DE19715239A1 - Elektrischer Ventilstellantrieb sowie Verfahren zur Betätigung und Ansteuerung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Ventilstellantrieb für ein Ventil mit einem einen kurzen Hub aufweisenden Ventilstößel für die Verfahrenssteuerung flüssiger oder gasförmiger Medien unter hohem Druck, wobei das Ventil eine Rückstell­ vorrichtung hat, die bei Nichtansteuerung des Antriebs das Ventil selbsttätig in eine definierte Ruhestellung rückstellt, sowie ein Verfahren zur Betätigung und Ansteuerung dieses Ventilstellantriebes.

Für die Verfahrenssteuerung von flüssigen oder gasförmigen Medien unter hohem Druck ist eine äußerst zuverlässige Steuerung von Ventilen wichtige Grundvoraussetzung für einen sicheren, störungsfreien Betrieb. Insbesondere muß gewährleistet sein, daß beispielsweise bei elektrischen Stellantrieben für derartige Ventile bei Störungen in der Stromversorgung ein definierter Ruhezustand der Anlage durch selbsttätiges Rückstellen der Ventile sichergestellt wird.

Ferngesteuerte hydraulische bzw. pneumatische 3/2-Wege oder 2/2-Wege-Ventile werden bisher bei elektrischer Ansteuerung mit elektrischen Hubmagneten betätigt. Diese Hubmagneten bestehen aus einem linear bewegbaren Kern, um den eine elektrische Spule angeordnet ist. Bei Stromfluß durch die Spule wird der Kern linear bewegt und kann entweder direkt oder über eine Hebelanordnung das zu steuernde Ventil betätigen. Diese Magnete haben jedoch den Nachteil, daß sie zum Aufbringen der notwendigen Stellkraft einen verhältnismäßig hohen Leistungsbedarf haben. Obwohl der Stellweg für die zur Verfahrenslenkung zu steuernden Ventile häufig nur einige Millimeter beträgt, wird dennoch ein Magnet mit einer Leistungsaufnahme von beispielsweise 36 W benötigt.

Der Vorteil der Magnetventiltechnik liegt im relativ schnellen Ansprechen des Stelltriebes und im einfachen und damit störunanfälligen Aufbau. Darüber hinaus ist gewährleistet, daß bei Stromausfall jederzeit eine einfache Rückstellung des zu steuerenden Ventils in seine Ruhestellung, beispielsweise über eine Rückstellfeder erfolgt. Nachteilig ist jedoch, daß der elektrische Magnetstellantrieb für das Halten des Ventils in Arbeitsstellung eine erhebliche Leistung (Halteleistung) benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der bekannten Magnetventiltechnik einen elektrischen Ventilstellantrieb anzugeben, der bei gleichen sicherheitstechnischen Eigenschaften einen verringerten Stromverbrauch hat. Ferner soll der Wartungsaufwand gering gehalten werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch, daß ein Elektromotor mit einer Nockenscheibe vorgesehen ist, die den Ventilstößel direkt oder mittelbar betätigt, wobei die am Ventilstößel wirkende Rückstellvorrichtung bei nicht angesteuertem Elektromotor ein Rückdrehen der Nockenscheibe in ihre Ruhestellung bewirkt. Die Betätigung und Ansteuerung des elektrischen Ventilstellantriebes wird verfahrensgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Nockenscheibe und anliegendem Stößel einerseits eine Keilwirkung für eine Selbsthemmung und andererseits eine Hebelwirkung für eine die Selbsthemmung überwindende Rücksetzung des Ventils erzeugt wird.

Der in dem elektrischen Ventilstellantrieb vorgesehene Elektromotor treibt eine Nockenscheibe an. An der Nockenscheibe wird die Drehbewegung in eine translatorische Bewegung übertragen. Mit dieser Anordnung können auch mit relativ leistungsschwachen Elektromotoren hohe Stellkräfte erzeugt werden. Dies insbesondere, da der Ventilstößel nur einen geringen Hub von wenigen Millimetern vollführen muß. Um eine selbsttätige Rückstellung des Ventils, beispielsweise auch bei Stromausfall, sicherzustellen, ist es wichtig, daß zwischen Nockenscheibe und anliegendem Stößel einerseits eine Keilwirkung für eine Selbsthemmung und andererseits eine Hebelwirkung für eine die Selbsthemmung überwindende Rücksetzung des Ventils erzeugt wird. Vorteilhaft ist dabei also, daß der Ventilstellantrieb eine geringe Leistungsaufnahme hat und dabei dennoch die sicherheitstechnischen Merkmale erfüllt.

Wenn die Betätigungslinie, in der die von der Nockenscheibe erzeugte Hubbewegung erfolgt, im wesentlichen senkrecht zur Achse der Nockenscheibe und im wesentlichen parallel zu einer die Achse einschließenden Fläche angeordnet ist, wird eine möglichst wirksame Kraftübertragung erreicht.

Dadurch, daß ein Abstand der Betätigungslinie von der Achse vorgesehen ist, wird trotz einer vorliegenden Selbsthemmung eine Hebelwirkung für die Rücksetzung des Ventils erzeugt. Der Abstand der Betätigungslinie von der Achse sollte dabei kleiner als der geringste radiale Abstand zwischen Nockenscheibengleitfläche und Nockenscheibenachse sein, um eine ständige mechanische Wirkverbindung zwischen Nockenscheibe und Stößel zu gewährleisten und Verklemmungen zu vermeiden.

Alternativ oder zusätzlich kann der Verdrehwinkel der Nockenscheibe auf einen Winkel von unter 180°, beispielsweise einer Viertel-Drehung, begrenzt werden. Bei entsprechender Einstellung der Wirkverbindung zwischen Nockenscheibe und Stößel kann somit immer auf einer ansteigenden Flanke der Nockenscheibengleitfläche gearbeitet werden, ohne daß der obere bzw. untere Todpunkt erreicht wird. Es wird also sichergestellt, daß über die Rückstellvorrichtung am Ventil, beispiels­ weise eine Rückstellfeder, stets eine Hebelwirkung an der Nockenscheibe anliegt, und folglich bei nicht angesteuertem Elektromotor ein Rückdrehen des Ventilstellantriebes in die Ruhestellung möglich ist.

Wenn zwischen Elektromotor und Nockenscheibe ein Untersetzungsgetriebe angeordnet ist, kann ein Elektromotor kleinerer Leistung zur Betätigung des Ventils ausgewählt werden. Zusätzlich wird die gewünschte Selbsthemmung des Antriebs erhöht. Es ist jedoch dabei darauf zu achten, daß eine Rückdrehung des Getriebes für den gewünschten selbsttätigen Rückstellvorgang möglich ist. Bevorzugte Getriebeuntersetzungen liegen im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 100.

Wenn der Elektromotor ein Glockenläufermotor ist, wird aufgrund der hohen Drehzahlen von bis zu 20.000/min eine sehr schnelle Reaktionsbewegung am Ausgang des Untersetzungsgetriebes erzeugt. Die Steuerzeiten liegen damit im Bereich herkömmlicher Ventilstellantriebe mit Hubmagneten von beispielsweise 100 ms. Darüber hinaus zeichnen sich Glockenläufermotoren durch die kleinen Abmessungen aus, womit die Baugröße des Stellantriebes verringert werden kann.

Dadurch, daß dem Elektromotor eine Steuereinheit zugeordnet ist, die den Motor zunächst mit voller Leistung ansteuert und nach Erreichen der Endlage auf einen Haltestrom verringerter Leistung herunterfährt, kann das Ventil nach Betätigung in seiner Arbeitsstellung mit verringertem Stromverbrauch gehalten werden. Die auf zuwendende Halteleistung kann soweit verringert werden, daß die in der Anordnung vorgesehene Selbsthemmung zusammen mit der leistungs­ reduzierten Ansteuerung des Elektromotors ein selbsttätiges Rückstellen des Ventils verhindert.

Wenn zur mittelbaren Betätigung des Ventilstößels eine Betätigungsübersetzung vorgesehen ist, kann der Ventilstellantrieb problemlos an den für das jeweilig zu steuernde Ventil benötigten Hub angepaßt werden. Somit können standardisierte erfindungsgemäße Ventilstellantriebe durch Justierungen an der Hebelübertragung an unterschiedlichste hydraulische oder pneumatische Ventile angepaßt werden. Auch für größere Anlagen sind damit nur wenige Ventil­ stellantriebstypen vorzuhalten, was die Lagerhaltung vereinfacht und Kosten einspart.

Ferner kann die Elektronik zur Ansteuerung des Elektromotors so aus gebildet werden, daß unterschiedlichste Versorgungsspannungen anschließbar sind, wobei bei Spannungsänderungen beispielsweise lediglich eine entsprechende Steckbaugruppe auszutauschen ist. Bei einer maximal benötigten Elektromotorversorgungsspannung von 12 Volt könnte beispielsweise über die Elektronik ein Spannungsbereich von 220 Volt bis 12 Volt mit dem gleichen Ventilstellantrieb betrieben werden. Dies hat den Vorteil, daß bei Auslegung einer Anlage die endgültig zu verwendende Betriebsspannung nicht festgelegt werden muß und auch später Umstellungen mit nur geringem Aufwand möglich sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Prinzipskizzen detailliert beschrieben.

Darin zeigt:

Fig. 1 ein Ventil mit erfindungsgemäßem Stellantrieb in Stirnansicht und

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Anordnung in Seitenansicht.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Anordnung eines Ventilstellantriebes 10 mit einem über eine Betätigungsübersetzung 30 angetriebenen Ventil 20 in zwei Ansichten schematisch dargestellt.

Der Ventilstellantrieb 10 weist einen Elektromotor 11, vorzugsweise einen Glockenläufer, auf. An dem Elektromotor 11 ist ein Untersetzungsgetriebe 12 angeschlossen. Das Untersetzungsgetriebe 12 ist beispielsweise ein Stirnradgetriebe mit einem Unter­ setzungsverhältnis von 1 : 10 bis 1 : 100, bevorzugt 1 : 60. Das Untersetzungsgetriebe weist eine Getriebe­ ausgangswelle bzw. Achse X auf. Auf der Ausgangswelle X des Untersetzungsgetriebes 12 ist eine Nockenscheibe 13 montiert. Die Nockenscheibe 13 ist beispielsweise als exzentrisch auf der Getriebeausgangswelle X montierte Kreisscheibe, in Art eines Steuernockens oder als Kurvensteuerungsscheibe ausgestaltet.

An der Gleitbahn der Nockenscheibe 13 anliegend ist ein Nockenstößel 31 in einer Führung gelagert, so daß der Nockenstößel 31 bei Verdrehung der Nockenscheibe 13 eine translatorische Bewegung T₁ ausführt. Am der Nockenscheibe 13 abgewandten Ende des Nockenstößels 31 ist eine Hebelanordnung 32 vorgesehen. Die Hebel­ anordnung besteht aus einem Hebel, der an einem Ende schwenkbar befestigt ist. Somit bewirkt der an dem Hebel 32 anliegende Nockenstößel 31 eine Schwenkbewegung R₂ des Hebels 32 um den Drehpunkt des Hebels, der in Richtung der Ventilruhestellung vorbelastet.

Alternativ kann die Anordnung ohne Betätigungs­ übersetzung 30 ausgebildet sein. Dann liegt der Ventilstößel 21 des Ventils 20 anstatt des Nockenstößels 31 direkt an der Nockenscheibe 13 an.

Zur Steuerung des Elektromotors 11 des Ventil­ stellantriebes 10 ist eine Steuereinheit 14 vorgesehen. Die Steuereinheit oder Elektronik 14 ist an einer nicht dargestellten Stromversorgung angeschlossen.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungs­ gemäßen elektrischen Ventilstellantriebes erläutert.

In der Steuereinheit 14 wird die Versorgungsspannung, beispielsweise im Bereich von 220 Volt bis 12 Volt, auf die maximale Motoransteuerungsspannung, beispielsweise 12 Volt, umgesetzt. Die dafür erforderliche Elektronik kann mittels Steckbaugruppe ausgetauscht werden, so daß eine Anpassung des Ventilstellantriebes an geänderte Versorgungsspannungen möglich ist.

Zur Betätigung des Ventils wird eine Einschaltspannung an den Elektromotor 11 gelegt. Der Elektromotor 11, beispielsweise ein Glockenläufer, dreht sich nun für den Ventilstellvorgang für einige Umdrehungen, beispielsweise für 10 Umdrehungen. Über die Getriebe­ untersetzung 12 wird die Nockenscheibe 13, beispiels­ weise um eine Viertel-Drehung (90°), verdreht R₁. Damit wird der für die Betätigung des Ventils 20 erforderliche Hub vollführt. Danach wird von der Elektronik 14 eine reduzierte Haltespannung an den Elektromotor 11 gelegt, so daß der Motor mittels reduzierter Halteleistung stillsteht. Das Ventil 20 befindet sich nun in Arbeitsstellung.

Soll das Ventil 20 aus seiner Arbeitsstellung in die Ruhestellung zurückfallen, wird die Stromversorgung des Elektromotors 11 von der Elektronik 14 unterbrochen. Die Rückstellfeder 23 schaltet das Ventil 20 in seine Ruhestellung und dreht dabei über die Hebelanordnung 30 sowie die Nockenscheibe 13 und Untersetzungsgetriebe 12 den Elektromotor 11 zurück.

Das Getriebe 12 ist dabei so ausgelegt, daß es von der Getriebeausgangswelle X aus rückdrehbar ist. Die Rückstellkraft der Rückstellfeder 23 überwindet mit der zwischen Nockenstößel 31 und Nockenscheibe 13 erzeugten Hebelwirkung die dazwischen wirkende Keilwirkung und die Selbsthemmung des Getriebes 12, das beispielsweise als Stirnradgetriebe ausgebildet ist. Die Selbsthemmung durch die mechanische Übertragung zwischen Stößel und Nockenscheibe sowie im Untersetzungsgetriebe 12 verhindert eine Rückdrehung des Elektromotors 11, solange an diesem die Haltespannung angelegt ist.

In Versuchsanordnungen wurde festgestellt, daß eine halbierte Haltespannung ausreicht, um das Ventil sicher in seiner Arbeitsstellung zu halten. Dennoch erfolgt bei Abschalten der Versorgungsspannung ein unmittelbares Rückdrehen des Elektromotors und somit Rückstellen des Ventils, allein durch die in der Rückstellfeder gespeicherte Energie. Diese Rückstellfeder wird durch die Drehbewegung der Nockenscheibe komprimiert. Diese komprimierte Feder stellt den Motor und das Getriebe bei Abschalten der Haltespannung wieder in die Ausgangslage zurück. Somit ist gewährleistet, daß beim Einschalten des Motors das Ventil betätigt und die Feder des Steuerventils gespannt wird und beim Ausschalten des Ventils die in der Feder gespeicherte Energie über den verbleibenden Hebel der Nockenscheibe das Motorgetriebeelement zurücksetzt.

Versuche haben gezeigt, daß die Energieeinsparung gegenüber einem herkömmlichen Hubmagneten bis zu 90% betragen kann. Beispielsweise kann ein Hubmagnet mit 36 W Leistung durch eine Glockenläuferanordnung mit 4 W Leistung ersetzt werden. In Großanlagen zur Verfahrens­ steuerung flüssiger oder gasförmiger Medien unter hohem Druck sind eine Vielzahl derartiger elektrisch gesteuerter Ventilstellantriebe vorhanden, wobei auch viele der Ventile über lange Zeitabschnitte in durchgesteuerter Position (Arbeitsstellung) gehalten werden. Hieraus ergibt sich also ein erhebliches Potential zur Energieeinsparung. Der Energiebedarf für die Steuerung der Ventile kann somit auf 1/10 der konventionell geplante Anlagen sinken. Dies hat positive Einflüsse auf die Umweltbelastung und positive Einflüsse auf den Betrieb der Anlage bezüglich Materialaufwand, Pufferbatterien, Kabelverlegung usw.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß durch die geringe Leistungsaufnahme und der daraus resultierenden geringeren Verlustleistung die Steuerköpfe der Ventile flächig nebeneinander angeordnet werden können, ohne eine thermische Überlastung zu befürchten. Daraus ergibt sich, daß der Platzbedarf für eine erfindungsgemäße Ventilstellantriebsanordnung gegenüber dem Platzbedarf für Magnet-gesteuerte Ventile auf ca. ein Drittel reduziert wird.

Bezugszeichenliste

10

Ventilstellantrieb

11

Elektromotor, Glockenläufer

12

Untersetzungsgetriebe

13

Nockenscheibe

14

Elektronik, Steuereinheit

20

Ventil

21

Ventilstößel

22

Ventilkörper

23

Rückstellfeder

30

Betätigungsübersetzung

31

Nockenstößel

32

Kippanordnung, Hebel
d Abstand
R₁

Drehbewegung um X
R₂

Drehbewegung des Hebels

32

T₁

Translatorische Bewegung des Nockenstößels

31

T₂

Translatorische Bewegung des Ventilstößels

21

X Getriebeausgangswelle, Achse

Claims (11)

1. Elektrischer Ventilstellantrieb für ein Ventil (20) mit einem einen kurzen Hub aufweisenden Ventilstößel (21) für die Verfahrenssteuerung flüssiger oder gasförmiger Medien unter hohem Druck, wobei das Ventil (20) eine Rückstell­ vorrichtung (23) hat, die bei Nichtansteuerung des Antriebs das Ventil (20) selbsttätig in eine definierte Ruhestellung rückstellt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromotor (11) mit einer Nockenscheibe (13) vorgesehen ist, die den Ventilstößel (21) direkt oder mittelbar betätigt, wobei die am Ventilstößel (21) wirkende Rückstell­ vorrichtung (23) bei nicht angesteuertem Elektromotor (11) ein Rückdrehen der Nockenscheibe (13) in ihre Ruhestellung bewirkt.

2. Ventilstellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungslinie, in der die von der Nockenscheibe (13) erzeugte Hubbewegung erfolgt, im wesentlichen senkrecht zur Achse (X) der Nockenscheibe (13) und im wesentlichen parallel zu einer die Achse (X) einschließenden Fläche angeordnet ist.

3. Ventilstellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand (d) der Betätigungslinie von der Achse (X) vorgesehen ist.

4. Ventilstellantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrehwinkel der Nockenscheibe (13) kleiner als 180° ist.

5. Ventilstellantrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektromotor (11) und Nockenscheibe (13) ein Untersetzungsgetriebe (12) angeordnet ist.

6. Ventilstellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (11) ein Glockenläufermotor ist.

7. Ventilstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromotor (11) eine Steuereinheit (14) zugeordnet ist, die den Motor zunächst mit voller Leistung ansteuert und nach Erreichen der Endlage auf einen Haltestrom verringerter Leistung herunterfährt.

8. Ventilstellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur mittelbaren Betätigung des Ventilstößels (21) eine Betätigungsübersetzung (30) vorgesehen ist.

9. Ventilstellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsübersetzung (30) als Hebelanordnung (32) ausgebildet ist, die von einem an der Nockenscheibe (13) anliegenden Nockenstößel (31) betätigt wird und den Ventilstößel (21) betätigt.

10. Verfahren zur Betätigung und Ansteuerung eines elektrischen Ventilstellantriebes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nockenscheibe und anliegendem Stößel einerseits eine Keilwirkung für eine Selbsthemmung und andererseits eine Hebelwirkung für eine die Selbsthemmung überwindende Rücksetzung des Ventils erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Schritte zur Ansteuerung des Ventilstell­ antriebes:

• - Anlegen einer Einschaltspannung an den Motor, bis das Ventil in Arbeitsposition geschaltet ist;
• - Anlegen einer reduzierten Haltespannung bei der sich der Motor nicht dreht, so lange, wie das Ventil in Arbeitspostition verbleiben soll und
• - Abschalten der Stromversorgung zum Zurücksetzen des Ventils in Ruhestellung.