Электрические исполнительные механизмы

(Продолжение. Начало в Методичках № 1 и № 2 за 2006 год)

В соответствии с ГОСТ 14691-69 «Устройства исполнительные для систем автоматического регулирования» электрические исполнительные механизмы (далее ЭИМ) определяются как исполнительные механизмы, использующие электрическую энергию.

ЭИМ предназначены для перемещения регулирующих органов исполнительных устройств в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств.

ЭИМ перемещают рабочие органы запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, обеспечивают функционирование регулирующих устройств: задвижек, заслонок, затворов, клапанов, шиберов, шаровых кранов, отсекателей и т. д. в системах автоматического регулирования технологических процессов в различных отраслях промышленности. Они применяются также в процессах дистанционного открытия-закрытия ворот, дверей, люков, вентиляционных каналов и т. д.

Принцип работы ЭИМ заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу.

Механизмы устанавливаются вблизи или на регулирующих органах и связываются с ними посредством тяг, рычагов, шпинделей, штоков или других силовых конструкционных элементов.

Для работы в системах автоматического регулирования ЭИМ, называемые также электроприводы, часто содержат дополнительные блоки или датчики обратной связи (датчики положения, дающие информацию о положении выходного элемента исполнительного механизма, и блоки концевых выключателей), промежуточные выключатели для сигнализации в определенном положении исполнительных устройств, запуска или остановки дополнительного оборудования и т. п.

В зависимости от назначения арматуры (запорная или регулирующая), электроприводы оснащаются различными блоками сигнализации положения. В электроприводах для запорной арматуры обычно достаточно наличия концевых и моментных выключателей. Для запорно-регулирующих, регулирующих приводов, помимо концевых и моментных выключателей, часто требуется блок сигнализации положения, т. е. положение арматуры представляется в виде непрерывного сигнала. В различных типах приводов положение хода штока может передаваться в виде реостатного, индуктивного или токового сигнала. Как правило, большинство приводов имеют токовый блок положения (диапазон изменения сигнала 4…20 мА).

Электроприводы выпускаются как в общепромышленном, так и во взрывозащищенном исполнении.

Для настройки или управления в экстренной ситуации электроприводы снабжают ручными дублерами.

По характеру движения выходного элемента электроприводы обычно классифицируются на:

• поворотные (выходной элемент вращается по дуге до 360о), для управления шаровыми кранами и поворотными дисковыми затворами
• многооборотные (выходной элемент вращается более 360о), для управления шиберными и клиновыми задвижками
• прямоходные (выходной элемент перемещается поступательно), для управления клапанами любых типов.

Наиболее часто в отечественной практике применяются электроприводы следующих производителей:

Отечественные:

• ОАО «ЗЭиМ» г. Чебоксары
• ЗАО «Тулаэлектропривод» 301114, Тульская обл., Ленинский р-он, пос. Плеханово
• ООО «Научно-производственное предприятие Томская электронная компания» (ООО НПП «Томская электронная компания», ООО «НПП ТЭК»),
• ООО НПО «Сибирский Машиностроитель» (ООО «Сибмаш»)

Зарубежные:

• AUMA
• BIFFI
• Hartmann & Braun
• Honeywell
• Kromshcroder
• REGADA (Словакия)
• ROTORK
• Siemens
• и другие

Упрощенная кинематическая схема ЭИМ представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Упрощенная кинематическая схема ЭИМ

В зависимости от типа электроприводы могут состоять из следующих основных узлов:

1 – электродвигатель

2 – силовой редуктор с главной понижающей передачей, например,

3 – червячная пара (как пример силовой передачи)

4 - блок сигнализации положения выходного вала, который может содержать:

5 – реостатный датчик положения,

6 – концевые выключатели, нажатие на которые осуществляют

7 – кулачки концевых выключателей, кинематически связанные с выходным валом механизма,

8 – узел преобразования вращения выходного вала, который может быть представлен как

9 – шариковинтовой парой для прямоходных механизмов или

10 – рычагом или коромыслом для поворотных механизмов и

11 – ручной привод со своей передачей и механизмами блокирования/деблокирования ручного привода.

ЭИМ работает следующим образом. При подаче напряжения питания на электродвигатель 1 исполнительного механизма, ротор последнего начинает вращаться. Через силовой редуктор 2 с главной понижающей передачей, например червячной 3, вращение от электродвигателя передается на выходной вал механизма, при этом благодаря большому передаточному отношению, частота вращения выходного вала механизма понижается, а момент на выходном валу механизма возрастает. Закрепленные на выходном валу рычаг 10 или механизм преобразования вращательного движения в поступательное 9, приходят в движение и, при соединении их со штоком, например, клапана, перемещают последний. При снятии напряжения с электродвигателя, ротор электродвигателя с некоторым выбегом, останавливается и движение выходного вала механизма прекращается. При реверсе электродвигателя, кинематически связанный с ротором электродвигателя выходной вал механизма приходит во вращение в обратном направлении, а при остановке электродвигателя, так же останавливается и выходной вал механизма.

Силовая передача и силовой редуктор, как уже отмечалось, имеют, как правило, большое передаточное отношение, благодаря чему силовая передача обладает свойством самоторможения и любые моменты или усилия, прикладываемые со стороны выходного вала, не приводят к вращению валов механизма. Выходной вал исполнительного механизма, таким образом, сохраняет свое положение при отсутствии сигналов управления и обесточенном электродвигателе.

Очевидно, что в этом случае исполнительный механизм представляет собой разновидность интегратора, который суммирует и сохраняет управляющие воздействия. Для контроля положения выходного вала механизмы оснащаются блоками сигнализации 4, которые могут содержать датчики положения 5 и концевые микровыключатели 6, которые так же кинематически связаны с главной силовой передачей механизма, благодаря чему обеспечивается достоверная информация о положении выходного вала механизма и его промежуточных положениях. Для перемещения выходного вала механизма без подачи напряжения на электродвигатель, что бывает необходимо при монтаже, пусконаладочных работах и при парировании аварийных ситуаций, электроприводы оснащаются ручными дублерами 11, которые могут быть либо постоянно подключенными к главной передаче механизма, либо подключаться через соответствующие механизмы блокирования/деблокирования ручного привода.

На упрощенной кинематической схеме рис. 1 показаны не все возможные функциональные узлы современных электрических исполнительных механизмов. В зависимости от конструкции привода исполнительные механизмы могут содержать ограничители моментов и усилий (так называемые моментные муфты), компенсаторы линейных расширений, антиконденсационные или антиморозные обогреватели, тормоза для ограничения величины выбега выходного вала и предотвращения его перемещения от усилия регулирующего органа при отсутствии напряжения на электродвигателе и целый ряд других узлов и элементов.

Современные, так называемые «интеллектуальные электроприводы» дополнительно могут содержать электронные блоки для управления и диагностики работоспособности механизмов, связи их с системами контроля и управления более высокого уровня, локальные регуляторы, сигнализаторы, кнопки и ключи для местного дистанционного и автоматического управления. Следует так же отметить, что отечественная и зарубежная промышленность выпускают наборы функциональных узлов исполнительных механизмов: редукторы, электродвигатели, блоки конечных выключателей, ручные приводы, блоки индикации, встраиваемые микроконтроллеры, функциональную электронику. Эти функциональные узлы исполнительных механизмов позволяют создавать проектно-компонуемые изделия по составу, которые, в свою очередь, могут в зависимости от требований конкретного применения иметь комплектацию от самой простой до самой сложной.

На рисунках 2…5 представлены внешние виды и краткие описания некоторых электрических исполнительных механизмов.

Рисунок 2. Исполнительный механизм МЭО-6,3/10-0,25-01

(производство ОАО “ЗЭиМ” г. Чебоксары, Россия)

Состав механизма: электродвигатель синхронный, редуктор червячный, ручной привод, блок сигнализации положения реостатный БСПР или индуктивный БСПИ или токовый БСПТ или блок концевых выключателей БКВ, рычаг.

Рисунок 3. Многооборотный электропривод с электромеханической системой управления Гусар-МВ М.В.И12.50.28.У1 (производство – ООО НПО «Сибирский Машиностроитель» г. Томск, Россия)

Состав механизма: электродвигатель асинхронный, редуктор волновой с промежуточными звеньями, ручной привод, электромеханический модуль управления для обеспечения любых заданных крутящих моментов на открытие и закрытие запорной арматуры, электромеханическая перестраиваемая муфта ограничения крутящего момента, местный указатель положения запорного органа арматуры, муфта включения ручного дублера.

Рисунок 4. Электропривод прямоходный ST 0 (ELECTRIC LINEAR ACTUATOR) (производство – REGADA , Словакия)

Стандартное оснащение: цилиндрический редуктор, напряжение 230 VAC или 24 VDC, подключение через клеммы, местный указатель положения, ручной дублер, присоединение вертикальное.

Рисунок 5. Интеллектуальный электропривод ICON2000

(производство – BIFFI, Италия)

В базовую версию включены: червячный WGR-редуктор для клапанов в четверть оборота или BGR-редуктор с конической зубчатой передачей или SGR-редуктор с прямозубой цилиндрической зубчатой передачей или L-редуктор для линейных приводов, автоматическая коррекция фазы, корректировка пропуска фазы, термостат мотора, защита заклинившего клапана, 4 дистанционных выходных контакта, защита от эффекта молотка, защита от мгновенного реверса, предупредительная сигнализация по превышению усилия, местный пост дистанционного управления и индикации.

Технические характеристики электрических исполнительных механизмов

ЭИМ как продукция промышленно-технического назначения имеет, как правило, специфицированные и занесенные в паспорт каждого изделия технические характеристики, определяющие возможности и условия применения электроприводов. Эти характеристики можно разделить на основные и дополнительные, отметив вместе с тем, что такое деление технических характеристик достаточно условно и для многокомпонентных и многофункциональных изделий, которыми являются электроприводы, любое ранжирование технических характеристик должно подчиняться в первую очередь условиям применения.

В нашем случае разделение характеристик на основные и дополнительные также условно, но вместе с тем оно (это разделение) должно помочь нам приблизиться к описанию электрических исполнительных механизмов как объектов управления.

К основным техническим характеристикам, которые приводятся в технической документации и являются определяющими при выборе исполнительного механизма, можно отнести:

• исполнение (в зависимости от конструкции электропривода, характера движения и вида выходного органа, способа установки и т. п.);
• назначение;
• уровень взрывозащиты;
• уровень защиты от проникновения влаги и пыли или степень защиты от попадания твердых частиц (пыли) и воды (IP);
• климатическое исполнение (рабочая температура);
• рабочее положение механизма;
• номинальный крутящий момент на выходном валу;
• номинальное время полного хода выходного вала;
• номинальное значение полного хода выходного вала;
• потребляемая мощность;
• масса;
• диапазон настройки путевых выключателей (обороты);
• диапазон настройки моментных выключателей;
• точность срабатывания путевых выключателей (град);
• точность срабатывания моментных выключателей.

К дополнительным техническим характеристикам электроприводов можно отнести:

• напряжение и частота питания;
• тип электродвигателя;
• тип редуктора;
• тип тормоза (при наличии);
• тип ручного привода;
• наличие и тип блок сигнализации, положения;
• режим работы механизма, частота включений в час при заданной продолжительности включений (ПВ);
• максимальная частота включений в час при заданной ПВ;
• допускаемый уровень шума при работе электропривода;
• тип управляющего устройства при контактном и бесконтактном управлении (как рекомендация);
• рабочее положение электропривода в пространстве;
• способ ввода и подключения соединительных проводов и кабелей (плата, клеммный соединитель или электрический разъем);
• опционные особенности электропривода:

1. наличие электрических ограничителей хода или угла поворота;
2. наличие ограничителя усилия или момента;
3. термозащита электродвигателя от перегрева;
4. дополнительные узлы и приспособления для закрепления на арматуре;
5. противоконденсационный нагреватель (особо актуально для арматуры, устанавливаемой на открытом воздухе вне помещений);
6. наличие встроенной в электропривод электроники, позволяющей характеризовать исполнительный механизм как интеллектуальный привод.

Интеллектуальные приводы, благодаря встроенной электронике, позволяют существенным образом увеличить функциональность привода с широким набором функций по настройке и управлению приводом, что особенно полно проявляется в составе регулирующей арматуры.

Интеллектуальные приводы для трубопроводной арматуры позволяют обеспечивать:

• управление приводом (автоматическое от системы и дистанционное с местного поста управления или удаленного пульта управления);
• прием и передачу данных;
• блокировки;
• предупредительную сигнализацию;
• защитное отключение и управление;
• индикацию;
• настройки привода;
• регистрацию;
• регулирование температуры приборного отсека или механизма;
• просмотр переменных состояния привода по функции Регистрация.

Технические характеристики ЭИМ можно найти на сайтах производителей. Здесь мы приведем только таблицу заменяемости электрических приводов применительно к отечественной трубопроводной арматуре.

Таблица заменямеости электрических приводов применительно к отечественной трубопроводной арматуре

Тип трубопроводной арматуры	Крутящий момент, (Н.м)	Regada, Словакия	ЗэиМ, Чебоксары	Электропривод, Тула
Прямоходные электроприводы
Регулирующие клапаны всех заводов: "Армагус", 25ч945п Ду25-Ду125 Задвижки под электропривод Ду25-300: 30с941нж, 30ч9066к, МА 11024, ЗКЛПЭ-64, 30с947нж, 30с999нж Вентили под электропривод: 14с917ст, 15нж916нжМ	320 - 3200	ST0	МЭП-800/25-20 МЭП-1250/63-40 МЭП-1600/125-40	нет аналогов
	2500 - 7500	ST0.1, ST1	МЭП-2500/125-20 МЭП-6300/50-40	нет аналогов
	10000 - 25000	KT2, MT	МЭП-16000/200-100 МЭП-20000/240-120 МЭП-25000/100-50	нет аналогов
Однооборотные электроприводы
Шаровые краны: "СПЛАВ", "ПРИС", "ГИРАС", "Тяжпромарматура"; Затворы дисковые: "АРМАТЭК", "Семеновский арматурный завод" 32КЧ915бк	63	SP1	МЭО40/63-0.25	ПК-50-С(Ш)-11-3
	90 - 150	SP2	МЭО100/63-0.25	ПК-150-С(Ш)-3.22
	120-300	SP2.3	МЭО250/63-0.25	ПК-250-С(Ш)-30
	300 - 630	SP2.4	МЭО630/63-0.25	ПК-630-С(Ш)-25
	500 - 1200	нет аналогов	МЭО1600/63-0.25	ПК-1000-С(Ш)-25
Многооборотные электроприводы
30ч906бк, 30ч915бр, 32ч916бр, 30ч930бр, 30с936бр, 30ч947, 31ч959нд, 31ч917бк, 31ч912бк, 30с942нж, ЛА11055, 30с941нж, МА 11024, ЗКЛПЭ-64, 32с908рМ, 30с947нж, 31с942р, 30с999нж, 30с915нж, МА 11	10 - 25	SО2, МО	МЭМ-16/63-10	Н-М01-08
	20 - 60	SО2, МО	МЭМ-16/63-10	Н-А 01-05
	40 - 120	SО2, МО	МЭМ-100/160-25	Н-А 07-11
	100 - 250	МО52 032	нет аналогов	Н-Б 01-18
	200 - 500	МО52 033		Н-В 01-12
	400 - 1000	МО52 035		Н-В 14-37
	1000 - 2000	МО52 036		Н-Г 01-24

(Продолжение следует)