предохранительное приводное устройство для задвижки или клапана

Формула изобретения

1. Предохранительное приводное устройство (10), содержащее контур (12) аварийной защиты для возврата в заданное положение, обеспечивающее безопасность задвижки (16) или клапана для управления объемным расходом газа или объемным расходом текучей среды, причем указанное устройство (10) содержит также

привод (14) исполнительного механизма с управляемым электродвигателем (28),

блок (18) питания электродвигателя (28),

емкостной накопитель (20) энергии, содержащий, по меньшей мере, один конденсатор (C1, C2),

управляемый энергетический модуль (46), который или заряжает емкостной накопитель (20) энергии от блока (18) питания или разряжает указанный емкостной накопитель (20) на электродвигатель (28), чтобы привести электродвигатель (28) в действие, и

блок (52) мониторинга, который подключен к указанному конденсатору (C1, C2) и содержит последовательный контур, состоящий из резистора (R1, R2) и управляемого ключа (S3, S4), замыкаемого при проверке в индивидуальном порядке работоспособности указанного конденсатора путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкостной накопитель (20) энергии содержит, по меньшей мере, один двухслойный конденсатор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что энергетический модуль (46) представляет собой часть преобразователя (22) энергии и выполнен с возможностью работать как преобразователь постоянного тока, обеспечивающий режим (44') переключения с понижением, который понижает выходное напряжение относительно входного напряжения, и режим (44") переключения с повышением, который повышает выходное напряжение относительно входного напряжения от накопителя (20) энергии.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок (18) питания подсоединен к электродвигателю (28) через промежуточную цепь (36), преобразователь (22) энергии подсоединен к промежуточной цепи (36), в преобразователе (22) энергии соединены последовательно первый управляемый ключ (S1) с шунтирующим его первым диодом (D1) и второй управляемый ключ (S2) с шунтирующим его вторым диодом (D2), а между выходом промежуточной цепи (36) и точкой соединения двух ключей (S1, S2) включен последовательный контур, содержащий емкостной накопитель (20) энергии и индуктор (L1).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляемые ключи (S1, S2) выполнены в виде ключей (FET1, FET2) на полевых транзисторах.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено с возможностью измерения емкости и внутреннего сопротивления указанного конденсатора (С1, С2) путем:

замыкания на короткое время управляемого ключа,

определения емкости конденсатора (С1, С2) посредством измерения разницы напряжений до и после разрядки и

определения внутреннего сопротивления конденсатора (С1, С2) посредством измерения напряжения на указанном конденсаторе (С1, С2) перед замыканием и после замыкания управляемого ключа и использования указанного резистора (R1).

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкостной накопитель (20) энергии содержит конденсаторы (C1, C2), которые соединены последовательно и/или параллельно.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что при параллельном включении конденсаторов к ним подключен блок (52) мониторинга, а при последовательном включении конденсаторов (C1, C2) к каждому конденсатору подключен блок (24) мониторинга и балансировки, который содержит последовательный контур, состоящий из резистора (R1, R2) и управляемого ключа (S3, S4), выполненного с возможностью замыкания для периодической проверки в индивидуальном порядке работоспособности конденсатора (C1, C2) путем измерения его емкости и внутреннего сопротивления.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выполнено с возможностью измерения емкости и внутреннего сопротивления указанного конденсатора (C1, C2) путем:

замыкания на короткое время управляемого ключа,

определения емкости конденсатора (C1, C2) посредством измерения разницы напряжений до и после разрядки и

определения внутреннего сопротивления конденсатора (C1, C2) посредством измерения напряжения на указанном конденсаторе (C1, C2) перед замыканием и после замыкания управляемого ключа и использования указанного резистора (R1).

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляемые ключи (S1, S2) преобразователя (22) энергии и управляемые ключи (S3, S4) блока (52) мониторинга и/или блока (24) мониторинга и балансировки активируются микроконтроллером (26).

11. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что электродвигатель (28) приводится в действие активирующим контуром, подключенным к микроконтроллеру (26) по микропроцессорной шине (39).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что активизирующий контур выполнен как специализированная интегральная схема (30).

13. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в промежуточную цепь (36) включен диод (53), который препятствует прохождению тока к блоку (18) питания, когда емкостной накопитель (20) энергии разряжается на электродвигатель (28).

14. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в промежуточную цепь (36) включен датчик (42) для детектирования падения напряжения в промежуточной цепи (36).

15. Способ гарантированного возврата в заданное положение задвижки (16) или клапана для управления объемным расходом газа или текучей среды в случае отказа электропитания или падения напряжения с использованием предохранительного приводного устройства, выполненного по п.1, включающий операции:

в режиме нормальной работы электрический ток, который используется также для питания электродвигателя (28), преобразуют до относительно низкого потенциала посредством энергетического модуля (46), работающего как преобразователь энергии в режиме понижения, и накапливают энергию в емкостном накопителе (20) энергии, а,

если напряжение падает ниже предварительно выбранного значения или происходит отказ электропитания, электрическую энергию, накопленную в емкостном накопителе (20) энергии, содержащем, по меньшей мере, один конденсатор (C1, C2), преобразуют посредством того же энергетического модуля (46) 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.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что переменный ток с частотой предпочтительно 50-60 Гц преобразуют на входе в постоянный ток и подают через энергетический модуль (46) к емкостному накопителю (20) энергии.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что наибольшее изменение напряжения между относительно низким и относительно высоким потенциалами составляет, по меньшей мере, около 20-40 В.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что в режиме понижения микроконтроллер (26) посредством аналогового входа (АI1) измеряет напряжение на накопителе (20) энергии и через цифровой выход (DO1) подает сигнал (48) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал) на управляемый ключ (S1) энергетического модуля (46).

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что в режиме повышения микроконтроллер (26) посредством аналогового входа (AI2) измеряет напряжение на промежуточной цепи (36) между блоком (18) питания и электродвигателем (28) и через цифровой выход (DO2) подает ШИМ-сигнал на управляемый ключ (S2) энергетического модуля (46).

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что используют энергетический модуль (46), который содержит последовательный контур, состоящий из первого управляемого ключа (S1) с шунтирующим его первым диодом (D1) и второго управляемого ключа (S2) с шунтирующим его вторым диодом (D2), а между выводом промежуточной цепи (36) и точкой соединения двух ключей (S1, S2) включают последовательный контур, содержащий емкостной накопитель (20) энергии и индуктор (L1), при этом во время протекания свободного тока (I2 или I4) через диод (D2 или D1) при разомкнутом ключе (S1 или S2) замыкают другой ключ (S2 или S1) в контуре.

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что используют емкостной накопитель (20) энергии, содержащий конденсаторы (C1, C2), при этом потенциал конденсаторов (C1, C2) измеряют периодически в индивидуальном порядке и, по меньшей мере, частично разряжают конденсаторы с завышенным напряжением.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что в случае последовательного включения конденсаторов (C1, C2) емкостного накопителя (20) энергии проводят балансировку напряжения.

23. Способ по п.15, отличающийся тем, что при измерении емкости и внутреннего сопротивления указанного конденсатора (C1, C2):

на короткое время замыкают ключ (S3, S4) и разряжают указанный конденсатор (C1, C2);

измеряют напряжение до и после замыкания указанного ключа (S3, S4) и, используя разрядный резистор R1, определяют внутреннее сопротивление указанного конденсатора (С1, C2);

измеряют разность напряжения на конденсаторе (C1, C2) до и после разрядки для определения его емкости.

24. Предохранительное приводное устройство (10), содержащее контур (12) аварийной защиты для возврата в заданное положение, обеспечивающее безопасность задвижки (16) или клапана для управления объемным расходом газа или объемным расходом текучей среды, причем указанное устройство (10) содержит также:

привод (14) исполнительного механизма с управляемым электродвигателем (28),

блок (18) питания электродвигателя,

емкостной накопитель (20) энергии, содержащий, по меньшей мере, один конденсатор (С1, C2),

преобразователь (22) энергии, выполненный с возможностью работать как преобразователь постоянного тока, обеспечивающий режим (44') переключения с понижением, который понижает выходное напряжение относительно входного напряжения, и режим (44") переключения с повышением, который повышает выходное напряжение относительно входного напряжения от накопителя (20) энергии, и содержащий управляемый энергетический модуль (46), который или заряжает емкостной накопитель (20) энергии от блока (18) питания или разряжает указанный емкостной накопитель (20) на электродвигатель (28), чтобы привести электродвигатель (28) в действие, и

измерительный резистор (RM), включенный в преобразователь энергии или в накопитель энергии с возможностью отслеживать токи в указанном преобразователе или накопителе.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что накопитель энергии содержит два последовательно включенных конденсатора (C1, C2), а измерительный резистор включен между двумя указанными конденсаторами с возможностью измерения зарядного и разрядного токов.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к предохранительному приводному устройству, имеющему контур аварийной защиты. Указанное устройство обслуживает задвижку или клапан для управления объемным расходом газа или текучей среды и предназначено для ее (его) установки в предварительно выбранное (заданное) положение, обеспечивающее безопасность. Сферами применения изобретения являются преимущественно тепловое/вентилирующее кондиционирование воздуха, противопожарные мероприятия и защита помещений. Кроме того, изобретение относится к способу гарантированного возврата задвижки или клапана в заданное положение, обеспечивающее безопасность. Указанный контур аварийной защиты приводится в активное состояние в случае детектирования отказа электропитания или падения напряжения.

Уровень техники

Чтобы передвинуть задвижку в вентиляционной системе или клапан в водопроводной сети, относительно маломощный двигатель должен привести в действие управляющие элементы, которые имеют большие площади или объемы. Точную и стабильную регулировку позволяет обеспечить понижающее передаточное число, существенно отличное от единицы. Для поворота задвижки или вращения шарового клапана на острый, прямой или тупой угол необходимо повернуть приводной вал электродвигателя на несколько оборотов. Если клапан смещается линейным образом, то же требование относится к относительно небольшому перемещению.

Для объемного расхода как газа, так и текучей среды чрезвычайно важно, чтобы при отказе электропитания задвижку и/или клапан можно было вернуть в заданное положение, обеспечивающее безопасность (обычно это положение запирания). Указанная процедура, как правило, выполнялась посредством возвратной пружины, которая растягивается электродвигателем при приведении в действие запорного элемента, такого как задвижка, клапан или другой подобный узел. При детектируемом соответствующим датчиком падении напряжения на заранее оговоренную величину или в случае полного отказа электропитания прекращается подача электроэнергии на электродвигатель. В результате устраняется усилие, противодействующее растянутой пружине, и процесс возврата получает возможность произойти фактически немедленно.

Однако хотя такие пружинные системы и применялись в течение долгого времени, их неизменным недостатком является индуцируемое ими повышение износа механических деталей и со временем утрата пружиной своей способности к растяжению.

В патентном документе US 5278454 описана электрическая схема аварийной защиты, содержащая конденсатор с высокой зарядной емкостью и небольшим объемом. Указанный конденсатор может обеспечить энергию, необходимую для возврата. Напряжение сети отслеживается простым датчиком. Такой емкостной накопитель энергии заменяет возвратную пружину. Предусмотрена возможность вместо одного соединить последовательно и/или параллельно несколько конденсаторов. Параллельное подключение позволяет увеличить емкость, а последовательное - повысить напряжение. Для режима зарядки и режима срабатывания двигателя применены два раздельных блока питания с постоянным напряжением. Недостаток указанной схемы заключается в том, что для реле напряжения приходится использовать переключатель и датчик. Работа в аварийных условиях в случае падения напряжения не позволяет проводить какой-либо надежный мониторинг, а схема подзарядки генерирует большое количество тепла.

В патентном документе US 5744876 представлено предохранительное приводное устройство со схемой аварийной защиты, в которой, в отличие схемы по US 5278454, реле приводится в действие только в аварийном режиме, т.е. в случае падения напряжения или при отказе электропитания. Время возврата управляющего элемента контролируется посредством небольшого конденсатора, связанного с транзистором. Однако реле остается нестабильным, во время подзарядки управление напряжением отсутствует, а схема подзарядки в данном случае также генерирует тепло.

Согласно патентному документу US 5744923, используя дополнительный регулятор напряжения, постоянное напряжение можно получить даже в режиме работы в аварийных условиях во время падения подводимого напряжения. Непосредственно перед остановкой в заданном положении имеет место эффект торможения. Чтобы обеспечить срок службы, увеличенный по сравнению с техникой реле, можно применять переключатели питания на базе полевых МОП-транзисторов. Однако указанные преимущества достигаются при высоких потерях напряжения в схеме регулятора; кроме того, необходимо применение четырех блоков питания (регуляторов напряжения/напряжение). Наконец, в патентном документе US 7023163 B2 представлена схема аварийной защиты, предназначенная для управления исполнительным механизмом, к которому подводится питание в виде выпрямленного входного напряжения. Постоянное напряжение повышают до более высокого уровня и используют для подзарядки соответствующих конденсаторов. В результате появляется возможность применять конденсаторы пониженной емкости. В случае падения напряжения для подводимого тока, питающего двигатель, или отказа электропитания производится обратное преобразование повышенного напряжения к своему пониженному постоянному уровню и соответствующий запуск электродвигателя.

Первый широко известный тип схемы переключающего регулятора относится к так называемой "топологии понижения" или к "режиму понижения". Данный вариант, именуемый топологией вольтодобавочного преобразователя, сводится к понижению выходного напряжения относительно входного и к использованию указанного пониженного напряжения для подзарядки конденсатора на выходе контура.

В варианте "топологии повышения" выходное напряжение повышается относительно входного, и, кроме того, применяется топология промежуточного преобразователя или топология повышающего преобразователя.

Находят применение также преобразователи энергии, в которых поток энергии проходит в обоих направлениях, т.е. используются топологии понижения и повышения, соответственно для подзарядки и разрядки конденсатора.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача разработки предохранительного приводного устройства, тип которого рассмотрен выше, а также способа функционирования указанного устройства, которое использует дополнительно упрощенный и улучшенный контур аварийной защиты, возвращающий задвижку или клапан в нужное положение.

Указанная задача решается посредством совокупности признаков, включенных в пункты 1 и 15 формулы. Сущность изобретения состоит в разработке управляемого энергетического модуля, который поочередно или заряжает емкостной накопитель энергией, поступающей от источника питания (в нормальной ситуации), или разряжает указанный накопитель с передачей накопленной энергии электродвигателю, чтобы привести его в действие (в случае аварии). Выполнение этих условий обеспечивается за счет очень простой модификации схемы управления, а также посредством специального способа управления потоком энергии как в нормальной ситуации, так и в случае аварии; причем указанный способ является весьма простым и гибким.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения емкостной накопитель энергии содержит, по меньшей мере, один двухслойный конденсатор типа "supercap". Важной особенностью преобразователя энергии является наличие в нем энергетического модуля, который может функционировать как преобразователь постоянного тока в постоянный (DC/DC преобразователь) с возможностью работать в режимах переключения как с понижением, так и с повышением (т.е. относительно входного напряжения его выходное напряжение соответственно понижается или повышается). Предпочтительно подсоединить блок питания к электродвигателю через промежуточную цепь. В таком варианте преобразователь энергии подсоединен к указанной цепи, первый и второй управляемые ключи с шунтирующими их соответственно первым и вторым диодами включены внутри преобразователя последовательно, а между выводом промежуточной схемы и точкой соединения указанных ключей включен последовательный контур, содержащий емкостной накопитель энергии и индуктор.

Желательно, чтобы введенные в устройство ключи были выполнены на полевых транзисторах, в предпочтительном варианте с интегрированными в них диодами.

В базовом варианте емкостной накопитель энергии может содержать единственный конденсатор. Тогда предпочтительно подключить к этому конденсатору блок мониторинга.

В альтернативном выполнении емкостной накопитель энергии может содержать несколько конденсаторов, соединенных последовательно и/или параллельно. Тогда блок мониторинга будет подключен к конденсаторам, соединенным параллельно, а к конденсаторам, соединенным последовательно, будет подключен блок мониторинга и балансировки.

В одном из вариантов изобретения блок мониторинга или блок мониторинга и балансировки содержит последовательный контур, состоящий из резистора и управляемого ключа.

Следующий вариант изобретения характеризуется тем, что управляемые ключи преобразователя энергии или такие же ключи блока мониторинга и/или блока мониторинга и балансировки активируются микропроцессорным управляющим устройством (микроконтроллером).

Предпочтительно, чтобы электродвигатель приводился в действие активирующим контуром, предпочтительно выполненным как специализированная интегральная схема (СИС, Application Specific Integrated Circuit) и подключенным к микроконтроллеру, предпочтительно по микропроцессорной шине (МП шине).

Другой вариант осуществления изобретения характеризуется тем, что в промежуточную цепь включен диод, препятствующий прохождению тока к блоку питания, когда емкостной накопитель энергии разряжается на электродвигатель.

В промежуточную цепь можно включить также датчик, предназначенный для детектирования падения напряжения в промежуточной цепи.

Один из вариантов способа согласно изобретению характеризуется тем, что на входе устройства переменный ток, предпочтительно с частотой 50-60 Гц, преобразуют в постоянный ток, который далее подают в емкостной накопитель энергии через энергетический модуль.

Интервал напряжений между относительно низким и относительно высоким потенциалами составляет согласно изобретению, по меньшей мере, около 20-40 В.

Следующий вариант способа согласно изобретению характеризуется тем, что в режиме понижения микроконтроллер с использованием аналогового входа измеряет напряжение на емкостном накопителе энергии и через цифровой выход подает сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигнал) на управляемый ключ энергетического модуля. Другое отличие указанного варианта заключается в том, что микроконтроллер в режиме повышения посредством аналогового входа измеряет напряжение на промежуточной цепи между блоком питания и электродвигателем и через цифровой выход подает ШИМ-сигнал на управляемый ключ энергетического модуля.

В предпочтительном варианте применяют энергетический модуль, который содержит последовательный контур, состоящий из первого управляемого ключа с шунтирующим его первым диодом и второго управляемого ключа с шунтирующим его вторым диодом. При этом между выводом промежуточной цепи и точкой соединения двух ключей включают последовательный контур, содержащий емкостной накопитель энергии и индуктор. Во время протекания свободного тока через диод при разомкнутом ключе другой ключ в контуре должен быть замкнут.

Если примененный емкостной накопитель энергии состоит из нескольких конденсаторов, их потенциал измеряют периодически на индивидуальной основе и, по меньшей мере, частично разряжают конденсаторы с избыточным напряжением.

В варианте с последовательным соединением конденсаторов в емкостном накопителе энергии предпочтительно проводят балансировку напряжений.

Устройство согласно изобретению позволяет существенно упростить прохождение потока электрической энергии в обоих направлениях (т.е. при подзарядке и разрядке емкостного накопителя энергии) за счет того, что в данном случае нужен только единичный переключающий регулятор, который выполняет функции как вольтодобавочного (понижающего), так и повышающего преобразователей.

Предпочтительно, чтобы переключающий регулятор преобразователя энергии представлял собой DC/DC преобразователь, помещенный, как уже указывалось, в единственном энергетическом модуле и имеющий два режима переключения, а именно с понижением и повышением выходного напряжения относительно входного.

В большинстве случаев, имеющих практическое значение, емкостным накопителем энергии является двухслойный конденсатор (supercap). Данный конденсатор изготавливается намоткой слоев металлической фольги, покрытых угольным порошком и разделенных сепаратором и электролитом. В варианте с несколькими конденсаторами различают параллельное соединение с суммирующимися емкостями и последовательное соединение, для которого емкость характеризуется значением, обратным сумме обратных значений емкости индивидуальных конденсаторов. Последовательное соединение используют, например, для распределения высокого напряжения по нескольким конденсаторам, имеющим низкую диэлектрическую прочность. При приложении постоянного напряжения ток поддерживается до тех пор, пока пластины или элементы из фольги не окажутся электрически заряженными, т.е. не смогут принять какой-либо дополнительный заряд. Чтобы осуществить зарядку конденсатора, необходимо осуществлять выпрямление переменного тока.

Если пластины или элементы из фольги заряженного конденсатора соединить через электрическую нагрузку, их заряды стремятся сбалансировать друг друга, т.е. ток протекает до тех пор, пока обе пластины не станут снова электрически нейтральными.

В контексте настоящего изобретения емкость конденсатора должна быть достаточной для обеспечения возврата задвижки или клапана в заданное положение, обеспечивающее безопасность, в случае падения напряжения в блоке питания или при отказе электропитания. При соблюдении этого условия с функциональной точки зрения отпадает необходимость в использовании традиционной конструкции с пружинами.

Конденсатор должен иметь емкость, достаточно высокую для возврата элемента привода в положение, обеспечивающее безопасность. По этой причине предпочтительно применять двухслойный конденсатор. Поскольку номинальное напряжение указанного конденсатора обычно составляет небольшую величину, приложенное напряжение нужно адаптировать к этому уровню посредством преобразователя энергии. Во время разрядки данного конденсатора преобразователь осуществляет обратное преобразование напряжения до значения рабочего напряжения электродвигателя.

Согласно одному из особо предпочтительных вариантов изобретения накопитель энергии, содержащий один или более конденсаторов, соединенных параллельно, снабжен блоком мониторинга. Накопитель с несколькими конденсаторами, соединенными последовательно, имеет блок мониторинга, который по отношению к конденсаторам выполняет также функцию балансирующего блока. Тем самым предотвращается слишком большое повышение напряжения на отдельном двухслойном конденсаторе. Эта проблема решается посредством разрядки двухслойного конденсатора, имеющего избыточное напряжение. В результате предотвращается также слишком быстрый износ устройства.

Регулятор напряжения обеспечивает при подзарядке и разрядке емкостного накопителя энергии, т.е. двухслойного конденсатора, большое изменение напряжения, составляющее около 20-40 В.

Переменный ток на входе, имеющий, например, частоту 50-60 Гц, преобразуют в постоянный ток и подают на двухслойный конденсатор через переключающий регулятор или преобразователь энергии.

Потенциал конденсаторов периодически измеряют в индивидуальном порядке с помощью блока балансировки и мониторинга. Конденсаторы с завышенным напряжением, по меньшей мере, частично разряжают. Кроме того, для конденсаторов, соединенных последовательно, регулярно проводят балансировку напряжения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно на примерах вариантов осуществления, проиллюстрированных на чертежах, из которых

фиг.1 представляет блок-схему предохранительного приводного устройства с емкостным накопителем энергии (на основе двухслойного конденсатора),

фиг.1а представляет блок-схему предохранительного приводного устройства, в котором для нескольких (до 16) задействованных приводных устройств предусмотрен общий блок питания,

фиг.2 представляет схему контура аварийной защиты с преобразователем энергии,

фиг.3 представляет схему, показанную на фиг.2, в режиме понижения,

фиг.4 представляет схему, показанную на фиг.2, в режиме повышения,

фиг.5 представляет блок мониторинга,

фиг.6 представляет блок балансировки и мониторинга,

фиг.7 представляет схему предохранительного приводного устройства, показанного на фиг.1,

фиг.7а представляет схему усовершенствованного варианта предохранительного приводного устройства, альтернативного устройству, показанному на фиг.1, снабженного дополнительным средством блокирования переключателя электропитания и обеспечивающего непосредственный мониторинг тока подзарядки и зарядки конденсаторов накопителя энергии.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлено предохранительное приводное устройство 10 с контуром 12 аварийной защиты, приводом 14 исполнительного механизма с электродвигателем 28 для перемещения задвижки 16 и блоком 18 питания.

Контур 12 содержит емкостной накопитель 20 энергии. Как правило, это один или несколько двухслойных конденсаторов (supercap). Через преобразователь 22 энергии в двух направлениях проходит поток 44 энергии (см. фиг.2). Данный преобразователь понижает напряжение, чтобы подзарядить накопитель 20, и повышает напряжение до исходного уровня, т.е. до нормального напряжения на электродвигателе 28, когда накопитель разряжается. Блок 24 балансировки и мониторинга, с одной стороны, проводит мониторинг конденсатора или индивидуальных конденсаторов накопителя 20 энергии, а с другой - обеспечивает балансировку напряжения между различными конденсаторами указанного накопителя. Более подробно указанные преобразователь 22 и блок 24 показаны на фиг.2-6. Управление контуром 12 аварийной защиты и его мониторинг осуществляет контроллер (например, микроконтроллер 26), который, кроме того, передает команды управления на привод 14 исполнительного механизма.

Основным узлом привода 14 исполнительного механизма является электродвигатель 28. В данном случае это двигатель постоянного тока, не имеющий датчиков и щеток. От микроконтроллера 26 на специализированную интегральную схему (СИС) 30, управляющую электродвигателем 28, по микропроцессорной (МП) шине 39 поступают команды управления. Относительно маломощный двигатель 28 передает свой момент вращения в данном примере через редуктор 32 на задвижку 16, расположенную в вентиляционной трубе 34, или на клапан, или на линейный стержень (не показаны).

На сам блок 18 питания подается напряжение от сети, например, со следующими параметрами: 230/110 В переменного тока (volts alternating current, VAC), или 24 VAC/DC, или 72 В постоянного тока (volts direct current, VDC). С выхода блока 18 питания на промежуточную цепь в данном случае подается промежуточное напряжение 24 VDC. В нормальном рабочем режиме питание на электродвигатель 28 подается через СИС 30 от блока 18 питания, который одновременно с этим заряжает накопитель 20 энергии через преобразователь 22 энергии. Кроме того, блок 18 питания подает требуемый рабочий ток на микроконтроллер 26. Двойные стрелки 38, 40 указывают, что в случае уменьшения тока накопитель 20 энергии разряжается через тот же преобразователь 22, что и во время подзарядки. При этом ток в этом режиме работы в аварийных условиях проходит через промежуточную цепь 36 и СИС 30 к электродвигателю 28, который перемещает задвижку 16 в заданное положение, обеспечивающее безопасность.

Падение напряжения, запускающее режим работы в аварийных условиях, детектируется датчиком 42 (см. также фиг.7), который передает сигнал на микроконтроллер 26. Последний, в свою очередь, по МП шине 39 (в режиме соединения ведущий-ведомый) посылает команду на СИС 30, которая приводит в действие электродвигатель 28, чтобы перевести задвижку 16 в заданное положение, обеспечивающее безопасность. В данном контексте электродвигатель 28 возвращает задвижку 16 в указанное положение с параметризируемой и, как правило, повышенной скоростью.

В нормальном рабочем режиме накопитель 20 энергии подзаряжается до тех пор, пока его напряжение не достигнет уровня, который соответствует сохраняемой энергии, достаточной для возвращения привода 14 исполнительного механизма в заданное положение, обеспечивающее безопасность. Если в нормальном рабочем режиме накопитель 20 перегружен, его разряжают.

Хотя в варианте, представленном на фиг.1, привод 14 исполнительного механизма и его источник энергии объединены с блоком 18 питания и контуром 12 аварийной защиты, предохранительное приводное устройство 10 можно также разделить на два независимых блока, а именно энергоблок 11 и указанный привод 14, причем предусмотрена возможность разместить эти блоки в отдельных корпусах (см. фиг.1а). В этом варианте связь между двумя блоками осуществляется посредством промежуточной цепи 36 и МП шины 39. При такой компоновке предохранительного приводного устройства появляется возможность, в частности, подсоединить к энергоблоку 11 несколько (например, до 16) приводов 14 исполнительного механизма, предусмотрев подачу на них необходимой энергии и необходимых управляющих команд управления от общего энергоблока 11.

В одном из вариантов осуществления указанный энергоблок 11 можно, таким образом, выполнить в виде отдельного устройства, которое снабжено выводами и/или кабельными соединениями, пригодными для подключения к одному или нескольким приводам 14 исполнительного механизма через промежуточную цепь 36 и МП шину 39. Имеются в виду, например, один/несколько отдельных выводов или одно/несколько кабельных соединений для подключения через промежуточную цепь 36, а также один/несколько отдельных выводов или одно/несколько кабельных соединений для подключения через МП шину 39. Кроме того, энергоблок 11 содержит вывод для подключения блока 18 питания к внешнему источнику энергии.

На фиг.2 представлен преобразователь 22 энергии, который использован в показанном на фиг.1 контуре 12 аварийной защиты. В указанном преобразователе 22 предусмотрена возможность пропускать поток 44 энергии в обоих направлениях при наличии одного энергетического модуля 46. Другими словами, накопитель 20 энергии можно подзаряжать и разряжать используя один и тот же энергетический модуль 46. Как преобразователь 22 энергии, так и микроконтроллер 26 подключены к промежуточной цепи 36, напряжение на которой составляет 24 VDC.

Микроконтроллер 26 имеет аналоговый вход (analog input) АI1, подключенный между накопителем 20 энергии (двухслойным конденсатором С1) и индуктором L1 к цепи 35, проходящей через этот конденсатор. Кроме того, в микроконтроллере 26 имеется аналоговый вход AI2, подключенный к промежуточной цепи 36, по которой подается напряжение питания. Далее, микроконтроллер 26 снабжен первым и вторым цифровыми выходами DO1 и DO2, активирующими соответственно ключи S1 и S2.

Оба ключа S1 и S2 энергетического модуля 46 соединены между собой последовательно, причем каждый из них шунтируется в запирающем направлении диодом (соответственно D1 и D2). Между ключами S1 и S2 подсоединен индуктор L1, подключенный к накопителю 20 энергии (конденсатору С1).

Если в качестве ключей S1 и S2 применены полевые транзисторы (FET1 и FET2 - см. фиг.7), предпочтительно встроить в них диоды D1 и D2. В этом случае можно обойтись без дополнительных диодов. Когда через диод течет свободный ток, диод можно закоротить соответствующим переключателем.

На фиг.3 представлен контур 12 аварийной защиты с преобразователем 22 энергии, функционирующим в режиме понижения (с передачей потока 44' энергии от промежуточной цепи к накопителю 20 энергии). В данном случае преобразователь 22 энергии понижает напряжение промежуточной цепи 36 и заряжает накопитель 20 с двухслойным конденсатором С1. Микроконтроллер 26 посредством аналогового входа АI1 измеряет напряжение на конденсаторе С1 и, когда это необходимо, направляет ШИМ-сигнал 48 с цифрового выхода DO1 на ключ S1. Если ключ S1 замкнут, ток 11 проходит через индуктор L1 и заряжает конденсатор С1. Если ключ S1 разомкнут, свободный ток 12 проходит через диод D2 и индуктор L1, и конденсатор С1 заряжается дополнительно. Во время прохождения тока 12 можно дополнительно подключить к цепи ключ S2, чтобы понизить потери энергии на диоде D2. В результате повышается эффективность преобразователя 22 энергии.

На фиг.4 преобразователь 22 энергии показан в режиме повышения (с передачей потока 44" энергии от накопителя 20 к электродвигателю 28). В данном случае преобразователь 22 повышает напряжение на накопителе 20 с двухслойным конденсатором С1 и подает энергию в промежуточную цепь 36. Микроконтроллер 26 посредством аналогового входа AI2 измеряет напряжение у указанной цепи 36 и направляет ШИМ-сигнал 50 от цифрового выхода DO2 на ключ S2. Если ключ S2 замкнут, ток 13 проходит через индуктор L1 и разряжает конденсатор С1. Если ключ S2 разомкнут, свободный ток 14 проходит через диод D1 и индуктор L1, и конденсатор С1 разряжается дополнительно. Энергия, поступающая от конденсатора С1, преобразуется в напряжение 24 В и подается в промежуточную цепь 36. Во время прохождения тока 14 можно дополнительно подключить в цепь ключ S1, чтобы понизить потери энергии на диоде D1. В результате повышается эффективность преобразователя 22 энергии.

Из фиг.2-4 видно, что преобразователь 22 энергии с помощью одного и того же энергетического модуля (переключающего регулятора) 46 преобразует электрическую энергию на более низкий уровень потенциала, а затем сохраняет ее в накопителе 20 (конденсаторе С1). Если в блоке 18 имеет место отказ электропитания или падение напряжения, накопленная энергия преобразуется к прежнему уровню с возможностью подать ее на электродвигатель 28 (см. фиг.1), причем с напряжением, соответствующим нормальному рабочему режиму. В любом случае одни и те же энергетический модуль 46 и преобразователь 22 энергии используются как для режима понижения (см. фиг.3), так и для режима повышения (см. фиг.4).

Фиг.5 иллюстрирует блок 52 мониторинга, который, по меньшей мере, частично разряжает накопитель 20 энергии, если напряжение на конденсаторе С1 превышает предварительно выбранный уровень. Указанный накопитель 20 с двухслойным конденсатором С1 шунтирован ключом S3 и резистором R1, соединенными между собой последовательно. Разрядка осуществляется путем замыкания ключа S3 с прохождением разрядного тока через элементы R1 и S3.

На фиг.6 показан накопитель энергии с двумя двухслойными конденсаторами С1 и С2, соединенными последовательно. Первый из них, как и на фиг.5, шунтирован ключом S3 и резистором R1. Конденсатор С2 соответственно шунтирован ключом S4 и резистором R2. Если накопитель 20 энергии состоит из большего количества конденсаторов С1, С2, , Сn, каждый из них имеет свои ключ Sn+2 и резистор Rn. Другими словами, когда конденсаторы С1-Сn соединены последовательно, каждый индивидуальный конденсатор снабжен собственным блоком 52 мониторинга.

Если, например, напряжение на конденсаторе С2 превышает предварительно выбранный уровень, указанный конденсатор, по меньшей мере, частично, разряжают посредством замыкания ключа S4. Разрядный ток проходит через резистор R2 и ключ S4. При одновременном закрывании ключей S3-Sn+2 происходит балансировка напряжения на всех конденсаторах. Если суммарное напряжение всех конденсаторов С1, С2, , Сn становится слишком низким, вся батарея конденсаторов просто перезаряжается.

Время от времени в индивидуальном порядке проводят проверку работоспособности всех конденсаторов С1-Сn, т.е. накопителя 20 энергии, для чего измеряют емкость С и внутреннее сопротивление (эффективное последовательное сопротивление, ЭПС). С этой целью, например, на короткое время замыкают ключ S3 (см. фиг.6). Емкость С конденсатора С1 можно определить, измерив разницу напряжений до и после разрядки. Если измерить напряжение на конденсаторе С1 перед замыканием ключа S1 и после замыкания, можно, используя разрядный резистор R1, определить ЭПС. Таким образом, блок 24 мониторинга и балансировки обеспечивает возможность периодической проверки состояния накопителя 20 энергии на основе конденсаторов С1-Сn.

В нормальном рабочем режиме, т.е. во время зарядки и поддерживания подсоединения накопителя 20 энергии к электрической сети, периодически проверяют емкость указанного накопителя. Если хотя бы одно из измеренных значений дает неудовлетворительный результат, т.е. обнаруживает слишком низкое значение емкости или слишком высокое внутреннее сопротивление, микроконтроллер дает команду СИС 30 отключить привод и сигнализирует об этом дефекте, например, посредством светодиода 56 (см. фиг.7). Энергия, обеспечивающая это отключение, поступает от блока питания, причем ее можно легко проконтролировать.

Детальная иллюстрация предохранительного приводного устройства 10, показанного на фиг.1, представлена на фиг.7. В промежуточной цепи 36 перед преобразователем 22 энергии в прямом направлении включен диод 53, за которым включен конденсатор 54. Эти диод 53 и конденсатор 54 в совокупности образуют простой выпрямительный контур. В нормальной ситуации диод 53 позволяет току течь к электродвигателю 28 от блока питания. При этом заряжается конденсатор 54, который в дополнение к своей основной задаче выполняет также сглаживающую функцию. Если напряжение со стороны блока питания понижается или вообще исчезает, на диоде 53 происходит падение напряжения до уровня подводимого напряжения (24 VDC), вследствие чего указанный диод закрывается. Это падение напряжения измеряют у двух аналоговых входов AI3 и AI2 микроконтроллера 26 и придают ему форму, пригодную для управления режимом работы в аварийных условиях. Затем приводятся в действие два ключа FET1 и FET2 в режиме повышения (см. фиг.4), которые, понижая напряжение, подают энергию от емкостного накопителя 20 энергии на СИС 30 или на электродвигатель 28. Ключ FET1 в данном случае активируется сигналом с цифрового выхода DO1 микроконтроллера 26 через цепь 55 сдвига уровня, а ключ FET2 - сигналом с цифрового выхода DO2. Аналоговые входы АI1 и AI2, а также цифровые выходы DO3 и DO4 подключены к блоку 24 мониторинга и балансировки.

Аналоговый вход AI5 посредством измерительного резистора RM отслеживает ток, текущий через преобразователь 22 энергии. Цифровой выход DO5 активирует последовательный контур, который состоит из светодиода 56 и резистора 57, причем данный светодиод можно использовать в качестве индикатора, отображающего рабочее состояние данного контура.

Чтобы свести к минимуму процесс старения двухслойных конденсаторов С1 и С2 (см. фиг.7), применяемых в накопителе 20 энергии, приложенное напряжение должно быть низким. В этом плане вместо номинального напряжения, например 2,7 В, может оказаться достаточным уровень, составляющий только 2,3 В. После многолетней эксплуатации емкость, тем не менее, должна быть настолько высокой, чтобы можно было сохранять достаточное количество энергии. Другими словами, пока конденсаторы являются новыми, т.е. еще не состарились, в них сохраняется избыточная энергия, поскольку их емкость пока находится на высоком уровне.

Если имеется возможность каким-то другим образом измерить или определить энергию, сохраняемую в накопителе 20, двухслойные конденсаторы (особенно на начальном этапе срока их эксплуатации) могут функционировать на гораздо меньшем уровне напряжения, чем 2,3 В. В результате появляется возможность увеличить срок их эксплуатации. В альтернативной ситуации можно при том же сроке эксплуатации обеспечить более высокий уровень энергии.

В варианте схемы, представленной на фиг.7а и отличающейся от схемы, показанной на фиг.7, измерительный резистор RM включен в другом месте, между двумя конденсаторами С1 и С2. Преимущество такого включения заключается в возможности измерять зарядный и разрядный токи. С одной стороны, таким образом можно отслеживать максимальный зарядный или максимальный разрядный ток. С другой стороны, из этой информации можно определить напряжение и энергию, заряжающую двухслойные конденсаторы или отбираемую от них.

На фиг.7а полумост, содержащий ключи FET1 и FET2, опять выполняет функцию асинхронного переключающего контроллера. Существует опасность, что в момент неисправности оба ключа окажутся замкнутыми и это приведет к протеканию тока короткого замыкания. В нормальных условиях работой ключа управляет таймер, входящий в схему микроконтроллера 26 и обеспечивающий точный учет задержек во время переключения. В результате два ключа FET1 и FET2 никогда не оказываются замкнутыми одновременно. Однако на начальной стадии или в случае неисправности есть вероятность, что будут поданы оба активирующих сигнала DO1 и DO2. Такую ситуацию эффективно предотвращает специальный блокирующий контур 59, включенный между генератором 58 стробирующих импульсов для ключа FET2 и цепью 55 сдвига уровня ключа FET1, также содержащей генератор стробирующих импульсов.

Перечень условных обозначений

10 - предохранительное приводное устройство

11 - энергоблок

12 - контур аварийной защиты

14 - привод исполнительного механизма

16 - задвижка

18 - блок питания

20 - емкостной накопитель энергии

22 - преобразователь энергии

24 - блок мониторинга и балансировки

26 - микроконтроллер

28 - электродвигатель

30 - специализированная интегральная схема (СИС)

32 - редуктор

34 - вентиляционная труба

35 - цепь

36 - промежуточная цепь

38, 40 - двойные стрелки, соответствующие потокам энергии

39 - МП шина

42 - датчик

44, 44', 44" - поток энергии

46 - энергетический модуль

48 - ШИМ-сигнал

50 - ШИМ-сигнал

52 - блок мониторинга

53 - диод

54 - конденсатор

55 - цепь сдвига уровня (с генератором стробирующих импульсов)

56 - светодиод

57 - резистор

58 - генератор стробирующих импульсов

59 - блокирующий контур

Аl1, , А15 - аналоговый вход

С1, , Cn - конденсатор (двухслойный)

D1, D2, , Dn - диод

DO1, , DO4-цифровой выход

FET1, FET2 - FET-ключи (ключи на полевых транзисторах)

I1, I3 - ток

I2, I4 - свободный ток

L1 - индуктор

R1, R2, , Rn - резистор

RM - измерительный резистор

S1, S2, , Sn - ключ.