ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД КЛАПАНА Российский патент 2020 года по МПК H02P8/24 F16K31/04 

Изобретение относится к исполнительному приводу клапана для клапанов, кранов, задвижек или заслонок с функцией автоматического закрывания.

Для приведения в действие гидравлических клапанов, задвижек, заслонок и аналогичного оборудования известны электроприводы, см. например, DE 10248616 А1, в котором и установочное перемещение запорного органа клапана задают с помощью электродвигателя. В них предусмотрена замыкающая пружина, которая при обесточивании запирает клапан. Запирающее усилие замыкающей пружины параметрически задано так, что она преодолевает тормозящие моменты, созданные в двигателе и передаточном механизме под воздействием трения и прочих воздействий, и при обесточенном двигателе выставляет запорный орган клапана в закрытое положение. На газовых установках этот процесс обычно должен быть завершен в течение ограниченного времени, например, приблизительно за 1 секунду. С другой стороны, во время запирающего процесса должна быть предусмотрена возможность надежного исключения чрезмерных нагрузок на седло клапана и запорный орган клапана, поскольку эти чрезмерные нагрузки могут привести к повреждению клапана и, следовательно, его функциональной непригодности. Поэтому воздействие кинетической энергии, проявляемое при упоре запорного органа клапана в седло клапана, должно быть ограничено.

Для этого, как известно из ЕР 2228573 В1, используют электромоторный привод клапана, в котором передаточный механизм включает в себя цепь, с помощью которой запорный орган клапана с преодолением усилия замыкающей пружины оттягивают в положение открытия. Цепь передает на запорный орган клапана не усилия сдвига, а тяговые усилия, и тем самым по ходу динамического процесса закрытия разъединяет агрегат «двигатель - передаточный механизм», работающий на холостом ходу и запорный орган, упирающийся в седло клапана. При этом функциональная пригодность этого принципа обеспечивается в том случае, если электродвигатель привода не слишком долго работает на инерционный выбег. Это означает, что усилие замыкающей пружины и длина цепи должны быть взаимно согласованы. Если в отношении различных клапанов используют одинаковые приводы клапана с приложением различных запирающих усилий, лимит этого принципа оказывается исчерпанным. При слишком большом инерционном выбеге всегда образуется зазор, который необходимо компенсировать до следующего выхода в режим готовности к открытию. Поэтому при наличии требований к подготовительному времени использование исключительно выбега не считается целесообразным.

Из DE 3531262 А1 известно также, что для торможения бесщеточных электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов используют простую схему короткого замыкания. Бесщеточный электродвигатель постоянного тока через переключающее реле соединяют либо с источником постоянного напряжения, либо с ответвлением контура короткого замыкания. При срабатывании демпфирующей схемы работающий в генераторном режиме на выбег бесщеточный электродвигатель постоянного тока закорачивается, так что его кинетическая энергия преобразуется в теплоту в технически обусловленном, присутствующем омическом сопротивлении электродвигателя и короткозамкнутого контура. Электродвигатель резко останавливается.

Задача изобретения заключается в создании привода клапана, который может использоваться на клапанах или заслонках различного типоразмера и обеспечивает надежное автоматическое закрывание.

Эта задача решена посредством привода клапана согласно п. 1 формулы изобретения.

Привод клапана согласно изобретению включает в себя шаговый электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов, как правило, с двумя или несколькими обмотками, соответственно характеризующимися определенной индуктивностью и определенным омическим сопротивлением. Кроме того, к приводу клапана относится передаточный механизм, через который шаговый электродвигатель в качестве привода является соединяемым с запорным органом клапана для его отвода с седла клапана в направлении открытия и для его подвода на седло клапана в направлении закрытия. Для осуществления функции автоматического закрывания предусмотрено пружинное средство. Это устройство непосредственно или опосредованно соединено с передаточным механизмом для выполнения предварительного смещения (то есть для приложения предварительной нагрузки) присоединенного запорного органа клапана в направлении закрытия и его перемещения в направлении закрытия при обесточивании.

Обмотка электродвигателя соединена со схемой питания, которая в контролируемом режиме может передвигать электродвигатель в направлении открытия клапана с преодолением усилия замыкающей пружины и удерживать его в заданных положениях. Кроме того, предусмотрена демпфирующая схема, включающая в себя емкостный демпфирующий токовый контур. Этот контур предназначен для затормаживания работающего в генераторном режиме (при движении на закрытие) электродвигателя в зависимости от скорости. Для возможности переключения циклов привода и демпфирования предусмотрено переключающее устройство. Это устройство соединяет с обмоткой либо схему питания, либо демпфирующую схему. Переключение устройства осуществляют, предпочтительно, в тот момент, когда оно не находится под током. Переключение в обесточенном состоянии может осуществляться с помощью управляющего устройства, которое контролирует или регулирует ток электродвигателя.

Емкостный демпфирующий токовый контур по связи с индуктивностью обмотки шагового электродвигателя задает в режиме демпфирования резонансную цепь, которая возбуждается вращающимся ротором, работающим в генераторном режиме. Индуцированный в результате этого ток оказывает демпфирующее воздействие на вращение ротора. Демпфирующее воздействие зависит от частоты вращения ротора, причем зависимость - не линейного характера, и при увеличении частоты вращения возрастает в сверхпропорциональной степени. В результате, демпфирующая схема самостоятельно, без внешнего регулирующего вмешательства обеспечивает, что частота вращения электродвигателя во время процесса закрытия (клапана) только в очень незначительной степени зависит от усилия замыкающей пружины, так что, с одной стороны, электродвигатель и передаточный механизм работают на не очень большой частоте вращения и, следовательно, развивается не очень большая кинетическая энергия, а с другой стороны, может обеспечиваться плавное закрытие.

Предпочтительно, каждую из обмоток шагового электродвигателя посредством переключающего устройства соединяют подобным образом со схемой питания, а для демпфирования - со схемой демпфирования с емкостным демпфирующим токовым контуром. Тем самым, предпочтительно, все обмотки шагового электродвигателя задействуют для демпфирования. Нужное демпфирование может задаваться по количеству нагрузочных фаз.

Предпочтительно, переключающие устройства работают синхронно, то есть либо все обмотки соединены со своими схемами питания, либо все обмотки соединены со своими демпфирующими схемами. Предпочтительно, переключающие устройства представляют собой такие устройства с механическим контактом, таким как, например, переключающие реле. Предпочтительно, нормально-замкнутый контакт соответствующего переключающего реле коммутируют на демпфирующий токовый контур, в то время как нормально-разомкнутый контакт коммутируют на схему питания. Как только переключающее реле будет обесточено, то есть при отпускании реле, происходит срабатывание демпфирующей схемы. Следовательно, демпфирующая схема надежно срабатывает при обесточивании.

В соответствии с изобретением каждый емкостный демпфирующий токовый контур включает в себя конденсатор, который через переключающее устройство, с обмоткой шагового электродвигателя образует замкнутый контур, представляющий собой резонансную цепь. Омическое сопротивление обмотки и магнитные потери в магнитной цепи шагового электродвигателя отображают демпфирование этой резонансной цепи и определяют коэффициент добротности последней. Предпочтительно, коэффициент добротности параметрически рассчитан так, что он составляет, по меньшей мере, больше 5, предпочтительно больше 10, еще более предпочтительно больше 20. В результате, получается относительно крутая резонансная кривая резонансной цепи, что, в свою очередь, порождает нелинейную характеристику зависимости тормозящего момента от частоты вращения электродвигателя. Подобная нелинейная характеристика хорошо определяет частоту вращения электродвигателя во время процесса демпфирования.

Демпфирующее устройство и пружинное средство, предпочтительно, рассчитаны и согласованы между собой так, что частота вращения электродвигателя при закрытии (клапана) составляет от пяти до пятнадцатикратной величины, предпочтительно десятикратную величину, частоты вращения при открытии клапана. Расчет параметров демпфирующего устройства можно производить по остаточной энергии в системе после закрытия клапана, которая зависит от скорости быстрого закрытия. Эта энергия приводит в перемещение электродвигатель и передаточный механизм в фазе инерционного выбега после посадки запорного органа клапана на седло клапана. Если инерционный выбег должен быть ограничен для сведения к минимуму подготовительного время для следующего открытия, на стороне клапана можно предусмотреть конечный упор для ведомого звена передаточного механизма. Соударение ведомого звена передаточного механизма с конечным упором несет в себе импульс силы, величина которого, предпочтительно, параметрически рассчитана так, что передаточный механизм не испытывает нагрузки, как не проявляется она также и в нормальном режиме. С другой стороны, скорость закрытия, а с ней и частота вращения электродвигателя, по меньшей мере, настолько большие, что с учетом пути закрытия время закрытия в любом случае оказывается меньше максимальной уставки.

При этом выполнение наладки касается, по существу, настройки демпфирующего устройства. Выбору пружинного средства и параметрическому расчету усилия его пружины придается относительно некритическое значение. Поэтому привод клапана без проблем может использоваться в расчете на различные замыкающие пружины без необходимости в выполнении пригонки или модификации. Предпочтительно, частоту вращения на закрытие настраивают по расчету типоразмера конденсатора в емкостном демпфирующем токовом контуре.

Для увода запорного органа клапана и седла клапана из-под воздействия кинетической энергии, наличие которой, несмотря на работу электродвигателя в режиме демпфирования, имеет место в электродвигателе и передаточном механизме при посадке запорного органа клапана на седло клапана, можно предусмотреть безредукторную связь между передаточным механизмом и запорным органом клапана. Предпочтительно, эта связь создана с помощью не жесткого на изгиб средства создания тяги, например цепи. Демпфирующая схема задает всего лишь короткий инерционный выбег электродвигателя и передаточного механизма, который может быть ограничен дробной частью от полного оборота зубчатого колеса для цепи. Следовательно, можно работать с короткими цепями и короткими зонами инерционного выбега, благодаря чему размеры привода клапана можно уменьшить до минимума.

Кроме того, согласно изобретению предусмотрен способ эксплуатации привода клапана. Отличительная особенность способа заключается, прежде всего, в демпфировании шагового электродвигателя привода клапана посредством демпфирующей схемы с резонансной характеристикой. Резонансная схема в составе из обмотки электродвигателя и емкостного демпфирующего контура тока функционирует во время демпфирования, предпочтительно, в дорезонансном режиме, то есть частота генерируемого тока меньше резонансной частоты резонансной схемы. За счет этого получается выраженная нелинейная характеристика зависимости тормозящего момента от частоты вращения электродвигателя, по которой тормозящий момент очень сильно, в сверхпропорциональной степени возрастает при увеличении частоты вращения.

Отличительные особенности вариантов конструктивного выполнения согласно изобретению отражены на чертеже, приведены в описании или изложены в зависимых пунктах формулы изобретения. На фигурах показаны:

Фиг. 1 - привод клапана с присоединенным клапаном, в преувеличенно схематизированном обзорном представлении,

Фиг. 2 - упрощенная условная схема электрических соединений привода клапана,

Фиг. - 3 характеристическая кривая замыкающей пружины клапана согласно фиг. 1,

Фиг. - 4 диаграмма для наглядного представления резонансной характеристики демпфирующей схемы,

Фиг. - 5 тормозящий момент, заданный резонансной схемой, в виде диаграммы.

На фиг. 1 наглядно представлен привод 10 клапана, который предусмотрен для приведения в действие клапана 11, с помощью которого можно открывать, перекрывать, а также регулировать поток газа, поступающий в него через вход 12 и выходящий из него через выход 13. Для этого в корпусе 14 клапана установлено седло 15 клапана, к которому относится запорный орган 16 клапана. Запорный орган клапана установлен с возможностью перемещения, чтобы при необходимости обеспечивать запирание или высвобождение седла 15 клапана. В примере конструктивного выполнения, согласно фиг. 1, запорный орган клапана перемещается параллельно оси проходного сечения седла 15 клапана - речь идет о седельном клапане. При этом привод 10 клапана, в равной мере, может использоваться в отношении других типов клапанов, которые обозначают как задвижки, заслонки или т.п. оборудование и в которых запорный орган перемещают, например, под прямым углом к оси проходного сечения клапана.

Запорному органу 16 клапана придана замыкающая пружина 17, которая предварительное смещает запорный орган 16 клапана в направлении закрытия, то есть в сторону седла 15 клапана.

К приводу 10 клапана относится шаговый электродвигатель 18 с возбуждением от постоянных магнитов, который через передаточный механизм 19 соединен с запорным органом 16 клапана. Передаточный механизм 19 представляет собой понижающую передачу, которая включает в себя по меньшей мере одно зубчатое колесо 21, входящее в зацепление с шестерней 20 на валу электродвигателя. В механизм могут быть включены другие зубчатые колеса, входящие в зацепление между собой, которые формируют линию силовой передачи. На фиг. 1 она чисто схематически показана пунктирной линией. Линия силовой передачи может включать в себя вращающиеся элементы передаточного механизма и, прежде всего, линейно перемещающиеся элементы передаточного механизма, например зубчатые рейки, ходовые винты или, как для наглядности показательно представлено на фиг. 1, не жесткое на изгиб средство создания тяги, например цепь 22. Цепь на одном своем конце соединена с цепной шестерней 23, а на другом конце - с запорным органом 16 клапана. При этом вместо цепи также могут использоваться другие элементы, например гибкие провода, тросы, ленты или т.п.

Цепь 22 образует устойчивое к растяжению, но не устойчивое к сдвигу, соединение и обеспечивает в направлении сдвига перемещение цепной шестерни 23 без выполнения перемещения запорного органа 16 клапана. Таким образом, она образует безредукторную связь. Вместо использования не жесткого на изгиб средства создания тяги безредукторная связь может быть образована посредством выполненного с зазорами соединения двух звеньев передаточного механизма, например с помощью поводка, посаженного в продольный паз.

Шаговый электродвигатель 18 подсоединен к рабочей схеме 24 электрических соединений, которая для наглядности отдельно представлена на фиг. 2. Как можно видеть, шаговый электродвигатель 18 в типовом выполнении имеет несколько обмоток, например две обмотки 25, 26, которые предназначены для создания вращающегося магнитного поля для обеспечения вращения ротора 27 с возбуждением от постоянных магнитов. Для этого для каждой обмотки 25, 26 предусмотрена схема 28 питания, которая на фиг. 2 показана только для примера и представлена для одной обмотки 26, репрезентативно для всех схем питания. Схема 28 питания предназначена для генерирования контролируемого, изменяющегося по величине тока для обмотки 26 в расчете на ее возбуждение с правильной фазировкой по отношению к остальным обмоткам 25 и создание электрического поля, которое определяет перемещение или также положение ротора 27. Для этого в схему 28 питания включена, например, коммутирующая мостовая схема 29 с четырьмя контакторами с электронным управлением, например полевыми транзисторами со структурой типа "металл-оксид-полупроводник" (MOSFET), биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) или т.п., которые в контролируемом режиме срабатывают под действием управляющей схемы 29. Через схему 30 датчика тока эта управляющая схема может также фиксировать и регулировать ток, подаваемый на обмотку 26. Управляющая схема 29 может также управлять здесь не показанными мостовыми схемами инверторов для других обмоток и контролировать или регулировать ток для них.

Поставляемый от мостовой схемы инвертора ток подают на шаговый электродвигатель 18, например, через управляемое управляющей схемой 29 переключающее устройство 31. Это устройство выполнено, например, в виде переключающего реле, якорь 32 которого в обесточенном (размагниченном) состоянии реле соединен с нормально-замкнутым контактом 33, а в состоянии под напряжением (в возбужденном состоянии) - с нормально-разомкнутым контактом 34. Переключение переключающего устройства осуществляют, предпочтительно, в обесточенном состоянии. Например, управляющее устройство 29 по сопротивлению датчика 30 контролирует ток электродвигателя и переключает переключающее устройство 31 только тогда, когда величина проходящего через него тока опустилась ниже граничного значения. Такая ситуация возможна при достаточном размагничивании электродвигателя 18. Кроме того, можно предусмотреть, чтобы управляющее устройство 29 все равно переключало бы переключающее устройство 31, несмотря на наличие тока, если в противном случае будет превышено максимальное время закрытия.

Обмотка 26 одним концевым выводом 35 соединена с язычком контакта, а через него - с мостовой схемой инвертора. Своим другим концевым выводом 36 обмотка 26 непосредственно соединена с мостовой схемой инвертора. Концевой вывод 36, кроме того, соединен с емкостным демпфирующим токовым контуром 37, другой конец которого примыкает к нормально-замкнутому контакту 33. Емкостный демпфирующий токовый контур 37 включает в себя по меньшей мере один конденсатор 38, а при необходимости также и другие конструктивные элементы, например, параллельно или последовательно включенные конденсаторы, резисторы или индуктивные элементы, а также, при необходимости, нелинейные конструктивные элементы, например, диоды или диоды Зенера.

Емкостный демпфирующий токовый контур 37 при размагниченном переключающем реле (переключающее устройство 31) оказывается включенным в цепь параллельно обмотке 26 так, что получается резонансная схема LCR, заданная индуктивностью L обмотки 26, емкостью С конденсатора 38 и внутренним сопротивлением R обмотки 26. При необходимости, частотно-зависимое внутреннее сопротивление R может, кроме того, представлять собой дополнительно магнитные потери электродвигателя и прочие потери. Резонансная схема LCR характеризуется, предпочтительно, высоким коэффициентом добротности Q, например, свыше 20, поскольку с увеличением коэффициента добротности резонансная частота определяется более точно:

Диапазон значений сопротивления R составляет, предпочтительно, несколько Ом, например от 4 до 8 Ω, индуктивности L - предпочтительно, несколько миллигенри, например от 10 до 20 мГн, емкости С - предпочтительно, несколько сотен микрофарад, например 330 мкФ.

Описанный подобным образом привод 10 клапана функционирует на клапане 11 следующим образом.

Прежде всего, исходят из того, что клапан 11 должен быть открыт. Для этого управляющую схему 29 приводят в действие на активацию присоединенного инвертора, чтобы через переключающее устройство 31 запитать обмотки 25, 26 токовыми импульсами, которые проворачивают ротор 27 в нужном направлении, пока через заданное количество шагов не будет достигнуто нужное положение запорного органа 16 клапана. В этом состоянии на обмотки 25, 26 можно продолжать подавать напряжение таким образом, чтобы в шаговом электродвигателе 18 поддерживалось более не вращающееся электромагнитное поле для удержания ротора 27 в заданном положении.

Контролируемую перестановку или также закрытие клапана 11 обычно осуществляют также с помощью управляющей схемы при контролируемой подаче напряжения на обмотки 25, 26 посредством соответствующей активации мостовых схем инверторов. Возникает вращающееся в обратную сторону электромагнитное поле, которое в этом случае может проворачивать ротор 27 в обратном направлении, а при определенных обстоятельствах также снова выводить его в останов в других положениях. Замыкающая пружина 17 во время этих операций всегда выполняет функцию по поддержанию в натянутом состоянии цепи 22 или иного средства создания тяги, например троса, ленты или т.п. и их предварительному смещению в направлении на закрытие клапана 11. При этом закрытие она не осуществляет. От этого следует отличать обесточенное состояние при закрытом клапане и быстрое закрытие, чтобы в контролируемом режиме при обесточенном приводе 10 перевести клапан 11 в закрытое положение. Последнее происходит следующим образом.

В обесточенном состоянии, присутствующей энергии для управляющей схемы 29 уже недостаточно, чтобы поддерживать контролируемый режим работы электродвигателя. Импульс на быстрое закрытие может быть подан посредством отключения подвода напряжения питания на привод 10 клапана. В этом случае переключающее реле отпускается, то есть переключающее устройство 31 устанавливает соединение между якорем 32 и нормально-замкнутым контактом 33. При этом управляющая схема 29 вполне может быть еще в рабочем состоянии, так что она инициирует отключение переключающего реле. Альтернативно, отпускание, то есть размагничивание переключающего клапана (прим. переводчика - так в тексте, возможно «реле») может происходить также просто в результате прекращения подвода рабочего напряжения. Предпочтительно, управление переключающим устройством 31 осуществляют так, что переключение происходит в обесточенном состоянии и, следовательно, обеспечивается щадящее обращение с контактами переключающего устройства. При этом в любом случае емкостный демпфирующий токовый контур 37 соединяют с обмоткой 26. Одновременно, другие демпфирующие контуры тока соединяют с другими обмотками.

В этот момент замыкающая пружина 17 подвигает запорный орган 16 клапана в закрытое положение и при этом через передаточный механизм 19 приводит в действие шаговый электродвигатель 18. Последний работает с набором частоты вращения и при этом создает напряжение в обмотках 25, 26. В резонансном контуре LCR возникает при этом колебательный ток. Этот процесс распространяется на весь путь закрытия клапана 11. При этом круговая частота колебаний ω, предпочтительно, меньше резонансной частоты резонансного контура LCR, резонансная характеристика которого наглядно представлена на фиг. 4. Рабочая точка I приходится на левую, низкочастотную ветвь резонансной характеристики. Соответственно, возникает ток замедления, который согласно диаграмме на фиг. 5 вызывает тормозящий момент М.

Взаимозависимость между напряжением U генератора и круговой частотой колебаний ω в рабочей точке I имеет, согласно фиг. 4, выраженный нелинейный характер. Отсюда получается еще более выраженная нелинейная кривая тормозящего момента, согласно фиг. 5. Как можно видеть, при небольших изменениях частоты вращения, которая соответственно вызывает небольшие изменения круговой частоты колебаний ω генераторного напряжения, созданного шаговым электродвигателем 18, тормозящий момент увеличивается или уменьшается в сверхпропорциональной степени. Принимая во внимание различный характер усилий, действующих на запорный орган 16 клапана, это оказывает очень сильное стабилизирующее воздействие на частоту вращения.

За счет этого может быть обеспечено, что шаговый электродвигатель 18 работает достаточно быстро, чтобы выполнять закрытие клапана 11 в пределах максимального времени, а с другой стороны - не очень быстро, чтобы ограничивать присутствующую в системе кинетическую энергию. При этом данный процесс мало зависит от характеристической кривой II пружины, наглядно представленной на фиг. 3. Ход этой кривой может быть более крутым или более пологим. Но в любом случае она не проходит через нулевую точку, так что даже тогда, когда запорный орган 16 клапана посажен на седло 15 клапана, запирающее усилие все еще имеется в наличии.

Режим работы клапана 11 и его привода 10 может быть также ограничен выполнением простого открытия и закрытия. Для этого при подаче напряжения на привод 10 электродвигатель 18 может передвигаться в положение на открытие и удерживаться в этом положении. Для отключения процесса, то есть для закрытия клапана подачу напряжения прерывают. Закрытие клапана в этом случае осуществляют со срабатыванием электродвигателя 18 на работу в генераторном режиме по связи с замыкающей пружиной 17, с контролем частоты вращения в положении закрытия клапана через резонансную схему LCR.

Привод 10 клапана согласно изобретению включает в себя демпфирующую схему с емкостным демпфирующим токовым контуром 37, которую активируют в генераторном режиме шагового электродвигателя 18. Демпфирующая схема вместе с обмоткой 26 электродвигателя образует резонансную схему LCR, которая оказывает стабилизирующее и регулирующее воздействие на частоту вращения. Частоту вращения работающего в генераторном режиме шагового электродвигателя 18 поддерживают на постоянном уровне в заданных пределах, причем без регулирующего воздействия управляющей схемы. В результате, демпфирующая схема даже при обесточенном состоянии системы управления оказывается функционально пригодной и надежной в работе, независимо от внешней системы электропитания. При этом обеспечивают быстрое закрытие клапана, равно как и надежно предупреждают слишком большой инерционный выбег электродвигателя 18. За счет этого представляется возможным, с одной стороны, уверенно уменьшать максимальное время закрытия и, с другой стороны, с помощью упора ограничивать пробег инерционного выбега с надежным ограничением энергии удара по упору в допустимом пределе.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 Привод клапана

11 Клапан

12 Вход

13 Выход

14 Корпус клапана

15 Седло клапана

16 Запорный орган клапана

17 Замыкающая пружина

18 Шаговый электродвигатель

19 Передаточный механизм

20 Шестерня на валу электродвигателя

21 Зубчатое колесо

22 Цепь

23 Цепная шестерня

24, 24а Рабочая схема электрических соединений

25, 26 Обмотки

27 Ротор

28 Схема питания

29 Управляющая схема

30 Схема датчика тока

31 Переключающее устройство

32 Якорь

33 Нормально-замкнутый контакт

34 Нормально-разомкнутый контакт

35, 36 Концевые выводы обмотки 26

37, 37а Демпфирующая схема, емкостный демпфирующий токовый контур

38 Конденсатор

С Электрическая емкость

L Индуктивность обмотки 26

R Сопротивление потерь, внутреннее сопротивление обмотки 26

LCR Резонансный контур

I Рабочая точка

U Генераторное напряжение на обмотке 26

ω Круговая частота колебаний

F Усилие

X Путь, пробег

М Тормозящий момент

II Характеристическая кривая пружины

S Сумма воздействующих тормозящим образом усилий в приводе 10 клапана.

Изобретение относится к исполнительному приводу клапана для клапанов, кранов, задвижек или заслонок с функцией автоматического закрывания. Техническим результатом является создание привода клапана, который может использоваться на клапанах или заслонках различного типоразмера и обеспечивает надежное автоматическое закрывание. Предложен привод (10) клапана, включающий демпфирующую схему с емкостным демпфирующим токовым контуром (37), которую активируют в генераторном режиме шагового электродвигателя (18). Демпфирующая схема вместе с обмоткой (26) электродвигателя образует резонансную схему LCR, которая оказывает стабилизирующее и регулирующее воздействие на частоту вращения. Частоту вращения работающего в генераторном режиме шагового электродвигателя (18) поддерживают на постоянном уровне в заданных пределах, причем без регулирующего воздействия управляющей схемы. В результате, демпфирующая схема даже при обесточенном состоянии системы управления оказывается функционально пригодной и надежной в работе, независимо от внешней системы электропитания. При этом обеспечивают быстрое закрытие клапана, равно как и надежно предупреждают слишком большой инерционный выбег электродвигателя (18). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Привод (10) клапана, содержащий:

- шаговый электродвигатель (18) с возбуждением от постоянных магнитов, который имеет по меньшей мере две обмотки (25, 26), которые имеют индуктивность (L) и омическое сопротивление (R),

- передаточный механизм (19), через который шаговый электродвигатель (18) в качестве привода является соединяемым с запорным органом (16) клапана для его отвода с седла (15) клапана в направлении открытия и для его подвода на седло (15) клапана в направлении закрытия,

- пружинное средство (17), которое соединено с запорным органом (16) клапана для его предварительного смещения в направлении закрытия,

- схему (28) питания, которая соединена по меньшей мере с одной обмоткой (25, 26) для подачи на нее тока для привода шагового электродвигателя (18),

- по меньшей мере одну демпфирующую схему (37) с емкостным демпфирующим токовым контуром, причем каждый емкостный демпфирующий токовый контур содержит конденсатор (38), который вместе с обмоткой (26) образует резонансный контур (LCR), и

- по меньшей мере одно переключающее устройство (31), которое соединено с одной из обмоток (25, 26) и через которое обмотка (26) является выборочно соединяемой со схемой (28) питания или демпфирующей схемой (37).

2. Привод клапана по п. 1, отличающийся тем, что предусмотрены другая демпфирующая схема (37а) с емкостным демпфирующим токовым контуром и другое переключающее устройство, причем другое переключающее устройство соединено со второй из обмоток (25, 26) для выборочного соединения второй обмотки (25) со схемой (28а) питания или демпфирующей схемой (37а).

3. Привод клапана по п. 2, отличающийся тем, что переключающее устройство (31) и другое переключающее устройство выполнены с управлением с синхронной коммутацией.

4. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что переключающее устройство (31) является переключающим реле с механическим контактом.

5. Привод клапана по п. 1, отличающийся тем, что резонансный контур (LCR) имеет коэффициент добротности (Q), который больше 5, предпочтительно больше 10, еще более предпочтительно больше 20.

6. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что пружинное средство (17) имеет характеристическую кривую пружины, согласно которой усилие (F), приложенное пружинным средством (17) в каждой точке пути перемещения (X) запорного органа (16) клапана, более суммы воздействующих тормозящим образом усилий привода (10) клапана.

7. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что пружинное средство (17) имеет характеристическую кривую пружины, согласно которой усилие (F), приложенное пружинным средством (17) в каждой точке пути перемещения запорного органа (16) клапана, меньше максимально прилагаемого демпфирующей схемой (37) тормозящего воздействия М в точке резонанса.

8. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что пружинное средство (17) имеет характеристическую кривую усилия в зависимости от перемещения, имеющую положительное нарастание.

9. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что демпфирующая схема (37) характеризуется прогрессивно-нарастающей характеристической кривой тормозящего момента в зависимости от частоты вращения.

10. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что демпфирующее устройство (37) и пружинное средство (17) рассчитаны и согласованы между собой так, что частота вращения (ω) электродвигателя при закрытии составляет от пяти - до пятнадцатикратной величины, предпочтительно десятикратную величину, частоты вращения при открытии клапана (11).

11. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передаточный механизм (19) имеет безредукторную связь, за счет чего обеспечен инерционный выбег, во время которого может быть уменьшена остающаяся в приводе после посадки запорного органа клапана кинетическая энергия.

12. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что передаточный механизм для перемещения запорного органа (16) клапана в направлении открытия имеет не жесткое на изгиб средство создания тяги.

13. Привод клапана по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он предназначен для клапанов (11) или заслонок с функцией автоматического закрывания.

14. Способ эксплуатации привода клапана по п. 1, в котором:

- для открытия клапана (11) шаговый электродвигатель (18) через переключающее устройство (31) запитывают током,

- для удержания клапана (11) шаговый электродвигатель (18) через переключающее устройство (31) запитывают током удержания,

- для закрытия клапана (11) шаговый электродвигатель (18) через переключающее устройство (31) запитывают током,

- при быстром закрытии клапана (11) шаговый электродвигатель (18) через переключающее устройство (31) соединяют с демпфирующей схемой (37), и эксплуатируют в генераторном режиме, и

- переключающим устройством (31) управляют, предпочтительно, таким образом, что обмотка (26) в момент переключения является обесточенной.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что при быстром закрытии шаговый электродвигатель (18) эксплуатируют с демпфирующей схемой (37) на такой частоте вращения, что созданное в генераторном режиме напряжение имеет частоту (ω), которая меньше резонансной частоты состоящей из обмотки (26) и демпфирующей схемы (37) резонансной схемы (LCR).