Elektrische Ventilantriebe - Wie sie funktionieren

Elektrische Vierteldrehungs-Stellantriebe sind elektromechanische Geräte, die zur Fernsteuerung von Vierteldrehungsventilen wie Kugel- und Klappenventilen verwendet werden. Sie können als Paket zusammen mit dem Ventil oder als separate Einheit gekauft und an ein bestehendes Vierteldrehungsventil angebracht werden.

Inhaltsübersicht

• Konstruktion des elektrischen Ventilantriebs
• Befestigung
• Merkmale des elektrischen Ventilantriebs
• Elektrische Verkabelung
• Normen
• Material
• Anwendungen für elektrische Ventilantriebe
• Auswahlkriterien für elektrische Ventilantriebe
• FAQ

Konstruktion des elektrischen Ventilantriebs

Elektrische Stellantriebe für Schwenkarmaturen sind eine Art von motorisierten Drehantrieben für Armaturen. Elektrische Drehantriebe wandeln elektrische Energie in Drehkraft um, so dass ein elektrischer Vierteldrehantrieb nur 90 Grad drehen kann. Der Elektromotor erzeugt ein Drehmoment, das über einen Abtrieb zum Drehen der Armatur übertragen wird. Die Motoren können entweder mit Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) betrieben werden, oder sie können mit beiden Spannungen arbeiten. Der Motor ist in einem robusten, kompakten Gehäuse untergebracht, das auch andere Komponenten des Antriebs wie Getriebe, Endschalter, Verkabelung usw. enthält. Die gesamte Baugruppe wird über eine kompatible Anschlussschnittstelle, z. B. nach ISO 5211, mit einem Ventil verbunden. Im Vergleich zu ihren pneumatischen und hydraulischen Gegenstücken bieten elektrische Ventilantriebe eine energieeffizientere, saubere und leise Methode der Ventilsteuerung.

Drehmoment

Ventile mit Vierteldrehung erfordern eine 90°-Drehung zum vollständigen Öffnen oder Schließen. Um die Armatur zu drehen, ist ein Drehmoment (das rotatorische Äquivalent der linearen Kraft) erforderlich. Der elektrische Stellantrieb erzeugt dieses Drehmoment und überträgt es auf seine Abtriebswelle, die wiederum mit der Armaturenspindel verbunden ist. Dadurch wird die Kugel oder die Scheibe des Ventils gedreht und die Öffnung geöffnet oder geschlossen, um den Durchfluss zu ermöglichen oder zu blockieren. Die Höhe des von einem Stellantrieb erzeugten Drehmoments hängt von seinem Getriebe und der Motorleistung ab. Die Motorleistung (Drehmoment) ist eine wichtige Spezifikation für den Stellantrieb, da sie höher sein muss als das erforderliche Drehmoment der Armatur, um sicherzustellen, dass er die Armatur öffnen und schließen kann. Normalerweise wird das Losbrechmoment als das erforderliche Drehmoment einer Armatur angegeben, da dies das höchste Drehmoment ist, das zum Drehen der Armatur erforderlich ist.

Losbrechmoment

Wenn sich eine Armatur in einer offenen oder geschlossenen Stellung befindet, wird das Drehmoment, das erforderlich ist, um sich aus einer dieser Stellungen zu lösen, als Losbrechmoment bezeichnet. Mit anderen Worten, es handelt sich um das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Armatur aus der Ruhestellung heraus in Bewegung zu setzen. Im Allgemeinen ist das Losbrechmoment höher als das Laufmoment. Das Losbrechmoment eines allgemeinen Kugelhahns ist beispielsweise etwa 30 % höher als sein Laufmoment. Das Losbrechmoment ist höher, da es sich um eine statische Position handelt, das Medium kann sich im Kugelhohlraum ansammeln und/oder das Medium kann den Ventilsitz zerkratzen, was zu einer Erhöhung der Reibung führt, usw. Ein geeigneter Schwenkarmaturenantrieb sollte ein Drehmoment erzeugen, das höher ist als das Losbrechmoment der Armatur.

Reaktionszeit

Die Reaktionszeit ist die Zeit, die ein Stellantrieb benötigt, um das Ventil um volle 90 Grad zu drehen (d. h. um ein Ventil nach der Befehlsgabe vollständig zu öffnen oder zu schließen). Wie das Drehmoment hängt auch die Geschwindigkeit eines Stellantriebs von seinem Getriebe und der Leistung seines Motors ab. Das Drehmoment und die Drehzahl eines Stellantriebs sind direkt miteinander verbunden, da das Drehmoment umgekehrt proportional zur Drehzahl ist. Dieses Verhältnis wird durch das Fanggerät beeinflusst. Bei einer gegebenen Antriebsmotorleistung würde ein höheres Übersetzungsverhältnis zu einem höheren Drehmoment und einer langsameren Reaktionszeit führen als ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis. Wenn also die Reaktionszeit eine kritische Anwendungsspezifikation ist, muss sie zusammen mit der Anforderung an das Drehmoment betrachtet werden.

Kontrollmethode

Gängige elektrische Ventilantriebe haben entweder eine 2-Punkt-Steuerung (allgemein als nur Ein/Aus bezeichnet) oder eine 3-Punkt-Steuerung, aber beide haben 3 Drähte.

Spannung

Elektrische Stellantriebe können mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden. Sie sind in der Regel mit den folgenden Spannungswerten erhältlich: 12, 24 und 48 V für Gleichstrom und 24, 48, 120, 130, 240 V für Wechselstrom.

Befestigung

Schwenkantriebe haben eine Anschlussschnittstelle, über die sie mit einem Ventil verbunden werden. Dieser besteht aus einem Abtrieb, einem Wellenvierkant oder einer Spindel zur Verbindung mit dem Armaturenkopf und einem Flansch zur Verschraubung des Antriebs mit der Armatur. Das Design und die Abmessungen dieser Verbindungsschnittstelle können markenspezifisch oder nach Normen wie der ISO 5211 genormt sein. Beispiele für Schwenkantriebe mit markenspezifischen Anschlussschnittstellen sind die Kugelhahnantriebe der AW1-Serie von JP fluid controls. Diese Ventile sind mit den Ventilen BW2 und BW3 von JP fluid controls kompatibel. Die Schwenkantriebsbaureihe AG hingegen verfügt über eine genormte ISO 5211 Anschlussschnittstelle und ist mit allen Armaturen mit ISO 5211 Flansch kompatibel. Abbildung 2 unten zeigt einen Flansch nach ISO 5211. Unabhängig von der Marke können verschiedene Ventile und Antriebe untereinander ausgetauscht werden, solange sie der gleichen ISO 5211-Norm entsprechen. Nach der Norm ISO 5211 gibt es verschiedene Flanschtypen, die sich durch das maximale Flanschdrehmoment, die Abmessungen und die Anzahl der Schrauben, Bolzen oder Stehbolzen unterscheiden.

Merkmale des elektrischen Ventilantriebs

Positionsanzeiger

Stellungsanzeiger zeigen die offene oder geschlossene Stellung des Stellantriebs zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Es gibt visuelle Anzeigen, wie in Abbildung 3, aber auch elektrische Positionsrückmeldesysteme, die die Position an Ihr System (d. h. an die Steuerung) zurücksenden. Bei Positionsanzeigen gibt es zwei grundlegende Schaltmöglichkeiten: mechanische Schalter und Näherungsschalter (berührungslos). Mechanische Endschalter werden durch interne Nocken auf der Abtriebswelle aktiviert. Mechanische Schalter können auch Endschalter sein. Näherungsschalter werden durch Sensoren aktiviert, die die Ventilstellung erkennen. Stellungsanzeiger können nur die Grundstellungen "ein" und "aus" anzeigen oder auch "teilweise geöffnet" oder "teilweise geschlossen".

Manuelle Überbrückung

Die Handnotbetätigung ist eine Sicherheitsfunktion, die in den meisten Stellantrieben vorhanden ist. In der Regel handelt es sich um ein mechanisches Handrad oder einen Griff. Mit diesem Rad können Sie bei einem Stromausfall oder einem anderen Notfall ein Ventil mechanisch schließen oder öffnen.

Endschalter

Endschalter sind eine elektromechanische Komponente von Stellantrieben. Sie bestehen aus einem Schließ-Endschalter-Nocken und einem Öffnungs-Endschalter-Nocken. Wenn der Betätiger ein Ventil in die offene oder geschlossene Position bewegt, bewegt sich der entsprechende Schaltnocken. Wird eine Endlage erreicht, schaltet der entsprechende Schaltnocken den Strom ab. Auf diese Weise wird eine weitere Bewegung verhindert und ein begrenzter Sitz gewährleistet. Endabschaltung ist das Halten einer Armatur in der gewünschten Endlage. Bei bestimmten Antrieben sind die Endschalternocken einstellbar. Damit können Sie eine Position, z. B. 75 % offen, als Endposition festlegen. Endschalternocken können als mechanische Verbindung zwischen Armatur und Antrieb in Stellungsanzeiger eingebaut werden.

Arbeitszyklus

Die Einschaltdauer gibt die Nutzungszeit eines Aktuators zwischen den Zyklen an. Das Öffnen und anschließende Schließen des Ventils ergibt einen Zyklus. Die Einschaltdauer ist das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit, ausgedrückt in Prozent. Sie wird nach der folgenden Formel berechnet. Benötigt ein Stellantrieb beispielsweise 10 Sekunden zum Öffnen, 20 Sekunden zum Schließen und dann 30 Sekunden für die Ruhephase nach dem Öffnen und Schließen, so beträgt die Einschaltdauer (10+20 / 10+20+30) × 100 = 50 %.

(Öffnungszeit + Schließzeit) / (Öffnungszeit + Schließzeit + Ruhezeit) × 100 = Einschaltdauer

Ausfallsicherheit

Fail-Safe ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal in einigen automatisierten Ventilantrieben. Das Fail-Safe-System ist so konzipiert, dass es bei einem Stromausfall ein Ventil schließt oder öffnet. Ein solches System erfordert eine Form der Energiespeicherung, wie z. B. einen Federmechanismus oder eine Batterie. Normalerweise schließt der Fail-Safe-Mechanismus das Ventil. Bei einem Federmechanismus schließt eine gespannte Feder das Ventil automatisch, wenn der Strom abgeschaltet wird. Bei einem Pufferbatteriesystem, das oft als Batterie-Sicherheitsrücklauf (BSR) bezeichnet wird, versorgt eine Batterie den Stellantrieb, um ihn zu schließen. Je nach Batterie- und Antriebsgröße variieren die Ladezeit und die Gesamtzahl der Umdrehungen. Für zusätzliche Redundanz sind bei einigen Antrieben beide Versionen der Ausfallsicherung in die Konstruktion integriert. Wie bereits erwähnt, schließen die meisten Fail-Safe-Vorgänge das Ventil, aber bei bestimmten Anwendungen muss das Ventil bei Stromausfall geöffnet werden. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist der Durchfluss von kaltem Wasser, das in einen Wärmetauscher eintritt. Das liegt daran, dass kaltes Wasser benötigt wird, um die verbleibende warme Flüssigkeit zu kühlen, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Modulation

Bestimmte elektrische Ventilantriebe sind in der Lage, eine modulierende Regelung durchzuführen, die oft als DPS (digitales Positionierungssystem) bezeichnet wird. Dies ist die Fähigkeit, das Ventil an jedem Punkt zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen (d. h. zwischen 0° und 90°) genau zu positionieren. Dies ist für Anwendungen erforderlich, bei denen die Durchflussmenge variiert werden muss. In der Regel wird die Modulation mit Hilfe eines Regelkreises und einer Positionierungsplatine (PCB) im Stellantrieb erreicht. Um mehr über Modulation zu erfahren, lesen Sie unseren Artikel über modulierende Ventile .

Elektrische Verkabelung

In diesem Abschnitt sollen die verschiedenen Verdrahtungsmöglichkeiten für elektrische 2- und 3-Punkt-Ventilantriebe erläutert werden, da es erhebliche Unterschiede zwischen den beiden gibt.

• 2-Punkt-Stellantriebe (Auf/Zu): Die drei Drähte sind für +, - und eine Steuerleitung. Um das Ventil zu drehen, muss der Steuerdraht zum Öffnen bestromt und zum Schließen unbestromt sein oder umgekehrt. Ohne Stromzufuhr zur gesamten Einheit bleibt das Ventil in der letzten Stellung. Die AW1-R-Serie von JP Fluid Control verwendet beispielsweise dieses Schema der Auf/Zu-Verdrahtung.
• 3-Punkt-Stellantriebe: Die drei Drähte sind für - und zwei für + (Steuerdrähte). Daher können die beiden Steuersignale das Ventil öffnen oder schließen, je nachdem, welches Signal gespeist wird. Die 3-Punkt-Steuerung bietet auch die Möglichkeit von Zwischenstopps (teilweise geöffnet). Die beiden Steuerleitungen sollten niemals gleichzeitig mit Strom versorgt werden, da sonst der Antrieb beschädigt wird. Die AW1-Serie von JP Fluid Control verwendet zum Beispiel dieses 3-Punkt-Verdrahtungsschema.

Vergewissern Sie sich vor der Installation, dass der Code des Stellantriebs mit dem Anschlussplan übereinstimmt. Eine unsachgemäße Installation kann den Antrieb dauerhaft beschädigen oder zu gefährlichen Situationen führen. Die Antriebe haben interne Positionsschalter, so dass nur beim Öffnen oder Schließen Energie verbraucht wird.

Elektrischer 2-Punkt-Antrieb AW1 DC

Der Anschluss der Steuerleitung (blau) öffnet das Ventil in 6s. Sobald der Steuerdraht unterbrochen wird, schließt sich das Ventil innerhalb von 6 Sekunden. Der Antrieb verbraucht nur beim Öffnen und Schließen Energie.

Elektrischer 3-Punkt-Antrieb AW1 AC

Der Anschluss des blauen Steuerkabels öffnet das Ventil in 16s. Durch Anschließen des braunen Steuerdrahtes wird das Ventil in 16s geschlossen. Werden beide Steuerdrähte abgeklemmt, bleibt das Ventil in der aktuellen Stellung. Auf diese Weise kann die Position des Ventils reguliert werden. Schließen Sie niemals das blaue und das braune Steuerkabel gleichzeitig an, da dies zu einer Beschädigung des Stellantriebs führt. Der Antrieb verbraucht nur beim Öffnen und Schließen Energie.

Elektrischer 2-Punkt-Antrieb AW1 AC

Der Anschluss des Steuerdrahtes (schwarz) öffnet das Ventil in 16s. Sobald der Steuerdraht unterbrochen wird, schließt sich das Ventil in 16 Sekunden. Der Antrieb verbraucht nur beim Öffnen und Schließen Energie.

Elektrischer 3-Punkt-Antrieb AW1 DC

Durch Anschluss des braunen Steuerdrahtes schließt das Ventil in 6s. Der Anschluss des schwarzen Steuerdrahtes stellt sicher, dass das Ventil in 6s öffnet. Wenn beide Steuerdrähte angeschlossen sind, bleibt das Ventil in der aktuellen Stellung. Auf diese Weise kann die Position des Ventils reguliert werden. Schließen Sie niemals das schwarze und das braune Steuerkabel gleichzeitig an! Dadurch wird der Antrieb beschädigt. Der Antrieb verbraucht nur beim Öffnen und Schließen Energie.

Normen

IP-Schutzart (IEC 60529)

Elektrische Ventilantriebe haben die Schutzart IP (Ingress Protection). Die IP-Schutzart gibt den Schutzgrad des Stellantriebs gegen Staub, Wasser und andere Umweltgefahren an. Die Schutzart IP 54 der Kugelhahnantriebe der Serie AW bedeutet, dass diese Antriebe teilweise vor Staub geschützt sind und Spritzwasser widerstehen können.

Betriebsart (IEC 60034-1)

Dies ist eine internationale IEC-Norm (International Electrotechnical Commissions) für rotierende elektrische Geräte. Bei elektrischen Stellantrieben gibt sie die Betriebsart und die Einschaltdauer der Elektromotoren an. Ein Stellantrieb mit der Nennleistung S2 30min kann 30 Minuten lang im Kurzzeitbetrieb arbeiten, danach sollte der Motor eine Pause einlegen. Es kann neu gestartet werden, nachdem die Temperatur wieder auf Raumtemperatur gesunken ist.

ATEX

Die ATEX-Richtlinien legen fest, welche Geräte in einer explosionsgefährdeten Umgebung sicher betrieben werden können. Eine ATEX-Zertifizierung für einen Stellantrieb bedeutet, dass der Stellantrieb in einer bestimmten Umgebung explosionsgeschützt ist. Sehen Sie sich unser Flussdiagramm an, um festzustellen, ob Sie einen ATEX-Stellantrieb benötigen oder ob Sie Ihre ATEX-Kennzeichnung besser verstehen müssen.

Niederspannungsrichtlinie (LVD) 2014/35/EU

Die LVD-Zertifizierung gewährleistet, dass elektrische Niederspannungsgeräte, wie z. B. Stellantriebe, einen ausreichenden Schutz für ihre Benutzer bieten.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 2014/30/EU

Ein EMV-zertifizierter Stellantrieb erzeugt weder elektromagnetische Störungen noch wird er von ihnen beeinflusst.

Material

Die Komponenten des Aktuators sind in einem kompakten Gehäuse untergebracht. Die gebräuchlichsten Gehäusematerialien sind Kunststoff und Aluminium.  Spezielle Anwendungen können besondere Gehäusematerialien erfordern.

Anwendungen für elektrische Ventilantriebe

Elektrische Schwenkantriebe werden zur Fernsteuerung von Kugelhähnen und Absperrklappen eingesetzt. Sie erleichtern die Bedienung von Vierteldrehventilen erheblich, da sie eine automatische Fernsteuerung ermöglichen. Sie bieten auch ein ausreichendes Drehmoment für Armaturen, die höhere Drehmomente benötigen, als sie von einem Menschen erzeugt werden können. Diese Stellantriebe werden in der industriellen Automatisierung, der Bewässerung, der Wasserversorgung, der Flüssigkeitsdosierung, in Heizungssystemen und beim Transport oder der Übertragung von Flüssigkeiten eingesetzt.

Auswahlkriterien für elektrische Ventilantriebe

• Drehmoment
• Strom
• Kompatibilität der Ventilmontage
• Temperatur
• IP-Bewertung:
• ATEX-Anforderung
• Ausfallsicherheit
• Modulation
• Betriebsart und Einschaltdauer

FAQ

Wie verdrahtet und installiert man elektrische Ventilantriebe?

Die Installations- und Verdrahtungsmethoden für elektrische Stellantriebe variieren je nach Modell. Ausführliche Verdrahtungs- und Installationsanweisungen für die Antriebe der Serien AW und AG finden Sie jedoch hier.