Anordnung zum elektrischen Antrieb eines Regelventils Es sind elektromechanische Stellantriebe für Regel ventile und insbesondere eine Schaltung zur Steuerung eines Antriebmotors von besonders geringer Massenträg heit bekannt, der vorzugsweise ohne ein Getriebe die Ventilspindel im Schliess- oder öffnungssinne betätigt.
Ein elektronischer Regler liefert die Signale zur Steu erung eines in solcher Weise elektrisch angetriebenen für Regelventile häufig verwendeten pneumatischen Reg lern vor allem durch die Schnelligkeit überlegen, mit glern vor allem durch die Schnelligkeit überlegen, mit der sie Regelvorgänge durchführen. Ein weiterer Vorteil elektronischer Regler, insbesondere wenn sie als Magnet verstärker aufgebaut sind oder in Halbleiterausführung vorliegen, ist auch in der Wartungsfreiheit und der hohen Lebensdauer zu sehen. Schliesslich können elek tronische Regler wesentlich einfacher als pneumatische durch sogenannte Prozessrechner angesteuert werden.
In betrieblichen Anlagen der chemischen Technik ist das zu jedem Regelkreis gehörende Stellglied bisher in den überwiegenden Fällen als pneumatisch angetriebenes Membranventil ausgeführt. Solche pneumatischen Mem- branantriebe zeichnen sich durch ihre einfache Kon struktion sowie durch verhältnismässig grosse Stellkräfte bei hoher Stellgeschwindigkeit und guter Stellgenauigkeit aus. Ferner lässt sich durch die Gegenkraft einer Feder eine reproduzierbare, dem Druck auf die Membrane proportionale Stellung der Ventilspindel erreichen.
Schwierigkeiten treten mit pneumatischen Membranan- trieben jedoch dann auf, wenn die Stopfbüchsenreibung nicht genügend klein gehalten werden kann und wenn andere Kräfte, wie z. B. ein hoher Druckabfall, auf die Ventilspindel wirken. Aus diesem Grunde werden Mem- branventile meist mit sogenannten Stellungsreglern aus gerüstet.
Diese Stellungsregler vergleichen die augen blickliche Stellung der Ventilspindel mit der vom Regler angeforderten Stellung und steuern die Zuluft des Mem- branantriebes so lange, bis die geforderte Ventilstellung erreicht ist. Durch die in vielen Fällen zusätzliche Ausrüstung mit dem Stellungsregler wird jedoch ein pneumatischer Stellantrieb verteuert und kompliziert.
Wenn das Membranventil von einem elektronischen Regler angesteuert werden soll, dann wird in jedem Fall ein elektropneumatischer Stellungsregler oder ein elek- tropneumatischer Wandler als Zwischenglied benötigt. Dennoch haben sich solange pneumatische Stellantriebe in den meisten Fällen bisher gegenüber elektrischen oder hydraulischen Stellantrieben als wirtschaftlicher erwie sen.
Die herkömmlichen elektrischen Stellantriebe beste hen bisher jeweils aus einem Elektromotor und einem zugehörigen Untersetzungsgetriebe. Bei der Ausführung eines Regelvorganges muss der Stellmotor kurzzeitig eingeschaltet und beim Erreichen der geforderten Stel lung präzise abgeschaltet werden, d. h. möglichst ohne Nachlauf. Durch die Massenträgheit des Motoran kers und des Getriebes lässt sich daher eine hohe Stellgenauigkeit nur bei verhältnismässig niedrigen Steh geschwindigkeiten erreichen.
Während bei pneumati schen Stellantrieben der gesamte Stellbereich im Mittel in weniger als 10 Sekunden durchfahren werden kann, sind die bisher bekannten elektromotorischen Stellantrie- be zum Durchfahren des gesamten Stellbereiches für 30-60 Sekunden ausgelegt. Diese relativ langen Steh zeiten haben es bisher verhindert, die obengenannten Vorteile elektronischer Regler in Verbindung mit elektri schen Stellantrieben vollständig auszunutzen.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch steuerbaren elektromechanischen Stellan- trieb zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile elektrischer Stellantriebe nicht besitzt und ferner hin sichtlich der Einsatzmöglichkeit und der Stellgeschwin- digkeit pneumatischen Stellantrieben überlegen ist.
Da bei ist zu bemerken, dass durch die Forderung nach grosser Stellgenauigkeit, die nur durch genügend kleine Schaltschritte erfüllt werden kann, die andererseits gefor derte hohe Stellgeschwindigkeit durch den Impulsbetrieb beeinträchtigt wird. In der Praxis wird daher die Schrittcharakteristik der Schaltglieder von dem Stellsi- gnal des Reglers abhängig gemacht. Die günstigste Schrittcharakteristik ergibt eine Impulssteuerung, bei der Pulsdauer und Pulsfrequenz in einem nichtlinearen Verhältnis von einem Regler beeinflusst werden.
Die Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit (1) der Pulsfre quenz A1 und (2) der Pulsdauer A2 von der Grösse der Regelspannung A3 bei Impulssteuerung. Danach wird bei kleiner Ausgangsspannung des Reglers der Ventil stellantrieb mit kleinen Schritten niedriger Frequenz, also sehr langsam verstellt. Mit wachsender Spannung der Regelspannung A3 nimmt die Pulsfrequenz Al bis zu einem Maximum sehr stark zu, um dann wieder abzunehmen; die Pulsdauer A2 nimmt dabei nach einer Exponentialfunktion zu. Dadurch erreicht der Stellan- trieb bei wachsender Regelspannung sehr bald seine grösste Stellgeschwindigkeit.
Die Forderung nach grosser Stellgenauigkeit ist jedoch schwieriger zu erfüllen wenn z. B. durch hohen Druckabfall im Ventil die auf die Ventilspindel wirken den Kräfte je nach Bewegungsrichtung verschieden gross sind und daher vom Stellmotor je nach Drehrichtung verschiedene Drehmomente verlangt werden.
Die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit bei niedri gem Wartungsaufwand verlangt weiterhin eine Anord nung mit möglichst wenig Bauteilen und ohne bewegte Kontakte.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer An ordnung zum elektrischen Antrieb eines Regelventils ausgegangen, bei der ein mit der Ventilspindel ge- kuppelter Gleichstrommotor auf Rechts- und Linkslauf mittels Stromimpulsen steuerbar ist und die Stromver sorgung des Motors aus einem Wechselstromnetz erfolgt.
Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass für den Rechts- und Linkslauf des Gleichstrommotors je eine Gleichrichterschaltung verwendet ist, wobei jede dieser Schaltungen über je einen steuerbaren Gleichrichter durchschaltbar ist und der Wechselstromanteil des pul sierenden Motorgleichstromes über je eine Strom- wandler-Brückengleichrichter-RC-Glied-Anordnung für jede Drehrichtung als gleichgerichtete Steuerspannung auf den Eingang einer Kippstufe zurückgeführt wird.
Vorzugsweise ist die eine Klemme des Gleichstrom motors an den Mittelabgriff der Sekundärwicklung eines Versorgungstransformators und die andere Klemme über zwei steuerbare Gleichrichter in Antiparallelschaltung an die Gleichstromklemmen eines Brückengleichrichters an geschlossen, dessen Wechselspannungsklemmen mit An fang und Ende der Sekundärwicklung des Versorgungs transformators verbunden sind. Als Motor wird vorzugs weise ein Scheibenmotor verwendet, dessen Induktivität bei Netzfrequenz vernachlässigbar klein ist.
Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgen den Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und die schematisch ein Regelventil sowie die Schaltung für Rechts- und Linkslauf und Pulssteuerung des das Ventil betätigenden Gleichstrommotors wiedergeben.
Wenn für jede Drehrichtung ein verschieden grosses Drehmoment benötigt wird, dann werden auf der Sekun därseite des Netztransformators, wie Fig. 2 es zeigt, zwei getrennte Wicklungen mit je einem Mittelabgriff 2 bzw. 2' vorgesehen, deren Spannungsverhältnis dem Verhält nis der beiden Drehmomente annähernd entspricht. Da für den Regler R und die Kippstufen I und 1I handelsüb liche Gerätetypen benutzt werden können, sind diese in Fig. 2 und 3 als gestrichelte Rechtecke gezeichnet. In den Schaltungen nach Fig. 2 und 3 ist ferner angenom men, dass wegen des Druckabfalles im Ventil zu seinem Öffnen ein grösseres und zum Schliessen ein kleineres Drehmoment benötigt wird.
Für den umgekehrten Fall wären nur die Anschlüsse an den Ausgangsklemmen 8 und 9 des Reglers R zu vertauschen.
Die Reversierbarkeit des Antriebes wird durch Um steuern des Rotorstroms bewirkt. Die Mittelabgriffe 2 und 2' der beiden Sekundärwicklungen sind miteinander und mit der Klemme 4 des Rotorstromkreises verbun den. Die andere Klemme 5 des Rotors ist über die Primärwicklungen der Stromwandler W 1 bzw. W 2 mit den steuerbaren Gleichrichtern St 1 bzw. St 2 verbun den. Es erfolgt eine Drehung des Motors in einer Richtung, wenn der Strom durch den Rotor von der Klemme 4 zur Klemme 5 fliesst. Wenn durch das Ausgangssignal des Reglers R z.
B. die Kippstufe I für Öffnen des Ventils anspricht, dann wird der Gleichrich ter St 1 aufgesteuert. In diesem Falle fliessen die po sitiven Halbwellen von der Mittelanzapfung 2 der grös- seren Sekundärwicklung über die Klemmen 4 und 5 und der Primärwicklung des Stromwandlers W 1 zum Gleich richter St 1, der aufgesteuert worden ist. Durch den Gleichrichter St 1 fliessen die positiven Halbwellen einerseits über die Diode D 1 zum Abgriff 3 und andererseits über die Diode D 2 zum Abgriff 1 der grösseren Sekundärwicklung.
Der Wechselstromanteil des pulsierenden Motorstroms hat doppelte Netzfre quenz und wird der Sekundärseite des Stromwandlers W 1 entnommen und mit dem Brüikengleichrichter B 1 gleichgerichtet.
Diese Gleichspannung lädt über den Widerstand R1 den Kondensator C 1 auf und wird mit entgegengesetzter Polarität auf die Eingangsklemmen 6 und 7 der Kippstu- fe I (Öffnen) rückgeführt. Sobald sich der Kondensator auf eine Spannung aufgeladen hat, die genauso gross ist wie das Signal des Reglers R, kippt die Kippstufe zurück und der steuerbare Gleichrichter St 1 löscht am Ende der Halbwelle, da infolge der vernachlässigbar kleinen Induktivität des verwendeten Motors der Strom unter den Haltestrom absinkt.
Der Kondensator C 1 entlädt sich nun über den zwischen den Klemmen 6 und 7 liegenden Widerstand, bis das Regelsignal wieder überwiegt und die Kippstufe den Gleichrichter St 1 erneut einschaltet. Die Grösse dieses Widerstandes ist einstellbar und beeinflusst die Länge der Pause zwischen den Pulsen. Der ebenfalls einstellbare Widerstand R 1 beeinflusst die Zeitkonstante des RC-Gliedes und folg lich mit der Grösse des Regelsignals die Pulsdauer. Dadurch ergibt sich der in Fig. 1 dargestellte zusammen- hang.
Der Motor läuft in der anderen Drehrichtung, wenn der Rotorstrom von der Klemme 5 zur Klemme 4 fliesst. In diesem Fall (Schliessen des Ventils) kommen die positiven Halbwellen von der Anfangsklemme 1' bzw. der Endklemme 3' der kleineren Sekundärwicklung, fliessen über die Dioden D 3 bzw. D 4 zum Gleichrichter St 2, der von der Kippstufe 1I (Schliessen) aufgesteuert worden ist. Dann erfolgt der Stromfluss durch die Pri märwicklung des Wandlers W 2 über die Klemme 5 durch den Motor zur Klemme 4 und zurück zum Mittelab- griff 2' der kleineren Sekundärwicklung und bewirkt so das geforderte niedrigere Drehmoment.
Die Pulsverhält- ilismodulation wird in analoger Weise durch Rückfüh- rang des Wechselstromanteiles des Motorstroms über die Sekundärwicklung von W2, Brückengleichrichter B2, RC-Glied R 2 C 2 auf die Eingangsklemmen 6' und 7' der Kippstufe 1I erreicht.
Wie es das Schaltbild gemäss Fig. 2 zeigt, wird die kontaktlose und reversierbare Impulssteuerung des An triebes mit einer nur geringen Zahl von Bauelementen erreicht.
Im Rahmen der Erfindung ist eine weitere Vereinfa chung der Schaltung möglich, wenn z. B. doppelsitzige Ventile betätigt werden sollen, die ein annähernd gleich grosses Drehmoment in jeder Betätigungsrichtung erfor dern. Wie es Fig. 3 zeigt, wird dann nur eine Sekundär wicklung mit Mittelabgriff benötigt. Durch entsprechen de Anordnung der beiden Gleichrichterschaltungen nach Fig. 2 sind sie zu einer Brückenschaltung mit den Dioden D 1-D 4 zusammengefasst worden die somit als kompaktes Bauelement benutzt werden kann.
Die Wechselspannungsanschlüsse werden mit der Anfangs klemme 1 bzw. der Endklemme 3 der Sekundärwicklung des Versorgungstransformators verbunden. Die positive Klemme der Gleichrichterbrücke ist mit der Anode des Gleichrichters St 2, die negative Klemme mit der Katho de des Gleichrichters St 1 verbunden. Dadurch ergibt sich eine antiparallele Anordnung der steuerbaren Gleichrichter, deren gemeinsamer Anschluss über die Primärwicklung des Stromwandlers W mit der Klemme 5 des Motors verbunden ist. Die Klemme 4 des Motors ist an den Mittelabgriff 2 der Sekundärwicklung des Netztransformators angeschlossen.
Über Stromwandler W, Brückengleichrichter B und RC-Glied wird der Wechselstromanteil des Motorstro mes den Eingangsklemmen einer Kippstufe zurückge führt. Die Klemmen 7 bzw. 7' der beiden Kippstufen sind aber über die Innenschaltung des Reglers R leitend miteinander verbunden. Damit steht die rückgeführte Spannung an jeder Kippstufe an und kann jede Kippstu- fe zurückkippen. Die jeweils andere Kippstufe wird gleichzeitig am Hochkippen gehindert. Dadurch erübrigt sich eine gegenseitige Verriegelung der Kippstufen I und II.
Nach dem Abschalten verharrt der Antrieb in seiner letzten Lage. Im Gegensatz zu pneumatischen Antrieben ist daher zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Ventil stellung keine weitere Energie erforderlich.
Für den oben beschriebenen elektromotorischen Stell antrieb ist ein sogenannter Stellungsregler nicht nötig, da jede beliebige Ventilstellung entsprechend den Signa len des Reglers unabhängig von der Stopfbüchsenreibung und anderen störenden Einflüssen ansteuerbar ist. Durch die direkte Kupplung des Rotors des Gleichstrommotors M mit der Ventilspindel gelingt es beispielsweise, die Stellgeschwindigkeit pneumatischer Ventile zu übertref fen. Als Antriebsmotor kommt vorzugsweise ein solcher mit scheibenförmigem trägheitsarmem Rotor in Be tracht.
Ein solcher Motor lässt sich mit genügend hohem Drehmoment herstellen, so dass die Stellkräfte eines damit angetriebenen Ventils den mit pneumatischen Membranantrieben ausgestatteten Ventilen nicht nach stehen.
Die erfindungsgemässe Anordnung hat auch den Vorteil, dass ein besonderes Regelventil nicht erforder lich ist. Das Regelventil entspricht in seinem Aufbau vollkommen einem Regelorgan bekannter Art, dessen Spindel mit einem formschlüssig gelagerten Handrad verstellbar ist. An Stelle des Handrades tritt der auf den Ventilbügel bzw. die Ventillaterne aufgesetzte Gleich- strommotor M mit geringem Trägheitsmoment. Der Ro tor des Motors M ist über eine Hohlwelle, die ein Innen gewinde besitzt, direkt mit der Ventilspindel verbunden. Die Drehbewegung des Rotors wird über die Hohlwelle in eine Längsbewegung der Ventilspindel umgewan delt.
Die Forderung nach hoher Stellgeschwindigkeit bei grosser Stellgenauigkeit wird in Rahmen der Erfindung folglich durch das Zusammenwirken der oben beschrie benen kontaktlosen elektronischen Anordnung mit dem geringen Trägheitsmoment eines scheibenförmig gestalte ten Rotors ermöglicht. Wird ein solcher Gleichstrommo tor mit scheibenförmigem Rotor durch einen gleichge richteten Wechselstrom angetrieben, dann ermöglicht die Schaltung kleinste Stehschritte durch Stromstösse, die nicht grösser als eine Halbwelle, also von nur 10 m/sek Dauer, sind.
Zur vollständigen Ausschöpfung der Vorteile der oben beschriebenen Anordnung für betriebliche regeltechnische Aufgaben ist es zweckmässig, das freie Ende des Wellenstumpfes auf der Oberseite des schei benförmigen Rotors aus dem Gehäuse herauszuführen und dieses freie Ende mit einem Notantriebsglied, z. B. einem Kreuz oder einem Handrad zu versehen, das gegebenenfalls von Hand zu betätigen ist. Um jedoch das geringe Trägheitsmoment des Motors durch ein aufge setztes Handrad nicht nachteilig zu verändern, besitzt das freie Ende des Wellenstumpfes zweckmässig nur einen Vierkant bzw. Sechskant, auf den ein Handrad erst im Bedarfsfall aufgesetzt wird.
Der elektrische Stellantrieb des Ventils bleibt bei einem Stromausfall in der letzten Lage stehen, woraus sich für bestimmte betriebliche Fälle gegenüber den bisher üblichen pneumatischen Antrieben Vorteile erge ben. Ist es jedoch notwendig, das Ventil bei Stromausfall in eine Endlage zu drehen, so kann die oben beschriebe ne Anordnung durch eine willkürlich oder selbsttätig hinzuschaltbare Batterie ergänzt werden, die die Spei sung des Motors für die Bewegung des Ventils in eine Endstellung kurzzeitig übernimmt.
In Fig. 3 ist ein derartiges Schaltungsbeispiel wieder gegeben. Der Sammler Sr liegt über eine Diode D 5 zwischen den Motorklemmen 4 und 5 und wird daher nur von den Pulsen einer Drehrichtung im geladenen Zustand gehalten. Fällt die Netzspannung aus, dann kann durch den Kontakt n eines die Netzspannung überwachenden Relais die Diode überbrückt und der Motor solange in eine Richtung gedreht werden, bis der als Ruhekontakt ausgeführte Endlageschalter 'e öffnet und den Motor abschaltet.