RU2647804C1 - Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit - Google Patents
Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647804C1 RU2647804C1 RU2016150609A RU2016150609A RU2647804C1 RU 2647804 C1 RU2647804 C1 RU 2647804C1 RU 2016150609 A RU2016150609 A RU 2016150609A RU 2016150609 A RU2016150609 A RU 2016150609A RU 2647804 C1 RU2647804 C1 RU 2647804C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- drive
- voltage
- accumulator
- capacitive
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 63
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 27
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 10
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 8
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 claims 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012956 testing procedure Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
- G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
- G05B19/39—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path using a combination of the means covered by at least two of the preceding groups G05B19/21, G05B19/27 and G05B19/33
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
- F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к силовым приводам и может быть использовано для регулируемых силовых приводов, в том числе применяемых для управления клапанами, изменяющими поток (расход) текучих сред в магистрали.The invention relates to power drives and can be used for adjustable power drives, including those used to control valves that change the flow (flow) of fluids in the line.
Приводные устройства широко используются для управления различными исполнительными механизмами и, в том числе, запорной или регулирующей арматурой в трубопроводах. В частности, для приводов шаровых кранов большого диаметра характерно использование пневматических, пневмогидравлических или электрогидравлических приводов. Их применение обусловлено необходимостью обеспечения значительных вращающих моментов на валу привода, соединенного с шаровым краном. Требуемая величина вращающего момента достигает 52500 Нм и более для шаровых кранов диаметром 1400 мм. Второй причиной применения указанных приводов является возможность с помощью пневмоаккумулятора или гидроаккумулятора обеспечить их полную работоспособность при отсутствии питания. Описание применяемых приводов приведено, например, в публикации «Струйный привод - нереализованные возможности» (Мороз В.В. Арматуростроение - 2013. №2(83), с. 56-59). Описанные приводы обеспечивают до 3 и более циклов перестановки запорного органа арматуры при отсутствии питания в течение нескольких суток. Недостатками данного типа приводов является необходимость периодической замены гидравлической жидкости и возможность самопроизвольной перестановки затвора крана под действием рабочей среды в трубопроводе. Недостатком пневматических и пневмогидравлических приводов является также и то, что влага, содержащаяся в рабочей среде, со временем конденсируется в пневмосистеме привода и при низких температурах приводит к образованию ледяных пробок в импульсных трубках и отказу привода. Кроме того, при снижении давления рабочей среды в трубопроводе уменьшается усилие пневматического или пневмогидравлического привода и его может быть недостаточно для поворота затвора шарового крана.Actuators are widely used to control various actuators, including valves or control valves in pipelines. In particular, large-diameter ball valve actuators are characterized by the use of pneumatic, pneumohydraulic or electro-hydraulic actuators. Their application is due to the need to provide significant torques on the drive shaft connected to a ball valve. The required torque value reaches 52500 Nm or more for ball valves with a diameter of 1400 mm. The second reason for using these drives is the possibility of using their pneumatic accumulator or hydraulic accumulator to ensure their full performance in the absence of power. A description of the drives used is given, for example, in the publication “Inkjet Drive - Unrealized Opportunities” (Moroz V.V. Armature Engineering - 2013. No. 2 (83), pp. 56-59). The described drives provide up to 3 or more cycles of permutation of the valve body in the absence of power for several days. The disadvantages of this type of actuator are the need for periodic replacement of the hydraulic fluid and the possibility of spontaneous rearrangement of the valve shutter under the action of the working medium in the pipeline. The disadvantage of pneumatic and pneumatic-hydraulic drives is also that the moisture contained in the working medium condenses over time in the drive pneumatic system and at low temperatures leads to the formation of ice plugs in impulse tubes and drive failure. In addition, with a decrease in the pressure of the working medium in the pipeline, the force of the pneumatic or pneumohydraulic actuator decreases and it may not be enough to rotate the shutter of the ball valve.
Известны конструкции приводов, основанные на использовании электрических накопителей энергии и лишенные этих недостатков (RU №2442924 C1, МПК F16K 31/00, H02J 9/06, 27.06.2010). В качестве накопителей могут использоваться аккумуляторы и конденсаторы большой емкости. При этом аккумуляторы имеют относительно небольшой срок службы и требуют дополнительного обслуживания. Использование конденсаторных накопителей энергии позволяет обеспечить длительный срок службы при минимальных требованиях к обслуживанию.Known drive designs based on the use of electric energy storage devices and devoid of these shortcomings (RU No. 2442924 C1, IPC F16K 31/00, H02J 9/06, 06/27/2010). As drives can be used batteries and capacitors of large capacity. At the same time, batteries have a relatively short service life and require additional maintenance. The use of capacitor energy storage allows for a long service life with minimal maintenance requirements.
Известен принятый за прототип усовершенствованный силовой привод клапана (RU №2461039, МПК G05B 19/39, 10.09.2012), снабженный приводным электродвигателем с валом двигателя и выходным валом, связанным с валом двигателя для придания движения клапану, а также системой управления, обеспечивающей управление выходным валом силового привода и включающей контроллер, соединенный с первым датчиком положения, предназначенным для регистрации положения выходного вала силового привода, и со вторым датчиком положения, предназначенным для регистрации положения вала двигателя и приспособленным для определения скорости вращения вала двигателя. Система управления выполнена с возможностью реагирования на зарегистрированные сигналы первого и второго датчиков и в соответствии с этим регулирования скорости двигателя. Привод снабжен средством обеспечения работы в отказоустойчивом режиме, предназначенным для перемещения клапана в безопасное положение в случае отказа основного питания и содержит по меньшей мере один дополнительный высокоемкий конденсатор, приспособленный для подачи питания на электродвигатель, и систему управления для перемещения клапана в безопасное положение при сохранении возможности регулирования крутящего момента/осевого усилия.Known adopted for the prototype improved valve actuator (RU No. 2461039, IPC G05B 19/39, 09/10/2012), equipped with a drive motor with a motor shaft and an output shaft connected to the motor shaft to give movement to the valve, as well as a control system that provides control an output shaft of the power drive and including a controller connected to a first position sensor for detecting the position of the output shaft of the power drive and with a second position sensor for detecting the position ala engine and adapted for determining the motor speed. The control system is configured to respond to the recorded signals of the first and second sensors and, in accordance with this, control the engine speed. The actuator is equipped with a fail-safe operation facility designed to move the valve to a safe position in case of a main power failure and contains at least one additional high-capacity capacitor adapted to supply power to the electric motor, and a control system for moving the valve to a safe position while maintaining the ability torque / axial force control.
Признаки, общие с заявляемым приводным устройством с энергоаккумуляторами:Signs common with the claimed drive device with energy storage:
- двигатель, вал которого связан через силовой редуктор с исполнительным механизмом, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, связанный с контроллером привода, и датчиками конечного положения, энергоаккумулятор, выполненный в виде емкостного накопителя энергии, содержащий по меньшей мере один конденсатор, блок управления энергоаккумулятором, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора.- an engine, the shaft of which is connected through a power reducer to the actuator, a drive controller, end position sensors, a drive control unit associated with the drive controller and end position sensors, an energy accumulator made in the form of a capacitive energy storage device containing at least one capacitor, power accumulator control unit, lowering and increasing converters of the energy accumulator.
Однако указанному приводу присущи недостаточные энергоэффективность и надежность работы в условиях длительного отсутствия электроснабжения. Это обусловлено тем, что данный привод рассчитан на применение для относительно небольших клапанов или задвижек с непродолжительными перерывами в электроснабжении. В частности, средство из RU 2461039 применяется для управления регулирующим клапаном с однократным перемещением в безопасное положение. Масштабирование данного решения для приводов исполнительных механизмов, например, магистральных шаровых кранов, для которых требуются вращающие моменты (525000 Нм и более) и мощность (10 кВт и более), на практике неприемлемо, так как для этого необходимы конденсаторные батареи значительной емкости и габаритов, разместить которые в корпусе привода очень сложно. Кроме того, при расположении привода на открытой площадке удаленного объекта, конденсаторные батареи, размещенные в корпусе привода, подвергаются воздействию как низких (зимой) так и высоких температур (летом), что отрицательно сказывается на долговечности и надежности, а при температурах ниже минус 40-45°C они могут стать полностью неработоспособными без дополнительного обогрева. Размещение конденсаторной батареи в отдельном корпусе невозможно без обеспечения дополнительной защиты по электробезопасности, а для взрывоопасных производств, таких как газопроводы и нефтепроводы, - специальных мер по взрывобезопасности.However, the specified drive is characterized by inadequate energy efficiency and reliability in conditions of prolonged lack of power supply. This is due to the fact that this actuator is designed for use with relatively small valves or gate valves with short interruptions in power supply. In particular, the tool from RU 2461039 is used to control a control valve with a single movement to a safe position. Scaling this solution for actuator actuators, for example, main ball valves, which require torques (525,000 Nm or more) and power (10 kW or more), is unacceptable in practice, since capacitor banks of significant capacity and dimensions are needed for this, which are very difficult to place in the drive housing. In addition, when the drive is located in an open area of a remote object, capacitor banks placed in the drive body are exposed to both low (winter) and high temperatures (summer), which negatively affects durability and reliability, and at temperatures below minus 40- 45 ° C they can become completely inoperative without additional heating. Placing a capacitor bank in a separate housing is not possible without providing additional protection for electrical safety, and for explosive industries, such as gas pipelines and oil pipelines, special measures for explosion safety.
Известен способ управления приводным устройством (RU №2461039, МПК G05B 19/39, опубл. 10.09.2012), характеризующийся тем, что осуществляют преобразование электрической энергии приводным устройством, определяют при помощи датчика крутящий момент на выходном валу, обеспечивают регулирование по замкнутому контуру крутящего момента, приложенного к исполнительному механизму, при помощи контроллера или дополнительного процессора обеспечивают периодическую регистрацию действительного значения крутящего момента/осевого усилия, сравнивают эти данные для сравнения с накопленными данными/профилями данных, обеспечивает непрерывное отслеживание коэффициента полезного действия силового привода по входной мощности, определяемой по измерениям тока и напряжения, и выходной мощности, определяемой по осевому усилию/крутящему моменту, скорости и ускорению.A known method of controlling a drive device (RU No. 2461039, IPC G05B 19/39, publ. 09/10/2012), characterized in that the conversion of electrical energy by the drive device, determine the torque on the output shaft using a sensor, provide closed loop control of the torque torque applied to the actuator, using a controller or additional processor, periodically records the actual value of the torque / axial force, compare these data for I compare with the accumulated data / data profiles, provides continuous monitoring of the efficiency of the power drive by the input power, determined by measuring current and voltage, and the output power, determined by axial force / torque, speed and acceleration.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невысокие энергоэффективность и надежность способа управления усовершенствованным силовым приводом клапана. Это обусловлено тем, что при изменении положения исполнительного механизма, не обеспечивается вращение электродвигателя без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности, в начале движения исполнительного механизма, при преодолении максимального момента сопротивления вращению вала, что приводит к значительному пиковому потреблению энергии, вследствие чего ограничивается срок работоспособности приводного устройства при отсутствии электроснабжения от внешнего источника электропитания.The reasons hindering the achievement of the technical result is the low energy efficiency and reliability of the control method of the improved valve actuator. This is due to the fact that when the position of the actuator is changed, the rotation of the electric motor is not ensured without exceeding the set torque and power consumption, at the beginning of the movement of the actuator, when overcoming the maximum moment of resistance to rotation of the shaft, which leads to a significant peak energy consumption, as a result of which the term is limited operability of the drive device in the absence of power supply from an external power source.
Известен способ управления энергоаккумулятором предохранительного приводного устройства (RU №2442924, МПК F16K 31/00, H02J 9/06, 27.06.2010), характеризующийся тем, что в режиме нормальной работы электрический ток, который используется также для питания электродвигателя, преобразуют до относительно низкого потенциала посредством энергетического модуля, работающего как преобразователь энергии в режиме понижения, и накапливают энергию в емкостном накопителе энергии, а, если напряжение падает ниже предварительно выбранного значения или происходит отказ электропитания, электрическую энергию, накопленную в емкостном накопителе энергии, содержащем по меньшей мере один конденсатор, преобразуют посредством того же энергетического модуля до относительно высокого потенциала и используют в режиме повышения для обеспечения работы двигателя до тех пор, пока не будет достигнуто заданное положение, обеспечивающее безопасность, и периодически в индивидуальном порядке проверяют работоспособность по меньшей мере одного указанного конденсатора путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.A known method of controlling the energy accumulator of a safety drive device (RU No. 2442924, IPC F16K 31/00, H02J 9/06, 06/27/2010), characterized in that in normal operation, the electric current, which is also used to power the electric motor, is converted to a relatively low potential by means of an energy module operating as an energy converter in a reduction mode, and accumulate energy in a capacitive energy storage, and if the voltage drops below a pre-selected value or a failure occurs power supply, electric energy stored in a capacitive energy storage device containing at least one capacitor is converted by means of the same energy module to a relatively high potential and used in boost mode to ensure engine operation until a predetermined safety position is reached , and periodically individually check the operability of at least one specified capacitor by measuring its capacitance and internal resistance Lenia.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является невозможность выполнения данным способом более одной перестановки исполнительного механизма при отказе электропитания и невысокие энергоэффективность и надежность усовершенствованного силового привода клапана за счет применения двойного преобразования энергии и относительно низкого потенциала заряженного емкостного накопителя (заведомо меньшего, чем необходимо для питания электрического двигателя), а также из-за отсутствия возможности увеличения энергоемкости накопителя энергии для обеспечения длительной работы приводного устройства при отсутствии питания от сети.The reasons that hinder the achievement of the technical result are the impossibility of performing more than one actuator permutation in this way in the event of a power failure and the low energy efficiency and reliability of the improved valve actuator due to the use of double energy conversion and the relatively low potential of a charged capacitive storage (obviously less than what is needed for power electric motor), and also due to the lack of the possibility of increasing energy awns energy storage to ensure continuous operation of the driving device in the absence of mains power.
Основной задачей заявляемой группы изобретений является создание высокоэнергоэффективного приводного устройства с энергоаккумуляторами и оптимальных способов управления приводным устройством и энергоаккумуляторами.The main objective of the claimed group of inventions is the creation of a highly energy-efficient drive device with energy accumulators and optimal ways to control the drive device and energy accumulators.
Технический результат - повышение КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами путем оптимального управления повышением напряжения и введения ограничения потребляемой мощности в зависимости от режима работы исполнительного механизма. Кроме того, обеспечивается повышение надежности работы приводного устройства за счет оперативного подключения дополнительных энергоаккумуляторов в нештатных ситуациях, с активным выравниванием их напряжений с минимальным расходом накопленной энергии.The technical result is an increase in the efficiency of the drive device with energy accumulators by optimally controlling the increase in voltage and introducing restrictions on power consumption, depending on the operating mode of the actuator. In addition, it provides increased reliability of the drive device due to the quick connection of additional energy accumulators in emergency situations, with the active alignment of their voltages with minimal consumption of stored energy.
Технический результат достигается тем, что в приводное устройство с энергоаккумуляторами, содержащее электродвигатель, контроллер привода, датчики конечного положения, блок управления приводом, связанный с контроллером привода, и датчиками конечного положения, основной энергоаккумулятор, выполненный в виде емкостного накопителя энергии, блок управления энергоаккумулятором, выполненный с возможностью контроля накопления энергии и подключенный к емкостному накопителю энергии, понижающий и повышающий преобразователи энергоаккумулятора, введены повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода, датчик Холла, установленный на валу электродвигателя и соединенный с контроллером привода, и блоком управления повышающим преобразователем привода, мостовой преобразователь, соединенный с повышающим преобразователем привода и контроллером привода, при этом устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным энергоаккумулятором, включенным параллельно основному, каждый энергоаккумулятор содержит генератор тестовых напряжений, соединенный с выходными зажимами энергоаккумулятора и блоком управления энергоаккумулятором, разъединитель, электронный ключ, соединенный с приводным устройством и через разъединитель с емкостным накопителем энергоаккумулятора.The technical result is achieved by the fact that in the drive device with energy accumulators, comprising an electric motor, a drive controller, end position sensors, a drive control unit associated with the drive controller and end position sensors, a main energy accumulator made in the form of a capacitive energy storage unit, an energy accumulator control unit, made with the ability to control energy storage and connected to a capacitive energy storage device, lowering and raising the energy storage converters Ora, a drive boost converter, a drive boost converter control unit, a Hall sensor mounted on the motor shaft and connected to the drive controller and a drive boost converter control unit, a bridge converter connected to the drive boost converter and the drive controller are introduced, the device being equipped with at least one additional energy accumulator connected in parallel with the main one, each energy accumulator contains a test voltage generator connected to the output terminals of the energy accumulator and the control unit of the energy accumulator, a disconnector, an electronic key connected to the drive device and through a disconnector with a capacitive storage of the energy accumulator.
Предпочтительно выполнить блок управления энергоаккумулятором с возможностью параллельного подключения к приводу основного и дополнительных энергоаккумуляторов и с возможностью измерения напряжений на емкостном накопителе и выходе энергоаккумулятора.It is preferable to perform a power storage control unit with the possibility of parallel connection to the drive of the main and additional energy storage and with the ability to measure voltages on the capacitive storage and the output of the energy storage.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами выполнить повышающий преобразователь привода, блок управления повышающим преобразователем привода и мостовой преобразователь, обеспечивающими возможность рекуперации энергии электродвигателя и исполнительного механизма для возврата энергии, накопленной в исполнительном механизме, или энергии рабочей среды, воздействующей на него, в энергоаккумулятор.It is advisable to carry out a drive boost converter, a control unit for a drive boost converter and a bridge converter in a drive device with energy accumulators, which make it possible to recover the energy of the electric motor and the actuator to return the energy stored in the actuator, or the energy of the working medium acting on it, to the energy accumulator.
Рационально в приводном устройстве с энергоаккумуляторами электродвигатель выполнить преимущественно в виде трехфазного синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах.It is rational in the drive device with energy accumulators to perform the electric motor mainly in the form of a three-phase synchronous motor with a permanent magnet rotor.
Предпочтительно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами вал электродвигателя и силовой редуктор выполнить связанными через тормозную муфту для фиксации положения без приложения дополнительной энергии.Preferably, in the drive device with energy storage, the motor shaft and the power reducer are connected via a brake clutch to fix the position without additional energy.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами может быть снабжено по меньшей мере одним зарядным устройством, соединенным через разъединитель с емкостным накопителем.The drive device with energy accumulators can be equipped with at least one charger connected via a disconnector to a capacitive storage.
Рекомендуется приводное устройство с энергоаккумуляторами снабдить узлом ручного дублера.It is recommended that the drive unit with energy accumulators be equipped with a manual backup unit.
В одном из вариантов приводного устройства с энергоаккумуляторами целесообразно силовой редуктор выполнить по принципу дифференциала с возможностью передачи вращающего момента исполнительному механизму, как от ручного дублера, так и от приводного двигателя одновременно.In one embodiment of a drive device with energy accumulators, it is advisable to carry out the power reducer according to the differential principle with the possibility of transmitting torque to the actuator, both from a handwheel and from a drive motor at the same time.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами может быть снабжено блоком интерфейса и панелью управления и индикации, связанными с блоком управления приводом для взаимодействия с оператором и системой АСУ ТП.The drive unit with energy accumulators can be equipped with an interface unit and a control and display panel connected to the drive control unit for interaction with the operator and the automatic process control system.
Предпочтительно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами каждый энергоаккумулятор выполнять с возможностью активного выравнивания выходного напряжения для их параллельного включения.Preferably, in the drive device with energy accumulators, each energy accumulator is able to actively align the output voltage for their parallel connection.
В одном из вариантов приводного устройства к одному энергоаккумулятору может быть подключено одно или несколько приводных устройств, а к одному приводному устройству может быть подключен более чем один энергоаккумулятор.In one embodiment of the drive device, one or more drive devices may be connected to one power storage device, and more than one power storage device may be connected to one drive device.
Предпочтительно выполнить электронный ключ с возможностью включения после выравнивания напряжения на емкостном накопителе и выходных зажимах энергоаккумулятора.It is preferable to perform an electronic key with the ability to turn on after equalizing the voltage on the capacitive storage and output terminals of the energy accumulator.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами генератор тестовых напряжений подсоединять к выходным зажимам энергоаккумулятора преимущественно через резистор, выполняющий функцию токоограничетеля.It is advisable to connect the test voltage generator in the drive device with energy accumulators to the output terminals of the energy accumulator mainly through a resistor that performs the function of a current limiter.
Целесообразно в приводном устройстве с энергоаккумуляторами дополнительно ввести второй и третий электронные ключи, соединенные с входом понижающего преобразователя энергоаккумулятора, при этом второй электронный ключ соединен с выходными клеммами энергоаккумулятора, а третий электронный ключ соединен с внешним источником питания.It is advisable to additionally enter the second and third electronic keys connected to the input of the down-converter of the energy accumulator in the drive device with energy accumulators, while the second electronic key is connected to the output terminals of the energy accumulator, and the third electronic key is connected to an external power source.
Рационально в приводном устройстве с энергоаккумуляторами блок управления энергоаккумулятором выполнять с возможностью управления электронными ключами и с возможностью измерения тока между понижающим и повышающим преобразователями энергоаккумулятора. Это позволяет обеспечить возможность коммутации цепей блоком управления энергоаккумулятора без участия в этом процессе человека, что также повышает надежность приводного устройства в условиях эксплуатации. При этом повышающий и понижающий преобразователи энергоаккумулятора после выравнивания напряжений параллельно включенных энергоаккумуляторов могут быть использованы для их заряда от внешнего источника питания постоянного тока.It is rational in the drive device with energy accumulators to control the energy accumulator with the ability to control electronic keys and with the ability to measure current between the step-down and step-up converters of the power accumulator. This allows for the possibility of switching circuits by the energy storage control unit without the participation of a person in this process, which also increases the reliability of the drive device in operating conditions. In this case, boosting and decreasing converters of the energy accumulator after equalizing the voltages of the parallel connected energy accumulators can be used to charge them from an external DC power source.
Рекомендуется в приводном устройстве клапана с энергоаккумуляторами электронные ключи выполнять на полевых транзисторах, которые обеспечивают минимальные потери мощности при больших токах в открытом состоянии.It is recommended that in the valve actuator with energy accumulators, electronic keys be performed on field-effect transistors, which ensure minimal power loss at high currents in the open state.
Емкостной накопитель энергии может содержать по меньшей мере один конденсатор.A capacitive energy storage device may comprise at least one capacitor.
Технический результат достигается также тем, что в способе управления приводным устройством, характеризующимся тем, что осуществляют преобразование электрической энергии приводным устройством, при изменении положения исполнительного механизма, определяют положение исполнительного механизма при помощи датчиков конечных положений, формируют управляющий сигнал для контроллера привода в зависимости от полученных значений сигнала, задают скорость, момент вращения электродвигателя и величину максимальной потребляемой мощности, обеспечивают вращение электродвигателя с заданной скоростью без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности, по мере уменьшения момента сопротивления увеличивают скорость вращения вала до требуемого значения, при исчезновении момента сопротивления и возникновении сопутствующего вращающего момента исполнительного механизма обеспечивают рекуперацию энергии в энергоаккумулятор, при помощи повышающего преобразователя привода поддерживают напряжение на его выходе, равное амплитудному значению ЭДС двигателя для текущей скорости вращения электродвигателя, определяемой датчиком Холла, но при этом не превышают максимального допустимого напряжения, а по достижении требуемого положения исполнительного механизма, определяемого датчиками положений, переводят приводное устройство в режим ожидания с пониженным потреблением энергии.The technical result is also achieved by the fact that in the control method of the drive device, characterized in that the electrical energy is converted by the drive device, when the position of the actuator is changed, the position of the actuator is determined using end position sensors, a control signal is generated for the drive controller, depending on the received signal values, set the speed, torque of the motor and the maximum power consumption, providing they increase the rotation of the electric motor with a given speed without exceeding the specified torque and power consumption, increase the shaft rotation speed to the required value as the drag moment decreases, when the resistance moment disappears and the associated actuator torque occurs, they provide energy recovery to the energy accumulator using the drive boost converter maintain the voltage at its output equal to the amplitude value of the motor EMF for the current second speed of rotation of the motor, a Hall sensor is determined, but do not exceed the maximum allowable stress, and upon reaching the desired position of the actuator, defined by a position sensor is converted into a drive device with reduced standby power consumption mode.
Предпочтительно в начале движения исполнительного механизма, при преодолении максимального момента сопротивления вращению вала задавать значения скорости и момента вращения вала электродвигателя, при которых произведение их значений составляет величину, в 4-8 раз меньшую произведения их максимальных значений.Preferably, at the beginning of the movement of the actuator, when overcoming the maximum moment of resistance to rotation of the shaft, set the speed and the moment of rotation of the motor shaft, at which the product of their values is 4-8 times smaller than the product of their maximum values.
Технический результат достигается также тем, что в способе управления энергоаккумуляторами приводного устройства в рабочем режиме периодически осуществляют подзарядку емкостных накопителей энергоаккумуляторов и тестирование энергоаккумуляторов, выполняющееся в три этапа:The technical result is also achieved by the fact that in the method for controlling the power accumulators of the drive device in the operating mode, the capacitive storage devices of the power accumulators are periodically charged and the energy accumulators are tested in three stages:
- на первом этапе контролируют напряжение Ue1 на выходных зажимах энергоаккумулятора,- at the first stage, the voltage Ue1 is monitored at the output terminals of the energy accumulator,
- на втором этапе при неизменном напряжении Ue1 подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uв и измеряют напряжение Ue2 на зажимах энергоаккумулятора,- at the second stage, at a constant voltage Ue1, a test voltage Uв is applied to the output terminals of the energy accumulator and the voltage Ue2 is measured at the terminals of the energy accumulator,
- на третьем этапе, при Ue2, равном пороговому значению Uп, подают на выходные зажимы энергоаккумулятора тестовое напряжение Uн, меньшее чем Uв, и измеряют напряжение Ue3 и его приращение на зажимах энергоаккумулятора,- in the third stage, with Ue2 equal to the threshold value Uп, a test voltage Uн less than Uв is applied to the output terminals of the energy accumulator, and the voltage Ue3 and its increment are measured at the terminals of the energy accumulator,
- при отрицательном приращении напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю приводного устройства,- with a negative voltage increment Ue3, a capacitive storage device is connected through a drive boost converter and a bridge converter to the drive motor,
- при близком к нулю приращении напряжения Ue3 осуществляют выравнивание напряжений емкостных накопителей энергии путем перераспределения заряда от емкостного накопителя с более высоким напряжением к емкостному накопителю с более низким напряжением при помощи понижающего и повышающего преобразователей напряжения энергоаккумулятора, и при уравнивании напряжения на емкостном накопителе и напряжения Ue3 осуществляют подключение емкостного накопителя через повышающий преобразователь привода и мостовой преобразователь к электродвигателю приводного устройства, переводят энергоаккумуляторы в режим заряда емкостных накопителей от внешнего источника, прекращают заряд при достижении максимального рабочего напряжения и возобновляют заряд при снижении напряжения на заданную величину.- at a voltage increment of Ue3 close to zero, the voltages of the capacitive energy storage devices are balanced by redistributing the charge from the capacitive storage device with a higher voltage to the capacitive storage device with a lower voltage using the voltage accumulator step-up and step-down converters, and when the voltage across the capacitive storage device and the voltage Ue3 are equalized connect the capacitive drive through the boost converter of the drive and the bridge converter to the electric motor lu drive unit brake accumulator is transferred to the charge storage capacitor from the external power mode, the charge is stopped when the maximum operating voltage and resume the charge when the voltage drops by a predetermined amount.
Предпочтительно при напряжении Ue2, не превышающем порогового значения Uп, и при положительном приращении напряжения Ue3, блокировать подключение емкостного накопителя к приводу.Preferably, with a voltage Ue2 not exceeding the threshold value Uп, and with a positive voltage increment Ue3, block the connection of the capacitive storage to the drive.
Рационально в способе управления энергоаккумулятором значение повышенного тестового напряжения Uв выбирать не более половины максимального рабочего напряжения емкостного накопителя энергии.It is rational in the method of controlling the energy accumulator to select the value of the increased test voltage Uв not more than half the maximum operating voltage of the capacitive energy storage device.
Целесообразно в способе управления приводным устройством значение пониженного тестового напряжения Uн выбирать в пределах 0-3 вольт.It is advisable in the method of controlling the drive device to select the value of the lowered test voltage Un in the range of 0-3 volts.
Предпочтительно в способе управления энергоаккумулятором значение порогового напряжения Uп выбирать в пределах до 1/3 Uв.Preferably, in the method of controlling the energy accumulator, the value of the threshold voltage Uп is selected in the range up to 1/3 Uв.
Рационально в способе управления энергоаккумулятором значение порогового напряжения Uп устанавливать зависимым прямо пропорционально от напряжения емкостного накопителя.It is rational in the method of controlling the energy storage device to set the threshold voltage value Uп dependent directly proportional to the voltage of the capacitive storage.
Зависимость порогового напряжения Uп от напряжения емкостного накопителя позволяет обеспечить включение наиболее заряженного энергоаккумулятора в первую очередь, чем обеспечивается немедленная готовность приводного устройства к выполнению операций.The dependence of the threshold voltage Uп on the voltage of the capacitive storage allows you to enable the most charged energy storage in the first place, which ensures the immediate readiness of the drive device to perform operations.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где:The claimed group of inventions is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема приводного устройства с энергоаккумуляторами,in FIG. 1 shows a functional electrical diagram of a drive device with energy accumulators,
на фиг. 2 приведен алгоритм управления энергоаккумулятором.in FIG. 2 shows the algorithm for controlling the energy accumulator.
Приводное устройство с энергоаккумуляторами выполнено в виде привода 1 и соединенных с ним и между собой энергоаккумуляторами 16.The drive device with energy accumulators is made in the form of a drive 1 and
Привод 1 содержит силовой редуктор 2, механически связанный через тормозную муфту 9 с электродвигателем 3, который электрически соединен через датчик Холла 8 с контроллером привода 5, и с мостовым преобразователем 4. Мостовой преобразователь 4 подключен к повышающему преобразователю привода 6, соединенному с блоком 7 управления повышающим преобразователем привода.The drive 1 contains a
Предпочтительно электродвигатель 3 выполнять трехфазным синхронным с ротором на постоянных магнитах. Тормозная муфта 9, установленная на валу двигателя 3, связана с электромагнитом 10, который в свою очередь соединен с контроллером привода 5. В варианте исполнения электродвигателя 3 в виде трехфазной синхронной машины с ротором на постоянных магнитах мостовой преобразователь 4 выполняется трехфазным с ключами 4-2-4-7, выполненными преимущественно на полевых транзисторах. На фазных проводах электродвигателя 3 установлены трансформаторы тока 4-8, 4-9, связанные с контроллером привода 5, а к входу мостового преобразователя 4 подключен фильтрующий конденсатор 4-1. Повышающий преобразователь привода 6 содержит дроссель 6-1 и ключи 6-2, 6-3. Повышающий преобразователь привода 6, блок 7 управления повышающим преобразователем привода и мостовой преобразователь 4 выполнены с возможностью рекуперации энергии электродвигателя 3, исполнительного механизма и рабочей среды, воздействующей на исполнительный механизм (на чертежах не показан).Preferably, the electric motor 3 is synchronous with a permanent magnet rotor. The brake clutch 9 mounted on the shaft of the motor 3 is connected to an
На выходе исполнительного механизма установлены датчики конечных положений 12, электрически связанные с блоком управления приводом 13.At the output of the actuator,
Силовой редуктор 2 может быть выполнен с узлом ручного дублера 11, связанным с ним посредством червячной передачи. Входное звено силового редуктора 2 выполнено по принципу дифференциала с возможностью передачи вращающего момента на выход как от ручного дублера 11, так и от электродвигателя 3 одновременно.The
Блок 13 управления приводом информационными шинами соединен с контроллером привода 5, панелью управления и индикации 14, блоком интерфейсов 15, связанным с внешней системой АСУ ТП. Блок управления и индикации 14 выполнен с возможностью отображения информации о заряде (напряжении на зажимах) энергоаккумуляторов 16, а блок интерфейсов 15 - с возможностью передачи данной информации в АСУ ТП.The
Энергоаккумулятор 16 содержит емкостный накопитель энергии 17, подключенный через разъединитель 18 и первый электронный ключ 19 к выходным зажимам 20 и 21, соединенными посредством кабеля 22 с входными клеммами 33 и 34 приводного устройства 1.The
Разъединитель 18, при необходимости приводимый в действие вручную, служит для полного отключения емкостных накопителей энергии 17 от выходных зажимов 20, 21 при проведении работ по подключению/отключению энергоаккумулятора 16 к приводному устройству 1 при эксплуатации приводного устройства с энергоаккумуляторами во взрывоопасной зоне. Первый электронный ключ 19 выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором. Включение первого электронного ключа 19 происходит только после выравнивания напряжения, что позволяет во взрывоопасной зоне эксплуатации привода 1 обеспечить безопасное параллельное соединение двух или более энергоаккумуляторов 16, напряжения которых в общем случае неравны, после выравнивания напряжения на их зажимах.The disconnector 18, if necessary manually operated, serves to completely disconnect the capacitive energy storage devices 17 from the output terminals 20, 21 when connecting / disconnecting the
Для выравнивания напряжений между параллельно соединенными энергоаккумуляторами 16 служат понижающий 23 и повышающий 24 преобразователи энергоаккумулятора, выполненные на полевых транзисторах с изолированным затвором и включенные последовательно. Выход повышающего 24 преобразователя энергоаккумулятора подключен к разъединителю 18, второй электронный ключ 25 соединен с входом понижающего преобразователя 23 и с выходным зажимом 20 энергоаккумулятора 16, при этом вход понижающего преобразователя энергоаккумулятора 23 подключен через третий электронный ключ 26 к входным зажимам 27 и 28 во вводном отделении энергоаккумулятора 16, причем зажим 28 непосредственно соединен с зажимом 21. К выходному зажиму 20 через резистор 29 подключен генератор тестового напряжения 30. Блок управления энергоаккумулятором 31 выполнен с возможностью управления электронными ключами 19, 26, 25, генератором тестового напряжения 30, понижающим 23 и повышающим 24 преобразователями энергоаккумулятора. Он также обеспечивает контроль параметров процесса накопления энергии путем измерения напряжения на емкостных накопителях энергии 17, на выходных зажимах 20 и 21, и на входных зажимах 27 и 28. К входным зажимам 27 и 28 подключен внешний источник питания (на фиг. 1, 2 не показан).To equalize the voltages between the parallel-connected
Энергоаккумуляторы 16 могут содержать дополнительно одно или несколько автономно работающих зарядных устройств 32, параллельно подключенных через разъединитель 18 к емкостным накопителям энергии 17. Зарядное устройство 32 обеспечивает заряд емкостных накопителей энергии 17 до максимального рабочего напряжения от внешнего источника постоянного или переменного напряжения (не показан).
К одному энергоаккумулятору 16 может быть подключено одно или несколько приводов 1, а к одному приводу 1 может быть подключен более чем один энергоаккумулятор 16.One or several actuators 1 can be connected to one
Заявляемая группа изобретений, включающая приводное устройство с энергоаккумуляторами, способ управления приводным устройством и способ управления энергоаккумуляторами реализуются следующим образом.The claimed group of inventions, including a drive device with energy accumulators, a method for controlling a drive device and a method for controlling energy accumulators are implemented as follows.
После включения разъединителя 18, приводимого в действие вручную, блок управления энергоаккумулятором 31 выполняет тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20 и 21 энергоаккумулятора 16 в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 2. Для этого блок 31 управления энергоаккумулятором по окончании изменения напряжения на выходных зажимах 20 и 21 подключает генератор тестового напряжения 30 (Uт) к выходным зажимам 20 и 21 и подает напряжение Uв на выходные зажимы 20 и 21 через резистор 29, который обеспечивает ограничение тока до безопасного уровня. Предпочтительно выбирать тестовое напряжение Uв в диапазоне от 1,5 B до 16 B, чтобы не происходило включение электронных схем приводного устройства. При достижении порогового уровня напряжения Uп на выходных зажимах 20 и 21, от генератора тестового напряжения 30 (Uт) подается напряжение Uн. Предпочтительно, чтобы пониженное тестовое напряжение Uн было меньше Uв и меньше минимального падения напряжения на р-n-переходе, например, 0 B. Оптимально, чтобы пороговое напряжение зависело от напряжения на емкостном накопителе энергии 17, причем при большем напряжении на емкостном накопителе энергии 17 было более высоким, например, равным Uconst + KUсв, где Uconst - неизменная часть порогового напряжения, KUсв - часть порогового напряжения, зависящая от напряжения конденсаторной батареи, но при этом не превышающим 1/3 напряжения Uв. Далее блок 31 управления энергоаккумулятором определяет изменение напряжения на выходных зажимах 20, 21 энергоаккумулятора 16, при этом возможно два случая.After switching on the manually actuated disconnector 18, the energy
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 начинает уменьшаться (отрицательное приращение, что соответствует отсутствию источника ЭДС на выходных зажимах энергоаккумулятора), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17 от внешнего источника питания (не показан), подключенного к входным зажимам 27 и 28. Блок 31 управления энергоаккумулятором прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на емкостном накопителе энергии 17 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.- If the voltage at the output terminals 20, 21 begins to decrease (negative increment, which corresponds to the absence of an EMF source at the output terminals of the energy accumulator), then the energy
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 остается примерно постоянным (приращение равно нулю, что соответствует наличию источника ЭДС с малым внутренним сопротивлением, например другого включенного энергоаккумулятора), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда конденсаторной батареи.- If the voltage at the output terminals 20, 21 remains approximately constant (the increment is zero, which corresponds to the presence of an EMF source with a small internal resistance, for example, another energized accumulator), then the energy
Подключение двух или более энергоаккумуляторов 16 осуществляют соединением их одноименных зажимов 20, 21 между собой параллельно и включением соответствующих разъединителей 18. Блок управления энергоаккумулятором 31 каждого подключенного энергоаккумулятора 16 выполняет тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20 и 21. Далее соответствующий блок 31 управления энергоаккумулятором определяет изменение напряжения на выходных зажимах 20, 21 энергоаккумулятора 16. При этом возможны три случая.The connection of two or
- Если напряжение продолжает увеличиваться (положительное приращение, что соответствует наличию на выходных зажимах энергоаккумулятора источника ЭДС с относительно большим внутренним сопротивлением, например, другого энергоаккумулятора, выполняющего процедуру тестирования), то блок 31 управления энергоаккумулятором отключает генератор тестового напряжения 30 и возвращается в исходное состояние. Наименее заряженные энергоаккумуляторы 16 будут первыми отключать свои тестовые генераторы 30 и переходить к ожиданию завершения переходных процессов, время которых будет зависеть от постоянной времени RC, где R соответствует эквивалентному сопротивлению ограничительных резисторов 29, а C соответствует эквивалентной емкости конденсаторов емкостного накопителя энергии 17. Таким образом, наименее заряженные энергоаккумуляторы 16 поочередно прекратят тестирование цепи, подключенной к выходным зажимам 20, 21.- If the voltage continues to increase (a positive increment, which corresponds to the presence of an EMF source with a relatively large internal resistance at the output terminals of the energy accumulator, for example, another energy accumulator performing the testing procedure), then the energy
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 начинает уменьшаться, то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30, включает первый электронный ключ 19 и третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17 от внешнего источника питания (не показан), подключенного к входным зажимам 27 и 28.- If the voltage at the output terminals 20, 21 starts to decrease, then the energy
- Если напряжение на выходных зажимах 20, 21 остается примерно постоянным (неизменным), то блок управления энергоаккумулятором 31 отключает генератор тестового напряжения 30 и включает второй электронный ключ 25 и переводит преобразователи 23, 24 в режим выравнивания напряжения. Преобразователи 23, 24, управляемые блоком управления энергоаккумулятором 31, обеспечивают перетекание заряда от конденсаторной батареи емкостного накопителя энергии 17 с большим напряжением одного энергоаккумулятора 16 к конденсаторной батарее емкостного накопителя энергии 17 с меньшим напряжением другого энергоаккумулятора 16, что приводит к выравниванию напряжения на конденсаторных батареях емкостного накопителя энергии 17 и выходных зажимах 20, 21. После выравнивания напряжений блок управления энергоаккумулятором 31 включает первый электронный ключ 19, выключает второй электронный ключ 25, включает третий электронный ключ 26 и переводит преобразователи 23, 24 в режим заряда емкостного накопителя энергии 17.- If the voltage at the output terminals 20, 21 remains approximately constant (unchanged), then the power
Энергоаккумуляторы 16, у которых блок управления энергоаккумулятором 31 прекратил тестирование и вернулся в исходное состояние, после прекращения переходных процессов в цепи, подключенной к выходным зажимам 20, 21, вновь выполняет действия в соответствии с описанным алгоритмом (фиг. 2).
Таким образом, при параллельном подключении нескольких энергоаккумуляторов 16 происходит поочередное включение их электронных ключей 19, причем первым включится электронный ключ 19 у того энергоаккумулятора 16, у которого емкостные накопители энергии 17 в исходном состоянии заряжены до более высокого напряжения. В случае, если два или более энергоаккумуляторов 16 имеют одинаковое напряжение емкостных накопителей энергии 17, включение их электронных ключей 19 также будет происходить одновременно (при одновременном включении разъединителей 18). При этом, так как разность напряжений близка к нулю, исключается возникновение сверхтоков, которые могут приводить к возникновению искр или воспламенению проводников и, как следствие, к воспламенению взрывоопасной окружающей среды.Thus, when
Блок управления энергоаккумулятором 31 прекращает заряд при достижении максимального рабочего напряжения на конденсаторной батарее 17 и возобновляет заряд при снижении напряжения на заданную величину.The power
Выравнивание напряжений за счет применения импульсных преобразователей и исключения рассеивания энергии при параллельном подключении энергоаккумуляторов 16 способствует повышению КПД приводного устройства в целом и обеспечивает повышение надежности работы приводного устройства за счет оперативного подключения дополнительных энергоаккумуляторов в нештатных ситуациях. Причем наиболее заряженные энергоаккумуляторы первыми включаются в работу, а выравнивание напряжений происходит максимально быстро, что уменьшает возможность развития возможных аварийных ситуаций.The voltage equalization due to the use of pulse converters and the elimination of energy dissipation when parallel connecting the
При поступлении от АСУ ТП через блок интерфейсов 15 или с панели управления и индикации 14 на блок управления приводом 13 команды на изменение положения исполнительного механизма, блок управления приводом 13 анализирует сигналы с датчиков конечных положений 12 и формирует управляющий сигнал для контроллера привода 5, задавая скорость, момент вращения электродвигателя 3 и величину максимальной потребляемой мостовым преобразователем 4 мощности. Контроллер привода 5 выключает тормозную муфту 9 с помощью электромагнита 10 и обеспечивает управление мостовым преобразователем 4 по заданным блоком управления приводом 13 параметрам с учетом сигнала датчика Холла 8 таким образом, что обеспечивается вращение электродвигателя 3 с заданной скоростью, но без превышения заданного вращающего момента и потребляемой мощности.When received from the automatic control system through the
В момент преодоления максимального момента сопротивления вращению вала электродвигателя 3, возникающего в начале движения исполнительного механизма, при преодолении трения покоя и усилия (как установлено в практике экспериментальных работ - от 4 до 8 раз превосходящее нормальное), создаваемого перепадом давления рабочей среды, происходит максимальное (от 4 до 8 раз превосходящее нормальное) потребление энергии от энергоаккумулятора 16. В этой связи предпочтительно задавать скорость и момент вращения вала электродвигателя 3 таким образом, чтобы произведение их значений составляло от 1/4 до 1/8 произведения максимальных значений скорости и момента вращения, что позволит значительно сократить потребляемую мощность и соответственно потребляемый от энергоаккумулятора 16 ток и потери энергии на активных сопротивлениях проводников и электронных ключей. Введение ограничения потребляемой мощности в зависимости от режима работы исполнительного механизма способствует повышению КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами, при этом суммарные затраты времени на перемещение исполнительного механизма не увеличиваются.At the moment of overcoming the maximum moment of resistance to rotation of the shaft of the electric motor 3, which occurs at the beginning of the movement of the actuator, when overcoming friction of rest and effort (as established in the practice of experimental work - from 4 to 8 times higher than normal) created by the differential pressure of the working medium, the maximum ( 4 to 8 times greater than normal) energy consumption from the
По мере уменьшения момента сопротивления, скорость вращения вала электродвигателя 3 возрастает. При этом может возникнуть ситуация, когда при увеличении скорости вращения электродвигателя 3 и разряде конденсаторной батареи емкостных накопителей энергии 17, напряжение на ней будет недостаточно для раскручивания двигателя до требуемой скорости, т.к. напряжение Uc на конденсаторной батарее емкостных накопителей энергии 17 связано с накопленным зарядом q отношениемAs the resistance moment decreases, the rotation speed of the shaft of the electric motor 3 increases. In this case, a situation may arise when, with an increase in the rotation speed of the electric motor 3 and a discharge of the capacitor bank of the capacitive energy storage device 17, the voltage on it will not be enough to spin the engine to the required speed, because the voltage Uc on the capacitor bank of the capacitive energy storage 17 is associated with the accumulated charge q by the ratio
C⋅Uc=q,C⋅Uc = q,
где C - емкость конденсаторной батареи, а ЭДС электродвигателя прямо пропорциональна скорости вращения.where C is the capacitance of the capacitor bank, and the EMF of the electric motor is directly proportional to the speed of rotation.
Энергия E, накапливаемая емкостными накопителями энергии, связана с напряжением Uc отношением E=0.5⋅C⋅Uc2.The energy E accumulated by capacitive energy storage is related to the voltage Uc by the ratio E = 0.5⋅C⋅Uc 2 .
При этом 75% энергии накапливается в диапазоне напряжений от 30 B до 60 B. По мере разряда конденсаторов, напряжение на конденсаторной батарее снижается до 30 В. Для того чтобы трехфазный преобразователь имел возможность вырабатывать напряжение, превышающее ЭДС двигателя при большой скорости вращения, служит повышающий преобразователь привода 6, построенный на полевых транзисторах 6-2, 6-3 с изолированным затвором, включающийся в работу только в режиме движения с малым сопротивлением вращению, за счет чего дополнительно сокращаются динамические потери энергии в преобразователе и увеличивается КПД в диапазоне больших вращающих моментов. Таким образом, оптимальное управление выходным напряжением повышающего преобразователя 6 привода позволяет уменьшить расход потребляемой энергии от энергоаккумуляторов 16 и повысить КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами.In this case, 75% of the energy is stored in the voltage range from 30 V to 60 V. As the capacitors discharge, the voltage on the capacitor bank decreases to 30 V. In order for the three-phase converter to be able to generate a voltage exceeding the motor EMF at high rotation speed, drive converter 6, built on field-effect transistors 6-2, 6-3 with an isolated gate, included in operation only in the driving mode with low rotation resistance, due to which they are further reduced dynamically Energy losses in the converter and increases the efficiency in the range of large torques. Thus, the optimal control of the output voltage of the boost converter 6 of the drive allows to reduce the consumption of energy consumed from the
Для обеспечения требуемой скорости вращения вала электродвигателя 3 блок 7 управления повышающим преобразователем увеличивает напряжение на входе мостового преобразователя 4 путем изменения относительной длительности включенного состояния ключа 6-3 повышающего преобразователя привода 6.To ensure the required speed of rotation of the shaft of the electric motor 3, the control unit of the boost converter increases the voltage at the input of the
Относительная длительность Y включенного состояния ключа 6-3 поддерживается блоком 7 управления повышающим преобразователем привода, равнойThe relative duration Y of the on state of the switch 6-3 is maintained by the drive up-converter control unit 7 equal to
Y=Ubat⋅T/Emax⋅Tmin⋅K,Y = Ubat⋅T / Emax⋅Tmin⋅K,
где Ubat - текущее напряжение конденсаторов, измеряемое на клеммах 33, 34;where Ubat is the current voltage of the capacitors, measured at terminals 33, 34;
T - текущий период сигнала с датчика Холла 8 (величина, обратно пропорциональная скорости вращения);T is the current period of the signal from the Hall sensor 8 (a value inversely proportional to the rotation speed);
Emax - максимальная ЭДС двигателя при максимальной скорости вращения;Emax - maximum engine EMF at maximum rotation speed;
Tmin - минимальный период сигнала с датчика Холла 8 при максимальной частоте вращения, соответствующий максимальной ЭДС электродвигателя 3;Tmin - the minimum period of the signal from the Hall sensor 8 at the maximum speed, corresponding to the maximum EMF of the electric motor 3;
K - коэффициент, учитывающий форму ЭДС электродвигателя 3, возможные отклонения параметров электродвигателя 3, потери в нем и преобразователях 4 и 6.K is a coefficient taking into account the shape of the EMF of the electric motor 3, possible deviations of the parameters of the electric motor 3, losses in it and
Максимальное значение относительной длительности ограничено значением Y=1, а минимальное значение ограничено значением Y=Ubat/Udcmax, где Udcmax - максимальное допустимое напряжение на входе мостового преобразователя 4. Блок управления 7 повышающим преобразователем привода работает таким образом, что ключ 6-2 повышающего преобразователя 6 включается в промежутки времени, когда выключен ключ 6-3. За счет уменьшения относительной длительности Y достигается необходимое увеличение напряжения на входе мостового преобразователя 4 для развития требуемой скорости вращения вала электродвигателя 3. При этом, если напряжение на конденсаторах емкостного накопителя 17 достаточно для развития требуемой скорости вращения электродвигателем 3, блок управления 7 повышающим преобразователем привода обеспечивает относительную длительность включенного состояния Y=1 для ключа 6-3, тогда как ключ 6-2 остается выключен. Это обеспечивает экономию заряда емкостного накопителя 17 и повышает КПД приводного устройства за счет отсутствия динамических потерь переключения в повышающем преобразователе привода 6 в режимах максимальной мощности, а также при полностью заряженных емкостных накопителях энергии 17.The maximum value of the relative duration is limited by the value Y = 1, and the minimum value is limited by the value Y = Ubat / Udcmax, where Udcmax is the maximum allowable voltage at the input of the
Во время перемещения исполнительного механизма, например, запирающего элемента клапана, затвора или шарового крана, может возникать самопроизвольный разворот запирающего элемента под действием потока рабочей среды. При этом вращающий момент передается через редуктор 2 на вал электродвигателя 3, который начинает генерировать электрическую энергию. В этом режиме мостовой преобразователь 4 на полевых транзисторах 4-2, 4-3, 4-4, 4-5, 4-6, 4-7 с изолированным затвором выступает в роли выпрямителя, а повышающий преобразователь 6 привода работает в прежнем режиме без изменения длительности замкнутого и разомкнутого состояния транзисторов. В режиме рекуперации в работу вступают паразитные диоды, имеющиеся в структурах полевых транзисторов с изолированным затвором. Вырабатываемая энергия через ключи мостового преобразователя 4 заряжает конденсатор 4-1 до максимального напряжения Udcmax, повышающий преобразователь 6 привода с блоком 7 управления повышающим преобразователем привода при этом обеспечивает рекуперацию энергии в емкостные накопители энергии 17, а направление электрического тока меняется на противоположное по сравнению с нормальным режимом. За счет этого ограничивается максимальная скорость поворота исполнительного устройства под действием потока рабочей среды, и обеспечивается дополнительная экономия заряда емкостного накопителя 17 и повышение КПД приводного устройства с энергоаккумуляторами.During the movement of the actuator, for example, a locking element of a valve, shutter or ball valve, spontaneous rotation of the locking element may occur under the action of the flow of the working medium. In this case, the torque is transmitted through the
По достижении заданного положения исполнительного механизма, которое определяют датчики конечного положения 12, блок 13 управления приводом останавливает электрический двигатель 3, отключает электромагнит 10, при этом муфта 9 блокирует вал электродвигателя 3, после чего блок 13 управления приводом выключает повышающий преобразователь 6 привода, мостовой преобразователь 4, контроллер 5 привода и блок управления 7 повышающим преобразователем. Блок 13 управления приводом переходит в режим ожидания с минимальным потреблением энергии (менее 1 Вт), что позволяет достичь максимального срока работоспособности электропривода без электроснабжения от внешнего источника электропитания и повысить надежность приводного устройства в условиях эксплуатации.Upon reaching the set position of the actuator, which is determined by the sensors of the
Заявляемая группа изобретений, включающая приводное устройство с энергоаккумуляторами, способ управления приводным устройством, способ управления энергоаккумуляторами приводного устройства способствует созданию высокоэнергоэффективного и надежного приводного устройства с высоким КПД и способов его управления. Заявляемые изобретения могут быть использованы в регулируемых силовых приводах, в том числе применяемых для управления клапанами, изменяющими поток (расход) текучих сред в магистрали.The inventive group of inventions, including a drive device with energy storage devices, a method of controlling a drive device, a method of controlling energy storage devices of a drive device contributes to the creation of a highly energy-efficient and reliable drive device with high efficiency and methods for controlling it. The claimed invention can be used in adjustable power drives, including those used to control valves that change the flow (flow) of fluids in the line.
Claims (29)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016150609A RU2647804C1 (en) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016150609A RU2647804C1 (en) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2647804C1 true RU2647804C1 (en) | 2018-03-19 |
Family
ID=61629367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016150609A RU2647804C1 (en) | 2016-12-21 | 2016-12-21 | Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2647804C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801261C2 (en) * | 2018-12-21 | 2023-08-04 | Роторк Контролс Лимитед | Drive |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0393697A2 (en) * | 1989-04-21 | 1990-10-24 | Vickers Incorporated | Electrohydraulic system |
| RU2235934C2 (en) * | 2002-09-13 | 2004-09-10 | ООО "Промтехкомплект" | Automatic electrical drive for valving |
| RU2442924C2 (en) * | 2006-05-24 | 2012-02-20 | Белимо Холдинг Аг | Protective drive device for damper or valve |
| RU2461039C2 (en) * | 2006-07-10 | 2012-09-10 | Роторк Контролз Лимитед | Improved valve power drive |
-
2016
- 2016-12-21 RU RU2016150609A patent/RU2647804C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0393697A2 (en) * | 1989-04-21 | 1990-10-24 | Vickers Incorporated | Electrohydraulic system |
| RU2235934C2 (en) * | 2002-09-13 | 2004-09-10 | ООО "Промтехкомплект" | Automatic electrical drive for valving |
| RU2442924C2 (en) * | 2006-05-24 | 2012-02-20 | Белимо Холдинг Аг | Protective drive device for damper or valve |
| RU2461039C2 (en) * | 2006-07-10 | 2012-09-10 | Роторк Контролз Лимитед | Improved valve power drive |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801261C2 (en) * | 2018-12-21 | 2023-08-04 | Роторк Контролс Лимитед | Drive |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8138706B2 (en) | Safety drive for a flap or a valve | |
| US9847658B2 (en) | Systems and methods for performing battery management | |
| KR101863737B1 (en) | Electric power storage system | |
| EP3263886B1 (en) | Device and method for managing the charging and discharging of ultracapacitors without control wiring | |
| US10256713B2 (en) | Power conversion device and method for controlling power conversion device | |
| JP5941991B2 (en) | Method and apparatus in a hybrid vehicle | |
| US20110234176A1 (en) | Discharge control apparatus | |
| US9840158B2 (en) | Current measuring relay device | |
| CN107437846A (en) | Electronic control circuit for actuator assembly and method of operating backup energy subassembly | |
| KR102204099B1 (en) | Method of checking state of pra | |
| CN105510759A (en) | Electric leakage detection equipment and detection method thereof | |
| JP2010252536A (en) | Inverter device and failure diagnosis method thereof | |
| CN102725935B (en) | Device and method for detecting polarity reversal on the low-voltage side of a DC voltage converter in a dual-voltage vehicle electrical system | |
| RU2647804C1 (en) | Drive unit with pressure accumulators, method for drive unit control and method for controlling pressure accumulators of a drive unit | |
| JP6869343B2 (en) | DC / DC converter controller | |
| KR20160076825A (en) | Method for charging battery with preventing inrush current and diagnosising battery failure | |
| CN220204812U (en) | Air valve actuator capable of being closed in power failure | |
| EP3113321B1 (en) | System and method for monitoring and controlling parallel batteries | |
| US20250343437A1 (en) | Battery backup system for fail-safe electric actuators | |
| CN105763031A (en) | Automatic voltage regulator with wide input voltage range | |
| CN219759443U (en) | Action assembly for isolating switch and isolating switch | |
| RU2572088C1 (en) | Control device for operated reversible voltage transducer at electric power installation with ac and dc sources | |
| CN205395710U (en) | Standby power unit for refrigerator car | |
| WO2024022659A1 (en) | System and method for power supply of a solar tracker position control system | |
| CN204858682U (en) | A state conversion device for power storage battery based on lithium iron phosphate |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20191203 Effective date: 20191203 |