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.
|
|
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).