توضیحات

اکچویتور برقی

اکچویتور برقی (Electric Actuator) دستگاهی است که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند تا بتواند یک تجهیز مکانیکی مانند شیر، دمپر، دریچه یا مکانیزم صنعتی را حرکت دهد.

به زبان ساده، اکچویتور برقی مانند یک موتور هوشمند است که به جای اینکه اپراتور با دست شیر را باز و بسته کند، این کار را به صورت خودکار انجام می‌دهد.

فرض کنید یک شیر پروانه‌ای DN300 روی خط انتقال آب نصب شده است.

برای باز کردن این شیر در فشار 10 بار ممکن است به گشتاوری در حدود 1000 نیوتن‌متر نیاز باشد.

انسان قادر نیست به صورت مستقیم چنین نیرویی را اعمال کند.

بنابراین نیاز به سیستمی داریم که:

• فرمان الکتریکی دریافت کند
• گشتاور بالا تولید کند
• موقعیت شیر را کنترل کند
• به PLC گزارش وضعیت بدهد

این وظیفه را اکچویتور برقی انجام می‌دهد.

علاوه بر این گاهی تناوب زیاد و سرعت بسیار بالا و یا دقت بالا برای باز و بسته کردن و یا میزان دقیقی باز یا بسته کردن شیر مورد نیاز است که خطای انسانی را بالا میبرد و با اتوماسیون خطا ها بسیار کمتر می شود. گاهی شیر در یک فضای با حرارت بالا نصب شده و یا در معرض انفجار است یا در زیر آب نصب شده است و بنابراین امکان باز و بسته شدن توسط اپراتور ندارد.

بنابراین اکچویتور برقی واسطه‌ای بین سیستم کنترل و شیر صنعتی است.

اجزای اصلی اکچویتور برقی

 

یک اکچویتور برقی معمولاً از 8 بخش اصلی تشکیل شده است:

موتور الکتریکی

قلب اکچویتور است.

انواع موتورهای مورد استفاده:

موتور القایی AC

رایج‌ترین نوع

مزایا:

• عمر بالا
• تعمیرات کم
• قیمت مناسب

ولتاژها:

• 220VAC
• 380VAC
• 400VAC

موتور DC

کاربرد:

• سیستم‌های خورشیدی
• باتری بکاپ
• تجهیزات متحرک

ولتاژ:

• 12VDC
• 24VDC
• 48VDC

موتور براشلس (BLDC)

مزایا:

• راندمان بالا
• کنترل دقیق
• استهلاک کم

کاربرد:

• اکچویتورهای مدولاسیون دقیق

گیربکس اکچویتور

موتور به تنهایی گشتاور کافی ندارد.

مثال:

موتور:

• سرعت = 1400 rpm
• گشتاور = 3 Nm

اما شیر نیاز دارد:

• سرعت = 10 rpm
• گشتاور = 400 Nm

بنابراین از گیربکس استفاده می‌شود.

 

سیستم اندازه‌گیری موقعیت (پتانسیومتر)

قدیمی‌ترین روش

خروجی:

0 تا 100 درصد

معایب:

• سایش مکانیکی

انکودر (Encoder)

Incremental

فقط تغییر موقعیت را اندازه می‌گیرد.

Absolute

موقعیت واقعی را همیشه می‌داند.

حتی پس از قطع برق.

امروزه در اکچویتورهای پیشرفته استفاده می‌شود.

لیمیت سوئیچ

برای توقف در انتهای مسیر

دو عدد لیمیت سوئیچ وجود دارد:

Open Limit

انتهای باز شدن

Close Limit

انتهای بسته شدن

وظایف:

• جلوگیری از آسیب به شیر
• جلوگیری از سوختن موتور

سوئیچ گشتاور (Torque Switch)

یکی از مهم‌ترین تجهیزات حفاظتی اکچویتور برقی می باشد.

هنگامی که گشتاور از مقدار تنظیم‌شده بیشتر شود:

• موتور خاموش می‌شود
• آلارم صادر می‌شود

مثلاً:

شیر گیر کرده است.

اگر سوئیچ گشتاور نباشد:

• موتور می‌سوزد
• گیربکس آسیب می‌بیند

هیتر ضد رطوبت

در محیط‌های مرطوب:

• ایستگاه پمپاژ
• تصفیه‌خانه
• اسکله

داخل اکچویتور برقی بخار آب جمع می‌شود.

برای جلوگیری از زنگ‌زدگی و اتصال کوتاه از هیتر داخلی استفاده می‌شود.

انواع اکچویتور برقی

اکچویتور برقی را می‌توان از چند دیدگاه مختلف طبقه‌بندی کرد:

1. از نظر نوع حرکت
2. از نظر نوع کنترل
3. از نظر موتور
4. از نظر تغذیه
5. از نظر کاربرد صنعتی

1. انواع اکچویتور برقی از نظر نوع حرکت

الف) Quarter Turn Actuator

رایج‌ترین نوع در صنعت

خروجی:

• چرخش 90 درجه

مناسب برای:

• Ball Valve
• Butterfly Valve
• Plug Valve

ساختار

شامل:

• موتور
• گیربکس حلزونی
• لیمیت سوئیچ
• شفت خروجی

مزایا

• کوچک
• اقتصادی
• نصب آسان

محدوده گشتاور

تقریباً:

• 20 Nm تا 4000 Nm

ب) Multi-Turn Actuator

 

برای شیرهایی که نیاز به چندین دور چرخش دارند.

کاربرد:

• Gate Valve
• Globe Valve
• Knife Gate Valve

مثال:

ممکن است برای باز شدن کامل شیر نیاز به 20 تا 60 دور گردش باشد.

ویژگی‌ها

• گشتاور بالا
• دقت بالا
• مناسب شیرهای بزرگ

ج) Linear Actuator

حرکت مستقیم خطی تولید می‌کند.

کاربرد:

• دمپرها
• دریچه‌ها
• ولوهای کنترلی

کورس حرکت:

• 50 mm
• 100 mm
• 300 mm
• 1000 mm

2. انواع اکچویتور از نظر عملکرد کنترلی

 

ON/OFF Actuator

ساده‌ترین نوع

فقط دو وضعیت:

• باز
• بسته

فرمان‌ها:

• Open
• Close

کاربرد

• خطوط انتقال آب
• مخازن
• سیستم‌های آتش‌نشانی

اجزای داخلی

• موتور
• گیربکس
• دو لیمیت سوئیچ

وقتی به انتهای مسیر برسد موتور قطع می‌شود.

Modulating Actuator

 

پیشرفته‌ترین نوع اکچویتور برقی می باشد که می‌تواند در هر موقعیتی قرار بگیرد.

مثال:

• 5%
• 20%
• 37%
• 75%
• 100%

سیگنال‌های ورودی

• 4-20mA
• 0-10V
• Modbus

کاربرد

کنترل:

• دبی
• فشار
• دما
• سطح مخزن

اجزای اضافه نسبت به ON/OFF

• Positioner
• Encoder
• برد کنترل

3. انواع اکچویتور برقی از نظر موتور

 

موتور AC

رایج‌ترین نوع

ولتاژها:

• 220VAC
• 380VAC
• 400VAC

مزایا

• قیمت مناسب
• عمر بالا

معایب

• کنترل دقیق سخت‌تر

موتور DC

ولتاژها:

• 12VDC
• 24VDC
• 48VDC

مزایا

• مناسب باتری
• مناسب سیستم خورشیدی
• ایمن‌تر

کاربرد

• ایستگاه‌های دورافتاده
• مخازن آب
• سیستم‌های خورشیدی

موتور Brushless DC (BLDC)

نسل جدید اکچویتور ها می باشد.

مزایا

• راندمان بالا
• مصرف کمتر
• عمر بیشتر

کاربرد

• اکچویتورهای هوشمند

سرووموتور (Servo Actuator)

بسیار دقیق

دقت:

±0.1%

یا بهتر

کاربرد

• صنایع دارویی
• صنایع غذایی
• کنترل دقیق فرآیند

4. انواع اکچویتور از نظر سیستم کنترل

Local Actuator

دارای پنل روی خود اکچویتور

کلیدها:

• Open
• Stop
• Close

اپراتور کنار تجهیز فرمان می‌دهد.

Remote Actuator

فرمان از راه دور دریافت می‌کند.

از:

• PLC
• SCADA
• DCS

Smart Actuator

نسل جدید

دارای:

• CPU
• حافظه
• سیستم تشخیص خطا

قابلیت‌ها

• ثبت تعداد سیکل
• ثبت خطاها
• ثبت گشتاور
• ثبت دمای موتور

5. انواع اکچویتور از نظر حفاظت

استاندارد (Weatherproof)

برای محیط‌های معمولی

درجه حفاظت:

• IP65
• IP67

Submersible

قابل غوطه‌وری

درجه حفاظت:

• IP68

کاربرد:

• چاه‌ها
• ایستگاه‌های پمپاژ

Explosion Proof

ضد انفجار

مناسب:

• پالایشگاه
• پتروشیمی
• سکوهای نفتی

استانداردها:

• ATEX
• IECEx

عوامل مؤثر در انتخاب اکچویتور برقی (راهنمای مهندسی کامل)

 

یکی از اشتباهات رایج این است که فقط بر اساس سایز شیر اکچویتور برقی انتخاب شود. در واقع سایز شیر تنها یکی از عوامل است و گاهی دو شیر هم‌اندازه می‌توانند به اکچویتورهایی با گشتاور کاملاً متفاوت نیاز داشته باشند.

1. نوع شیر (Valve Type)

مهم‌ترین عامل انتخاب اکچویتور است.

شیر توپی (Ball Valve)

• نیاز به چرخش 90 درجه
• معمولاً گشتاور نسبتاً بالا در شروع حرکت
• مناسب اکچویتور Quarter Turn

کاربرد:

• قطع و وصل

شیر پروانه‌ای (Butterfly Valve)

• چرخش 90 درجه
• گشتاور وابسته به فشار و سرعت سیال

مناسب:

• Quarter Turn

شیر کشویی (Gate Valve)

• چند دور گردش نیاز دارد
• مناسب Multi-Turn

شیر کروی (Globe Valve)

• نیروی خطی زیادی لازم دارد
• مناسب Multi-Turn یا Linear

2. گشتاور مورد نیاز شیر (Required Torque)

مهم‌ترین پارامتر فنی اکچویتور است و سازنده شیر معمولاً اعلام می‌کند:

• Running Torque
• Seating Torque
• Unseating Torque
• Maximum Torque

انواع گشتاور

Breakaway Torque

گشتاور اولیه برای شکستن اصطکاک است و بزرگ‌ترین مقدار مورد نیاز گشتاور می باشد.

Running Torque

گشتاور در حین حرکت کهمعمولاً کمتر است.

Seating Torque

گشتاور لازم برای آب‌بندی نهایی است.

Unseating Torque

گشتاور لازم برای باز کردن شیر بسته می باشد.

انتخاب صحیح

اکچویتور باید بتواند بزرگ‌ترین مقدار فوق را تأمین کند.

3. ضریب اطمینان (Safety Factor)

هرگز اکچویتور را دقیقاً برابر گشتاور شیر انتخاب نمی‌کنند.

معمولاً برای :

• آب: 1.25 تا 1.5
• نفت و گاز: 1.5 تا 2
• شرایط سخت: 2 تا 2.5

مثال:

گشتاور شیر:

50 Nm

انتخاب:

Tactuator=50×1.5=75 NmT_{actuator}=50\times1.5=75\ NmTactuator​=50×1.5=75 Nm

بنابراین اکچویتور 80 Nm انتخاب می‌شود.

4. فشار کاری سیستم

فشار بیشتر یعنی:

• اصطکاک بیشتر
• نیروی بیشتر روی سیت
• گشتاور بالاتر

مثال:

یک بال ولو DN50:

• در 5 بار → 20 Nm
• در 10 بار → 35 Nm
• در 20 بار → 60 Nm

5. کلاس فشاری شیر

نمونه‌ها:

• PN10
• PN16
• PN25
• PN40

یا:

• Class 150
• Class 300
• Class 600

هرچه کلاس بالاتر باشد:

• سیت‌ها فشرده‌تر
• گشتاور بیشتر

6. نوع سیال

تأثیر بسیار زیاد دارد.

آب

ساده‌ترین حالت

فاضلاب

رسوبات زیاد

گشتاور بیشتر

روغن

اصطکاک بیشتر

مواد شیمیایی

ممکن است باعث چسبندگی شوند.

دوغاب و اسلاری (Slurry)

بسیار سخت

گاهی 2 تا 3 برابر گشتاور بیشتر لازم است.

7. دمای سیال

دمای بالا باعث:

• انبساط قطعات
• افزایش اصطکاک سیت

می‌شود.

مثال:

بال ولو PTFE

• در 20°C یک گشتاور دارد.
• در 180°C گشتاور بسیار بیشتر می‌شود.

8. نوع سیت شیر

PTFE

گشتاور کم

RPTFE

کمی بیشتر

PEEK

بیشتر

Metal Seat

بسیار بیشتر

9. Full Port یا Reduced Port

Full Port

قطر عبور برابر لوله

مزایا:

• افت فشار کم

معایب:

• گشتاور بیشتر

Reduced Port

قطر عبور کوچکتر

مزایا:

• گشتاور کمتر

10. تعداد دفعات عملکرد

بسیار مهم است.

عملکرد کم

مثلاً:

روزانه 1 بار

اکچویتور ساده کافی است.

عملکرد زیاد

مثلاً:

هر 5 دقیقه

نیاز به:

• موتور قوی‌تر
• Duty Cycle بالاتر

11. نوع کنترل

ON/OFF

ساده‌ترین

فقط:

• باز
• بسته

Modulating

پیچیده‌تر

مثلاً:

0 تا 100%

نیاز به:

• انکودر
• Positioner
• برد کنترل

12. زمان باز و بسته شدن

مثال:

90 درجه در:

• 5 ثانیه
• 15 ثانیه
• 30 ثانیه

سرعت زیاد

مزایا:

• واکنش سریع

معایب:

• خطر ضربه قوچ

سرعت کم

مزایا:

• محافظت از لوله‌ها

13. ولتاژ تغذیه

24VDC

مزایا:

• ایمن
• مناسب باتری

کاربرد:

• مخازن آب
• سیستم خورشیدی

220VAC

رایج‌ترین

380VAC

اکچویتورهای بزرگ

14. محیط نصب

محیط معمولی

IP65 کافی است.

محیط مرطوب

IP67

غوطه‌وری

IP68

15. شرایط انفجاری

برای:

• نفت
• گاز
• پتروشیمی

نیاز به:

• ضد انفجار

استاندارد:

• ATEX
• IECEx

16. قابلیت عملکرد دستی

Manual Override

در زمان:

• قطع برق
• خرابی کنترل

بسیار مهم است.

 

چک‌لیست انتخاب اکچویتور برقی

قبل از خرید باید این 12 سؤال پاسخ داده شود:

1. نوع شیر چیست؟
2. سایز شیر چیست؟
3. Full Port یا Reduced Port؟
4. گشتاور اعلامی سازنده چقدر است؟
5. فشار کاری واقعی چقدر است؟
6. سیال چیست؟
7. دمای سیال چقدر است؟
8. ON/OFF یا Modulating؟
9. ولتاژ تغذیه چیست؟
10. چند بار در روز عمل می‌کند؟
11. محیط نصب چگونه است؟
12. آیا ضد انفجار لازم است؟

محاسبه تقریبی گشتاور مورد نیاز

گشتاور مورد نیاز تابع موارد زیر است:

• نوع شیر
• سایز شیر
• فشار سیال
• دمای سیال
• ضریب اصطکاک نشیمنگاه

فرمول ساده:

T=F×rT=F\times rT=F×r

که در آن:

• T = گشتاور (Nm)
• F = نیروی لازم (N)
• r = شعاع بازوی نیرو (m)

در عمل معمولاً از جدول سازنده شیر استفاده می‌شود.

ارتباط اکچویتور برقی با PLC و سیستم کنترل

سیگنال‌های ورودی:

• Open
• Close
• Stop
• 4-20 mA

سیگنال‌های خروجی:

• Open Feedback
• Close Feedback
• Fault
• Position Feedback

پروتکل‌های ارتباطی:

• Modbus RTU
• Modbus TCP
• Profibus
• Profinet
• HART
• EtherNet/IP

مثال هایی برای انتخاب اکچویتور برقی مناسب

فرض کنیم یک اکچویتور برقی برای یک شیر توپی استیل 3 اینچ میخواهیم و مشخصات و شرایط به صورت زیر است:

• شیر: Ball Valve
• جنس: استیل 304
• برند: کیتز چینی
• سایز:   3 اینچ (DN80)
• Full Port
• PN16
• فشار کاری: 10 بار
• عملکرد: ON/OFF
• تغذیه: 24VDC

برآورد گشتاور

برای بال ولوهای فول پورت DN80 در فشار 10 بار، گشتاور عملیاتی معمولاً در محدوده زیر قرار می‌گیرد:

• گشتاور عملکرد عادی: 40 تا 80 Nm
• گشتاور شروع حرکت (Breakaway Torque): 60 تا 120 Nm

در شیرهای چینی، به دلیل تفاوت کیفیت ماشین‌کاری و سیت‌ها، معمولاً بهتر است محافظه‌کارانه‌تر انتخاب شود.

انتخاب اکچویتور

حداقل قابل قبول

• 100 Nm

انتخاب استاندارد صنعتی

• 150 Nm

انتخاب با حاشیه اطمینان بالا

• 200 Nm

پیشنهاد مهندسی

برای شرایطی که توضیح دادید، من اکچویتور 24VDC با گشتاور 150 Nm را انتخاب می‌کنم.

مزایا:

• برای فشار 10 بار کاملاً کافی است.
• در صورت افزایش اصطکاک سیت‌ها در آینده نیز مشکلی ایجاد نمی‌کند.
• روی استم و گیربکس شیر بار غیرمنطقی وارد نمی‌کند.
• برای ON/OFF بسیار مناسب است.

اگر شیر شما دارای مشخصات زیر باشد:

• بال ولو استیل 304
• برند کیتز چینی (کپی KITZ)
• سایز 2 اینچ (DN50)
• فشار کاری تا 20 بار
• عملکرد فقط ON/OFF
• تغذیه 24VDC

پیشنهاد من کمی محافظه‌کارانه‌تر از حالت عادی است، زیرا شیرهای چینی معمولاً تلرانس ساخت، کیفیت سیت و یکنواختی گشتاورشان به اندازه برندهای اصلی نیست.

برآورد گشتاور

برای یک بال ولو استیل DN50 در فشار 20 بار:

• گشتاور معمول کارکرد: حدود 30 تا 50 Nm
• گشتاور اولیه باز شدن (Breakaway Torque): حدود 50 تا 70 Nm

با در نظر گرفتن ضریب اطمینان مناسب:

انتخاب پیشنهادی

• حداقل قابل قبول: 80 Nm
• انتخاب توصیه‌شده: 100 Nm

من شخصاً 100 Nm را انتخاب می‌کنم، چون اختلاف قیمت آن با 60 یا 80 Nm معمولاً زیاد نیست اما حاشیه اطمینان خوبی در برابر:

• سفت شدن سیت‌ها با گذشت زمان
• رسوب احتمالی
• کاهش ولتاژ باتری یا منبع تغذیه
• افزایش اصطکاک در دماهای مختلف

ایجاد می‌کند.

اگر مشخصات شیر و شرایط به این صورت باشد:

• Ball Valve Full Port
• سایز 2 اینچ (DN50)
• جنس شیر استیل 304
• کلاس شیر PN16
• فشار کاری واقعی 10 بار
• عملکرد ON/OFF
• تغذیه 24VDC

شرایط بسیار سبک‌تر از حالت PN25 و فشار 20 بار خواهد بود.

برآورد گشتاور

برای یک بال ولو DN50 Full Port در فشار 10 بار:

• گشتاور عملکرد عادی: حدود 20 تا 35 Nm
• گشتاور شروع حرکت: حدود 30 تا 50 Nm

با ضریب اطمینان 1.5 تا 2:

T_{actuator}\approx 35\times2=70\ Nm

بنابراین از نظر مهندسی:

حداقل قابل قبول

• 40 Nm

انتخاب مناسب

• 60 Nm

انتخاب با حاشیه اطمینان زیاد

• 80 Nm

انتخابی که من انجام می‌دهم

برای پروژه واقعی:

اکچویتور 24VDC با گشتاور 60 Nm را انتخاب می‌کنم.

دلایل:

• برای فشار 10 بار کاملاً کافی است.
• روی شیر تنش اضافی وارد نمی‌کند.
• قیمت و مصرف برق کمتر از مدل 100 Nm است.
• در آینده نیز با افزایش جزئی اصطکاک مشکلی نخواهد داشت.

بنابراین برای بال ولو استیل 304 فول پورت 2 اینچ PN16 با فشار کاری 10 بار و تغذیه 24VDC، انتخاب صنعتی متعارف 60 Nm و انتخاب محافظه‌کارانه 80 Nm است.

برای مشاوره و انتخاب بهتر اکچویتور برقی با ما تماس بگیرید. تا با دانستن شرایط موجود شیر بتوانیم در انتخاب اکچویتور مناسب به شما کمک کنیم.