Электропривод трубопроводной арматуры ─ устройство, предназначенное для управления арматурой и использующее для этого электрическую энергию. Слово «управление» в данном случае означает перемещение связанного с приводом запорного элемента, являющего подвижной частью затвора арматуры. Если речь идет о перемещении регулирующего элемента (регулирующая арматура с электроприводом), то обеспечивающее реализацию этого процесса устройство называют электрическим исполнительным механизмом (ЭИМ).
Электропривод трубопроводной арматуры может не только управлять запорным элементом, но и при необходимости фиксировать его в нужном положении, обеспечивая требуемую герметичность затвора.
В зависимости от того, как движется выходное звено, различают следующие виды электроприводов:
- поступательные (другое название ─ прямоходные)
- вращательные.
В свою очередь, вращательные приводы могут быть многооборотными, т. е. обеспечивающими свыше одного оборота выходного кинематического звена, и неполнооборотными (однооборотными) ─ когда выходное кинематическое звено совершает не более одного оборота.
Электроприводом с линейно перемещающимся выходным звеном управляется фактически любой клапан с электроприводом.
Многооборотным электроприводом с вращающимся рабочим звеном снаряжены задвижки, например, клиновая или шиберная задвижка с электроприводом.
Неполноповоротные электроприводы, рабочее звено которых поворачивается на 1/4 оборота (90O), управляют такой трубопроводной арматурой, как шаровой кран с электроприводом или дисковый затвор с электроприводом.
Устройство электропривода
Электропривод трубопроводной арматуры представляет собой управляемую электромеханическую систему или, другими словами, мехатронный модуль, в котором объединены взаимодействующие между собой преобразователи, система управления и устройства, обеспечивающие взаимодействие электропривода с внешними коммуникациями. Преобразователи (электрической энергии, механические и электромеханические) ─ это электродвигатель и редуктор. Внешние коммуникации ─ механические, электрические, управляющие и информационные системы.
Результатом совместной работы всех составляющих электропривода трубопроводной арматуры является управление движением подвижных частей затвора, а, значит, управление работой укомплектованной электроприводом единицы трубопроводной арматуры.
Электродвигатель
В электроприводе трубопроводной арматуры электродвигатель выполняет функцию электромеханического преобразователя, конвертирующего электрическую энергию в механическую. Для этого используют электродвигатели, рассчитанные на различное напряжение и вид электрического тока (электропривод постоянного тока, электропривод переменного тока).
Номинальные параметры питания электроприводов переменного тока, составляющих большинство среди электроприводов трубопроводной арматуры, ─ частота тока 50 Гц и напряжение 220в однофазной сети и 380 В ─ в трехфазной.
Соединение корпуса арматуры и электропривода в большинстве случаев осуществляется при помощи фланцевого устройства – т.н. фланцевый электропривод.
Крутящий момент. Редукторы. Безредукторный электропривод
Крутящий момент ─ это передаваемый через вал и приложенный к ведущему кинематическому звену момент вращения, требуемый для перемещения запирающего или регулирующего элемента и обеспечения заданной степени герметичности затвора. Максимальный крутящий момент (усилие) на выходном валу (штоке) ─ один из основных параметров электропривода. В зависимости от вида его ограничения различают электроприводы с односторонним и двусторонним ограничением крутящего момента.
Поскольку частота вращения электродвигателей, как правило, существенно выше, чем требуется трубопроводной арматуре, в состав электропривода включают редуктор, позволяющий обеспечить уменьшение частоты вращения привода и увеличение крутящего момента.
В электроприводах применяют редукторы с различными типами передач: волновые, кулисно-винтовые, планетарные, спироидные, цилиндрические, червячные и другие.
Волновой редуктор содержит цилиндрическую передачу с деформируемыми зубчатыми колесами. Планетарный редуктор снаряжен передачами с подвижными осями. Цилиндрический редуктор использует только цилиндрические зубчатые передачи. Червячный редуктор наиболее широко применяется для управления трубопроводной арматурой благодаря его способности к самоторможению.
Объединенные в одном корпусе электродвигатель и редуктор, носящие название мотор-редуктор, также используют для управления трубопроводной арматурой.
Редуктор в электроприводе означает увеличение стоимости, габаритов и массы электропривода, а также некоторое снижение КПД. Поэтому вполне объяснимо стремление исключить его из состава электропривода, сделав тот безредукторным. Реализовать эту идею можно, используя тихоходные электродвигатели или регулирующие частоту вращения т. н. вентильно-индукторные двигатели.
Система управления электроприводом
Потенциал технических возможностей современных электроприводов определяется не только параметрами электродвигателя, но и возможностями системы управления.
Система управления электроприводом отвечает за надежную и бесперебойную работу привода, регулируя все происходящие в нем процессы. В их числе: максимально эффективное преобразование электрической энергии в механическую, определение текущих значений скорости вала и крутящего момента, формирование защиты всех составляющих электропривода, поддержание коммуникаций с внешними системами, обеспечение точности позиционирования движущихся частей затвора арматуры.
Различают электроприводы с электромеханической и электронной системами управления. Появление электронного управления сделало возможным программирование работы электропривода. Программы могут храниться непосредственно в его памяти или транслироваться с центрального пункта АСУ ТП (автоматической системы управления технологическими процессами).
Наличие электронного блока не только позволяет обеспечить высокую точность работы электропривода, но и вести ее учет в форме специального архива. Например, фиксировать время открытия и закрытия затвора и подсчитывать число циклов срабатывания.
В т.ч. благодаря такому архиву возможно осуществление диагностики текущего состояния всех узлов электропривода, а при необходимости ─ подача сигнала не только об аварийной ситуации, но даже о появлении ее предпосылок.
Оснащение систем управления электроприводом
Важную функцию выполняют датчики положения ─ контактные электромеханические или бесконтактные электронные энергонезависимые.
Концевые переключатели обеспечивают отключение электродвигателя, когда движущаяся часть затвора арматуры занимает заданное положение, как правило, «закрыто» или «открыто».
Путевые переключатели при необходимости могут срабатывать в течение всего рабочего хода. В соответствии с «ГОСТ Р 55511-2013 Арматура трубопроводная. Электроприводы. Общие технические условия» погрешность их срабатывания не должна превышать 2,5% полного хода конкретного исполнения привода.
Защита электропривода от перегрузок ─ задача чрезвычайно ответственная, поскольку их последствия могут быть для конструкции привода разрушительными в буквальном смысле слова. Для предупреждения перегрузок применяют различные устройства: электромеханические ─ муфты предельного момента; биметаллические, встраиваемые в обмотку статора электродвигателя, термореле; тепловые реле.
Электроприводы обычно укомплектовывают двусторонними ограничителями крутящего момента. Но при наличии технического обоснования по согласованию с заказчиком допустимо остановиться на односторонних ограничителях. Использование ограничителей обеспечивает отключение двигателя при достижении пороговых величин крутящих моментов на выходном валу. Ограничители снаряжены блокировкой, делающей невозможным самопроизвольный повторный запуск электродвигателя.
Электропривод трубопроводной арматуры оснащается ручным дублером, задача которого ─ обеспечить управление трубопроводной арматурой при временном отсутствии электроэнергии или проведении наладочных работ. При пуске электродвигателя (подаче напряжения на электропривод) ручной дублер должен автоматически отключаться.
Переход из ручного режима в режим работы от электродвигателя может осуществляться полуавтоматически или полностью автоматически (в этом случае рычаг переключения режима не предусмотрен). Если электропривод оснащен переключателем управления «ручной/электрический», при переходе с электрического управления на ручное вал маховика должен надежно удерживаться во включенном состоянии с помощью специального устройства.
Преимущества электропривода трубопроводной арматуры
Во многом они обусловлены доступностью электрической энергии ─ самого распространенного, очень удобного в использовании и хранении вида энергии, которую отличают простота и гибкость доставки к месту потребления (электрическая сеть сравнительно мало зависит от влияния внешних факторов).
Очень важно и то, что электроприводы обладают широкой гаммой функциональных возможностей. Их можно использовать для управления всеми типами арматуры, а при монтаже допустимо устанавливать в любом рабочем положении.
Наличие огромного количества конструкций и модификаций, широкий диапазон размеров, мощности и цен всех составных частей электроприводов ─ электродвигателей, редукторов и других устройств ─ дает возможность выбрать оптимальный вариант для трубопроводных систем любого назначения и размеров.
Электропривод позволяет организовывать высокоэффективные автоматизированные системы управления технологическими процессами.
Электроприводом легко управлять дистанционно, поэтому он хорошо подходит для использования в самых протяженных и сложных по конфигурации трубопроводных системах.
Системы управления электроприводом оперативны: электрический сигнал передается мгновенно, и промежуток между получением команды и началом ее реализации сведен к минимуму.
На экономические показатели использования электропривода положительно влияют высокий коэффициент полезного действия электродвигателей и то, что в электроприводе электроэнергия используется только в процессе выполнения работы.
Экономическая целесообразность использования электроприводов тем выше, чем больше площадь, на которой установлена трубопроводная арматура, и чем больше расстояние от пульта управления до управляемой арматуры.
Установка электропривода возможна непосредственно на трубопровод или на некотором отдалении от него. Монтаж электропривода на арматуру с ручным приводом в большинстве случаев не требует проведения работ по ее модификации.
Электропривод (а сегодня все чаще ─ автоматизированный электропривод) уже долгое время остается энергетической основой механизации и автоматизации большинства производственно-технологических процессов, потребляя более половины всей используемой в народном хозяйстве электроэнергии. Именно электропривод в значительной степени определяет производительность и технические возможности основной части промышленного оборудования.
Доступность электроэнергии и удобство обращения с ней предопределили повсеместное широкое использование электропривода для механизации и автоматизации управления всеми типами трубопроводной арматуры, включая задвижки, затворы, краны, клапаны.
Интересно, что если в общемировом производстве приводов трубопроводной арматуры доля электроприводов оценивается примерно в 50%, то в России она как минимум в полтора раза выше.
