DE3535895A1 - Elektrische betaetigungsvorrichtung, insbesonder fuer ventile - Google Patents

Elektrische betaetigungsvorrichtung, insbesonder fuer ventile

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Description

Dr.-Ing. Roland Liesegang Patentanwalt
t European Patent Attorney
Sckellstrasse D-8000 München Telefon (089)4482496
Telex 5214382 palid Telekopierer (0B9) 2720480, 2720481 Telegramme patemus münchen
Postscheck München 39418-802 Hypobank München 6400194333 Reuschelbänk München 2603007
y-
Elektrische Betätigungsvorrichtung, insbesondere für Ventile
Die Erfindung betrifft eine wesentliche Verbesserung elektrischer Betätigungsvorrichtungen, wie sie bisher zum Antrieb von Ventilen und anderen Vorrichtungen auf ein Steuersignal eines automatischen Reglers oder einer Rechnervorrichtung verwendet wurden. Ein typisches Beispiel für eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik bietet das US-Patent 3,150,752 (Baumann). Dort wandelt ein Schrittmotor elektrische Impulse in kleine Drehbewegungen einer Schraubspindel, welche ihrerseits einen Ventilschaft auf- und abbewegt. Bei Energie- oder Signalausfall verharrt die Betätigungsvorrichtung in der zuletzt eingenommenen Stellung der Schraubspindel, ein Zustand, der nicht den Erfordernissen der meisten automatischen Regelventilanwendungen entspricht.
Ein Brennstoffregelventil eines Kessels sollte im Versagensfalle schließen, um eine mögliche überhitzung auszuschließen, Wenn elektrischer Ausfall eintritt. Gewisse Kühlmittelregelventile sollten andererseits im Falle eines Versagens Öffnen.
Es besteht deshalb ein großes Bedürfnis für sogenannte ausfallsichere elektrische Ventilbetätigüngsvorrichtungen, um die heute im Einsatz befindlichen pneumatisch
betätigten und ausfallsicheren Feder-Membran-Betätigungsvorrichtungen zu ersetzen. Derzeit verwendete elektrische Betätigungsvorrichtungen weisen Zahnradantriebe oder Schraubspindeln zum Umwandeln der ver- hältnismäßig hohen Drehzahlen des Elektromotors in langsamere bzw. kleinere Abtriebsbewegungen mit großer Kraft auf. Bei diesen mechanisch hoch verstärkenden Vorrichtungen ist der Wirkungsgrad kleiner als 30 %, was jegliche Möglichkeit zum Reversieren der Bewegung mittels Federkraft zum Erreichen der gewünschten ausfallsicheren Stellung ausschließt. Es wurden andere Versuche gemacht, um den Motor in eine ausfallsichere Stellung bei Versagen einer elektrischen Leitung mittels einer relais-geschalteten Batterie zu bringen.
Eine solche Lösung ist jedoch nicht nur kompliziert und platzaufwendig sondern bietet nur eine begrenzte Verläßlichkeit, es sei denn, die Batterie wird regelmäßig gewartet.
Betätigungsvorrichtungen mit Zahnradpaarungen zur mechanischen Verstärkung sind mit Verschleiß und, noc~h wichtiger, mit Totgang behaftet, was das Erreichen der geforderten Genauigkeit erschwert.
Die Erfindung überwindet diese und andere Nachteile des Standes der Technik mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Anstelle einer Zahnraduntersetzung verwendet die Erfindung einen doppeltgängigen Kabelantrieb, der nicht nur den Totgang vermeidet, der aufgrund des Spiels zwischen kämmenden Zähnen unvermeidlich sich einstellt, sondern auch eine große mechanische Verstärkung mit einem hohen Wirkungsgrad bis zu 80% schafft. Ein solch hoher Wirkungsgrad ermöglicht seinerseits die Verwendung mechanischer Federn zum Umkehren der Drehung des Elektromotors, um eine gewünschte Sicherheitsstellung bei Energieausfall zu erreichen.
Durch direktes Verbinden des federbelasteten Betätigungsschaftes mit einem Ventilschaft werden Schwierigkeiten bei konventionellen mechanischen Ubersteuer-Mechanismen vermieden, um thermische Ausdehnung eines Ventilschaftes aufzunehmen, wie dies z.B. im US-Patent 3,150,752 beschrieben ist. Das Fehlen von Zahnrädern und mechanischen tlbersteuervorrichtungen führt zu einer signifikanten Vereinfachung, erheblicher Kosteneinsparung und einem beträchtlichen Anstieg der Zuverlässigkeit im Vergleich zu ähnlichen, heute verwendeten Vorrichtungen.
Die gemäß den Ansprüchen ausgebildete Verstärkerschaltung ist ferner so gestaltet, daß sie den Motor nur in eine Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Federkraft antreibt. Beim Erreichen der gewünschten Ventilstellung wird der Antriebsstrom für den Motor von einem Halte-Gleichstrom ersetzt. Für den Antrieb in entgegengesetzter Richtung wird der Halte-Gleichstrom abgeschaltet, was der Feder gestattet, den Motor rückwärts zu treiben. Diese nEinweg"-Schaltwirkung vereinfacht die elektronische Schaltung ganz wesentlich, was wiederum zu bedeutenden Kosteneinsparungen und zu erhöhter Verläßlichkeit führt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Teilschnitt einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung; Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer
Anordnung von Bauteilen in einer elektronischen Logik- und Verstärker-Schaltung.
Gemäß Fig. 1 ist ein Elektromotor, der vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildet ist und kontinuierlich mit 110 V Wechselstrom bei 72 U/min arbeitet, mit einem Rahmen 4 für die Betätigungsvorrichtung verbunden. Die Abtriebswelle 5 des Elektromotors hat einen Treibstift 6, der gleitend in eine Schlitzöffnung 7 einer Spindel 8 eingreift, welche an jedem Ende mittels Kugellagern 9 gelagert ist. Die Spindel 8 ist in zwei Gewindeabschnitte unterteilt; der erste Gewindeabschnitt 10 hat bei einer bevorzugten Ausführung einen Teilkreisdurchmesser von 2,54 cm (1 Zoll), während der zweite Gewindeabschnitt 11 einen Teilkreisdurchmesser von 2,3 cm (0,9 Zoll) aufweist. Ein Stahlkabel 12 ist um den größeren Gewindeabschnitt 10, um eine Triebrolle 13 und schließlich um den kleineren Gewindeabschnitt 11 gewunden, wobei jedes Ende an der Spindel 8 verankert ist.
Die Gewindeabschnitte 10 und 11 haben entgegengesetzte Steigungen, um das Kabel in Richtung auf die mittig angeordnete Triebrolle 13 ohne unzulässige Beanspruchung sich bewegen zu lassen.
Die Triebrolle 13 ist an einem Joch 14 abgestützt, dessen Unterteil mit dem oberen Gewindeabschnitt eines Betätigungs- bzw. Gleitschaftes 16 verbunden ist, dessen unteres Ende 17 zum Anschluß eines Ventilschaftes oder dgl. ausgebildet ist. Der Gleitschaft hat eine Schulter 18, welche einen Federteller 19 unterstützt, an dem das eine Ende einer Schraubendruckfeder 20 anliegt.
Führungsstifte 21 hindern das Joch 14 an einer Drehung, während der Gewindeabschnitt 15 zum Spannen des Kabels 12 und zur Vor-Komprimierung der Feder 20 während der anfänglichen Montage dient.
3535B95
Eine Rechtsdrehung der Abtriebswelle 5 des Motors, die durch ein stromeinschalteri über die elektronische Schaltung gemäß Fig. 2 bewerkstelligt wird, dreht die Schraubspindel 8 vermittels des Stiftes 6. Hierdurch wird das Kabel 12 weiter auf den größeren Gewindeabschnitt 10 (7,98 cm/Umdrehung) aufgewickelt, während gleichzeitig ein Abwickeln des Kabels vom kleineren Gewindeabschnitt 11 um 7,18 cm/Umdrehung (1,00 χ 3,14 Zoll/U) stattfindet. Im Ergebnis bewegt sich die Triebrolle 13 um die Hälfte des Unterschiedes zwischen den Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Kabels 12, d. h. um 0,5 (1,00 X 7,98 - 0,90 χ 7,98) = 0,399 cm/ü (0,5(1,00 x 3,14 - 0,90 χ 3,14) = 0,157 Zoll/U) der Abtriebswelle 5. Anders ausgedrückt ist die Triebröllenbewegung gleich 1,57-mal die Differenz des Teilkreisdurchmessers per Motorumdrehung. Die so abgeleitete theoretische mechanische Übersetzung kann durch Vergleichen der Arbeit des Motors mit der Arbeit gewonnen werden, welche als Zugkraft an der- Triebrolle anfällt. Bei dem beschriebenen Beispiel erzeugt ein Motor mit einem Drehmoment von 18,2 cmkg (15,8 inch-lbs) eine Arbeit von 18,2 χ 2 χ 7.98 = 290,3 cmkg/ü (99*27 inch-lbs/ü). Da die Bewegung der Triebrolle 13 0,399 cm (0,157 Zoll) betragt, beträgt die theoretische Kraft, gegen welche sich die Triebrolle bewegen darf, 290,3/0,399 = 727,6 kg (99,27/0,157 = 632 lbs), woraus sich eine mechanische Verstärkung von 40:1 (727,6/18,2) ergibt.
Diese hohe Verstärkung ist ohne die Notwendigkeit möglich, eine größe Anzahl von aufeinander folgenden Zahnrädpaarungen itiit dem diesen innewohnenden Totgang und Verschleiß einsetzen zu müssen. Die neue Kabelanordnung erfüllt diese Aufgabe mit Wirkungsgraden nahe 80 %, die nicht mit einer Zahngetriebeuntersetzung von 40:1 erzielbar wäre (der dort erzielbare Wirkungsgrad läge im allgemeinen unterhalb 50 %, was das gesamte System unausführbar machen würde).
Da der Wirkungsgrad der Kabelanordnung deutlich über 50 % liegt, kann die Kraft der Feder 20 die Abtriebswelle 5 in umgekehrter Richtung zurücktreiben, wenn die elektronische Schaltung gemäß Fig. 2 einen Antrieb in umgekehrter Richtung verlangen oder entweder das Regelsignal oder der Motorstrom ausfallen sollten. Im letzteren Falle fährt der Gleitschaft 16 angetrieben durch die Kraft der Feder 20 nach unten, um ein angeschlossenes Ventil zu schließen (nicht gezeigt).
Damit die Schaltung nach Fig. 2 die Stellung der Abtriebswelle des Motors fühlen kann, hat die Spindel 8 eine Ausnehmung 22, in welche die Welle 23 eines Drehpotentiometers 24 eingreift, das zum Erzeugen einer von der Stellung der Abtriebswelle 5 abhängigen Rückführspannung kalibriert ist.
Ein Hohlraum 25 des äußeren Teils des Rahmens 4 enthält eine oder mehrere Leiterplatten 26 mit darin angebrachten elektronischen Logik- und Schaltelemen-
ί-ten, wie im folgenden anhand der Fig. 2 beschrieben.
Während bei der gezeigten Konfiguration der Gleitschaft 16 bei Stromausfall nach unten fährt, könnte eine entsprechende Verlängerung der Führungsstifte zum oberen Teil des Rahmens 4 auch Mittel zum Ziehen eines zweiten Schaftes nach unten vorsehen, um z. B. eine "Ausfall-Qffenstellung" des Ventiles zu erreichen.
Die elektronische Schaltung nach Fig. 2 sei nun wie folgt beschrieben:
Ein 4-2OmA Regelsignal wird in die Schaltung an den Anschlüssen 50 und 51 eingespeist. Der positive Teil des Signals liegt am Anschluß 50 und der negative Teil am Anschluß 51 an. Das Regelsignal wird dann am Anschluß 50 zu einer Regelsignalspannung mittels
eines in der Fabrik geeichten und geerdeten Potentiometers 52 umgewandelt. Der Anschluß 51 ist direkt geerdet.
Vom Potentiometer 53 wird eine Rückführspannung erzeugt. Bereichsabgleich und Nullabgleich der Rückführspannung werden durch ein Potentiometer 54 in Verbindung mit dem Potentiometer 55 vorgenommen.
IQ Die Regelsignalspannung und die Rückführspannung werden dann doppelt verglichen. Der erste Vergleich findet mit der an einem nicht invertierenden Eingang eines Spannungsniveau-Vergleichers 56 angelegten Rückführspannung und mit der an einen invertierenden Eingang dieses Vergleichers 56 angelegten Regelsignalspannung statt. Der zweite Vergleich findet mit der über einen Potentiometer 58 an einen invertierenden Eingang eines Spannungsniveau-Vergleichers 57 angelegten Rückführspannung und mit der an einen nicht invertierenden Eingang dieses Vergleichers 57 angelegten Regelsignalspannung statt. Das Potentiometer 58 versieht die Schaltung mit einer einstellbaren Empfindlichkeit. Zwei Widerstände 59, 60 schaffen den erforderlichen Ansprechwiderstand zum Erzeugen von Ausgangs-Signalen für die Vergleicher 56,57.
Die Ausgänge der Vergleicher 56,57 werden dann über Filter geleitet, welche aus einer Anordnung von Widerständen 61,62 und geerdeten Kondensatoren 63,64 bestehen und so gestaltet sind, daß sie eine Zeitverzögerung zum Vermeiden einer Instabilität in der Schaltung erzeugen. Jedes Signal wird dann je über einen Schmitt-Trigger-Inverter 65,66 geführt, welche den Filterungsvorgang durch logisches Invertieren der Signale und Definieren derselben als entweder TTL- Logikwerte "1" oder "0" vollenden.
Die beiden logischen Niveausignale werden dann in ein logisches Netzwerk aus 2 X-NOR-Gattern 67,68 gespeist, wo jedes logische Signal als Eingang des X-NOR- Gatters 67 dient, welches über einen Widerstand 69 ein logisches Niveau-Regelsignal erzeugt. Die Eingänge des zweiten X-NOR-Gatters 68 sind vom Ausgang des ersten X-NOR-Gatters 67 und vom Ausgang des Schmitt-Trigger-Invertex-Gatters 66 gebildet. Dieses logische Netzwerk entscheidet ausgehend von den Ergebnissen der Vergleicher 56,57, ob die Ventilstellung zu tief, korrekt oder zu hoch liegt, und erzeugt dann ein korrektes logisches Niveau-Regelsignal in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Bedingung.
Das logische Niveau-Regelsignal, welches von dem X-NOR-Gatter 67 erzeugt ist, wird als Trigger-Spannung für ein Halbleiter-Relais 70 verwendet, das in getriggertem Zustand die erforderliche 12V-Wechselspannung liefert, um die Halteschaltung zu aktivieren und dadurch den gewünschten Halteeffekt zu erzeugen. Das logische Niveau-Regelsignal, welches durch das X-NOR-Gatter 68 über den Widerstand 71 erzeugt ist, wird als Triggerspannung für ein Halbleiter-Relais 73 verwendet, das in getriggertem Zustand die erforderliehe llOV-Wechselspannung zum Anlegen an den Anschluß 1 des Wechselstrom-Synchronmotors 73 bereitstellt, um die gewünschte Betätigung auszulösen. Der zweite llOV-Wechselstrom-Zweig ist kontinuierlich an den Anschluß 2 des Wechselstrom-Synchronmotors 73 angeschlossen.
Ein 12V-Gleichstromsignal liegt an den Wechselstrom-Eingangsanschlüssen eines Vollwellen-Brückengleichrichters 74 über das Relais 70 an. Der Brückengleichrichter 74 wandelt das Wechselstromsignal in
ein Gleichstromsignal. Dieses Gleichstromsignal wird dann den beiden siliciumgesteuerten Gleichrichtern 75,76 eingegeben, welche wie folgt aufgebaut sind: Ein Gleichrichter 75 ist mit seiner Kathode an den negativen Anschluß des Brückengleichrichters 74, mit seiner Anode an den Anschluß 2 des Motors 73 und mit seinem Gatter über einen Widerstand 77 an den positiven Anschluß des Brückengleichrichters angeschlossen; der zweite Gleichrichter 76 ist mit seiner Anode an den positiven Anschluß des Brückengleichrichters 74, mit seiner Kathode in Reihe mit einem Widerstand 79 an den Anschluß 1 des Motors und mit seinem Gatter über einen Widerstand 78 an dem positiven Anschluß des Brückengleichrichters angeschlossen. Die Funktion dieser Anordnung besteht darin, den beiden siliciumgesteuerten Gleichrichtern 75,76 ein Triggern nur in Anwesenheit des Gleichstromsignals zu ermöglichen und dieses dann durchzulassen. Die Tatsache, daß die Gleichrichter 75,76 nur durch das Gleichstromsignal getriggert werden, verhindert die- Möglichkeit, einen Kurzschluß über den Haltekreis zu erzeugen, wenn das Wechselstrom-Antriebssignal zum Motor 73 gespeist wird. Die Schaltung wird durch einen Leistungswiderstand 79 ergänzt, welcher einen Puffer zum Absorbieren von Leckströmen oder Stromspitzen bildet, die sich bei Anliegen des Wechselstrom— Antriebssignals am Motor 73 entwickeln können.
Ein Widerstand 80 und ein Kondensator 81, die zwischen dem Anschluß 1 des Motors 73 und dem Anschluß 3 des Motors 73 in Reihe geschaltet sind, erzeugen eine 90 °-Phasenverschiebung, welche für den Betrieb des Motors 73 erforderlich ist.
- Leerseite

Claims (4)

  1. Ansprüche
    Elektrische Betätigungsvorrichtung, insbesondere -für Ventile, g e kenn ζ e ic h η et durch: '"a> einen Elektromotor (3) mit einer Abtriebswelle (5), welche durch zum Motor geleitete elektrische Stromimpulse in Drehung versetzbar ist und ferner eine fixierte Stellung einnehmen kann, wenn dem Elektromotor ein Strom einer fixierten Polarität zugeführt wird;
    b) eine elektrische Verstärkerschaltung, die erstens dem Elektromotor (3) einen gepulsten elektrischen Strom zuführt, um die Welle (5) in eine Drehrichtung in Drehung zu versetzen, zweitens einen ausreichend konstanten Strom zum Halten der Welle in einer gewünschten Position erzeugt und drittens den Motor vollständig abschaltet, wenn eine Drehung der Abtriebswelle (5) in der entgegengesetzten Richtung erwünscht ist;
    3535835
    c) mechanische Mittel (8,12,13,14), die mit der Abtriebswelle (5) gekuppelt sind und mehr als 50 % der mechanischen Abtriebskraft des Motors in eine hin- und herwirkende Kraft umwandeln, wobei die mechanischen Mittel mindestens mit einem Gleitschaft (1$) und mindestens einer mechanischen Feder (20) gekuppelt sind und die Feder mechanische oder elektrische Widerstandskräfte überwinden und zusammen mit den mechanischen Mitteln die Abtriebswelle (5) drehen kann, wenn der Elektromotor im wesentlichen abgeschaltet ist.
  2. 2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verstärkerschaltung umfaßt:
    a) eine logische Schaltung (50-68), die ein Spannungseingangssignal mit einem Spannungsrückführsignal vergleicht und ein gepulstes Fehlersignal erzeugt, wenn das Niveau der Rückführspannung
    eine Minimal-Differenz zu der Eingangssignalspanfnung überschreitet;
    b) eine Halteschaltung (70-79) mit Relaismitteln zum Leiten von Wechselstrom, der zum Erzeugen eines ausreichenden Gleichstromes für den Motor erforderlich ist und jegliche Drehung der Abtriebswelle durch die mechanischen Mittel und die Feder unterbindet, wenn keine ausreichende Differenz zwischen dem Eingangsspannungssignal und dem Rückführspannungssignal existiert, wobei die Halteschaltung ferner dazu ausgebildet ist, den Gleichstrom abzuschalten und dadurch eine Drehung der Abtriebswelle (5) dann zu erlauben, wenn die Rückführspannung hinreichend von der Eingangssignalspannung abweicht;
    c) eine Laufschaltung mit Relaismitteln zum Leiten eines gepulsten elektrischen Stromes, wie eines
    Wechselstromes, zu dem Motor und dadurch zum Bewirken einer Drehung der Abtriebswelle, wenn das genannte Eingangsspannungssignal das Rückführspannungssignal um einen gewünschten Betrag überschreitet.
  3. 3. Elektrische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Halteschaltung ferner umfaßt:
    a) einen Vollwellen-Brückengleichrichter (74), der Wechselstrom in einen ausreichend stabilen Gleichstrom umwandeln kann, welcher dazu ausreicht, eine Drehung der Abtriebswelle (5) zu verhindern;
    b) einen ersten siliciumgesteuerten Gleichrichter (76), dessen Anode mit dem positiven Anschluß des Brückengleichrichters (74) verbunden ist
    und dessen Gatter über einen Widerstand (78) mit dem gleichen Anschluß verbunden ist, einen J zweiten siliciumgesteuerten Gleichrichter (75), dessen Kathode mit dem negativen Anschluß des Brückengleichrichters (74) und ebenso über einen Widerstand (77) mit dem gleichen Anschluß wie der erste siliciumgesteuerte Gleichrichter
    (76) verbunden ist, wobei die beiden siliciumgesteuerten Gleichrichter (75,76) einen Gleichstrom abgeben, wenn dieser anliegt, und jegliches elektrisches Signal blockieren können, welches an dem unbelegten Anschluß der siliciumgesteuerten Gleichrichter (75,76) erscheint; c) einen Leistungswiderstand (79), der mit der Kathode des ersten siliciumgesteuerten Gleichrichters (76) in Reihe geschaltet ist und einen hinreichend niedrigen Ohm-Wert aufweist, um einen wesentlichen Anteil des gewünschten
    Gleichstroms zum Elektromotor (73) durchzulassen, wobei der Leistungswiderstand ferner jegliche Spitzen- und Leckströme absorbieren kann, die im Betrieb unter Zuführung von gepulstem elektrisehen Strom zum Elektromotor auftreten können, wenn die Abtriebswelle (5) elektrisch gedreht wird.
  4. 4. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel umfassen: a) eine Spindel (8) mit einem zum Ankuppeln und Zusammenwirken mit der Abtriebswelle (5) des Motors (3) gestalteten Ende (7) und Lagern (9j zum Abstützen der Spindel (8) an jedem Ende, wobei der Mittelabschnitt der Spindel in einen Gewindeabschnitt (10) mit großem Teilkreisdurchmesser und einen Gewindeabschnitt (11) mit kleinem Teilkreisdurchmesser unterteilt ist;
    .b) ein oder mehrere Triebrollen (13) und ein minde-
    i-
    stens eine der Triebrollen (13) lagerndes Joch (14), wobei die Feder (20) an dem Joch (14) angreift und aufgrund einer Bewegung des Joches mit der Triebrolle in Richtung gegen die Spindel (8) komprimiert wird;
    c) eine Verbindung zwischen Gleitschaft (16) und Joch (14) mit Triebrolle (13);
    d) ein Kabel (12), dessen eines Ende um den Gewindeabschnitt (10J mit größerem Teilkreisdurchmesser der Spindel (8) gewunden ist, das ferner an mindestens einer der Triebrollen (13) angreift und das mit dem anderen Ende um den Gewindeabschnitt (11) kleineren Durchmessers der Spindel (8) gewunden ist, wobei das Kabel gleichzeitig auf dem Gewirideabschnitt (10) mit größerem Teilkreisdurchmesser aufwickelbar und von dem Gewindeabschnitt (11) mit kleinem Teilkreisdurch-
    ■ — 5 — ■" ■
    messer abwickelbar ist, um dadurch den Abstand zwischen der Triebrolle (13) und der Spindel (8) zu verringern, die Feder (20) zu komprimieren und den Gleitschaft (16) zu verlagern.
DE19853535895 1985-04-01 1985-10-08 Elektrische betaetigungsvorrichtung, insbesonder fuer ventile Withdrawn DE3535895A1 (de)

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