НАГРЕВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА КЛАПАНА Российский патент 2020 года по МПК F16K31/04 F16K49/00 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение в основном относится к приводному исполнительному механизму такому, как исполнительный механизм клапана, включая блок управления, который конфигурирован для программы нагревания с целью получения локализованного тепла внутри исполнительного механизма. Изобретение также касается метода эксплуатации приводного исполнительного механизма такого, как исполнительный механизм клапана, для создания местного нагревательного эффекта.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приводные исполнительные механизмы клапанов, как правило, состоят их электродвигателя, работающего от внешнего источника энергии, и коробки передач, подсоединённой к механизму, который влияет на движение внешнего клапана. Двигатель и коробка передач, как правило, смазываются жидкой смазкой с целью уменьшения трения между подвижными деталями и их износа.

Однако, когда такие приводные исполнительные механизмы клапана используются в жёстких условиях эксплуатации, например, при сверхнизких температурах воздуха -50 или -60 градусов Цельсия, большинство жидких смазок становятся очень вязкими и не обеспечивают достаточной смазки между подвижными деталями. В результате этого трение между подвижными деталями и их износ увеличиваются, соответственно возрастает и потребление энергии исполнительным механизмом, так как он пытается преодолеть повышенное трение для движения вала двигателя и зубчатой передачи, в особенности первой ступени передачи от двигателя к коробке передач. В некоторых случаях вообще невозможно привести двигатель в движение из-за чрезмерного трения, и он глохнет.

Следовательно, есть необходимость уменьшить вязкость смазочного масла, чтобы исполнительный механизм работал эффективно в жестких холодных условиях. Некоторые известные решения эксплуатации приводных исполнительных механизмов клапана в таких условиях окружающей среды включают резистивный нагрев, при котором электроэнергия, поступающая на исполнительный механизм, конвертируется в тепловую энергию в результате повышенного электрического сопротивления. Такие решения вырабатывают и поставляют тепло на исполнительный механизм в целом, повышая температуру до точки, когда вязкость смазки становится достаточно низкой для обеспечения эффективной работы исполнительного механизма.

Исполнительные механизмы, использующие резистивный нагрев, как правило, поглощают несколько сотен Ватт энергии для нагревания исполнительного механизма до рабочей температуры, что является малоэффективным, дорогостоящим и неэкономным.

Настоящее изобретение делает попытку решить, по крайней мере, некоторые из этих проблем.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый аспект изобретения предусматривает исполнительный механизм, приводимый в движение двигателем, который включает:

корпус, имеющий вход для поступления электроэнергии, содержащий:

электродвигатель с соединениями для входящего тока от источника электроэнергии,

блок управления;

приводную передачу для соединения приводимого в движение внешнего устройства с электродвигателем; и

датчик температуры, настроенный на регистрирование замеренной температуры Т внутри корпуса;

при этом, когда приводимое в действие внешнее устройство соединено с приводной передачей, исполнительный механизм находится в активном состоянии, когда электродвигатель работает для приведения в действие внешнего устройства, и в неактивном состоянии, когда электродвигатель не работает для приведения в действие внешнего устройства;

блок управления сконфигурирован для:

- получения данных от датчика температуры, поверенного на замеренную температуру Т, сразу же после подачи питания на исполнительный механизм;

- сравнения замеренной температуры Т с первой заранее заданной температурой T_off; и

- запуска программы нагревания, если T < T_off, и исполнительный механизм в неактивном состоянии;

при этом программа нагревания сконфигурирована пропускать ток от источника электроэнергии через электродвигатель с целью выработки тепла внутри электродвигателя; и управлять электродвигателем так, чтобы двигатель оставался практически неподвижным, без действительного движения, на протяжении всей программы нагревания.

Другой аспект изобретения предусматривает метод эксплуатации исполнительного механизма с приводом, который включает:

корпус, обеспеченный входом для поступления электроэнергии, содержащий:

электродвигатель с соединениями для входящего тока от источника электроэнергии,

блок управления;

приводную передачу;

датчик температуры, настроенный на регистрирование замеренной температуры Т внутри корпуса; и,

приводимое в действие внешнее устройство, соединенное с электродвигателем по средством приводной передачи;

при этом исполнительный механизм находится в активном состоянии, когда электродвигатель работает для приведения в действие внешнего устройства, и в неактивном состоянии, когда электродвигатель не работает для приведения в действие внешнего устройства;

метод включает:

- определение замеренной температуры Т датчиком температуры сразу же после подачи питания на исполнительный механизм;

- сравнения замеренной температуры Т с первой заранее заданной температурой T_off; и,

- запуск программы нагревания, если T < T_off, и исполнительный механизм в неактивном состоянии,

при этом программа нагревания спроектирована пропускать ток от источника электроэнергии через электродвигатель с целью выработки тепла внутри электродвигателя; и управлять электродвигателем так, чтобы двигатель оставался практически неподвижным, без действительного движения, на протяжении всей программы нагревания; и дополнительно останавливать программу нагревания, когда замеренная температура T достигает T_off.

Электродвигатель может быть постоянного тока (DC), например, щёточный двигатель постоянного тока. Более того, блок управления может содержать электрическую схему, например, мостовую схему управления, сконфигурированную выключать полярность/направление напряжения/тока, подаваемых на двигатель от внешнего источника энергии. Электрическую схему можно также конфигурировать для применения широтно-импульсной модуляции, которая при использовании регулирует напряжение/ток, подаваемые на двигатель, а также скорость двигателя.

Ток, идущий от источника электроснабжения через электродвигатель, может быть переменным (AC), или типа АС. В примерах реализации изобретения ток АС может определяться синусоидальной или квадратной волнообразной формой. В вариантах реализации настоящего изобретения переменный ток АС или типа АС может проходить через двигатель постоянного тока (DC) для получения локализованного тепла внутри исполнительного механизма, не получая при этом действительного движения двигателя в промежутке между началом и окончанием программы нагревания. Так как нагревание локализовано и передаётся только на те участки исполнительного механизма, где оно необходимо, количество энергии, требуемой двигателю во время работы исполнительного механизма, может быть значительно уменьшено, например на 75% по сравнению с методами резистивного нагрева. Следовательно, процесс механизма нагревания в настоящем изобретении может быть более эффективным и экономичным по сравнению с теми методами.

Программу нагревания можно конфигурировать следующим образом:

- привести двигатель в движение в первом направлении, пропустив ток в первом направлении (с первой полярностью напряжения) через двигатель на ширину импульса меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя, и

- затормозить двигатель:

○ изменив направление тока; либо

○ закоротив между собой выводы двигателя, вызвав тем самым разрыв магнитного поля.

Индуктивная постоянная времени двигателя определяется как время, необходимое для увеличения тока, идущего через двигатель, от нуля до 63,2% установившейся величины. Пятикратная индуктивная постоянная времени - это время, которое требуется току, проходящему через двигатель, достигнуть своей максимальной установившейся величины.

После движения двигателя в первом направлении и последующего торможения двигателя программу нагревания можно конфигурировать следующим образом:

- привести двигатель в движение во втором, обратном направлении, пропустив ток во втором, обратном направлении (со второй полярностью напряжения) через двигатель на ширину импульса меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя, и

- затормозить двигатель:

○ изменив направление тока; либо

○ закоротив между собой выводы двигателя, вызвав тем самым разрыв магнитного поля.

Когда ток впервые подаётся на обмотки двигателя, он не достигает своей установившейся величины (магнитное поле максимальной силы) до тех пор, пока не пройдёт промежуток времени, равный пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя. В течение этого промежутка времени действительное движение двигателя равно нулю, так как силы, созданной магнитным полем, недостаточно для вращения двигателя. По истечении промежутка времени, равного пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя, будет создано достаточно силы для приведения двигателя в движение, и он начнёт вращаться.

В вариантах настоящего изобретения тепло вырабатывается путём прохождения тока через обмотки двигателя для образования магнитного поля, однако до того, как магнитное поле достигает нужной силы для вращения двигателя, магнитное поле можно разрушить, изменив направления тока или закоротив выводы двигателя. Разрушение магнитного поля само по себе может создать ток в обмотках двигателя, а также выработать локализованное тепло. Разрушение магнитного поля в промежутке времени, равному пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя, означает, что действительное движение двигателя будет равно нулю, хотя и могут возникать некоторые вибрации внутри двигателя по мере наращивания магнитного поля.

Ток/напряжение можно пульсировать между первым и вторым направлениями/полярностями для движения двигателя в первом и втором направлениях соответственно. Число импульсов тока в первом направлении может быть равно числу импульсов тока во втором направлении на протяжении всей программы нагревания. Блок управления можно конфигурировать так, чтобы останавливать программу нагревания в конце следующего чётного импульса тока. Чётное число импульсов гарантирует, что одинаковое число импульсов тока происходит и в первом и во втором направлениях так, что действительное движение двигателя равно нулю.

Альтернативно или дополнительно, импульсы тока в первом и втором направлениях могут быть, по существу, равны по продолжительности так, что получаемое движение двигателя (если оно есть) равно нулю. Продолжительность импульсов тока в первом и втором направлениях (называется отношением длительности) может быть независимо разной. Однако, продолжительность импульсов тока в первом и втором направлениях должна быть всегда меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя.

Когда блок управления запускает программу нагревания, ток, проходящий через электродвигатель, может постепенно за какое-то время увеличиться до заданной установившейся величины. Например, ток может увеличиться за какое-то время с нуля до заданной установившейся величины. Когда блок управления даёт команду программе нагревания остановиться, ток, проходящий через электродвигатель, может постепенно за какое-то время уменьшиться с установившейся величины до заданного нижнего предела. Когда ток достигнет этого нижнего предела, двигатель может затормозить. Программа нагревания может остановиться, когда двигатель заторможен. Для остановки программы нагревания двигатель можно затормозить, закоротив между собой выводы двигателя. Предпочтительно постепенно уменьшать ток, чтобы избежать смещения двигателя, которое, в противном случае, приведёт к ложным изменениям позиции исполнительного механизма. Более того, постепенное увеличение и уменьшение тока может помочь решить проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС).

Блок управления можно дополнительно конфигурировать для остановки программы нагревания, когда замеренная температура T достигнет T_off. Отключение программы нагревания, когда T достигает T_off, может помочь замедлить ускоренное изнашивание двигателя. Сильные токи, проходящие через двигатель в меняющихся первом и втором направлениях, могут привести к серьёзному износу двигателя, поэтому отключение нагревателя, когда T достигает T_off, может снизить риск повреждения.

Когда замеренная температура T достигает T_off, программа нагревания отключается и может оставаться неактивной до тех пор, пока замеренная температура Т не снизится до второго заданного значения T_on, где T_on <T_off. Когда замеренная температура T достигает T_on, программу нагревания можно снова включить.

Разницу между T_off и T_on можно разобщить заданным уровнем. Этот уровень можно определить экспериментальным путём и выбрать так, чтобы эффективная работа двигателя уравновешивалась сведением к минимуму последствий, вызванных построением разрушением магнитного поля.

Третья заданная температура T_min, означает минимальную рабочую температуру исполнительного механизма. Блок управления можно далее конфигурировать для:

- уведомления пользователя, когда T ≥ T_min, и исполнительный механизм готов к эксплуатации; и/или,

- уведомления пользователя, когда T < T_min, и исполнительный механизм не готов к эксплуатации.

Когда замечено, что локальная температура двигателя выше установленного порогового значения (как T_min), блок управления определяет, что смазка нагрелась до нужной температуры, то есть её вязкость достаточно низкая, чтобы уменьшить трение и износ подвижных частей исполнительного механизма, в особенности зубчатую передачу первой ступени.

Блок управления можно далее конфигурировать так, чтобы:

- получить инструкцию привести в действие внешнее устройство;

- сравнить замеренную температуру T с третьей, минимальной, заданной температурой (T_min); где T_min < T_on; и,

- если T ≥ T_min, остановить программу нагревания и привести в действие исполнительный механизм для запуска в работу внешнего устройства или,

- если T < T_min, уведомить пользователя о том, что исполнительный механизм ещё не готов к работе и продолжать программу нагревания до тех пор, пока T ≥ T_min.

По завершению работы внешнего устройства и определения, что T ≤ T_on, блок управления может снова включить программу нагревания.

Программу нагревания можно конфигурировать так, чтобы импульс тока шёл от внешнего источника питания через обмотки вокруг ротора для выработки тепла внутри (локально для) ротора.

Приводная передача исполнительного механизма может вмещать коробку передач. Температура коробки передач может определяться блоком управления по температурным данным, замеренным внутри корпуса исполнительного механизма. Полученное тепло проводится от ротора вдоль вала, соединённого с ротором, в подшипники ротора и коробку передач (в особенности, на её первую ступень). Проведённое тепло поможет снизить вязкость смазки, находящейся вокруг подшипников ротора и коробки передач (передача первой ступени), таким образом улучшить поток смазочной жидкости через исполнительный механизм, а также значительно уменьшить количество энергии, необходимой для приведения в движение внешнего устройства.

Методы резистивного нагрева, используемые для получения тепла, нагревают исполнительный механизм в целом, что неизбежно ведёт к большему расходу энергии. В вариантах выполнения изобретения локально полученное тепло передаётся на части исполнительного механизма, которые влияют на движение внешнего устройства, то есть вал ротора и подшипники и, как правило, первую ступень коробки передач.

Локализованное нагревание в настоящем изобретении помогает получить смазку подходящей низкой вязкости, чтобы первая ступень компонентов исполнительного механизма вращалась с меньшим сопротивлением и износом. В результате двигателю требуется меньше энергии для вращения вала и зубчатой передачи даже в низкотемпературных средах.

В двигателе также может находиться термостатическая защита, защита от неисправностей, для отключения системы нагревания в случае перегрева. Двигатель может перегреться, когда температура изоляции (которая относится к максимальной температуре обмоток) двигателя превысит предел.

Приводимое в действие внешнее устройство может быть промышленным клапаном, например, клапан на четверть оборота.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Рис. 1 Это схематическая диаграмма, поясняющая работу приводного исполнительного механизма;

Рис. 2 Это блок-схема, поясняющая процесс для локального нагревания исполнительного механизма;

Рис. 3 Это схематическая диаграмма, поясняющая этапы управления двигателем;

Рис. 4 Графически показывает блок-схему Рис. 2;

Рис. 5 Это пример формы волны, полученной при подаче переменного тока АС на двигатель постоянного тока DC,

Рис. 6 Это пример профиля тока между началом и окончанием программы нагревания.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Исполнительные механизмы, являющиеся предметом настоящего изобретения, включают исполнительные механизмы клапанов-распределителей, которые применяются, например, для регулирования расхода нефти и газа (на суше и шельфе), особенно в жёстких условиях сверхнизких температур, ниже -50°C или -60°C. Некоторые такие исполнительные механизмы распределителей снабжены выходным валом, который приводится в действие реверсивным электродвигателем по средством зубчатой передачи, например, червячная и колёсная передачи; который может двигать выходной вал в том или другом направлениях для открытия или закрытия клапана, соединённого с выходным валом через клапанный шток.

Рис 1 показывает общий вид архитектуры системы в виде схематической диаграммы варианта исполнения, включающего исполнительный механизм, который состоит из корпуса 5, вмещающего двигатель 10, например, щёточный двигатель постоянного тока DC, блоки управления 20, 30 и приводную передачу с коробкой передач 40 и клапаном 50, например, клапан на четверть оборота, соединённым с двигателем 10 приводной передачей 40, управляемой исполнительным механизмом. Блоки управления 20, 30 включают в себя систему управления, конфигурированную, в том числе, для определения необходимости нагревания и соответственно включения/выключения программы нагревания (см. Рис. 2); и систему управления двигателем 20, конфигурированную принимать команды от системы управления 30 и включать двигатель 10, когда есть необходимость получения локализованного тепла внутри исполнительного механизма. В вариантах исполнения изобретения используется двигатель для локальной выработки тепла, которое проводится на подшипники двигателя, вал и первую ступень передачи в коробке передач.

Блоки управления 20, 30 обеспечивают управление температурой исполнительного механизма. В условиях низких температур система управления обеспечивает контролируемую подачу электрического тока на двигатель 10 с целью локальной выработки тепла, чтобы жидкая смазка содействовала эффективной работе исполнительного механизма. Исполнительный механизм (и связанные с ним блок управления и клапан) могут быть конфигурированы для эксплуатации в температурных условиях ниже -50°C или -60°C.

Система управления двигателем 20 может включать 1 или более следующих блоков для управления работой двигателя, когда требуется подогрев:

- мостовую схему управления для изменения направления тока/полярности напряжения, подаваемых на двигатель от внешнего источника питания, так что переменный ток АС подаётся на двигатель постоянного тока DC (пример волновой формы показан на Рис. 5);

- широтно-импульсную модуляцию для регулирования питания (напряжение и тока), подаваемого на двигатель, и следовательно, управления скоростью двигателя; и,

- устройства для измерения и отслеживания тока, поступающего на двигатель, что даёт возможность определить крутящий момент двигателя.

Блоки управления 20, 30 включают микропроцессоры, которые, в свою очередь, снабжены температурными датчиками. Блок управления 30 получает измерения температуры от температурного датчика 60. Первые показания температуры поступают сразу же после подачи питания на исполнительный механизм. Последующие показания температуры могут посылаться автоматически на модуль управления в заранее заданные промежутки времени или, альтернативно, показания температуры могут запрашиваться блоком управления, например, когда получена команда, привести в движение клапан 50. Датчик 60 измеряет температуру внутри корпуса исполнительного механизма 5, и по этим показаниям может определяться температура коробки передач 40. Следовательно, нет необходимости измерять локальную температуру жидкости напрямую, так как это не всегда практично.

Когда измеренная и/или рассчитанная температура падает ниже заранее заданного (и конфигурируемого) порога, установленного в блоке управления 30, блок управления 30 может включить программу нагревания для производства тепла, которое подаётся на жидкие смазки в двигателе 10 (в частности, на подшипники) и приводной передаче, в частности, на первую ступень передачи в коробке передач 40, что уменьшает вязкость жидкостей и способствует эффективной работе исполнительного механизма.

Способ измерения температуры возле двигателя 10 может выбираться согласно требованиям. Блок управления использует измеренные и рассчитанные температурные показания для управления температурой и вязкостью жидких смазок по средством контроля тока, подаваемого на стационарный двигатель для получения тепла по необходимости.

Когда регистрируемая температура оказывается ниже порогового значения, блок управления 30 может принять решение о необходимости локализованного нагревания, например, чтобы подготовить к работе исполнительный механизм. Сам процесс и этапы принятия решения будут подробно описаны ниже. Приняв решение о необходимости нагревания, блок управления 30 посылает команду блоку управления двигателя 20 активизировать программу нагревания.

Двигатель 10 состоит из статора, ротора и обмоток (или катушек). Получив сигнал от блока управления о том, что требуется нагревание, блок управления двигателя 20 импульсно подаёт электроэнергию (ток) через обмотки, для создания тепла внутри ротора двигателя постоянного тока DC, при этом не приводит в действие сам двигатель. Пульсирование тока или мгновенное КЗ могут использоваться для предупреждения движения двигателя.

Длина промежутка времени каждого импульса тока, или длина промежутка времени между каждым случаем КЗ должна быть меньше пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя (5τ), в противном случае двигатель придёт в движение. Пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя - это время, за которое ток проходит через двигатель для достижения максимального установившегося значения, и чтобы магнитное поле стало достаточно сильным, чтобы вызвать движение двигателя.

Например, в начале на двигатель подаётся импульс тока, идущий в первом, положительном направлении через обмотки в промежутке времени меньше 5τ так, чтобы двигатель совсем не двигался, но при этом создавалось магнитное поле. Двигатель потом тормозится путём изменения направления движения тока (переключением полярности напряжения), либо закорачиванием между собой выводов двигателя. Это создаёт эффект крушения созданного магнитного поля и получения тепла в качестве сопутствующего продукта.

Затем импульс тока подаётся по второму, отрицательному направлению тока в промежутке времени меньше 5τ, что вызывает повторное образование магнитного поля и, при этом, удерживает двигатель в стационарном состоянии. Мостовая схема управления обеспечивает необходимое переключение направления тока (полярности напряжения). Магнитное поле затем опять разрушается таким же образом, как описано выше, и вырабатывается ещё большее количество тепла в качестве сопутствующего продукта. Этот процесс продолжается до тех пор, пока зарегистрированная температура не станет выше порогового значения, признак того, что исполнительный механизм готов к работе. Получившийся профиль тока, созданный внутри двигателя, можно посмотреть на Рис. 4.

В некоторых случаях, возможно, потребуется обеспечить такое условие - продолжительность тока, подаваемого в первом направлении, равна продолжительности тока, подаваемого во втором направлении для того, чтобы при каком бы то ни было вызываемом движении в двигателе, его конечное действительное движение было бы равно нулю. Альтернативно, продолжительность импульсов может изменяться так, чтобы они не были равны. Это называется изменяемым отношением длительности и даёт возможность продолжительности подаваемого тока в первом направлении отличаться от продолжительности подаваемого тока во втором направлении. Контролируя отношение длительности, можно управлять количеством энергии, подаваемом на двигатель, а следовательно, и количеством вырабатываемого тепла.

Система управления 30 и система управления двигателя 20 могут конфигурироваться для работы двигателя 10 с целью выработки тепла, в зависимости от одного или нескольких следующих параметров:

- минимальная рабочая температура исполнительного механизма;

- необходимая вязкость жидкой смазки, которая зависит от локальной температуры;

- пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя, которая определит продолжительность импульса тока;

- точность и сдвиг между измеренной температурой и фактической температурой жидкости (так как может быть запаздывание между временем, когда жидкость нагревается до нужной температуры и, когда температурный датчик регистрирует названную температуру возле двигателя) и,

- необходимая скорость нагревания.

Тепло, полученное внутри двигателя 10, проводится на подшипники двигателя и вдоль вала двигателя на первую ступень коробки передач. Тепло понижает вязкость жидких смазок в этих локальных участках и, когда двигатель начинает двигаться, детали вращаются с меньшим сопротивлением. Следовательно, двигатель может затратить меньше энергии для поворота вала и зубчатой передачи даже при очень низких температурах окружающей среды. Более того, локальное нагревание смазочных жидкостей перед началом движения двигателя помогает уменьшить износ двигателя и,, таким образом, увеличить срок его эксплуатации.

Как описывается более детально ниже, система управления двигателя 20 продолжает вырабатывать тепло до тех пор, пока зарегистрированная температура не достигнет нужного верхнего порога, при этом система управления 30 посылает сигнал системе управления двигателя 20 - остановить работу программы нагревания.

Как показано на Рис. 6, когда система управления инициирует программу нагревания, ток, подаваемый импульсно через электродвигатель, постепенно со временем увеличивается от нуля до заданного установленного значения (фаза «начало нагревания»). Когда установившееся значение достигнуто, тепло наиболее эффективно распространяется внутри ротора двигателя постоянного тока DC (фаза «нагревание»). Ток останется на этом установившемся значении до тех пор, пока система управления не даст команду программе нагревания остановиться. Затем ток, подаваемый импульсно через электродвигатель, со временем постепенно уменьшается от установившегося значения до заданного нижнего предела (фаза «остановка нагревания»). Когда ток достигает этого нижнего предела, который может быть выше нуля, двигатель тормозится. Двигатель тормозится путём закорачивания выводов двигателя друг на друга. Программа нагревания останавливается, когда двигатель тормозится.

Защита от перегрева обеспечивается через защитный термостат 70, расположенный на или возле двигателя 10. В случае, если зарегистрированная температура показывает, что двигатель 10 перегревается, термостат 70 срабатывает как предохранительное устройство путём блокирования системы управления 30 и остановки программы нагревания. В идеале термостат 70 останавливает все операции и отключает питание, подаваемое на исполнительный механизм.

Метод нагревания жидких смазок описывается подробнее ниже со ссылкой на Рис. 2-4.

Блок-схема управления нагреванием начинается на ступени 100, где технологическая схема последующего процесса нагревания запускается при подаче питания на модуль или после получения команды - привести в движение клапан. Сначала, на ступени 101 система управления 30 проверяет, есть ли питание от электросети. Если (или пока) определяется, что идущее питание от электросети действительно/включено, по необходимости может быть запущена в работу система управления двигателя 20 для выработки тепла внутри исполнительного механизма. Если принимается решение, что нагревание больше не требуется, программа нагревания останавливается, и исполнительный механизм продолжает работать как обычный приводной исполнительный механизм клапана, здесь этому даётся определение, как «нормальная» работа. Если определяется, что идущее питание от электросети недействительно (то есть его нет/не включено), тогда система управления двигателя 20 не включается с целью выработки тепла внутри исполнительного механизма, и исполнительный механизм работает нормально, как приводной исполнительный механизм клапана.

Когда технологический процесс запускается, система управления 30 проверяет локальную температуру, идущую на двигатель 10, и сравнивает измеренную температурой с тремя разными заданными пороговыми значениями температуры: T_on (температура, когда программа нагревания может инициироваться), T_off (температура, когда программа нагревания может отключаться) и T_min (минимальная рабочая температура системы).

Будет ли инициирована программа нагревания зависит от зарегистрированной температуры. На ступени 102, получаемая измеренная температура (T) сравнивается с T_off. Если T больше T_off, то есть зарегистрированная температура больше порогового значения температуры для остановки процесса нагревания, тогда считается, что исполнительный механизм готов к работе, и что дальнейшее нагревание не требуется. Вязкость смазочных жидкостей будет достаточно низкой, чтобы обеспечить эффективную работу исполнительного механизма.

Если T меньше T_off, то есть меньше пороговой температуры для остановки программы нагревания, тогда система управления 30 запускает программу нагревания (то есть даёт команду системе управления двигателя 20 начать работу двигателя и вырабатывать тепло). Программа нагревания останется активной, пока зарегистрированная температура не достигнет или не превысит T_off, то есть зарегистрированная температура поднимется до или выше порогового значения температуры для остановки программы нагревания.

Если T при измерении больше T_min, тогда система считается готовой к работе. Вязкость смазочных жидкостей будет достаточно низкой, чтобы обеспечить эффективную работу исполнительного механизма.

Как видно на Рис. 2 - 4, если система управления 30 получает команду, чтобы исполнительный механизм привёл в движение клапан, и температура выше минимальной рабочей температуры исполнительного механизма, T_min, то система управления даёт команду системе управления двигателя 20 остановить программу нагревания. (ступени 104 и 105). Система управления двигателя 20 останавливает программу нагревания на ступени 105, в конце следующего чётного импульса тока. Это гарантирует, что выполнено одинаковое количество импульсов тока в первом и втором направлениях, так что действительное движение двигателя 10 остаётся равным нулю. Накопленная энергия рассеивается внутри двигателя 10 до тех пор, пока нормальная работа исполнительного механизма не начнёт двигать клапан.

После того, как движение клапана завершится, система управления 30 даст команду системе управления двигателя 20 возобновить нагревание только, когда зарегистрированная температура Т упадёт ниже T_on. По завершению движения клапана, если зарегистрированная температура Т остаётся выше T_on, программа нагревания не возобновится, но система будет готова к дальнейшей работе (ступень 103).

Если T меньше T_min, то есть ниже минимальной рабочей температуры исполнительного механизма, тогда исполнительный механизм считается не готовым к работе, так как жидкости слишком холодные и вязкие, а также есть повышенный риск повреждения исполнительного механизма во время его работы. Пользователь уведомляется о том, что исполнительный механизм не готов к работе, и система управления 20 начинает программу нагревания на ступени 105. Исполнительный механизм не будет готов к эксплуатации до тех пор, пока программа нагревания не поднимет температуру хотя бы до T_min, то есть минимальной рабочей температуры исполнительного механизма.

Если по ходу работы исполнительного механизм замечено, что температура меньше T_min, исполнительный механизм сможет закончить операцию, после чего пользователь будет уведомлён о том, что исполнительный механизм не готов, и система управления двигателя 20 начнёт программу нагревания.

Описанные варианты исполнения патента могут модифицироваться и изменяться без отклонений от объёма изобретения, определённого формулой изобретения.

Группа изобретений относится к исполнительному механизму, приводимому в действие двигателем и состоящему из корпуса с входом для электропитания, в который входят: электродвигатель с соединениями для принятия тока от источника электричества; блок управления; приводная передача для соединения приводного внешнего устройства с электродвигателем и датчик температур, предназначенный регистрировать замеренную температуру Т внутри корпуса. Когда приводимое в движение внешнее устройство соединено с приводной передачей, исполнительный механизм находится в активном состоянии, то есть электродвигатель работает и приводит в движение внешнее устройство, и в неактивном состоянии, то есть электродвигатель не работает и не приводит в движение внешнее устройство. Блок управления конфигурируется для: получения данных от датчика температуры, представляющих замеренную температуру Т сразу же после подачи питания на исполнительный механизм; сравнения замеренной температуры T с заданной температурой T_off; включения программы нагревания, если T < T_off и исполнительный механизм в неактивном состоянии. Программа нагревания конфигурируется, чтобы пропускать ток от источника электричества через электродвигатель для выработки тепла внутри электродвигателя и управления электродвигателем так, чтобы он оставался практически неподвижным, без действительного движения на протяжении всей программы нагревания. В настоящем изобретении также описывается метод работы исполнительного механизма, приводимого в движение двигателем. Техническим результатом является создание исполнительного механизма, который позволяет уменьшить износ двигателя и увеличить срок его эксплуатации. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Исполнительный механизм, приводимый в движение двигателем, включает:

корпус, обеспеченный входом для поступления электроэнергии, содержащий:

электродвигатель с соединениями для входящего тока от источника электроэнергии,

блок управления;

приводную передачу для соединения приводного внешнего устройства с электродвигателем и

датчик температуры, настроенный на регистрирование замеренной температуры Т внутри корпуса;

при этом когда приводное внешнее устройство соединено с приводной передачей, исполнительный механизм находится в активном состоянии, когда электродвигатель работает для приведения в действие внешнего устройства, и в неактивном состоянии, когда электродвигатель не работает для приведения в действие внешнего устройства;

блок управления сконфигурирован для:

- получения данных от датчика температуры, показывающего замеренную температуру Т сразу после подачи питания на исполнительный механизм;

- сравнения замеренной температуры Т с заданной температурой T_off; и

- если T < T_off и исполнительный механизм в неактивном состоянии, запуска программы нагревания;

где программа нагревания сконфигурирована пропускать ток от источника электроэнергии через электродвигатель с целью выработки тепла внутри электродвигателя и управлять электродвигателем так, чтобы двигатель оставался практически неподвижным, без действительного движения на протяжении всей программы нагревания.

2. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 1, электрический двигатель является двигателем постоянного тока DC.

3. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 2, электрический двигатель является щёточным двигателем постоянного тока DC.

4. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, блок управления состоит из электрической цепи, сконфигурированной для переключения направления тока, проходящего через электродвигатель от источника электропитания во время программы нагревания.

5. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 4, электрическая цепь сконфигурирована подавать широтно-импульсную модуляцию на ток, проходящий через электродвигатель от источника электропитания во время программы нагревания для регулирования тока, проходящего через электродвигатель от электропитания, а также скорости электродвигателя.

6. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, программа нагревания сконфигурирована:

- приводить в движение электродвигатель в первом направлении, пропуская импульс тока на первой полярности напряжения в первом направлении через двигатель на ширину импульса меньше пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя, и

- тормозить двигатель путём:

изменения направления полярности напряжения для изменения направления тока или

закорачивания контактов электродвигателя с целью получения тока от источника электропитания, чтобы вызвать разрыв магнитного поля.

7. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 6, программа нагревания сконфигурирована после торможения двигателя, чтобы:

- приводить в движение электродвигатель во втором, обратном, направлении, пропуская импульс тока на второй полярности напряжения во втором направлении через двигатель на ширину импульса меньше пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя, и

- тормозить двигатель путём:

изменения направления полярности напряжения для изменения направления тока или

закорачивания контактов электродвигателя с целью получения тока от источника электропитания, чтобы вызвать разрыв магнитного поля.

8. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 7, ток, проходящий через электродвигатель, пульсирует между первым и вторым направлениями для движения двигателя в первом и втором направлениях соответственно, и при этом импульсы тока в первом и втором направлениях, по существу, равны по длительности так, что в результате движения электродвигателя не происходит.

9. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 8, длительности первого и второго направлений импульса тока (отношение длительности) могут независимо изменяться, и при этом длительности первого и второго направлений импульсов тока обе меньше пятикратной индуктивной постоянной времени двигателя.

10. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, ток, проходящий через электродвигатель, подаётся импульсами между первым и вторым направлениями для движения электродвигателя в первом и втором направлениях соответственно; и при этом число импульсов тока в первом направлении равно числу импульсов тока во втором направлении на протяжении всей программы нагревания.

11. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 10, блок управления сконфигурирован останавливать программу нагревания в конце следующего чётного импульса тока.

12. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, при включении программы нагревания ток, проходящий через электродвигатель, постепенно со временем увеличивается до заданного установившегося значения.

13. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 12, когда блок управления останавливает программу нагревания, ток, проходящий через электродвигатель, постепенно со временем уменьшается с установившегося значения до заданного нижнего предела.

14. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 13, когда ток достигает нижнего предела, двигатель тормозится с тем, чтобы закончить программу нагревания.

15. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, блок управления далее конфигурируется останавливать программу нагревания, когда измеренная температура T достигает T_off.

16. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 15, блок управления далее конфигурируется повторно включать программу нагревания, когда T ≤ T_on, где T_on - заданная температура, и T_on < T_off.

17. В исполнительном механизме, заявленном в пункте 16, блок управления далее конфигурируется, чтобы обеспечивать указание на то, что исполнительный механизм готов к работе, когда T ≥ T_min, где T_min - минимальная заданная температура, и T_min< T_on.

18. В исполнительном механизме, заявленном в пунктах 16 или 17, блок управления далее конфигурируется, чтобы:

- получать команду привести в действие внешнее устройство;

- сравнивать замеренную температуру T с минимальной заданной температурой (T_min), где T_min < T_on; и

- если T ≥ T_min, остановить программу нагревания и привести исполнительное устройство в активное состояние; или

- если T < T_min, обеспечить указание на то, что исполнительный механизм не готов к работе и продолжать программу нагревания до тех пор, пока T ≥ T_min.

19. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, блок управления сконфигурирован определять температуру коробки передач в приводной передаче, используя данные температуры от датчика температур в корпусе.

20. В исполнительном механизме, заявленном в любом предыдущем пункте, в состав электродвигателя входит термостатическое средство защиты, предназначенное для отключения программы нагревания в случае перегрева электродвигателя.

21. Система, содержащая исполнительный механизм, заявленный в любом предыдущем пункте, и приводимое в действие внешнее устройство, снабжённое клапаном на четверть оборота.

22. Метод работы исполнительного механизма, приводимого в движение двигателем, включает:

корпус, обеспеченный входом для поступления электроэнергии, содержащий:

электродвигатель с соединениями для входящего тока от источника электроэнергии,

приводную передачу;

датчик температуры, настроенный на регистрирование замеренной температуры Т внутри корпуса; и

приводимое в действие внешнее устройство, соединенное с электродвигателем приводной передачей,

при этом исполнительный механизм имеет активное состояние, когда электродвигатель работает для приведения в движение внешнего устройства, и неактивное состояние, когда электродвигатель не работает для приведения в движение внешнего устройства;

метод включает:

- определение замеренной температуры T от датчика температуры сразу же после подачи питания на исполнительный механизм;

- сравнение замеренной температуры T с заданной температурой T_off; и

- если T < T_off и исполнительный механизм в неактивном состоянии, запускается программа нагревания, в которой

ток от источника электроэнергии проходит через электродвигатель с целью выработки тепла внутри электродвигателя; и электродвигатель управляется так, что остаётся практически неподвижным, без действительного движения на протяжении всей программы нагревания, и дополнительно останавливается программа нагревания, когда замеренная температура Т достигает T_off.

23. В методе, заявленном в пункте 22, далее предусматривается указание на то, что исполнительный механизм готов к работе, когда T ≥ T_min.

24. В методе, заявленном в пунктах 22 или 23, далее предусматривается:

- получение команды включить в работу внешнее устройство;

- сравнение замеренной температуры T с минимальной заданной температурой (T_min), где T_min < T_on; и,

- если T ≥ T_min, программа нагревания останавливается и исполнительный механизм приводится в активное состояние; и

- если T < T_min, обеспечивается указание на то, что исполнительный механизм не готов к работе, и продолжение программы нагревания до тех пор, пока T ≥ T_min.

25. В методе, заявленном в любом из пунктов 22-24, далее предусматривается подача широтно-импульсной модуляции на ток, проходящий через электродвигатель от источника электричества на протяжении программы нагревания с целью регулировать ток, проходящий через электродвигатель, а также управлять скоростью электродвигателя.

26. В методе, заявленном в любом из пунктов 22-25, программа нагревания включает:

- приведение в движение электродвигатель в первом направлении, пропуская импульс тока при первой полярности напряжения в первом направлении через двигатель на длину импульса меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя, и

- торможение двигателя путём:

изменения направления полярности напряжения с целью изменения направления тока; или

закорачивания соединений электродвигателя для получения тока от источника электричества с целью вызвать разрыв магнитного поля; и

- дополнительно, после торможения, приведение в движение электродвигателя во втором, обратном, направлении, пропуская импульс тока при второй полярности напряжения во втором, обратном, направлении через двигатель на длину импульса меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя, и

- торможение двигателя путём:

изменения направления полярности напряжения с целью изменения направления тока, или

закорачивания соединений электродвигателя для получения тока от источника электричества с целью вызвать разрыв магнитного поля.

27. В методе, заявленном в пункте 26, ток, проходящий через электродвигатель, пульсирует между первым и вторым направлениями для приведения в движение электродвигателя в первом и втором направлениях соответственно; при этом импульсы тока в первом и втором направлениях практически равны по длительности, так что в результате электродвигатель остаётся неподвижным; и дополнительно продолжительность импульса тока в первом направлении и продолжительность импульса тока во втором направлении можно независимо изменять (отношение длительности), при этом длительности импульсов тока в первом и втором направлениях обе меньше, чем пятикратная индуктивная постоянная времени двигателя.

28. В методе, заявленном в любом из пунктов 22 - 27, пульсирующий ток проходит через электродвигатель между первым и вторым направлениями для приведения в движение электродвигателя в первом и втором направлениях соответственно, при этом число импульсов тока в первом направлении равно числу импульсов тока во втором направлении на протяжении работы программы нагревания.

29. В методе, заявленном в пункте 28, далее предусматривается остановка программы нагревания в конце следующего чётного импульса тока.

30. В методе, заявленном в любом из пунктов 22-29, в начале программы нагревания ток, проходящий через электродвигатель, постепенно со временем увеличивается до заданного установившегося значения.

31. В методе, заявленном в пункте 30, при остановке программы нагревания ток, проходящий через электродвигатель, постепенно со временем уменьшается с установившегося значения до заданного нижнего предела.

32. В методе, заявленном в пункте 31, далее предусматривается торможение двигателя, когда ток достигает нижнего предела для окончания программы нагревания.