Электромагнитный привод: типы, назначение, принцип работы

В применении компактных, производительных и функциональных приводных механизмов сегодня заинтересованы практически все сферы деятельности человека от тяжелой промышленности до транспорта и бытового хозяйства. Этим обусловлено и постоянное совершенствование традиционных концепций силовых агрегатов, которые хоть и улучшаются, но не меняют принципиального устройства. К наиболее популярным базовым системам такого типа можно отнести электромагнитный привод, рабочий механизм которого задействуется и в крупноформатном оборудовании, и в мелких технических устройствах.

Назначение привода

Практически во всех целевых объектах применения данный механизм выступает исполнительным органом системы. Другое дело, что характер выполняемой функции и степень ее ответственности в рамках общего рабочего процесса может меняться. Например, в запорной арматуре данный привод отвечает за текущее положение клапана. В частности, за счет его усилия перекрытие принимает положение нормально закрытого или открытого состояния. Такие устройства используют в разных коммуникационных системах, что определяет и принцип срабатывания, и защитные характеристики устройства. В частности, электромагнитный привод дымоудаления входит в инфраструктуру системы пожарной безопасности, конструкционно стыкуясь с вентиляционными каналами. Корпус привода и его ответственные рабочие части должны быть устойчивы к высоким температурам и вредным контактам с термически опасными газами. Что касается команды на исполнение, то обычно срабатывает автоматика при фиксации признаков задымления. Привод в данном случае является техническим средством регуляции потоков дыма и гари.

Более сложная конфигурация применения электромагнитных исполнительных органов имеет место в многоходовых кранах. Это своего рода коллекторные или распределительные системы, сложность управления которыми заключается в одновременном контроле целых групп функциональных узлов. В таких системах используется электромагнитный привод клапана с функцией переключения потоков через патрубки. Поводом для закрытия или открытия канала могут служить определенные величины рабочей среды (давление, температура), интенсивность потока, программные настройки по времени и т.д.

Принцип работы и особенности эксплуатации клапанов с пневмоприводом

2.1. Устройство угловых седельных клапанов с пневмоприводом

Конструкция седельного клапана с пневматическим приводом показана на рисунке 10.

Внутри корпуса пневмопривода (1) находится поршень (2), герметично прилегающий к стенкам пневмопривода за счет уплотнения (3). Под действием пружины (4) поршень занимает положение, соответствующее начальному состоянию пневмоклапана (закрытому для НЗ клапанов и открытому для НО клапанов). На поршне жестко закреплён шток (5) с диском (6). В закрытом состоянии диск надежно прижимается к седлу (7) и обеспечивает герметичность клапана. Большая часть клапанов с пневмоприводом имеет визуальный индикатор (8), механически связанный с поршнем клапана.

Для открытия клапана (см. рисунок 11) необходимо подать сжатый воздух в пневмопривод. Пневмоклапан открывается под действием сжатого воздуха, перемещающего поршень вместе со штоком вверх, что также приводит к сжатию пружины.

Для закрытия клапана достаточно сбросить воздух из пневмопривода. Поршень под действием пружины опускается вниз, прижимая диск к седлу.

Открытие клапана с пневмоприводом осуществляется только за счет давления сжатого воздуха, а закрытие – за счет мощной пружины. Таким образом, работа клапанов с пневмоприводом существенно меньше зависит от параметров среды, проходящей через него, в отличии от соленоидных клапанов.

Примеры угловых клапанов с пневмоприводом

• клапаны с пневмоприводом VALMA серии ASV
• клапаны с пневмоприводом ASCO серии 290

2.2. Схема управления клапанами с пневмоприводом

Для управления пневмоклапанами используются специальные электромагнитные клапаны, называемые пилотными или распределительными клапанами. Эти клапаны называются так, потому что они не просто перекрывают подачу рабочей среды, но и перераспределяют её между различными входными и выходными портами.

Для управления клапанами с пневмоприводом используются распределительные клапаны типа 3/2, схема работы которых показана на рисунке 12.

Рисунок 12 – Пневматическая схема распределителя 3/2

Порт 1 соединяется со входным портом пневмопривода, к порту 2 подключается подвод сжатого воздуха, а порт 3 остается открытым и используется для выхлопа – выпуска воздуха из пневмопривода в атмосферу при закрытии клапана с пневмоприводом.

До тех пор, пока катушка распределительного клапана обесточена, порт 1 соединен с портом 3, а порт 2 перекрыт. Таким образом, сжатый воздух в пневмопривод не поступает, а сам пневмопривод соединен с атмосферой – клапан с пневмоприводом закрыт.

При подаче напряжения на катушку порт 1 соединяется с портом 2, а порт 3 перекрывается. Сжатый воздух поступает в пневмопривод, за счет чего пневмоклапан открывается.

На рисунке 13 показаны распределительные электромагнитные клапаны 3/2 различной конструкции.

У клапана, изображенного слева, выхлоп в атмосферу проходит сквозь трубку сердечника. У клапана, изображенного справа, порты подачи воздуха и выхлопа находятся сверху и снизу клапана.

На рисунке 14 показана обобщенная схема управления клапаном с пневмоприводом.

Электрический сигнал из системы управления поступает на распределительный клапан (2), который осуществляет управление потоком сжатого воздуха, подавая его в пневмоклапан (1). Требуемая степень очистки воздуха и стабилизация давления обеспечивается фильтром-регулятором (3).

Распределительные клапаны могут быть установлены непосредственно на клапане с пневмоприводом (см. рисунок 15) или отдельно в шкафу управления (см. рисунок 16).

Рисунок 15 – Монтаж пилотного клапана на клапан с пневмоприводом

Каждый из этих способов монтажа имеет свои преимущества и недостатки.

Установка распределителей на клапанах с пневмоприводом

Преимущества

1. +
   Меньше время срабатывания клапанов (так как воздух поступает сразу в пневмопривод).
2. +
   Выше энергоэффективность за счет экономии сжатого воздуха (при каждом срабатывании клапана с пневмоприводом весь воздух после распределительного клапана сбрасывается в атмосферу; при монтаже распределителя непосредственно на привод клапана между ними отсутствует пневмотрубка, следовательно расходуемый объем сжатого воздуха ниже).

Недостатки

1. —
   Необходимость прокладки двух линий до клапана: пневматической и электрической.
2. —
   Распределитель находится возле клапана с пневмоприводом, где может подвергаться негативному воздействию окружающей среды.

Установка распределителей в шкафу управления

Преимущества

1. +
   Упрощение разводки электрических цепей (все распределители в одном шкафу, до клапана с пневмоприводом прокладывается только одна линия – пневматическая).
2. +
   Все распределители легко доступны для обслуживания, так как находятся в шкафу управления.
3. +
   Все распределители надежно защищены от воздействия окружающей среды (повышенная температура, запыленность, мойка оборудования химическими реагентами и так далее).

Недостатки

1. —
   Больше время срабатывания клапанов с пневмоприводом.
2. —
   Повышенный расход воздуха.

Конструкция и составные части

Центральным рабочим элементом привода является блок соленоида, который образуется полой катушкой и магнитным сердечником. Коммуникационные электромагнитные связи данного компонента с другими деталями обеспечиваются малой внутренней арматурой с управляющими импульсными клапанами. В нормальном состоянии сердечник поддерживается пружиной со штоком, который опирается в седло. Кроме того, типовое устройство электромагнитного привода предусматривает наличие так называемого ручного дублера рабочей части, который берет на себя функции механизма в моменты резких перепадов или полного отсутствия напряжения. Может предусматриваться и дополнительный функционал, обеспечиваемый средствами сигнализации, вспомогательными запирающими элементами и фиксаторами позиции сердечника. Но поскольку одним из преимуществ приводов такого типа является небольшой размер, то в целях оптимизации разработчики стараются исключать чрезмерное насыщение конструкции второстепенными устройствами.

Как работает вентиль с соленоидом?

Состоит соленоидный электроклапан из:

• корпуса стального, чугунного, латунного либо полимерного;
• индукционной катушки с сердечником (соленоида);
• рабочего запорного элемента;
• уплотнителя;
• демпфирующей пружины.

Индукционная катушка из меди внутри запорного устройства расположена в герметичном корпусе, куда воде доступ закрыт. Перекрытие либо открытие канала тока рабочей среды происходит за счет выдвигающегося под действием соленоида штока и мембраны.

В обесточенном состоянии под воздействием пружины вентиль полностью перекрывает канал тока либо оставляет его полностью открытым. Далее, после подачи напряжения на катушку, происходит смещение сердечника со штоком, в результате чего поперечное сечение данного протока увеличивается/уменьшается.

Общий принцип работы рассматриваемого электромагнитного клапана прост – движение штока происходит в нем за счет электромагнитной индукции. При протекании электрического тока по катушке, на находящийся в ее центре сердечник воздействует электромагнитное поле, сила и направление которого зависят от приложенного напряжения в вольтах.

В результате и происходит смещение запорного элемента и изменение проходного сечения вентиля.

Электроклапаны с низким управляющим напряжением рассчитаны на работу в трубопроводах малого диаметра и с малым напором рабочей среды. Сфера их применения достаточно ограниченна.

Зато такие вентили проще встраивать в систему управления на низковольтных полупроводниковых устройствах и подключать к различным микроконтроллерам. В водопроводах и контурах отопления частных домов обычно используют именно их.

Принцип работы механизма

И в магнитных, и в электромагнитных силовых устройствах роль активной среды выполняет магнитный поток. Для его формирования используется или постоянный магнит, или аналогичное устройство с возможностью точечного подключения или отключения его активности путем изменения электрического сигнала. Исполнительный орган начинает действовать с момента подачи напряжения, когда по контурам соленоида начинает проходить ток. В свою очередь, сердечник по мере наращивания активности магнитного поля начинает свое движение относительно полости катушки индуктивности. Собственно, принцип работы электромагнитного привода как раз и сводится к преобразованию электрической энергии в механическую посредством магнитного поля. И как только напряжение падает, в дело вступают силы упругой пружины, которая возвращает на место сердечник и арматура привода принимает исходное нормальное положение. Также для регуляции отдельных этапов передачи усилия в сложных многоступенчатых приводах могут дополнительно включаться пневмо- или гидроприводы. В частности, они делают возможным первичную генерацию электричества из источников альтернативной энергии (воды, ветра, солнца), что удешевляет рабочий процесс оборудования.

Исполнительные действия электромагнитного привода

Схема движения приводного сердечника и его способности работать в качестве выходного силового узла определяют особенности действий, которые может совершать механизм. Сразу надо отметить, что в большинстве случаев это устройства с однотипными элементарными движениями исполнительной механики, которые редко дополняются вспомогательными техническими функциями. По этому признаку электромагнитный привод разделяется на следующие типы:

• Поворотный. В процессе подачи тока происходит срабатывание силового элемента, который совершает поворот. Такие механизмы используются в шаровых и пробковых кранах, а также в дисковых затворных системах.
• Реверсивный. Помимо основного действия способен обеспечивать смену направлений силового элемента. Чаще встречается в распределительных клапанах.
• Толкающий. Данный электромагнитный привод выполняет толкающее действие, которое также применяется в распределительных и запорных клапанах.

С точки зрения конструкционного решения силовой элемент и сердечник вполне могут быть разными деталями, что повышает надежность и долговечность устройства. Другое дело, что принцип оптимизации требует совмещения нескольких задач в рамках функционала одного технического компонента в целях экономии места и энергетических ресурсов.

Выбор соленоидного клапана: цены на устройства и популярные бренды

Подбирая запорную арматуру для водопровода, необходимо тщательно изучить спецификации и описания, которые предоставляет производитель. Эта информация позволит определить, в каких условиях допускается установка той или иной модели клапана.

Подбирая клапан для водопровода нужно обратить внимание на размеры выходного и входного отверстий

При выборе устройства нужно принять во внимание следующие моменты:

• тип системы;
• температурный режим;
• уровень давления;
• химический состав жидкости;
• скорость тока и т.п.

Немалое значение имеют размеры выходного и входного отверстий. Эти параметры должны соответствовать диаметру труб. Очень важно, чтобы характеристики системы и запорной арматуры совпадали, иначе могут возникнуть нарушения гидравлики коммуникаций. Такой исход возможен, если на участке, где установлен клапан из-за узкого отверстия будет замедляться ток жидкости, что неизбежно повлияет на уровень давления и температуру во всем трубопроводе.

Цены электромагнитных клапанов:

Соленоидные электромагнитные клапаны Danfoss

Клапанами Данфосс оснащаются различные виды оборудования – начиная с насосов, установленных на автозаправочных станциях, оканчивая машинами, которые можно встретить в химчистках. Небольшой размер этих устройств совершенно не сказывается на уровне их надежности. Компания Данфосс выпускает обширный диапазон клапанов. Благодаря этому в магазинах можно найти такие модификации, которые другие производители изготавливают исключительно по спецзаказу.

Соленоидные электромагнитные клапаны Danfoss имеют небольшие размеры, но это совершенно не влияет на уровень их надежности

Преимущества соленоидных клапанов Данфосс:

• обширная номенклатура устройств общего назначения;
• даже стандартные модификации могут решить множество задач, с которыми сталкивается промышленность;
• ассортимент продукции позволяет подобрать приборы, способные контактировать с очень агрессивными средами, например, клапаны, корпус которых изготовлен из нержавеющей стали и обеспечен защитой класса IP67.

Обратите внимание! При необходимости компания Данфосс может модифицировать продукцию с учетом технического задания покупателя. Благодаря этому можно найти оптимальные решения для любых промышленных задач. Причем в процессе разработки могут принимать участие представители компании-покупателя.

К запорным устройствам прилагается полный пакет технической документации, а также предоставляются упрощенные руководства, позволяющие покупателям выбрать клапан с подходящими характеристиками. В производственном процессе задействованы специалисты, являющиеся экспертами в области регулирования газа, пара и жидкостей. Поэтому продукция отличается высокой функциональностью, надежностью и безопасностью.

Компания Danfoss производит электромагнитные клапана как прямого действия, так и укомплектованные сервоприводом

В продаже можно встретить электромагнитные запорные устройства прямого действия и укомплектованные сервоприводом. Особым спросом пользуются двухходовые соленоидные клапаны Danfoss EV220B, которые рассчитаны на регулировку нейтральных газов, воды, воздуха, масел. Некоторые модификации из этой линейки могут контролировать пар и слабоагрессивные среды.

Особенности соленоидных электромагнитных клапанов Asco

Американская компания Asco является одним из лидирующих производителей гидропневматических, электромагнитных и отсечных клапанов, а также пневматических цилиндров, пневмоавтоматики и других устройств автоматизации.

Преимущества продукции:

• оборудование КИПиА изготавливается на современных производственных линиях, обладающих широким спектром функциональных возможностей;
• при необходимости клапаны легко поддаются ремонту, причем сам процесс не занимает много времени;
• высокий уровень надежности;
• способность выдерживать контакт с агрессивными средами и экстремальные нагрузки.

Производитель выпускает более 5000 стандартных наименований запорных вентилей. Кроме этого, компанией Asco производятся специальные модификации и версии этих устройств, число которых превышает 20000. Все они разработаны с учетом различных потребностей покупателей. При этом производитель соблюдает строжайшие требования качества, отслеживая все этапы производства, включая процесс разработки, продажи, а также сервисного обслуживания.

Качество электромагнитных клапанов компании Asco подтверждено сертификатами ISO 9002 и 9001

Обратите внимание! Перед тем как попасть на полки магазинов, продукция тщательно проверяется на предмет производственного брака, а также проходит испытания. Высочайшее качество клапанов подтверждено сертификатами ISO 9002 и 9001.

Продукция Arcom: характеристики соленоидного электромагнитного клапана AR HX 3

Компания Arcom поставляет на рынок тысячи наименований электрического оборудования. В этом списке находятся регистраторы (безбумажные и бумажные), контроллеры, электротехнические, а также измерительные приборы, различные инструменты и сопутствующие аксессуары. Особое место в ассортименте занимают соленоидные клапаны. Покупатели могут приобрести более 4500 вариантов запирающих устройств по доступной цене. Причем вся продукция сертифицирована и соответствует высокому уровню качества.

В каталогах производителя можно подобрать арматуру, позволяющую контролировать движение воды, воздуха и нефтепродуктов. Кроме этого, производитель предоставляет огромный выбор запасных частей, реле, катушек, коннекторов и затворов для этих устройств.

Несмотря на обширный ассортимент, особое внимание уделяется именно соленоидным клапанам, электромагнитный клапан HX 3, благодаря его многочисленным преимуществам, считается наиболее востребованной моделью:

Соленоидный электромагнитный клапан AR HX 3 рассчитан на регулировку пара, воздуха, горячей и холодной воды

• прочный стойкий корпус из нержавеющей стали;
• быстрое срабатывание (реагирует, когда давление достигает нулевой отметки);
• минимальные размеры;
• возможность подключения к датчикам.

Эта модель рассчитана на регулировку горячей и холодной воды, пара и воздуха, что позволяет устанавливать клапан даже в электроутюгах, кофемашинах и других приборах, использующих пар в своей работе.

Электромагнитная арматура

Исполнительные органы привода могут работать в разных конфигурациях, совершая те или иные действия, требующиеся для эксплуатации конкретной рабочей инфраструктуры. Но в любом случае одной лишь функции сердечника или силового элемента будет недостаточно для оказания достаточного эффекта с точки зрения выполнения конечной задачи за редкими исключениями. В большинстве случаев требуется и переходное звено – своего рода транслятор генерируемой механической энергии от непосредственно приводной механики к целевому устройству. Например, в системе полного привода электромагнитная муфта выступает не просто передатчиком усилия, а двигателем, который жестко соединяет две части вала. В асинхронных механизмах предусматривается даже собственная катушка возбуждения с выраженными полюсами. Ведущая часть таких муфт выполняется по принципам роторной обмотки электродвигателя, что и вовсе наделяет этот элемент функциями преобразователя и транслятора усилия.

В более простых системах с прямым действием задачи трансляции усилия выполняют стандартные шарикоподшипниковые устройства, шарнирные и распределительные агрегаты. Конкретное исполнение и конфигурация действия, а также взаимосвязь с приводной системой реализуется по-разному. Нередко разрабатываются индивидуальные схемы сопряжения компонентов между собой. В той же муфте электромагнитного привода организуется целая инфраструктура с собственным металлическим валом, контактными кольцами, коллекторами и медными брусками. И это не считая параллельного устройства электромагнитных каналов с полюсными наконечниками и контурами направления линий магнитного поля.

Рабочие параметры привода

Одна и та же конструкция с типовой схемой работы может требовать подключения разных мощностей. Также типовые модели приводных систем различаются по силовой нагрузке, виду тока, величине напряжения и т.д. Простейший электромагнитный привод клапана работает от сети на 220 В, но также могут встречаться модели с аналогичной конструкцией, но требующие соединения с трехфазными промышленными сетями на 380 В. Требования к энергетическому питанию определяются размерами устройства и характеристиками работы сердечника. Количество оборотов двигателя, к примеру, напрямую определяет объем потребляемой мощности, а вместе с ней свойства изоляции, обмотки и параметры сопротивления. Если конкретно говорить о промышленной электротехнической инфраструктуре, то в проекте интеграции мощного привода должны быть рассчитаны тяговые усилия, характеристики заземляющего контура, схема реализации предохранительных устройств цепи т.д.

Блочные приводные системы

Наиболее распространенный конструкционный форм-фактор выпуска приводных механизмов на электромагнитном принципе действия – блочный (или агрегатный). Это самостоятельное и отчасти изолированное устройство, которое монтируется на корпусе целевого механизма или также обособленного исполнительного узла. Принципиальное отличие таких систем заключается в том, что их поверхности никак не соприкасаются с полостями переходных силовых звеньев и тем более рабочих элементов исполнительных органов целевого оборудования. По крайней мере, такие контакты не обуславливают необходимости принятия каких-либо мер для защиты обеих конструкций. Блочный тип электромагнитного привода задействуют в тех случаях, когда функциональные узлы требуется изолировать от негативного влияния рабочей среды – например, от рисков коррозийного поражения или температурного воздействия. Для обеспечения механической связки используется такой же изолированный орган арматуры наподобие штока.

Зачем нужен электромагнитный клапан?

Соленоидные вентили – категория современной запорной арматуры для трубопроводов самого разного назначения. В быту подобные электроклапаны применяются в автомашинах, спецтехнике, водопроводах и системах автополива и отопления.

Также они широко используются в промышленности для регулировки тока и контроля транспортировки разнообразных жидкостей и газов.

Внутри электромагнитный клапан для воды или газа каких-либо датчиков не имеет. С его помощью можно лишь регулировать либо полностью перекрывать поток рабочей среды. Если требуется автоматизация данных процессов, то придется дополнительно ставить внешние измерительные приборы, завязывая работу электроклапана уже на них.

К примеру, использовать дополнительно в связке контроллер и датчик протечки воды, чтобы в момент обнаружения протечки соленоидный клапан получил соответствующую команду от контроллера и перекрыл трубопровод.

Среди достоинств использования соленоидных клапанов числятся:

• быстрая регулировка тока рабочей среды по трубопроводу;
• универсальность и надежность устройства;
• длительный срок эксплуатации;
• небольшие размеры и малый вес;
• многообразие разновидностей прибора.

Срабатывание клапана происходит буквально за доли секунды после подачи на это сигнала. Он рассчитан на работу с жидкостями под разным давлением, от 0 до 25 бар, и с меняющейся температурой, от -20 до +120 °С. При этом в обесточенном состоянии такой электроклапан может оставаться как в закрытом положении, так и открытом – все зависит от модификации прибора.

В водопроводах он позволяет автоматически перекрыть подачу воды при порыве труб. А в отопительных системах такой вентиль используется в качестве устройства регулировки потока теплоносителя.

Здесь он по внешнему датчику температуры самостоятельно уменьшает либо увеличивает ток нагретой жидкости от котла к радиаторам.

Особенности встроенного привода

Разновидность электромагнитных силовых приводов, которые выступают в виде составной части рабочей системы, образуя с ней единую коммуникационную инфраструктуру. Как правило, такие устройства имеют компактные размеры и небольшую массу, что и позволяет их встраивать в самые разные инженерно-технические конструкции без существенного влияния на их функциональные и эргономические характеристики. С другой стороны, оптимизация по размерам и необходимость расширения возможностей для обвязки (прямого подключения к оборудованию) ограничивает создателей в обеспечении высокой степени защищенности таких механизмов. Поэтому продумываются типовые бюджетные изолирующие решения наподобие разделительных герметичных трубок, помогающих защищать чувствительные элементы от агрессивного воздействия рабочей среды. К исключениям можно отнести вакуумные клапаны с электромагнитным приводом в металлическом корпусе, к которому подключаются арматурные узлы из высокопрочного пластика. Но это уже специализированные укрупненные модели, имеющие комплексную защиту от токсичных, термических и механических факторов воздействия.

Сферы применения устройства

С помощью данного привода решаются задачи силового механического обеспечения разного уровня. В наиболее ответственных и сложных системах для управления электромагнитными устройствами применяется бессальниковая арматура, повышающая степень надежности и производительности оборудования. В такой комбинации агрегаты используются в транспортных и коммуникационных трубопроводных сетях, при обслуживании хранилищ с нефтепродуктами, в химической промышленности, на перерабатывающих станциях и комбинатах в разных отраслях производства. Если же говорить о простых устройствах, то в бытовой сфере распространен электромагнитный привод вентилятора приточных и вытяжных систем. Мелкоформатные механизмы также находят свое место в сантехнической арматуре, насосах, компрессорах и т.д.

Преимущества и недостатки

Основными достоинствами ЭМ- приводов являются:

• простота конструктивного устройства и применения;
• долговечность и надежность;
• быстродействие и большой функционал;
• неприхотливость, бесперебойная работа в сложнейших условиях;
• малый вес, компактность;
• филигранная точность;
• максимальное удобство автоматизации и техобслуживания;
• низкое потребление электроэнергии;
• минимальное количество подвижных элементов.

У электромагнитного привода практически нет альтернативных устройств, применяемых для управления бессальниковой арматурой, установленной в магистралях, транспортирующих взрывоопасные, токсичные, радиоактивные и агрессивные среды. Такая арматура отвечает повышенным требованиям герметичности и применяется в ядерной промышленности, нефтегазовой и химических отраслях, криогенной технике.

Развитие технологий и усложнение условий эксплуатации промышленного оборудования обуславливает активное использование ЭМ-привода в трубопроводной арматуре. Электромагнитная арматура идеально совмещается с системами автоматического управления. Поэтому в будущем, с развитием технического прогресса, востребованность электромагнитного привода трубопроводной арматуры будет только возрастать, постепенно вытесняя трубопроводную арматуру с электоприводом (например: завдвижки, шаровые крваны, лапаны, дисковые затворы с электроприводом и др.)
22.08.2018