Уважаемые читатели, предлагаем вашему вниманию следующую разработку из рубрики «Обзор патентов» – устройство управления электропривода. Автором патента является Лугачев Андрей Юрьевич, а патентообладателем – общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие «Томская электронная компания».
Полезная модель относится к электроприводам, в частности к электроприводам трубопроводной арматуры, и используется в трубопроводном транспорте для управления запорной, запорно-регулирующей трубопроводной арматурой нефтепроводов, газопроводов, химических и других производств. Полезная модель обеспечивает технологичность и надежность устройств управления приводов, в которых применен мощный электродвигатель, и позволяет расширить арсенал технических средств управления приводами. Устройство управления электропривода содержит блок центрального процессора, блок местного управления, информационный блок, блоки ввода – вывода и интерфейсов для обмена данными с системой управления верхнего уровня; блок управления силовым преобразователем. Указанные блоки расположены в корпусе блока управления. Силовой преобразователь для коммутации электродвигателя расположен в корпусе силового модуля. Корпус блока управления и корпус силового модуля закреплены с несущим основанием.
Формула изобретения
1. Устройство управления электропривода содержит:
• блок центрального процессора;
• блок местного управления;
• информационный блок;
• блок ввода – вывода и интерфейсов для обмена данными с системой управления верхнего уровня;
• блок управления силовым преобразователем;
• блок центрального процессора, который соединен с блоком местного управления, информационным блоком, блоком ввода – вывода и интерфейсов, блоком управления силовым преобразователем;
• указанные блоки расположены в литом корпусе блока управления;
• силовой преобразователь для коммутации электродвигателя, расположенный в корпусе силового модуля;
• силовой преобразователь соединен с блоком управления силовым преобразователем;
• корпус блока управления и корпус силового модуля закреплены с несущим основанием.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус силового модуля снабжен кабельными вводами для соединения силового преобразователя с питающей сетью и с блоком управления силовым преобразователем.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит служебный источник питания, расположенный в корпусе блока управления.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит датчик положения выходного звена электропривода, расположенный в корпусе блока управления.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит литиевый элемент, расположенный в корпусе блока управления.
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус блока управления выполнен с соблюдением требований взрывозащиты.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус силового модуля выполнен с соблюдением требований взрывозащиты.
Описание
Полезная модель относится к электроприводам, в частности электроприводам трубопроводной арматуры, и может быть использована в трубопроводном транспорте для управления запорной, запорно-регулирующей трубопроводной арматурой нефтепроводов, газопроводов, химических и других производств.
Применение электроприводов на взрывоопасных производствах, таких как газопроводы и нефтепроводы, требует соблюдения специальных мер по взрывобезопасности. Электроприводы изготавливают во взрывозащищенном исполнении, в частности, помещают в прочную оболочку, способную выдержать внутренний взрыв без выхода пламени и продуктов взрыва наружу.
Из патента РФ 127962 (опубл. 10.05.2013) известен контроллер для управления электрическим исполнительным механизмом. Контроллер расположен в корпусе, содержащем блок управления электродвигателем, блок центрального процессора, узел беспроводной связи, автономный пульт настройки и управления. Блок управления электродвигателем состоит из микроконтроллера, связанного с блоком центрального процессора, выпрямителя и силовых элементов. Силовые элементы коммутируют цепи для формирования напряжения, предназначенного для питания электродвигателя.
Из патента РФ 109887 (опубл. 27.10.2011) известен контроллер для управления электрическим исполнительным механизмом. Конструкция контроллера выполнена с соблюдением требований взрывозащиты. Контроллер размещен в литом корпусе, содержащем блок центрального процессора, узел индикации и местного управления, блок силовой коммутации на тиристорах, блок токовой защиты, нагревательный элемент, узел контроля температуры внутреннего пространства, датчик положения вала механизма, датчик крутящего момента, датчик температурной защиты электродвигателя.
Техническим результатом патента является использование и настройка контроллера в сложных эксплуатационных условиях.
Однако расширение данного решения для приводов исполнительных механизмов, например, для управления многооборотной арматурой больших диаметров, для которых требуются большие вращающие моменты (32000 Нм) и мощный двигатель (30 кВт), на практике неприемлемо, так как для коммутации мощного двигателя необходимы тиристоры значительной мощности и габаритов, разместить которые в серийно выпускаемом корпусе блока управления не представляется возможным.
Кроме того, использование мощного силового блока с протекающими в нем токами большой величины приведет к нежелательному нагреву электронных компонентов, что снизит надежность работы контроллера.
Технический результат – расширение арсенала средств управления приводами за счет обеспечения технологичности устройства управления приводом, в котором применен мощный двигатель.
Дополнительный технический результат – повышение надежности работы устройства управления приводом, в котором применен мощный двигатель.
Технический результат достигается тем, что устройство управления электропривода содержит:
• блок центрального процессора;
• блок местного управления;
• информационный блок;
• блок ввода – вывода и интерфейсов для обмена данными с системой управления верхнего уровня;
• блок управления силовым преобразователем;
• блок центрального процессора соединен с блоком местного управления, информационным блоком, блоком ввода – вывода и интерфейсов, блоком управления силовым преобразователем;
• указанные блоки расположены в литом корпусе блока управления;
• силовой преобразователь для коммутации электродвигателя, расположенный в корпусе силового модуля;
• силовой преобразователь соединен с блоком управления силовым преобразователем;
• корпус блока управления и корпус силового модуля закреплены с несущим основанием.
Кроме того, корпус силового модуля снабжен кабельными вводами для соединения силового преобразователя с питающей сетью и с блоком управления силовым преобразователем.
Устройство содержит служебный источник питания, расположенный в корпусе блока управления; датчик положения выходного звена электропривода, расположенный в корпусе блока управления; литиевый элемент, расположенный в корпусе блока управления.
Корпус блока управления и корпус силового модуля выполнены с соблюдением требований взрывозащиты.
На фиг. 1 показана функциональная схема устройства управления электропривода. Фиг. 2 поясняет конструктивное устройство заявляемого устройства управления. На фиг. 3 изображено устройство управления в составе электропривода, трехмерный вид.
Позициями на чертежах обозначены: 1 – корпус силового модуля; 2 – корпус блока управления; 3 – исполнительный механизм; 4 – силовой преобразователь; 5 – электродвигатель; 6 – блок центрального процессора; 7 – блок управления силовым преобразователем; 8 – кабельное соединение; 9 – информационный блок; 10 – блок ввода – вывода и интерфейсов; 11 – блок местного управления; 12 – служебный источник питания; 13 – датчик положения выходного звена электропривода; 14 – пульт местного управления; 15 – литиевый элемент.
Устройство управления электропривода содержит корпус 1 силового модуля и корпус 2 блока управления, изготовленные с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка». Оба корпуса 1 и 2 закреплены сборочными операциями, например, крепежными соединениями или клепкой, с несущим основанием, представляющим собой корпус исполнительного механизма 3, и связаны кабельным соединением 8.
Устройство управления, электродвигатель 5 и исполнительный механизм 3 являются составными частями электропривода (фиг. 3), изготавляемого на предприятии-изготовителе. Электродвигатель 5 и исполнительный механизм 3 (редуктор) не входят в состав заявляемого устройства управления.
В корпусе 1 силового модуля расположен силовой преобразователь 4 для коммутации мощного электродвигателя 5, например 11 кВт, 18 кВт или 30 кВт. В качестве элементов силового преобразователя 4 использованы тиристоры, совместно образующие мощный тиристорный преобразователь, рассчитанный на протекание тока большой величины.
Корпус 1 силового модуля выполнен из листового металла, например, дюралюминия Д16Т по ГОСТ 17232-99, или его аналога. Корпус 1 изготовлен при помощи оборудования резки и сверления. В зависимости от мощности двигателя 5 используют тиристоры различной мощности и габаритов, которые располагают в корпусах 1 соответствующих размеров.
Управление силовым преобразователем 4 осуществляется блоком центрального процессора 6 через блок управления силовым преобразователем 7. Корпус 1 силового модуля снабжен кабельными вводами (на фиг. 3 не обозначены) для соединения силового преобразователя 4 с питающей сетью, с электродвигателем 5 и с блоком управления силовым преобразователем 7. Кабельные соединения 8 выполнены с соблюдением требований взрывозащиты и произведены при помощи известных сборочных операций.
Корпус 2 блока управления выполнен литым, например, методом литья в кокиль. Изготовление литых изделий требует большой конструкторской и технологической подготовки производства, поэтому использован серийно выпускаемый корпус 2 блока управления, производство которого налажено ранее для приводов меньшей мощности. Применение унифицированного литого корпуса 2 улучшает технологичность устройства управления привода, в котором применен мощный двигатель.
В корпусе 2 блока управления расположены следующие функциональные блоки и устройства: блок 6 центрального процессора, информационный блок 9, блок 10 ввода – вывода и интерфейсов для обмена данными с системой управления верхнего уровня, блок управления 7 силовым преобразователем, блок 11 местного управления, служебный источник питания 12, датчик положения 13 выходного звена электропривода. Указанные блоки и устройства 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13 выполнены в виде печатных плат, которые жестко закреплены между собой и корпусом 2 в соответствии с их расположением в корпусе 2 (фиг. 2) и соединены электрическими и информационными линиями связи в соответствии со схемой на фиг. 1. При этом сборочный узел печатных плат является унифицированным для приводов данной серии.
Блок 6 центрального процессора построен на микроконтроллере STM32, например STM32F429ZGT6. Серия микроконтроллеров семейства STM32 является одной из самых распространенных на текущий момент, что обеспечивает простоту и доступность производства. Блок 6 центрального процессора функционирует в соответствии с установленным программным обеспечением. Алгоритм управления обеспечивает плавный разгон электродвигателя 5 исполнительного механизма, отключение по превышению момента с его ограничением на заданном уровне, отключение по положению арматуры или при выходе арматуры в заданное положение. Блок 6 центрального процессора принимает сигналы, поступающие с блока 11 местного управления, блока 10 ввода-вывода, датчика положения 13, датчиков тока и напряжения (не показаны), обрабатывает их и формирует информационные сигналы, поступающие в блок 11 местного управления, блок 10 ввода-вывода, блок управления силовым преобразователем 7. Кроме того, блок 6 центрального процессора обрабатывает сигналы от датчиков температуры (не показаны), установленных в корпусе 2 блока управления и обмотке двигателя 5, и управляет включением и выключением нагревателя (не показан), обеспечивая термостатирование всех элементов внутри корпуса 2 на низких температурах.
Блок 6 центрального процессора оснащен энергонезависимой памятью для хранения настроек и калибровок, вне зависимости от наличия основного или резервного каналов питания.
Служебный источник питания 12 имеет широкий диапазон входного напряжения и служит для обеспечения стабилизированным напряжением блок 6 центрального процессора, блок 11 местного управления, блоки 10 ввода – вывода и интерфейсов.
Литиевый элемент 15 предназначен для питания датчика положения 13 и внутренних часов в периоды отсутствия электропитания.
Датчик положения 13 выходного звена электропривода преобразует вращение ротора электродвигателя 5 в электрические сигналы. В блоке 6 центрального процессора эти сигналы используются для определения скорости, направления движения, положения выходного звена электропривода.
С внешней стороны корпуса 2 расположен пульт местного управления 14 (фиг. 3), оснащенный дисплеем для индикации программного меню, ручками-переключателями и единичными индикаторами (на фиг. 3 не обозначены). Пульт 14 выполняет функции управления электроприводом непосредственно на месте его установки, индикации текущего режима работы электропривода, аварийных сигналов, а также вывода параметров управления электроприводом для их контроля и изменения обслуживающим персоналом.
Информационный блок 9 выполняет следующие функции:
• сбор и хранение информации о состоянии электропривода (контроль состояния переключателей пульта 14 местного управления и цепей внешнего управления, информации о напряжении сети, токе и моменте электродвигателя, скорости выходного звена, температурах в блоке управления и в электродвигателе);
• хранение расширенного журнала аварий и аварийной информации за 5 секунд до аварии с записью фактов изменения настроечных параметров, как пользовательских, так и параметров изготовителя;
• запись фактов изменения настроечных параметров, как пользовательских, так и параметров изготовителя;
• контроль включения электропривода;
• запись изменения калибровок, в том числе по положению;
• запись команд управления в состояниях дистанционного и местного управления;
• запись трендов момента во время движении по командам пользователя;
• передача накопленной информации в систему управления верхнего уровня посредством интерфейса RS-485;
• сохранение текущих параметров настроек и данных архива работы электропривода при отключении напряжения питания.
Все записи в информационном блоке 9 производятся с указанием даты и времени.
Размещение силового преобразователя 4 в отдельном корпусе 1 позволяет использовать серийно выпускаемый корпус 2 блока управления для всей линейки приводов, включая приводы управления многооборотной арматурой больших диаметров, для которых требуются большие вращающие моменты (15 000 Нм, 20 000 Нм, 32 000 Нм) и мощный двигатель (11 кВт, 18 кВт, 30 кВт).
А также размещение силового преобразователя 4 в отдельном корпусе 1 исключает нагрев электронных компонентов корпуса 2 блока управления токами большой величины. Это обусловлено тем, что оба корпуса 1 и 2 установлены на массивном металлическом корпусе исполнительного механизма 3, который поглощает все тепло от силового преобразователя 4. Тепловая волна не доходит до электронных компонентов корпуса 2, что повышает надежность их работы.
При этом корпус 1 силового модуля изготовлен с применением минимального набора оборудования механической обработки. Это снижает трудозатраты на изготовление, конструкторскую и технологическую подготовку его производства, и позволяет с высокой технологичностью изготовлять корпуса 1 разных размеров под тиристорные преобразователи 4 различных габаритов и мощности.
В результате обеспечена технологичность и надежность устройств управления приводов, в которых применен мощный электродвигатель, что позволяет расширить арсенал технических средств управления приводами.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №2 (89)
