Electric actuator

Electric actuator là tên gọi chung cho các thiết bị truyền động, vận hành bằng năng lượng điện(electrical energy). Tuy nhiên trong ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam, “Electric actuator” chỉ những thiết bị truyền động dùng để vận hành các loại van công nghiệp, sử dụng năng lượng điện.

Khi Electric actuator được lắp đặt với bộ phận thân van, ta có các thiết bị van điều khiển ví dụ như:

• Van bi điều khiển bằng điện.
• Van cầu điều khiển bằng điện.
• Van bướm điều khiển bằng điện,…

Tên gọi electric actuator được dùng để phân biệt với pneumatic actuator, thiết bị truyền động vận hành bằng năng lượng khí nén.

Mặc dù có nhiều loại Electric actuator khác nhau, và chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng truyền động cụ thể. Nhưng trong bài viết này, mình sẽ tập chung đến loại thiết bị truyền động bằng điện, sử dụng cho các loại van (electric valve actuator).

Electric actuator là gì?

Electric actuator hay còn được gọi là bộ truyền động điện, chúng là những thiết bị điện có khả năng tạo ra những chuyển động cơ học (chuyển động quay hoặc chuyển động tuyến tính), chúng hoạt động bằng năng lượng điện AC 380V, AC 220V, AC 110V, DC 24V, DC12V,…

Bộ truyền động điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện, thành chuyển động cơ học trong các ứng dụng tự động hóa và điều khiển, đặc biệt có những thiết bị bộ truyền động điện, được thiết kế đặc biệt để điều chỉnh hoạt động (đóng, mở và điều tiết lưu lượng dòng chảy) của các loại van.

Electric valve actuator là gì?

Electric valve actuator là những thiết bị truyền động điện, được sử dụng để vận hành các loại van công nghiệp, bao gồm van bi, van bướm, van cầu,…

Tại Việt Nam, khi nhắc đến Electric actuator người ta thường ngầm hiểu chúng là Electric valve actuator. Ngoài ra chúng còn được biến đến với nhiều tên gọi khác nhau như:

• Bộ truyền động điện.
• Đầu van điện.
• Bộ truyền động van sử dụng điện.
• Thiết bị truyền động sử dụng điện,…

Bộ truyền động điện sử dụng cho van, thường được quan tâm đến các yếu tố bao gồm: Kiểu chuyển động mà thiết bị tạo ra, lực hoặc momen xoắn phát sinh, hành trình chuyển động,…

Việc lắp đặt thiết bị truyền động điện cho các loại van công nghiệp, là một cải tiến cho phép người dùng có thể vận hành van từ khoảng cách xa, ngoài ra nếu kết hợp van với các loại thiết bị cảm biến, và thiết bị điều khiển tín hiệu, van có khả năng làm việc hoàn toàn tự động.

Bộ truyền động điện sử dụng cho van, sử dụng nguồn điện với đa dạng các mức điện áp AC 380V, AC 220V, AC 24V, DC 24V,…

Electric actuator sử dụng cho van thông thường tạo ra 2 kiểu chuyển động:

• Chuyển động quay: Electric actuator tạo ra chuyển động quay, được sử dụng để vận hành van bi hoặc van bướm, giá trị momen xoắn tối thiểu mà bộ truyền động có thể tạo ra thông thường là 30 N.m. Những loại van càng lớn hoặc làm việc với áp suất cao, yêu cầu Electric actuator, tạo ra momen xoắn lớn hơn.
• Chuyển động tuyến tính (chuyển động thẳng): Electric actuator tạo ra chuyển động thẳng, được sử để vận hành các thiết bị van cầu hoặc van cổng.
  Với những thiết bị này chúng ta cần quan tâm đến hai giá trị, bao gồm hành trình truyền động và lực phát sinh (lực kéo và lực đẩy).

Cấu tạo electric actuator

Thiết bị truyền động điện (Electric actuator) có nhiều chủng loại, giữa những loại thiết  bị truyền động điện khác nhau, sẽ có sự khác biệt về cấu tạo.

Về cơ bản các thiết bị truyền động, vận hành bằng năng lượng điện được cấu tạo từ các bộ phận chính như sau.

Nắp và thân

Đây là bộ phận bảo vệ và liên kết các bộ phận khác lại với nhau. Tùy theo chủng loại cụ thể, thân và nắp của bộ truyền động có hình dạng và kích thước khác nhau. Là bộ phận có chức năng bảo vệ, các linh kiện bên trong khỏi những tác động từ bên ngoài (lực va đập, độ ẩm, bụi bẩn,…). Nắp và thân được chế tạo từ những loại vật liệu bền bỉ, có khả năng chịu nhiệt, chịu lực,… bao gồm nhôm, hợp kim nhôm, nhựa, thép, gang,…

Màn hình điều khiển

Màn hình và hệ thống các nút điều khiển, có thể được thiết kế hoặc được lược bỏ, đối với những thiết bị có hành trình đơn giản, nhằm mục đích tối ưu chi phí.

Ví dụ:

• Những thiết bị chỉ làm việc ở hai vị trí cơ bản (vị trí đóng và vị trí mở), chúng sẽ không thiết kế màn hình điều khiển.
• Những thiết bị có hành trình phức tạp hơn, chúng có nhiều chế độ làm việc, và nhiều tính năng khác nhau. Màn hình điều khiển được tích hợp, để người dùng tiện quan sát và điều chỉnh các chế độ làm việc, để phù hợp với mục đích sử dụng.

Đầu đấu dây

Bộ phận đầu đấu dây, bao gồm 2 cổng đấu nối với dây cấp điện, cùng với các đầu đấu nối dây tín hiệu. tất cả được đánh ký hiệu, bằng các con số từ 1 đến 10. Hướng dẫn đấu nối được cung cấp kèm với tài liệu kỹ thuật.

Nó được bố trí bên trong bộ truyền động, nhằm đảm bảo khả năng tiếp xúc điện tốt nhất, giảm thiểu những tác động từ môi trường làm việc bên ngoài.

Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử cơ bản, có mặt trong tất cả các loại thiết bị điện.

Trong các thiết bị electric actuator, tụ điện có vai trò cung cấp năng lượng, ổn định dòng điện cho động cơ và các bộ phận điện tử khác:

Cung cấp năng lượng khởi động: Động cơ trong electric actuator, cần một lượng năng lượng khởi đầu lớn, để vượt qua ma sát tĩnh và khởi động chuyển động. Tụ điện giữ một lượng năng lượng đủ lớn, và giải phóng trong khoảng thời gian rất ngắn, sẵn sàng để cung cấp cho động cơ trong giai đoạn khởi động này.

Ổn định dòng điện: Khi động cơ khởi động hoặc chuyển đổi tải, dòng điện tại điểm đầu tiên có thể tăng đột ngột. Tụ điện có khả năng cung cấp dòng điện ngay lập tức để ổn định hệ thống và tránh tình trạng quá tải ngắn hạn.

Ổn định điện áp: Duy trì một điện áp ổn định trong hệ thống. Đảm bảo động cơ và các linh kiện điện tử, hoạt động trong khoảng điện áp an toàn.

Hỗ trợ thay đổi tải: Trong quá trình làm việc, tải trọng của bộ truyền động có thể thay đổi vì một lý do nào đó. Tụ điện có khả năng cung cấp năng lượng bổ sung, đáp ứng đủ năng lượng cho sự gia tăng tải trọng.

Giảm nhiễu điện: Tụ điện có thể làm giảm nhiễu điện trong hệ thống, giúp duy trì chất lượng điện áp và dòng điện ổn định hơn, đặc biệt trong môi trường công nghiệp nhiễu.

Bảng mạch điện tử

Bảng mạch điện tử (printed circuit board – PCB), được kết nối với màn hình điều khiển của electric actuator. Vì vậy bộ phận này thường chỉ xuất hiện trong những thiết bị electric actuator, có đa dạng chức năng. Đối với những thiết bị chỉ thực hiện những chuyển động quay hoặc tính tiến 2 vị trí đơn giản, kiểu như Quarter-Turn Electric Actuators, sẽ không có bộ phận bảng mạch điện tử.

Bảng mạch điện tử trong electric actuator, có vai trò quan trọng trong việc điều khiển, kiểm soát và tương tác giữa các thành phần điện tử trong thiết bị.

• Vi xử lý: Bảng mạch điện tử thường chứa một vi xử lý hoặc vi điều khiển, nó đóng vai trò là “bộ não” của electric actuator. Vi xử lý này thực hiện xử lý tín hiệu, thực hiện các thuật toán điều khiển, quản lý các chức năng của bộ truyền động, tương tác lại với tín hiệu điều khiển từ người dùng.
• Các linh kiện điện tử: Linh kiện điện tử như tụ, điốt, điện trở, IC và các phần khác, cần thiết để điều khiển và kiểm soát hoạt động của động cơ.
• Giao diện giao tiếp: Một số electric actuator có khả năng kết nối, với các hệ thống điều khiển trung tâm. PCB có thể có các cổng giao tiếp như Modbus, Ethernet, CAN bus và các giao thức khác để truyền thông với các thiết bị và hệ thống khác.
• Thiết bị bảo vệ:  cũng có thể tích hợp các mạch bảo vệ để đảm bảo an toàn cho bộ truyền động và các linh kiện điện tử khác, bao gồm bảo vệ quá tải, quá dòng và quá điện áp.
• Dây nối và đèn LED: Mạch điện tử có thể, bao gồm dây nối để kết nối với các bộ phận khác của bộ truyền động, đèn LED để hiển thị trạng thái hoạt động hoặc thông tin khác.

Công tắc hành trình

Công tắc hành trình (limit switch), là một thành phần quan trọng trong electric actuator (bộ truyền động điện), được sử dụng để giới hạn và kiểm soát vị trí hoạt động của bộ truyền động.

Bộ phận này được lắp đặt cố định, tại những vị trí thuộc phạm vị di chuyển của trục bộ truyền động, nó đảm bảo chuyển động mà electric actuator tạo ra, luôn nằm trong giới hạn được thiết lập trước đó.

Công tắc hành trình là giải pháp tin cậy, và tiết kiệm chi phí đối với việc kiểm soát chuyển động của bộ truyền động điện.

Động cơ điện

Động cơ điện của electric actuator (bộ truyền động điện), đóng vai trò như “trái tim” của thiết bị này. Động cơ điện chịu trách nhiệm chuyển đổi năng lượng điện, thành chuyển động cơ học, từ đó vận hành và thay đổi vị trí của bộ truyền động.

Loại động cơ:

• Động cơ DC: Sử dụng nguồn điện một chiều (DC), động cơ DC thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ điều chỉnh và kiểm soát chính xác. Chúng được thiết kế để vận hành ở mức điện áp thấp hơn động cơ AC.
• Động cơ AC: Sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC), động cơ AC dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện lưới thông thường.

Hộp số

Hộp số hay hộp truyền động cơ khí, của electric actuator, được cấu thành từ nhiều chi tiết bánh răng ăn khớp với nhau.

Bộ phận này có chức năng chuyển động từ động cơ điện, đồng thời khuếch đại momen xoắn.

Các bánh răng trong hộp số thường được chế tạo từ thép cacbon hoặc đồng thau.

Bộ truyền bánh vít trục vít

Bộ phận này có chức năng gần giống với hộp số như trên, tuy nhiên nó bao gồm một trục vít, dẫn động cho một bánh vít. Vì thế chuyển động quay được truyền đi cho hai trục có phương vuông góc với nhau, đồng thời momen xoắn, được khuếch đại thêm một lần nữa.

Cơ cấu hiển thị trạng thái làm việc

Đây là bộ phận nhỏ của thiết bị, nó bao gồm một mặt quan sát được lắp trên nắp bộ truyền, một đĩa nhôm được gắn với trục của bộ truyền động.

Khi trục của bộ truyền động quay, nó làm cho chi tiết đĩa nhôm quay theo, từ đó khi quan sát vị trí góc quay của đĩa nhôm, ta biết được trạng thái làm việc của bộ truyền động.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của electric actuator (bộ truyền động điện) dựa trên việc sử dụng năng lượng điện, để tạo ra chuyển động cơ học, điều khiển vị trí của các thiết bị máy móc, đặc biệt phổ biến đối với các loại van công nghiệp.

Dưới đây là mô tả cơ bản về cách thức hoạt động của electric actuator:

• Quá trình cấp điện: Electric actuator sử dụng nguồn điện AC (điện xoay chiều) hoặc DC (điện một chiều) để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Điện năng được cấp vào thiết bị, thông qua đầu đấu dây.
• Hoạt động của động cơ điện: Dòng điện tư đấu đấu dây, đi qua các linh kiện điện tử, được chuyển đổi và lọc nhiễu, đảm bảo cung cấp cho động cơ điện dòng điện phù hợp. Điện năng cung cấp cho động cơ điện, làm cho nó hoạt động và tạo ra chuyển động quay.
• Quá trình truyền và biến đổi chuyển động: Chuyển động được tạo ra bởi động cơ điện, không thể trực tiếp sử dụng để vận hành van, hoặc các thiết bị hay cơ cấu. Vì chuyển động này có tốc độ quay khá nhanh, và momen xoắn thấp. Vì vậy nó cần được biến đổi, để chuyển động phù hợp hơn.
  Chuyển động sẽ được làm giảm tốc độ quay, tăng momen xoắn, thông qua việc truyền tải thông qua các cấp bánh răng, và cuối cùng là ở bộ truyền động bánh vít trục vít.
• Kích hoạt công tắc giới hạn hành trình: Chuyển động từ động cơ điện, sau khi được truyền đi và biến đổi qua các bộ truyền cơ khí, cuối cùng làm di chuyển bộ phận trục của bộ truyền động. Bên trong bộ truyền động điện được thiết kế bộ phận trục cam, có cùng chuyển động với bộ phận trục. Khi trục quay đến giới hạn hành trình được thiết lập trước đó, trục cam sẽ tác động đến công tắc giới hạn. Từ đó ngừng việc cấp điện cho động cơ, bộ truyền động dừng lại.

Tóm lại, electric actuator hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học thông qua động cơ điện và hệ thống truyền động cơ học. Cảm biến vị trí và bộ điều khiển được sử dụng để kiểm soát vị trí và hoạt động của bộ truyền động.

2 kiểu chuyển động cơ bản được tạo ra bởi electric actuator

Electric actuator được sử dụng để chuyển hóa năng lượng điện, thành chuyển động cơ học phù hợp để dẫn động một số thiết bị, cũng như các cơ cấu cơ trong dây chuyền sản xuất.

Tùy theo từng loại thiết bị hoặc hệ thống cụ thể, chúng cần electric actuator tạo ra những kiểu chuyển động có quỹ đạo khác nhau. Trong đó 2 kiểu chuyển động cơ bản nhất và được sử dụng nhiều nhất, đó là chuyển động quay và chuyển động tiến tính.

Electric actuator loại chuyển động tuyến tính

Electric actuator loại chuyển động tuyến tính, hay còn được gọi là bộ truyền động sử dụng điện, tạo ra chuyển động thẳng. Chúng sử dụng điện năng để tạo ra chuyển động tuyến tính, trong một phạm vi nhất định.

Ứng dụng của bộ truyền động điện, có chuyển động tuyến tính đó là chúng được sử dụng, để thực hiện các thao tác kéo, đẩy hoặc nâng, hạ các bộ phận và cơ cấu máy móc.

Đặc biệt có nhiều thiết bị truyền động được thiết kế, đặc biệt để điều chỉnh hoạt động của van cổng và van cầu.

Electric actuator loại chuyển động quay

Electric actuator loại chuyển động quay, thiết bị này sử dụng điện năng để tạo ra chuyển động quay.

Hành trình của chuyển động của electric actuator, thường là từ 0 đến 90° và có khả năng điều chỉnh giới hạn góc quay, trong phạm vi từ 0 đến 360°, ngoài ra còn có những thiết bị truyền động, nhiều vòng quay.

Electric actuator loại chuyển động quay, được sử dụng để vận hành các thiết bị công nghiệp, các loại van có hoạt động đóng mở, thông qua việc thay đổi góc nghiêng của đĩa van hoặc bi van, như van bi hoặc van bướm.

Electric actuator vận hành các thiết bị van công nghiệp

Electric actuator vận hành van bi

Van bi là loại van công nghiệp, được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Chúng có nhiều ưu điểm nổi trội như:

• Phù hợp cho nhiều loại lưu chất, bao gồm cả chất lỏng và chất khí.
• Hoạt động ổn định, vận hành đơn giản.
• Độ bền cao.

Tuy nhiên, van bi cũng tồn tại một số hạn chế như: Đường kính thân van thường giới hạn ở DN300, không phù hợp cho chất lưu có chứa tạp chất.

Electric actuator vận hành van bi, được sử dụng nhằm mục đích nâng cao khả năng vận hành tự động, và điều điều khiển từ xa.

Bộ truyền động điện sử dụng cho van bi, là loại Quarter-Turn Electric Actuator.

Xem thêm: Van bi điều khiển điện.

Electric actuator vận hành van bướm

Van bướm và van bi có nguyên lý hoạt động gần giống nhau, tuy nhiên chúng khác biệt về kết cấu. Hoạt động đóng mở của van bướm cũng phụ thuộc vào việc điều chỉnh góc quay của chi tiết cánh van, trong giới hạn từ 0° đến 90°.

Vì vậy cả van bướm van van bi, đều sử dụng chung một loại thiết bị truyền động, đó là Quarter-Turn Electric Actuator. Van có đường kính càng lớn hoặc làm việc trong điều kiện áp suất càng cao, bộ truyền động sử dụng yêu cầu tạo ra mức momen xoắn lớn hơn.

Xem thêm: Van bướm điều khiển điện.

Electric actuator vận hành van cầu

Bộ truyền động vận hành bằng năng lượng điện sử dụng cho van cầu, là thiết bị sử dụng năng lượng điện để tạo ra chuyển động tuyến tính. Electric actuator được lắp đặt đồng trục với van cầu, trục của van cầu và trục của bột truyền động, được liên kết với nhau

Từ đó chuyển động tuyến tính được tạo ra từ thiết bị truyền động. được sử dụng để thay điều khiển trạng thái đóng mở của van cầu.

Xem thêm: Van cầu điều khiển điện.

Electric actuator vận hành van cổng

Nếu van van bướm và van bi được dẫn động, bởi electric actuator chuyển động quay, thì van cầu và van cổng được dẫn động bởi electric actuator chuyển động tuyến tính.

Xuất phát từ đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động, van cổng phù hợp để sử dụng cho các loại chất lưu, ở trạng thái lỏng đồng thời trong dòng chảy có lẫn tạp chất, loại avn này có thể xử lý rất tốt.

Giống như van cầu, electric actuator sử dụng để dẫn động cho van cổng, được lắp đồng trục theo phương thẳng đứng. Hai đầu trục được liên kết với nhau. Bộ truyền động điện, được liên kết với bộ phận thân van, thông qua bộ phận gá kim loại. Hành trình di chuyển trục của electric actuator, sẽ thay đổi trạng đóng mở hoặc điều tiết của van cổng.

Xem thêm: Van cổng điều khiển điện.