC, подключение через клеммы, местный указатель положения, ручной дублер, присоединение вертикальное. Рисунок 5. Интеллектуальный электропривод ICON2000 (производство – BIFFI, Италия) В базовую версию включены: червячный WGR-редуктор для клапанов в четверть оборота или BGR-редуктор с конической зубчатой передачей или SGR-редуктор с прямозубой цилиндрической зубчатой передачей или L-редуктор для линейных приводов, автоматическая коррекция фазы, корректировка пропуска фазы, термостат мотора, защита заклинившего клапана, 4 дистанционных выходных контакта, защита от эффекта молотка, защита от мгновенного реверса, предупредительная сигнализация по превышению усилия, местный пост дистанционного управления и индикации. Технические характеристики электрических исполнительных механизмов ЭИМ как продукция промышленно-технического назначения имеет, как правило, специфицированные и занесенные в паспорт каждого изделия технические характеристики, определяющие возможности и условия применения электроприводов. Эти характеристики можно разделить на основные и дополнительные, отметив вместе с тем, что такое деление технических характеристик достаточно условно и для многокомпонентных и многофункциональных изделий, которыми являются электроприводы, любое ранжирование технических характеристик должно подчиняться в первую очередь условиям применения. В нашем случае разделение характеристик на основные и дополнительные также условно, но вместе с тем оно (это разделение) должно помочь нам приблизиться к описанию электрических исполнительных механизмов как объектов управления. К основным техническим характеристикам, которые приводятся в технической документации и являются определяющими при выборе исполнительного механизма, можно отнести: · исполнение (в зависимости от конструкции электропривода, характера движения и вида выходного органа, способа установки и т. п.); · назначение; · уровень взрывозащиты; · уровень защиты от проникновения влаги и пыли или степень защиты от попадания твердых частиц (пыли) и воды (IP); · климатическое исполнение (рабочая температура); · рабочее положение механизма; · номинальный крутящий момент на выходном валу; · номинальное время полного хода выходного вала; · номинальное значение полного хода выходного вала; · потребляемая мощность; · масса; · диапазон настройки путевых выключателей (обороты); · диапазон настройки моментных выключателей; · точность срабатывания путевых выключателей (град); · точность срабатывания моментных выключателей. К дополнительным техническим характеристикам электроприводов можно отнести: · напряжение и частота питания; · тип электродвигателя; · тип редуктора; · тип тормоза (при наличии); · тип ручного привода; · наличие и тип блок сигнализации, положения; · режим работы механизма, частота включений в час при заданной продолжительности включений (ПВ); · максимальная частота включений в час при заданной ПВ; · допускаемый уровень шума при работе электропривода; · тип управляющего устройства при контактном и бесконтактном управлении (как рекомендация); · рабочее положение электропривода в пространстве; · способ ввода и подключения соединительных проводов и кабелей (плата, клеммный соединитель или электрический разъем); · опционные особенности электропривода: 1. наличие электрических ограничителей хода или угла поворота; 2. наличие ограничителя усилия или момента; 3. термозащита электродвигателя от перегрева; 4. дополнительные узлы и приспособления для закрепления на арматуре; 5. противоконденсационный нагреватель (особо актуально для арматуры, устанавливаемой на открытом воздухе вне помещений); 6. наличие встроенной в электропривод электроники, позволяющей характеризовать исполнительный механизм как интеллектуальный привод. Интеллектуальные приводы, благодаря встроенной электронике, позволяют существенным образом увеличить функциональность привода с широким набором функций по настройке и управлению приводом, что особенно полно проявляется в составе регулирующей арматуры. Интеллектуальные приводы для трубопроводной арматуры позволяют обеспечивать: · управление приводом (автоматическое от системы и дистанционное с местного поста управления или удаленного пульта управления); · прием и передачу данных; · блокировки; · предупредительную сигнализацию; · защитное отключение и управление; · индикацию; · настройки привода; · регистрацию; · регулирование температуры приборного отсека или механизма; · просмотр переменных состояния привода по функции Регистрация. Технические характеристики ЭИМ можно найти на сайтах производителей. Здесь мы приведем только таблицу заменяемости электрических приводов применительно к отечественной трубопроводной арматуре. Таблица заменямеости электрических приводов применительно к отечественной трубопроводной арматуре Тип трубопроводной арматуры Крутящий момент, (Н.м) Regada, Словакия ЗэиМ, Чебоксары Электропривод, Тула Прямоходные электроприводы Регулирующие клапаны всех заводов: "Армагус", 25ч945п Ду25-Ду125 Задвижки под электропривод Ду25-300: 30с941нж, 30ч9066к, МА 11024, ЗКЛПЭ-64, 30с947нж, 30с999нж Вентили под электропривод: 14с917ст, 15нж916нжМ 320 - 3200 ST0 МЭП-800/25-20 МЭП-1250/63-40 МЭП-1600/125-40 нет аналогов 2500 - 7500 ST0.1, ST1 МЭП-2500/125-20 МЭП-6300/50-40 нет аналогов 10000 - 25000 KT2, MT МЭП-16000/200-100 МЭП-20000/240-120 МЭП-25000/100-50 нет аналогов Однооборотные электроприводы Шаровые краны: "СПЛАВ", "ПРИС", "ГИРАС", "Тяжпромарматура"; Затворы дисковые: "АРМАТЭК", "Семеновский арматурный завод" 32КЧ915бк   SP1 МЭО40/63-0.25 ПК-50-С(Ш)-11-3 90 - 150 SP2 МЭО100/63-0.25 ПК-150-С(Ш)-3.22 120-300 SP2.3 МЭО250/63-0.25 ПК-250-С(Ш)-30 300 - 630 SP2.4 МЭО630/63-0.25 ПК-630-С(Ш)-25 500 - 1200 нет аналогов МЭО1600/63-0.25 ПК-1000-С(Ш)-25 Многооборотные электроприводы 30ч906бк, 30ч915бр, 32ч916бр, 30ч930бр, 30с936бр, 30ч947, 31ч959нд, 31ч917бк, 31ч912бк, 30с942нж, ЛА11055, 30с941нж, МА 11024, ЗКЛПЭ-64, 32с908рМ, 30с947нж, 31с942р, 30с999нж, 30с915нж, МА 11 10 - 25 SО2, МО МЭМ-16/63-10 Н-М01-08 20 - 60 SО2, МО МЭМ-16/63-10 Н-А 01-05 40 - 120 SО2, МО МЭМ-100/160-25 Н-А 07-11 100 - 250 МО52 032 нет аналогов Н-Б 01-18 200 - 500 МО52 033 Н-В 01-12 400 - 1000 МО52 035 Н-В 14-37 1000 - 2000 МО52 036 Н-Г 01-24

Основные сведения о частотно-регулируемом электроприводе (лекции!!!)   Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде. Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации. Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток). Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости. Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты. Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время. Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=constнапряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте: Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид: При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости: Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя. Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения. Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1 Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества. Структура частотного преобразователя Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления. Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока. Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя. В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями. Принцип работы преобразователя частоты Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления. Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи. Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна. Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const. Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток. Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах. Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6. За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока. И – трехфазный мостовой инвертор; В – трехфазный мостовой выпрямитель; Сф – конденсатор фильтра.

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable Frequency Drive, VFD) — система управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

ПЧ малой мощности.

Частотный преобразователь (преобразователь частоты) — это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).