Полное руководство по электроприводу клапана: определение, принципы работы, типы и компоненты

Электроприводы клапанов — это устройства, работающие от электричества и предназначенные для перемещения или управления клапаном.

В отличие от пневматических приводов, которые работают на сжатом воздухе (и, следовательно, подвержены колебаниям давления), электрические приводы работают на электричестве, обеспечивая более последовательное и точное управление.

Это делает их идеальными для применений, требующих точного позиционирования или там, где важны небольшие изменения расхода (например, дозирование в химических процессах).

1. Как Электроприводы клапанов Работа

Если вы никогда не слышали о приводах и вам интересно, как они работают, это просто устройства, преобразующие энергию в механическое движение.

В частности, электрические приводы клапанов преобразуют электрическую энергию для инициирования движения и позиционирования клапана. 

Процесс начинается с входного сигнала, который может быть либо цифровым (вкл/выкл), либо аналоговым (например, диапазон 4-20 мА). Этот сигнал сообщает приводу, насколько открыть или закрыть клапан

После получения сигнала включается электродвигатель внутри привода, генерирующий движение.

Обычно это движение быстрое, но недостаточно мощное, чтобы напрямую перемещать большие, тяжелые промышленные клапаны. зубчатый механизм поглощает и распределяет образующиеся механические помехи, замедляя скорость двигателя и увеличивая крутящий момент.

Наконец, движение передается штоку клапана, который либо вращается, либо перемещается линейно, регулируя положение клапана:

1. Вращательное движение: Предполагает поворот штока клапана, обычно на 90° или 180°, и обычно используется с шаровыми, поворотными и пробковыми кранами.
2. Линейное движение: Подразумевает перемещение штока клапана по прямой линии, что характерно для задвижек или шаровых кранов, которым для регулирования потока требуется движение вверх-вниз.

Обратите внимание, что современные электрические приводы иногда могут объединять эти движения или преобразовывать их. вращательное движение в линейное движение с использованием специальных систем передач.

2. Типы электроприводов клапанов

Линейные электрические актуаторы

Эти приводы производят прямолинейное движение (вверх-вниз или внутрь-наружу). Но как работает линейный привод?

Это движение обычно производится ходовым винтом или шарико-винтовым механизмом, где двигатель вращает винт, перемещая шток вверх или вниз. Конечно, сила тяги (т. е. величина линейной силы) должна быть достаточно высокой, чтобы эффективно перемещать шток клапана, не перегружая привод.

Как обсуждалось, линейный привод клапана идеально подходит для клапанов, требующих линейного перемещения, таких как шаровые краны и тяжелые задвижки.

Лучше всего они работают в следующих областях:

1. Точный контроль потока: Благодаря своей способности перемещаться небольшими пошаговыми шагами линейные приводы обеспечивают точное управление положением клапана.
2. Тяжелые условия эксплуатации: Они идеально подходят для больших клапанов, для открытия и закрытия которых требуется значительное усилие (например, шаровые клапаны для дросселирования и регулирования потока).
3. Высокоточные промышленные приложения: Они широко распространены в таких местах, как станции очистки воды или химическая переработка.

Однако они могут оказаться неподходящими, если вас беспокоят следующие моменты:

1. Скорость: Линейные приводы, как правило, работают медленнее по сравнению с поворотными приводами и могут оказаться неподходящими, если вашей системе требуется быстрая смена клапанов.
2. Требования к размеру и пространству: Для очень больших клапанов привод должен быть очень прочным, что может занять больше места и быть тяжелее.

Приводы поворотных клапанов

Как следует из названия, привод поворотного клапана создает вращательное движение, которое поворачивает шток клапана (обычно на определенный угол), открывая или закрывая клапан.

Вместо силы тяги, на которую полагаются линейные приводы, вращательные приводы требуют выходного крутящего момента. Это просто относится к вращательной силе, которую привод может приложить для поворота штока клапана.

Так где же они лучше всего подходят?

1. Высокоскоростные системы: Поворотные приводы, как правило, быстрее линейных приводов с точки зрения открытия/закрытия клапанов, что идеально подходит для нефте- и газопроводов.
2. Компактный дизайн: Эти приводы обычно более компактны и легки, что дает преимущество в условиях ограниченного пространства, где применение более крупных приводов было бы нецелесообразно.
3. Применения общего назначения: Они широко используются там, где требуется лишь ограниченный диапазон движения (обычно 90°), как правило, в приложениях с шаровыми кранами или поворотными затворами.

Возвращаясь к «повороту на определенные углы», поворотные приводы далее делятся на две категории: многооборотные приводы и четвертьоборотные приводы.

Многооборотные приводы

А многооборотный электропривод предназначен для управления клапанами, которым требуется более одного полного оборота для перехода из полностью закрытого в полностью открытое положение. При этом он обычно используется с задвижками и шаровыми кранами.

К основным преимуществам многооборотных приводов можно отнести следующее:

1. Высокий крутящий момент: Они могут генерировать огромное усилие для поворота более крупных и тяжелых штоков клапанов.
2. Подходит для густых жидкостей и трубопроводов высокого давления: Когда шток клапана становится трудно вращать из-за высокого давления или вязкой среды, эти приводы отлично справляются с поддержанием надежной работы.
3. Хорошо подходит для модулируемых режимов работы: Они позволяют выполнять точную пошаговую регулировку положения клапанов, гарантируя точный расход или контроль давления без риска перерегулирования.

Однако у них также есть свои недостатки, в том числе:

1. Многооборотные приводы обычно больше и тяжелее четвертьоборотных, что может быть невыгодно в условиях ограниченного пространства.
2. Из-за своей конструкции многооборотные не самые быстрые. Они обычно работают медленнее, что делает их менее подходящими для срочных операций или аварийных систем.

Четвертьоборотные приводы

В отличие от многооборотных приводов, которые допускают непрерывное вращение, четвертьоборотные приводы механически ограничены 90°, что обеспечивает быстрое срабатывание клапана, что подходит для применений, включающих шаровые краны, поворотные затворы и пробковые краны.

Помимо быстроты срабатывания, к другим преимуществам четвертьоборотных приводов относятся:

1. Компактный дизайн: Меньшие размеры по сравнению с многооборотными или линейными приводами позволяют легче интегрировать их в ограниченные пространства.
2. Экономическая эффективность: Они, как правило, более доступны по цене из-за своей простой конструкции и ограниченного диапазона движения.
3. Не требует обслуживания: Благодаря меньшему количеству движущихся частей и использованию самосмазывающихся механизмов они могут работать с максимальной производительностью в течение длительного времени без частого обслуживания.

Однако их не следует использовать для регулирования расхода (они плохо справляются с точной регулировкой) или в случаях, когда вы имеете дело с крупногабаритными клапанами, рассчитанными на высокое давление или большие объемы потока.

3. Компоненты электроприводов клапанов

Электродвигатель

Электродвигатели являются основными компонентами привода, поскольку они генерируют механическую силу (вращательное или линейное движение), необходимую для перемещения клапанов. Они могут быть одного из следующих типов:

1. Двигатель переменного тока: Подходит для тяжелых условий эксплуатации, требующих стабильной производительности.
2. Двигатель постоянного тока: Распространено в компактных или маломощных приложениях
3. Серводвигатель: Используется в современных приводах

The двигатель с короткозамкнутым ротором, тип двигателя переменного тока, обычно используется в промышленных условиях из-за его долговечности и минимальных потребностей в обслуживании. Он состоит из ротора в форме беличьей клетки, что делает его простым и эффективным для непрерывной работы.

Для опасных сред, где существует риск взрыва, используются взрывозащищенные двигатели.

Номинальная мощность двигателя (обычно выражается в л.с. или кВт) определяет способность привода работать с клапанами разных размеров и большими нагрузками.

Коробка передач

Редуктор передает движение от двигателя к клапану, преобразуя высокоскоростной выходной сигнал двигателя с низким крутящим моментом в низкоскоростное движение с высоким крутящим моментом, необходимое для работы клапана.

Наиболее распространенным типом является червячный редуктор, имеющий винтовую структуру со спиральной резьбой, которая входит в зацепление с зубчатым колесом (шестерней). Он является самоблокирующимся, что означает, что при выключении двигателя привода клапан остается на месте без необходимости использования дополнительных запорных механизмов.

Другой тип — конический редуктор, имеющий коническую форму и зубья, нарезанные под углом, чтобы шестерни могли входить в зацепление под углом 90 градусов. Эти редукторы, как правило, более громоздкие, чем червячные редукторы, но обеспечивают более эффективную передачу мощности для определенных применений.

Наконец, планетарные редукторы состоят из центральной «солнечной» шестерни, которая зацепляется с несколькими «планетарными» шестернями, вращающимися вокруг нее, с окружающей «кольцевой» шестерней. Что в них лучше всего? Они компактны, но все еще могут выдавать высокий крутящий момент (т. е. высокое отношение крутящего момента к размеру).

Механизм обратной связи

Механизм обратной связи, часто использующий датчики, отслеживает положение клапана по мере его движения. Он сравнивает положение привода с управляющим сигналом, отправленным на него, и предоставляет обновления в реальном времени обратно в блок управления, чтобы гарантировать, что клапан находится в правильном положении.

Концевые выключатели играют здесь решающую роль, подавая физический сигнал, когда привод достигает полностью открытого или закрытого положения.

Обратная связь может иметь различную форму — аналоговую (например, с использованием потенциометров) или цифровую (например, с использованием энкодеров), в зависимости от требуемой сложности и точности.

В некоторых современных системах механизм обратной связи может включать самокалибровка функции, при которых система может автоматически настраиваться и выравниваться, сводя к минимуму ручное вмешательство.

Датчики крутящего момента и тяги

Эти датчики отслеживают вращательное усилие (крутящий момент) или линейное усилие (тягу), приложенное к клапану, регулируя движение привода для предотвращения перегрузки или повреждения клапана или компонентов привода.

Кроме того, рабочий цикл является важным фактором при мониторинге непрерывной работы этих датчиков. Он относится к тому, как долго привод может работать при полной нагрузке, прежде чем потребуется период охлаждения.

Блок управления

The система управления приводом или блок обрабатывает входной сигнал и соответственно направляет двигатель привода для перемещения клапана в желаемое положение. Проще говоря, он действует как мозг привода.

Для более простых систем блок управления может быть спроектирован для работы с базовыми переключателями для подачи простых команд включения/выключения на исполнительный механизм.

В более сложных системах блок управления может подключаться к программируемым логическим контроллерам (ПЛК). ПЛК позволяют управлять несколькими исполнительными механизмами одновременно, выполнять более сложные задачи и подключать исполнительную систему к другим частям завода для плавного общего управления.

С помощью ПЛК вы также можете получить доступ к таким интеллектуальным функциям, как мониторинг производительности, удаленное устранение неисправностей и плановое обслуживание, а также интеграцию в экосистемы Интернета вещей. 

Однако локальное управление остается ценным, поскольку позволяет операторам вручную регулировать настройки привода непосредственно на месте.

Механизм ручного управления

Это резервный метод управления, который позволяет вам вручную управлять приводом в случае неисправности (т. е. при наличии симптомов неисправности привода) или при отсутствии автоматизированного управления. В результате операции могут продолжаться даже в случае отказа автоматизированной системы.

Механизм отказоустойчивости

Это функция безопасности, предназначенная для автоматического перевода системы в безопасное состояние в случае сбоя, например отключения питания или неисправности компонента. 

При отключении электропитания резервные аккумуляторные системы обеспечивают питание привода, в то время как пружинные возвратные механизмы автоматически переводит клапан в положение по умолчанию или безопасное положение, например, полностью открытое или полностью закрытое.

Заключение

К настоящему моменту вы видите, что электроприводы клапанов являются незаменимыми средствами для точного управления клапанами, мониторинга и, что самое важное, обеспечения безопасности как для операций, так и для всех, кто находится на рабочем месте.
Если вы хотите узнать больше об электроприводах и о том, как они могут вписаться в ваш текущий проект, не стесняйтесь позвоните нам и поговорите с одним из наших экспертов.

Ссылка

Электрический привод

Электропривод клапана – как он работает