اکچویتور برقی چیست؟

معرفی اکچویتور برقی

محرک الکتریکی یا اکچویتور برقی ابزاری است که برای کنترل حرکت یک سیستم مکانیکی مانند شیر یا دمپر با تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی کاربرد دارد. عملگرهای الکتریکی معمولاً در تنظیمات صنعتی و تجاری برای خودکارسازی سیستم‌های کنترل، بهبود کارایی و افزایش ایمنی استفاده می‌شوند.

اکچویتور برقی متشکل از یک موتور الکتریکی، یک چرخدنده و یک سیستم کنترل میباشد. موتور الکتریکی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی چرخشی استفاده می شود که سپس به چرخدنده منتقل می شود. از چرخدنده برای افزایش گشتاور و کاهش سرعت موتور استفاده می شود و جابجایی بارهای بزرگتری را مقدور میسازد.

سیستم کنترل یک اکچویتور برقی برای نظارت و کنترل موقعیت، سرعت و گشتاور محرک کاربرد دارد. معمولاً شامل سنسورها و مکانیسم‌های فیدبک است که به آن اجازه می‌دهد موقعیت محرک را بر اساس خروجی مورد نظر تنظیم کند.

محرک های الکتریکی می توانند توسط منابع مختلفی از جمله برق AC یا DC، تغذیه شوند. آنها در طیف وسیعی از اندازه ها و پیکربندی ها هستند و می توانند برای استفاده در کاربردهای مختلف، از سیستم های ساختمانی در مقیاس کوچک تا فرآیندهای صنعتی در مقیاس بزرگ، طراحی شوند.

انواع اکچویتور برقی

انواع مختلفی از اکچویتور برقی وجود دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند. در اینجا برخی از رایج ترین انواع آن آورده شده است:

1. اکچویتور برقی خطی (Linear electric actuator): اکچویتور برقی خطی نوعی محرک است که حرکت خطی را در یک خط مستقیم ایجاد می کند. معمولاً در کاربردهایی که حرکت خطی دقیق مورد نیاز است، مانند رباتیک، اتوماسیون و سیستم های موقعیت یابی کاربرد دارد.

2. اکچویتور برقی چرخشی (Rotary electric actuator): اکچویتور برقی چرخشی نوعی محرک است که معمولاً در یک قوس دایره ای یا نیمه دایره ای حرکت چرخشی را ایجاد می کند. این اکچویتور در کاربردهایی استفاده می شود که حرکت چرخشی دقیق مورد نیاز است، مانند سیستم های شیر کنترلی، سیستم های کنترل دمپر و سایر سیستم های مکانیکی.

3. اکچویتور برقی مولتی ترن (Multi-turn electric actuator): محرک الکتریکی مولتی ترن نوعی اکچویتور برقی چرخشی است که برای چرخش چندین دور کامل، معمولا تا 360 درجه طراحی شده است.

4. اکچویتور برقی ربع چرخ (Quarter-turn electric actuator): اکچویتور برقی ربع دور نوعی محرک الکتریکی چرخشی است است که برای چرخش یک چهارم دور، معمولا تا 90 درجه طراحی شده است. این محرک معمولاً در کاربردهایی که نیاز به کنترل سریع و دقیق شیرها است، مانند کارخانه‌های پتروشیمی و سایر فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد.

5. اکچویتور برقی اسکاچ یوکی (Scotch yoke electric actuator): اکچویتور برقی اسکاچ یوکی نوعی محرک الکتریکی چرخشی است که از مکانیزم بادامک و پیرو برای تولید حرکت چرخشی استفاده می کند. معمولاً در کاربردهایی که گشتاور بالا و کنترل دقیق مورد نیاز است، مانند سیستم های خط لوله و سایر فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد.

6. اکچویتور برقی فنر برگشتی (Spring return electric actuator): اکچویتور برقی برگشت فنری نوعی محرک است که طراحی آن به شکلی است که با قطع برق به حالت اولیه خود بازگردد. معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شود که در آن عملیات ایمن مورد نیاز است.

طرز عملکرد اکچویتور برقی

در این قسمت برای بیان طرز کارکرد یک اکچویتور برقی، عملکرد اکچویتور برقی خطی را به عنوان مثال بررسی خواهیم کرد. در این اکچویتور، یک موتور الکتریکی با چرخش اسپیندل یا روتور حرکت چرخشی ایجاد می کند. اسپیندل موتور مستقیماً از طریق محور محرک به یک پیچ هلیکال متصل می شود که این پیچ هم در یک مهره پیچ ساچمه ای (Ball Screw Nut) می چرخد.

زمانیکه که اسپیندل می چرخد، مهره پیچ ساچمه ای در امتداد پیچ مارپیچ به جلو یا عقب می رود.

یک میله پیستون توخالی به مهره بال اسکرو متصل می شود و زمانیکه موتور در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد، حرکت به بیرون یا درون محرک خطی ایجاد می شود.

موتور توسط یک درایو الکتریکی کنترل می شود که اجازه می دهد تا سرعت چرخش و در نتیجه سرعت خطی محرک تغییر کند. یک مکانیسم فیدبک، اطلاعات موقعیتی را می دهد. اکچویتور برقی خطی را می توان طوری برنامه ریزی کرد که در یک موقعیت خاص متوقف شود.

قدرت موتور، گشتاور تولیدی و در نتیجه نیروی مفیدی که می تواند از طریق محرک برای حرکت وارد شود را تعیین می کند.

مقایسه میان اکچویتور برقی و دیگر انواع اکچویتور

محرک ها  در وهله اول بر اساس نوع حرکتی که تولید می کنند طبقه بندی می کنند که انواع آن را در قسمت های قبلی با هم بررسی کردیم.

انواع محرک در وهله دوم با نوع انرژی که محرک برای تبدیل منبع از حالت پتانسیلی به حرکت فیزیکی استفاده می کند، مشخص می شود. انرژی پتانسیل انرژی ذخیره شده یا توانایی انجام کار است. انرژی جنبشی انرژی حرکت است. رایج ترین منابع انرژی سیالات غیر قابل تراکم، هوای متراکم و انرژی الکتریکی هستند.

محرک های هیدرولیک با سیال غیر قابل تراکم کار می کنند و با مدیریت مقدار سیال داخل آن، حرکت را کنترل می کنند. افزودن مایع باعث افزایش فشار در حالی که کاهش آن باعث کاهش نیرو می شود. این عملگرها برای کاربردهایی که به قدرت قابل توجهی نیاز دارند، مناسب هستند.

مزیت اصلی سیستم های پنوماتیکی این است که به جای سیال با هوا یا گاز متراکم کار می کنند. در نتیجه، آنها غیرفرار هستند و برای اجرا، نیازی به برق ندارند. محرک های پنوماتیکی مقرون به صرفه هستند و آنها را برای سیستم های ترمز و سنسورهای فشار بکار میبرند.

عملکرد یک محرک الکتریکی تولید نیروی مکانیکی از ورودی برق است. از آنجایی که منبع تغذیه این محرک ها ثابت و پیوسته است، تعمیر و نگهداری آساانی دارند و برای کارهای با دقت بالا مناسب هستند. اکچویتور برقی در تولید، رباتیک و ماشین های برقی رایج هستند.

مقایسه کاربردهای اکچویتور برقی، هیدرولیکی و پنوماتیکی

نسبت اسب بخار به وزن در محرک هیدرولیک بالا است. این محرک ها بسیار قدرتمند هستند و نسبت به اندازه خود قدرت بسیار بالایی تولید می کنند.

اکچویتور برقی مستقیماً هدایت می شوند. به این ترتیب، زمان پاسخگویی عالی دارند که آنها را برای اجرای سریع مناسب می کند. بنابراین اکچویتورهای برقی برای کارهای سریع و سبک، عالی هستند.

همینطور میتوان گفت اکچویتورهای برقی دستگاه های دقیقی هستند در حالی که محرک‌های هیدرولیک و پنوماتیک دارای تلورانس‌هایی مانند شلی (slack) و لقی (backlash) در طراحی خود هستند. برای کنترل و عملکرد دقیق، محرک های الکتریکی گزینه مناسبی میباشند.

محرک های پنوماتیکی سریع ترین محرک ها در بازار هستند. بالا بودن سیکل کاری (Duty cycle) در این محرک ها باعث بهره وری بیشتر می شود که به سودآوری و بازده سرمایه گذاری بیشتر منتج می شود. بنابراین در جایی که سرعت و سیکل کاری بالا مورد نیاز است، این محرک ها گزینه مناسبی هستند.

مقایسه عملکرد اکچویتور برقی با اکچویتور پنوماتیکی و هیدرولیکی

عملکرد این سه نوع محرک در فرایندهای صنعتی با هم متفاوت است و هرکدام را دارای مزایا و یا معایبی می کند. به عنوان مثال در اکچویتور برقی علاوه بر دقت بالا و موقعیت دهی بسیار عالی می توان فیدبک نیرو نیز دریافت کرد. این امر به کاهش استهلاک شیر کمک میکند و هزینه های تعمیرات و نگهداری آن را  تا حد زیادی کاهش می دهد.

عیبی که اکچویتورهای برقی در عملکرد خود دارند این است که در حین عملکرد داغ میکنند و کار آنها مختل میشود. همچنین فیل (Fail) آنها عموما در آخرین موقعیت است. این در حالی است که مثلا در صورت خرابی خط هوا در محرک های نیوماتیکی شیر بسته (Fail to close) و یا باز (Fail to open) میشود.

این عیب در اکچویتورهای برقی باعث شده است که نیاز باشد که حتما به صورت ترکیبی با هندویل هم بکار روند و یک عملگر دستی در آن تعبیه شود.

مزایا و معایب اکچویتور برقی

مانند هر نوع محرک، محرک های الکتریکی در صورت تطبیق مناسب با کاربرد می توانند انتخاب مناسبی باشند. در اینجا چند نکته مثبت وجود دارد که به طور مختصر به آن ها اشاره می کنیم.

مزایای اکچویتور برقی

سرعت بالا: اکچویتورهای برقی مستقیماً هدایت می شوند و همانطور که ذکر شد زمان پاسخ (Response Time) کمی دارند و در کاربردهایی که نیاز به سرعت بالا دارند بکار میروند.

دقت بالا: همانطور که در قسمت های قبلی عنوان شد این محرک ها دارای دقت بسیار بالایی هستند.

تمیز و غیر آلوده: برق یک منبع انرژی پاک است، به این معنی که هیچ خطر بالقوه ای برای نشت و آلودگی وجود ندارد.

معایب اکچویتور برقی

همانند تمام دستگاه های مکانیکی، اکچویتور برقی دارای معایبی نیز هستند. در اینجا سه عیب برای محرک های الکتریکی ذکر میشود:

ضعف: شما نمی توانید همان مقدار قدرت را که هیدرولیک یا پنوماتیک تولید میکند با برق ایجاد کنید. علیرغم پیشرفت فناوری که به طراحی محرک ها استحکام می بخشد، اکچویتورهای برقی هنوز نسبتا ضعیف هستند.

پیچیدگی: محرک های الکتریکی معمولاً طراحی و پیاده سازی پیچیده ای دارند. 

قیمت بالا: هزینه قابل توجهی برای اکثر اکچویتورهای برقی وجود دارد. بر اساس هزینه به ازای توان مصرفی،به طور قابل توجهی مصرف برق و قیمت بالایی دارند.