WO2023165713A1 - Verfahren zur steuerung eines elektromechanischen stellantriebs in einem dynamischen haltebetrieb - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines elektromechanischen stellantriebs in einem dynamischen haltebetrieb Download PDF

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WO2023165713A1
WO2023165713A1 PCT/EP2022/055615 EP2022055615W WO2023165713A1 WO 2023165713 A1 WO2023165713 A1 WO 2023165713A1 EP 2022055615 W EP2022055615 W EP 2022055615W WO 2023165713 A1 WO2023165713 A1 WO 2023165713A1
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WO
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actuator
spring
movement
restoring
drive motor
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PCT/EP2022/055615
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schneider
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Pierburg Gmbh
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C2/00—Fire prevention or containment
    • A62C2/06—Physical fire-barriers
    • A62C2/24—Operating or controlling mechanisms
    • A62C2/246—Operating or controlling mechanisms having non-mechanical actuators
    • A62C2/247—Operating or controlling mechanisms having non-mechanical actuators electric
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
    • A62C2/00—Fire prevention or containment
    • A62C2/06—Physical fire-barriers
    • A62C2/12—Hinged dampers

Definitions

  • Actuators are often used to operate flaps and valves in order to vary or interrupt the volume flow of fluids in a duct.
  • the task is to keep the fire damper permanently open during normal operation in order to ensure a supply of fresh air via the ventilation ducts and still ensure that the fire damper closes automatically in emergency operation, in order to in the event of a fire fire to reduce the spread of fire and smoke.
  • the fire damper must close purely mechanically, i.e. reliable closing must also be ensured during a power failure, for example.
  • the actuator of a fire damper usually includes a spring that keeps the fire damper in the closed position.
  • the fire damper is usually opened electrically using an electric drive motor, which opens the fire damper against the spring force of a spring and holds the damper in the open position, i.e. the drive motor must be permanently energized in order to apply the appropriate holding force against the spring force.
  • Such spring-reset actuators therefore permanently consume a not inconsiderable amount of energy, which represents a loss.
  • Such an actuator is disclosed, for example, in DE 10 2015 210 648 A1.
  • the actuator disclosed there for actuating a flap in a ventilation system has, in addition to an electric drive motor and a transmission gear, a spring return which acts in one direction of rotation of the actuator and thereby moves the actuator back to its end position in one of the two directions of rotation, even when the motor is switched off, and moves it into holds this position.
  • a spring return which acts in one direction of rotation of the actuator and thereby moves the actuator back to its end position in one of the two directions of rotation, even when the motor is switched off, and moves it into holds this position.
  • WO 2008/122140 A1 discloses an actuator for a fire damper, which is provided with a spring return for resetting the actuator and thus for closing the fire damper in the event of a fire.
  • the actuator has a coupling element and a locking element.
  • a locking element preferably engages a pawl that holds the fire damper in its open position, so that the drive motor can be decoupled from the gear using the coupling element.
  • the actuator and thus the fire damper are held in the open position independently of the drive motor.
  • the pawl is electromagnetically secured in its locking position and unlocks by switching off the corresponding electromagnet, so that in the event of a fire, the fire damper is automatically closed by the automatically unlocking pawl by means of the spring force of the spring return, even during a power failure.
  • the Fire damper only consumes the energy that is necessary to electromagnetically secure the pawl, since the actual holding force is applied by the mechanical locking of the pawl. In contrast to a fire damper that is held open by an electric motor, this results in significantly reduced power consumption.
  • the disadvantage of this actuator is its complexity.
  • the additional coupling element and the locking mechanism with the additional electromagnet increase the material costs of the actuator significantly.
  • the increased complexity due to the increased number of additional mechanical and electromagnetic components leads to an increased probability of failure of the actuator.
  • the present invention is therefore based on the object of operating a conventional spring-return actuator with relatively low energy consumption.
  • a method for controlling an electromechanical actuator in a dynamic holding mode is claimed.
  • the electromechanical actuator known from the prior art preferably a rotary actuator includes an electric drive motor for performing an adjustment movement with a stator with electromagnetic stator coils and a rotor.
  • the stator coils are supplied with electrical energy from an external voltage source, which generates a current flow in the stator coils in order to set the rotor in rotation by means of an electromagnetic force and thus drive the drive motor in so-called motor mode.
  • the rotation of the drive motor in a first direction of rotation generates an advance movement of the actuator, which actuates, for example, a flap or a valve in an opening direction.
  • the actuator includes a spring preloaded in the closing direction for performing a restoring movement.
  • the reset movement takes place in a second direction of rotation opposite to the advance movement, as a result of which, for example, a flap or a valve can be actuated in a closing direction. Due to the reset movement initiated purely by spring force, the actuator can thus be reset independently of the current. This ensures that if the drive motor malfunctions or the power supply to the actuator is interrupted, the actuator will return to its home position purely mechanically. If the actuator is used, for example, to actuate a fire damper, the spring enables the fire damper to be closed automatically in order to prevent smoke and fire from spreading, for example via existing ventilation shafts, in the event of a fire. The spring reset thus represents a so-called fail-safe function, which increases the safety of the actuator.
  • the drive motor Due to the spring restoring force that acts permanently on the actuator, the drive motor has to work against the spring restoring force when executing the advance movement in order to actuate the actuator against the direction of action of the spring and thereby, for example, to open a flap or valve.
  • the spring means that in the open position, which preferably corresponds to the end position of the actuator in which the spring is maximally tensioned, the drive motor must hold the actuator against the spring restoring force. A permanent power supply to the drive motor is therefore required.
  • the actuator includes a control unit that controls said dynamic holding operation.
  • the control unit essentially controls the voltage supply and thus the current supply to the drive motor.
  • the stator of the drive motor is energized in such a way that the stator coils generate an electromagnetic drive torque that drives the rotor and thus performs the advance movement of the actuator in the first adjustment direction against the spring restoring force.
  • the actuator is thus moved into a maximum holding position, which preferably corresponds to a so-called end-of-opening position of the actuator, in which, for example, a flap or a valve reaches its/its maximum open position.
  • the spring is tensioned by the advance movement of the actuator.
  • the maximum stopping position of the dynamic stopping operation can be freely defined, ie any position of the actuator that makes sense for the respective application can be defined as the maximum stopping position. If, for example, a flap or a valve is only to be opened halfway, the maximum holding position could also be defined at half the possible travel of the actuator.
  • the power supply to the stator and thus the current flow to the stator coils is interrupted by the control unit, as a result of which the drive torque no longer acts on the rotor. As a result, there is no longer any counteracting force to the spring force, which relaxes it and initiates the return movement of the actuator.
  • the restoring movement results in the rotor of the drive motor, which is preferably designed as a permanent magnet rotor, being set in rotation.
  • the purely mechanical spring-driven rotation of the rotor along the stator coils induces a voltage in the stator coils, ie the drive motor is operated as a generator by means of the energy stored in the spring during the return movement of the actuator.
  • the spring thus acts as a kind of energy store for the actuator, the stored energy of which is used in the dynamic holding mode by appropriate control of the actuator.
  • stator coils are short-circuited by the control unit, so that the voltage induced in the stator coils by the rotor causes a continuous flow of current in the stator coils.
  • the flow of current in the stator coils creates a magnetic field that creates a braking torque that counteracts the restoring torque of the spring.
  • the drive motor consequently works in regenerative braking mode.
  • the electromagnetic braking torque causes the rotor, which is mechanically driven by the spring force, and thus the return movement of the actuator, to be braked.
  • Such a braked restoring movement of the actuator thus differs from an unbraked restoring movement driven purely by the spring force in fail-safe operation, in which the actuator must be returned to its basic position within a very short time.
  • the reset movement is in dynamic holding mode braked in such a way that, based on an identical travel, the return time of the braked return movement is reduced compared to the return time of the unbraked return movement in fail-safe mode.
  • the actuator moves significantly more slowly during the braked return movement in dynamic holding mode than in the unbraked return movement in fail-safe mode.
  • the actuator starting from the maximum holding position, is returned to a minimum holding position during the braked reset movement, which, like the maximum holding position, can be defined individually.
  • the two previous method steps are repeated continuously and cyclically in the dynamic holding mode, i.e. the actuating drive initially moves relatively quickly to the maximum holding position due to the motor operation of the drive motor.
  • the actuating drive moves relatively slowly into the minimum holding position due to the regenerative braking operation of the drive motor.
  • the aforementioned method steps are repeated alternately, i.e. the actuator moves continuously between the maximum and minimum holding position.
  • the drive motor moves the actuator from the minimum holding position to the maximum holding position
  • the drive motor has to operate with a relatively high electrical power for a short time be supplied to move the actuator against the spring force of the spring.
  • only a relatively small amount of power is required for the subsequent spring-force-driven, braked return movement into the minimum holding position, for example to supply the control unit of the actuator with electrical energy.
  • the spring and the electric drive motor are designed such that the braking torque generated by the drive motor during the braked restoring movement is lower than the restoring torque or restoring force of the spring. This ensures that the actuator cannot come to a complete standstill during the braked return movement. Thus, for example, even if the controller malfunctions in dynamic holding mode, the actuator can be returned to its home position, i.e. its fail-safe functionality is also guaranteed in dynamic holding mode.
  • the restoring movement of the actuator is braked in such a way that, based on an identical restoring path, the restoring duration of the braked restoring movement in dynamic holding mode is opposite the reset duration of the unbraked reset movement in fail-safe mode is increased by at least 30%. It follows from this that the return speed of the braked return movement is at least 30% lower than the return speed of the unbraked return movement. This is achieved, for example, by appropriate coordination between the restoring torque of the spring and the braking torque of the drive motor.
  • the minimum holding position and the maximum holding position are defined such that a holding position travel between the minimum holding position and the maximum holding position is at most 30% of the total travel of the actuator.
  • the total travel is the travel between the two end positions of the actuator.
  • the holding position adjustment path between the minimum holding position and the maximum holding position would therefore be a maximum of 27°.
  • the limitation of the holding position adjustment path ensures that during the dynamic holding operation the flow cross section of the valve or the flap permits a sufficient volume flow in the corresponding channel.
  • the spring force of the spring is designed in such a way that the restoring time of the unbraked restoring movement is shorter than 15 seconds over the entire adjustment path. In fail-safe mode, this ensures that the actuator drives, without being braked by the spring, from its open end position, in which, for example, a fire damper is fully open, within 15 seconds to its home position, i.e. to the end position in which, for example, the fire damper is fully closed is reset. This enables the fire damper to be closed quickly in an emergency.
  • the maximum holding position corresponds to the end position of the actuator.
  • the maximum holding position particularly preferably corresponds to the opening end position of the actuator, in which the spring is maximally tensioned and in which, for example, a flap or a valve is fully open. As a result, the maximum travel of the actuator is used.
  • the restoring torque of the spring and the braking torque of the drive motor are designed such that the restoring time of the braked restoring movement between the maximum holding position and the minimum holding position in dynamic holding mode is at least 60 seconds.
  • the actuator is reset at a relatively low reset speed compared to the advance speed when the actuator is advanced by means of the electric drive motor or compared to the unbraked reset movement in fail-safe mode.
  • the return speed is only limited downwards by the fact that the drive motor has to rotate the rotor in order to generate the regenerative braking torque, i.e.
  • the control unit includes an emergency switching device that is set up to automatically end the dynamic hold mode in an emergency.
  • the emergency switching device must be set up in this way be that in the event of a power failure, the short circuit of the stator coils is automatically eliminated in dynamic holding mode.
  • An electrical switch is out of the question here, since in the event of a power failure the short circuit of the stator coils would be maintained and the return movement would therefore continue to be braked. In an emergency, this would cost valuable seconds, since depending on the position and reset time of the actuator in braked reset mode, it sometimes takes two minutes until the minimum stop position is reached. In an emergency, the braking operation of the drive motor must therefore be stopped immediately.
  • a spring-loaded switch for example, can be used for this purpose, which is closed electromagnetically and opens automatically due to the spring-loaded reset when there is no power supply.
  • the emergency switching device could also be provided with a self-sufficient battery supply, which enables switching of the emergency switching device even during a power failure and thus ends the braking operation of the drive motor, so that the actuator rotates back to its basic position without braking.
  • the stator coils are short-circuited via a memory device.
  • the short circuit of the stator coils is therefore not formed by an almost resistance-free conductor through which the current generated during generator operation flows.
  • the electricity flows through a storage device that is used to temporarily store the electricity generated.
  • a capacitor or an accumulator is particularly suitable for this.
  • the storage device makes it possible to temporarily store the electricity generated in generator operation by the restoring movement and not used for braking and then to use it in motor operation for the advance movement for operating the electric drive motor. As a result, the energy loss in the Braking operation can be reduced and the energy consumption of the actuator can be reduced even further.
  • the actuator is designed as a rotary actuator and the adjustment path of the rotary actuator is an adjustment angle.
  • the total adjustment angle of the actuator is preferably a maximum of 90° on the output side.
  • a fire protection flap actuated by the actuator according to the invention can be pivoted in a ventilation duct over a total angle of at most 90°.
  • the holding position adjustment travel of the actuator is preferably a maximum of 20°, in order not to significantly reduce the flow cross section in the ventilation duct during the dynamic holding operation and thus to ensure a sufficient air flow.
  • the actuator has a gear that is arranged mechanically between the electric drive motor and the component to be actuated or the device to be actuated.
  • the gearing is preferably heavily geared down and reduces the rotational speed of the actuator on the output side, which, depending on the gear ratio, makes it possible, for example, to increase the output torque or limit the actuating travel.
  • a high gear reduction enables the rotor to complete several revolutions in generator mode, despite the relatively slow positioning speed of the actuator and the relatively short positioning path in dynamic holding mode, for example over a positioning angle of 10°, so that there is sufficient voltage in the stator coils for braking mode is produced.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fire damper driven by an actuator in a ventilation duct with the various positions in the corresponding operating modes of the method according to the invention and the adjustment path of the actuator in dynamic holding mode.
  • FIG. 2 shows a schematic detailed illustration of the actuator shown in FIG. 1, and
  • FIG. 3 shows the course of the setting angle of the actuator during the dynamic holding operation in a travel-time diagram and the power consumption of the actuator during the dynamic holding operation in correlation to the travel-time diagram shown.
  • FIG. 1 shows an actuator 10 for actuating a fire damper 15 in a ventilation duct L, which is controlled in a dynamic holding mode by means of the method for controlling an actuator 10 according to the invention.
  • the actuator 10 is a conventional commercially available spring-loaded rotary actuator with a transmission gear 40, an electronically commutated DC drive motor 20 and a spring 25 designed as a spiral spring.
  • the actuator 10 is supplied with electrical energy by an external voltage source.
  • the actuator 10 is on the output side over a total adjustment angle s2 of
  • the fire damper 15 is fastened eccentrically to the shaft on one side.
  • the fire damper can be attached centrally to the output shaft 12 .
  • the fire damper 15 can be pivoted in a ventilation duct L between a basic position A, in which the fire damper 15 closes the ventilation duct L, and an open position B, in which the fire damper 15 completely opens the ventilation duct L.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of the actuator 10.
  • the electric drive motor 20 is preferably a permanent magnet synchronous motor with an internal stator 21 with a plurality of stator coils and a rotor 22 designed as an external rotor and equipped with permanent magnets, which is connected via the transmission gear 40 and the output shaft 12 of the Actuator 10 is mechanically connected to the fire damper 15.
  • the number of gear stages is shown here as an example and depends on the actuator 10 used.
  • the gear 40 is usually a highly reducing gear, the reduction of which also depends on the power of the drive motor 20 .
  • a drive torque TA is generated on the drive side of the servomotor 10, which rotates the rotor 22 and thus the output shaft 12 of the actuator 10, causing the fire damper 15 moved from the basic position A at 0° in the direction of the open position B at 90°.
  • the gear 40 the rotation of the rotor 22 is transmitted to the spring 25, so that the spring 25 is tensioned accordingly.
  • the spring 25 thereby generates a restoring torque TR which counteracts the drive torque TA of the drive motor 20 and is less than the drive torque TA.
  • An actuator 10 suitable for this purpose usually has a drive torque TA of approximately 9 Nm and a restoring torque TR of approximately 7 Nm.
  • the dynamic holding mode is activated.
  • the power supply to the stator coils is first interrupted via a simple switching device of the control unit 30, as a result of which the drive torque TA of the drive motor 20 falls to a value of zero. Due to the absence of the drive-side drive torque TA, only the restoring torque TR of the spring 25 acts on the gear 40 of the actuator 10 and thus moves the fire damper 15 from the open position B at 90° towards an intermediate position C at approx. 70°, which is the minimum Holding position of the dynamic holding operation corresponds.
  • the holding position adjustment angle sl between the maximum holding position (position B) and the minimum holding position (position C) thus corresponds to 20°.
  • the rotation of the permanent magnets of the rotor 22 along the stator coils induces a voltage in the stator coils, as a result of which the non-energized drive motor 20 is operated as a generator.
  • the stator coils of the drive motor 20 are short-circuited by the control unit 30, as a result of which a closed circuit is formed in which a continuous current can flow through the stator coils as a result of the induced voltage.
  • This current flowing in the stator coils generates a magnetic field which generates an electromagnetic braking torque TB acting against the restoring torque TR of the spring 25, which brakes the rotor 22 and thus the restoring movement of the output shaft 12 of the actuator 10.
  • the short circuit of the stator coils is maintained until the flap 15 or the actuator 10 has reached the intermediate position C.
  • the short circuit of the stator coils is removed and the drive motor 20 is electrically energized again and put into motor operation in order to move the flap 15 to position B, i.e. to the maximum holding position of the actuator 10.
  • This procedure is repeated cyclically in dynamic holding mode.
  • the fire damper 15 consequently moves permanently between the position B and the position C in the ventilation duct L as long as the dynamic holding mode is active.
  • FIG. 3 shows the course of the actuating angle s of the actuating drive S during the dynamic holding operation over a period of time t of almost 600 seconds in the upper diagram and the associated power consumption of the actuating drive 10 in the lower diagram.
  • the actuator 10 moves from the maximum holding position (position B) after the interruption of the power supply to the drive motor 20 due to the restoring torque TR generated by the spring 25 in the direction of the Intermediate position C, ie in the direction of the minimum holding position of the actuator 10.
  • the drive motor 20 is in generator mode here.
  • the restoring movement of the actuating drive 10 is strong with the help of the regenerative braking torque TB generated by the drive motor 20 braked, whereby the fire damper 15 or the actuator 10 for the return movement from the maximum holding position B to the minimum holding position C, ie over the stop position adjustment angle sl of 20 °, a time interval tl of about 120 seconds required.
  • the actuator needs about 20 seconds.
  • the emergency reset of the actuator 10 is also shown on the right-hand side of the diagram, which allows the fire protection flap 15 to be closed quickly within 15 seconds in the event of a fire.
  • the control unit 30 is equipped with a self-sufficient emergency switching device 31, which immediately ends the dynamic holding mode, so that the actuator 10 is driven purely by the spring 25 into the basic position and the fire protection flap 15 is consequently moved into the closed position A.
  • the stator coils are not short-circuited, which means that no additional braking torque TB is generated and the actuator 10 rotates back into the basic position without braking.
  • the emergency switching device comprises a battery, which enables switching of the emergency switching device 31 even during a power failure.
  • the emergency switching device 31 also includes a sensor 32, which detects a power failure, whereby the battery operation of the emergency switching device 31 is activated and the emergency switching device 31 removes the short circuit of the stator coils, so that the actuator 10 rotates unbraked back to its basic position and the fire protection flap 15 moves to the closed position A .
  • the power consumption during the braked return movement is constantly at a value of less than 0.1 W, since only the potential energy stored in the spring 25 is used to move the actuator 10 to position C. Furthermore, part of the potential energy of the spring return is used to To brake the return movement regeneratively, so that the braking process itself does not require any energy supply from the external power supply.
  • the low power consumption during the braked reset movement results only from the energy requirement of the control unit 30, which is permanently supplied by the external power supply.
  • the drive motor 20 is briefly switched on by the control unit 30, i.e. it is supplied with energy from the external power supply, so that the drive motor 20 moves the actuator 10 back into the maximum holding position and the fire damper 15 back into the open position B.
  • the actuator 10 For the movement from the minimum holding position (position C) to the maximum holding position (position B), the actuator 10 requires approximately 20 seconds in motor operation. In this short period of time, the drive motor consumes more than 1 W.
  • the dynamic holding mode thus enables part of the energy used to actuate the actuator 10 or the fire damper 15 to be recovered and thus to reduce the total power consumption compared to the static holding mode known from the prior art .
  • the electrical current that is generated in generator mode during the reset movement from the maximum holding position to the minimum holding position and is not used for braking can be temporarily stored .
  • the electrical energy temporarily stored in the capacitor can be used to move from the minimum holding position in the subsequent advance movement to supply the electric drive motor 20 with electricity in the maximum holding position and thus to use the electric energy generated in generator mode even more efficiently and thereby to reduce the energy consumption of the overall system even further.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Stellantriebs (10) einer Klappe (15) oder eines Ventils in einem dynamischen Haltebetrieb, mit einem elektrischen Antriebsmotor (20) zum Ausführen einer Stellbewegung umfassend einen Stator (21) mit elektromagnetischen Statorspulen sowie einen permanentmagnetischen Rotor (22), einer in Schließrichtung vorgespannten Feder (25) zum Ausführen einer Rückstellbewegung, und einer Steuereinheit (30) zur Steuerung des dynamischen Haltebetriebs, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: Vorstellbewegung des Stellantriebs (10) entgegen eines von der Federkraft der Feder (25) erzeugten Rückstellmoments (TR) bis zum Erreichen einer maximalen Halteposition (B) ausführt, Rückstellbewegung mittels der Federkraft der Feder (25) bis zum Erreichen einer minimalen Halteposition (C), wobei der Rotor (22) des Antriebsmotors (20) während der Rückstellbewegung mittels einer von der Federkraft der Feder (25) erzeugten Rückstellmoments (TR) rotiert wird, Kurzschließen der Statorspulen, wodurch ein Bremsmoment (TB) erzeugt wird, dass die Rückstellbewegung im dynamischen Haltebetrieb elektromagnetisch bremst, kontinuierliche zyklische Wiederholung.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Stellantriebs in einem dynamischen Haltebetrieb
Stellantriebe werden häufig zur Betätigung von Klappen und Ventilen eingesetzt, um den Volumenstrom von Fluiden in einem Kanal zu variieren oder zu unterbrechen. Insbesondere bei der Betätigung von Brandschutzklappen, beispielsweise in Lüftungsanlagen, stellt sich die Aufgabe, die Brandschutzklappe im Normalbetrieb permanent in geöffnetem Zustand zu halten, um eine Frischluftzufuhr über die Lüftungskanäle zu gewährleisten und dennoch ein selbstständiges Schließen der Brandschutzklappe im Notfallbetrieb sicherzustellen, um im Falle eines Brandes, die Verbreitung von Feuer und Rauch zu reduzieren. Dazu muss die Brandschutzklappe rein mechanisch schließen, d.h., dass ein zuverlässiges Schließen beispielsweise auch während eines Stromausfalls sichergestellt sein muss.
Der Stellantrieb einer Brandschutzklappe umfasst dazu in der Regel eine Feder, die die Brandschutzklappe in der geschlossenen Position hält. Die Öffnung der Brandschutzklappe erfolgt meist elektrisch mithilfe eines elektrischen Antriebsmotors, der die Brandschutzklappe entgegen der Federkraft einer Feder öffnet und die Klappe in der geöffneten Position hält, d.h. der Antriebsmotor muss permanent bestromt werden, um die entsprechende Haltekraft gegen die Federkraft aufzubringen. Derartige federrückgestellte Stellantriebe verbrauchen daher permanent eine nicht unerhebliche Menge an Energie, die einen Verlust darstellt. Ein derartiger Stellantrieb ist beispielsweise in der DE 10 2015 210 648 Al offenbart. Der dort offenbarte Stellantrieb zur Betätigung einer Klappe in einem Lüftungssystem weist neben einem elektrischen Antriebsmotor und einem Übersetzungsgetriebe eine Federrückstellung auf, die in einer Drehrichtung des Stellantriebs wirkt und den Stellantrieb dadurch in einer der beiden Drehrichtung auch bei ausgeschaltetem Motor in seine Endposition zurückbewegt und ihn in dieser Position hält. Somit ist auch während eines Stromausfalls eine rein mechanische Rückstellung des Stellantriebs und somit eine Schließung der von dem Stellantrieb betätigten Lüftungsklappe sichergestellt. Das hat jedoch zur Folge, dass der Antriebsmotor permanent bestromt werden muss, um den Stellantrieb entgegen der Federrückstellkraft in der geöffneten Stellung zu halten, wodurch zum Teil erhebliche Energieverluste auftreten.
Weiterhin offenbart die WO 2008/122140 Al einen Stellantrieb für eine Brandschutzklappe, der mit einer Federrückstellung zur Rückstellung des Stellantriebs und damit zur Schließung der Brandschutzklappe im Brandfall versehen ist. Zusätzlich weist der Stellantrieb ein Kupplungselement sowie ein Verriegelungselement auf. Sobald die Brandschutzklappe durch den elektrischen Antriebsmotor in ihre geöffnete Position gefahren wurde, rastet ein Verriegelungselement vorzugsweise eine Sperrklinke ein, die die Brandschutzklappe in ihrer geöffneten Position hält, sodass der Antriebsmotor mithilfe des Kupplungselements von dem Getriebe entkoppelt werden kann. Dadurch wird der Stellantrieb und damit die Brandschutzklappe unabhängig von dem Antriebsmotor in der geöffneten Position gehalten. Die Sperrklinke ist elektromagnetisch in ihrer Verriegelungsposition gesichert und entriegelt durch Abschaltung des entsprechenden Elektromagneten, sodass im Brandfall die Brandschutzklappe auch während eines Stromausfalls durch die selbstständig entriegelnde Sperrklinke automatisch mittels der Federkraft der Federrückstellung geschlossen wird. Somit wird zum Offenhalten der Brandschutzklappe lediglich die Energie verbraucht, die notwendig ist, um die Sperrklinke elektromagnetisch zu sichern, da die eigentliche Haltekraft durch die mechanische Verriegelung der Sperrklinke aufgebracht wird. Im Gegensatz zu einer elektromotorisch offengehaltenen Brandschutzklappe ergibt sich daraus ein deutlich reduzierter Stromverbrauch.
Der Nachteil dieses Stellantriebs liegt in seiner Komplexität. Das zusätzliche Kupplungselement und die Verriegelungsmechanik mit dem zusätzlichen Elektromagneten steigern die Materialkosten des Stellantriebs erheblich. Ferner führt die gesteigerte Komplexität aufgrund der erhöhten Zahl an zusätzlichen mechanischen und elektromagnetischen Komponenten zu einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit des Stellantriebs. Zudem ergibt sich ein erhöhter Wartungsaufwand. Dies führt in einer Gesamtkostenbilanz vermutlich zu keiner nennenswerten Kosteneinsparung gegenüber der herkömmlichen Lösung. Es ist sogar denkbar, dass die Gesamtkosten aus Anschaffungspreis und Betriebskosten die Einsparung durch den reduzierten Energieverbrauch übersteigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen herkömmlichen federrückgestellten Stellantrieb mit relativ geringem Energieverbrauch zu betreiben.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Stellantriebs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Stellantriebs in einem dynamischen Haltebetrieb beansprucht. Der aus dem Stand der Technik bekannte elektromechanische Stellantrieb, vorzugsweise ein Rotationsstellantrieb umfasst einen elektrischen Antriebsmotor zum Ausführen einer Stellbewegung mit einem Stator mit elektromagnetischen Statorspulen sowie einen Rotor. Es ist allseits bekannt, dass zum Betreiben eines Elektromotors die Statorspulen von einer externen Spannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt werden, die einen Stromfluss in den Statorspulen erzeugt, um mittels einer elektromagnetischen Kraft den Rotor in Rotation zu versetzen und so den Antriebsmotor im sogenannten Motorbetrieb anzutreiben. Die Rotation des Antriebsmotors in einer ersten Drehrichtung erzeugt eine Vorstellbewegung des Stellantriebs, die beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil in einer Öffnungsrichtung betätigt. Ferner umfasst der Stellantrieb eine in Schließrichtung vorgespannte Feder zum Ausführen einer Rückstellbewegung. Die Rückstellbewegung erfolgt in einer zweiten Drehrichtung entgegen der Vorstellbewegung, wodurch beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil in einer Schließrichtung betätigt werden können. Durch die rein durch Federkraft initiierte Rückstellbewegung kann der Stellantrieb somit stromunabhängig zurückgestellt werden. Dadurch ist bei einer Fehlfunktion des Antriebsmotors oder der Unterbrechung der Stromversorgung des Stellantriebs gewährleistet, dass der Stellantrieb rein mechanisch in seine Grundstellung zurückkehrt. Wenn der Stellantrieb also beispielsweise zur Betätigung einer Brandschutzklappe eingesetzt wird, ermöglicht die Feder ein automatisches Schließen der Brandschutzklappe, um im Brandfall eine Rauch- und Brandverteilung beispielsweise über vorhandene Lüftungsschächte zu verhindern. Die Federrückstellung stellt somit eine sogenannte Fail-Safe Funktion dar, die die Sicherheit des Stellantriebs erhöht.
Aufgrund der Federrückstellkraft, die permanent auf den Stellantrieb wirkt, muss der Antriebsmotor beim Ausführen der Vorstellbewegung gegen die Federrückstellkraft arbeiten, um den Stellantrieb entgegen der Wirkrichtung der Feder zu betätigen und dadurch beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil zu öffnen. Ferner führt die Feder dazu, dass in der geöffneten Stellung, die vorzugsweise der Endlage des Stellantriebs entspricht, in der die Federmaximal gespannt ist, der Antriebsmotor den Stellantrieb entgegen der Federrückstellkraft halten muss. Somit ist eine permanente Bestromung des Antriebsmotors erforderlich.
Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, im Rahmen dessen der Stellantrieb nicht in einer festen Stellung entgegen der Federrückstellkraft gehalten wird, sondern in einem sogenannten dynamischen Haltebetrieb arbeitet, indem der Stellantrieb über einen definierten Stellweg in bestimmter Art und Weise zyklisch zwischen zwei definierten Stellungen hin und her fährt.
Der Stellantrieb umfasst eine Steuereinheit, die den besagten dynamischen Haltebetrieb steuert. Die Steuereinheit steuert dazu im Wesentlichen die Spannungsversorgung und somit die Bestromung des Antriebsmotors. Zunächst wird, wie üblich, der Stator des Antriebmotors derart bestromt, dass die Statorspulen ein elektromagnetisches Antriebsmoment erzeugen, das den Rotor antreibt und damit die Vorstellbewegung des Stellantriebs in der ersten Stellrichtung entgegen der Federrückstellkraft ausführt. Der Stellantrieb wird somit in eine maximale Halteposition bewegt, die vorzugsweise einer sogenannten Öffnungs-Endlage des Stellantriebs entspricht, in der beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil ihre/seine maximale Öffnungsposition erreicht. Zusätzlich wird durch die Vorstellbewegung des Stellantriebs die Feder gespannt. Die maximale Halteposition des dynamischen Haltebetriebs ist frei definierbar, d.h. jede für den jeweiligen Einsatzzweck sinnvolle Stellung des Stellantriebs kann als maximale Halteposition definiert werden. Wenn also beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil nur zur Hälfte geöffnet werden soll, könnte die maximale Halteposition somit beispielsweise auch bei der Hälfte des möglichen Stellwegs des Stellantriebs definiert werden. In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Spannungsversorgung des Stators und damit die Bestromung der Statorspulen von der Steuereinheit unterbrochen, wodurch kein Antriebsmoment mehr auf den Rotor wirkt. Dadurch wirkt keine Gegenkraft mehr zur Federkraft, sodass diese sich entspannt und die Rückstellbewegung des Stellantriebs einleitet. Die Rückstellbewegung führt dazu, dass der vorzugsweise als Permanentmagnetrotor ausgebildete Rotor des Antriebsmotors in Rotation versetzt wird. Durch die rein mechanisch von der Feder angetriebene Drehbewegung des Rotors entlang der Statorspulen wird in den Statorspulen eine Spannung induziert, d.h. der Antriebsmotor wird mittels der in der Feder gespeicherten Energie während der Rückstellbewegung des Stellantriebs als Generator betrieben. Die Feder fungiert somit als eine Art Energiespeicher des Stellantriebs, deren gespeicherte Energie im dynamischen Haltebetrieb durch eine entsprechende Steuerung des Stellantriebs genutzt wird.
Zusätzlich werden die Statorspulen von der Steuereinheit kurzgeschlossen, so dass die durch den Rotor in den Statorspulen induzierte Spannung einen kontinuierlichen Stromfluss in den Statorspulen bewirkt. Der Stromfluss in den Statorspulen erzeugt ein Magnetfeld, das ein dem Rückstellmoment der Feder entgegenwirkendes Bremsmoment erzeugt. Der Antriebsmotor arbeitet folglich in einem generatorischen Bremsbetrieb. Während des generatorischen Bremsbetriebs bewirkt das elektromagnetische Bremsmoment, dass der mechanisch durch die Federkraft angetriebene Rotor und damit die Rückstellbewegung des Stellantriebs gebremst wird. Eine solche gebremste Rückstellbewegung des Stellantriebs unterscheidet sich somit von einer ungebremsten, rein von der Federkraft getriebenen Rückstellbewegung im Fail-Safe-Betrieb, in der der Stellantrieb innerhalb kürzester Zeit in seine Grundstellung zurückgestellt werden muss. Stattdessen wird die Rückstellbewegung im dynamischen Haltebetrieb derart gebremst, dass bezogen auf einen identischen Stellweg, die Rückstelldauer der gebremsten Rückstellbewegung gegenüber der Rückstelldauer der ungebremsten Rückstellbewegung im Fail-Safe-Betrieb reduziert ist. Demnach bewegt sich der Stellantrieb bei der gebremsten Rückstellbewegung im dynamischen Haltebetrieb deutlich langsamer als bei der ungebremsten Rückstellbewegung im Fail-Safe-Betrieb. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Antriebsmotors hinsichtlich der Anzahl der Statorspulen und der Anzahl der Rotormagnete kann das Rastmoment des Antriebsmotors die Bremswirkung im Generatorbetrieb unterstützen.
Ferner ist im dynamischen Haltebetrieb nicht nur die Rückstelldauer reduziert, sondern auch der Rückstellweg. Im dynamischen Haltebetrieb wird der Stellantrieb, ausgehend von der maximalen Halteposition, während der gebremsten Rückstellbewegung bis zu einer minimalen Halteposition zurückgestellt, die, genauso wie die maximale Halteposition, individuell definierbar ist.
Die beiden vorhergehenden Verfahrensschritte werden im dynamischen Haltebetrieb kontinuierlich und zyklisch wiederholt, d.h. der Stellantrieb bewegt sich aufgrund des Motorbetriebs des Antriebsmotors zunächst relativ rasch in die maximale Halteposition. In dem zweiten Verfahrensschritt bewegt sich der Stellantrieb getrieben von der Federkraft der Feder aufgrund des generatorischen Bremsbetriebs des Antriebsmotors relativ langsam in die minimale Halteposition. Solange der dynamische Haltebetrieb aktiv ist, werden die zuvor genannten Verfahrensschritte abwechselnd wiederholt, d.h. der Stellantrieb bewegt sich kontinuierlich zwischen der maximalen und der minimalen Halteposition.
Während der Antriebsmotor den Stellantrieb von der minimalen Halteposition in die maximale Halteposition bewegt, muss der Antriebsmotor kurzzeitig mit einer relativ hohen elektrischen Leistung versorgt werden, um den Stellantrieb gegen die Federkraft der Feder zu bewegen. Bei der anschließenden federkraftgetriebenen gebremsten Rückstellbewegung in die minimale Halteposition wird dagegen nur eine relativ geringe Leistung benötigt, beispielsweise um die Steuereinheit des Stellantriebs mit elektrischer Energie zu versorgen. Durch die Nutzung der in der vollständig gespannten Feder gespeicherten potentiellen Energie, die durch das mechanische Antreiben des Antriebsmotors im Generatorbetrieb in elektrische Energie umgewandelt wird, ist der Energieverbrauch während der gebremsten Rückstellbewegung besonders gering. In einer Gesamtenergiebilanz, die sowohl die elektrische Energie zum Antreiben des Antriebsmotors als auch die Energie zum Bremsen des Motors im dynamischen Haltebetrieb beinhaltet, ergibt sich im Vergleich zu einem herkömmlichen Stellantrieb, der statisch permanent von einem Antriebsmotor gegen die Federkraft einer Feder gehalten wird, ein deutlich geringerer Gesamtenergieverbrauch.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Feder und der elektrische Antriebsmotor so ausgelegt, dass das von dem Antriebsmotor, während der gebremsten Rückstellbewegung erzeugte Bremsmoment geringer ist als das Rückstellmoment bzw. die Rückstellkraft der Feder. Dadurch ist gewährleistet, dass der Stellantrieb, während der gebremsten Rückstellbewegung, nicht vollständig zum Stillstand kommen kann. Somit ist beispielsweise auch bei einer Fehlfunktion der Steuerung im dynamischen Haltebetrieb die Rückstellung des Stellantriebs in seine Grundposition, d.h. dessen Fail-Safe- Funktionalität auch im dynamischen Haltebetrieb gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rückstellbewegung des Stellantriebs derart gebremst, dass bezogen auf einen identischen Rückstellweg die Rückstelldauer der gebremsten Rückstellbewegung im dynamischen Haltebetrieb gegenüber der Rückstelldauer der ungebremsten Rückstellbewegung im Fail-Safe- Betrieb um mindestens 30% erhöht ist. Daraus folgt, dass die Rückstellgeschwindigkeit der gebremsten Rückstellbewegung um mindestens 30% geringer ist als die Rückstellgeschwindigkeit der ungebremsten Rückstellbewegung. Dies gelingt beispielsweise durch eine entsprechende Abstimmung zwischen dem Rückstellmoment der Feder und dem Bremsmoment des Antriebsmotors.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die minimale Halteposition und die maximale Halteposition so definiert, dass ein Haltepositionsstellweg zwischen der minimalen Halteposition und der maximalen Halteposition maximal 30 % des Gesamtstellwegs des Stellantriebs beträgt. Dabei ist der Gesamtstellweg der Stellweg zwischen den beiden Endlagen des Stellantriebs. Bei einem Drehsteller beispielsweise, mit einem Gesamtstellweg von 90°, betrüge der Haltepositionsstellweg zwischen der minimalen Halteposition und der maximalen Halteposition somit maximal 27°. Die Begrenzung des Haltepositionsstellwegs gewährleistet, dass während des dynamischen Haltebetriebs der durchströmte Querschnitt des Ventils oder der Klappe einen ausreichenden Volumenstrom in dem entsprechenden Kanal zulässt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Federkraft der Feder derart ausgelegt, dass die Rückstelldauer der ungebremsten Rückstellbewegung über den Gesamtstellweg kürzer als 15 Sekunden ist. Dadurch wird im Fail-Safe- Betrieb gewährleistet, dass der Stellantrieb von der Feder ungebremst aus seiner Öffnungs-Endlage, in der beispielsweise eine Brandschutzklappe voll geöffnet ist, innerhalb von 15 Sekunden vollständig in seine Grundstellung, d.h. in die Endlage, in der beispielsweise die Brandschutzklappe vollständig geschlossen ist, zurückgestellt wird. Dadurch wird ein schnelles Schließen der Brandschutzklappe im Notfall ermöglicht. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht die maximale Halteposition der Endlage des Stellantriebs. Besonders bevorzugt entspricht die maximale Halteposition der Öffnungs- Endlage des Stellantriebs, in der die Feder maximal gespannt ist und in der beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil vollständig geöffnet ist. Dadurch wird der maximale Stellweg des Stellantriebs genutzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das Rückstellmoment der Feder und das Bremsmoment des Antriebsmotors derart ausgelegt, dass die Rückstelldauer der gebremsten Rückstellbewegung zwischen der maximalen Halteposition und der minimalen Halteposition im dynamischen Haltebetrieb mindestens 60 Sekunden beträgt. Die Rückstellung des Stellantriebs erfolgt im Vergleich zur Vorstellgeschwindigkeit beim Vorstellen des Stellantriebs mittels des elektrischen Antriebsmotors oder auch im Vergleich zur ungebremsten Rückstellbewegung im Fail-Safe-Betrieb mit einer relativ niedrigen Rückstellgeschwindigkeit. Nach unten hin wird die Rückstellgeschwindigkeit lediglich dadurch begrenzt, dass zur Erzeugung des generatorischen Bremsmoments durch den Antriebsmotor eine Drehung des Rotors erforderlich ist, d.h., dass bei einer zu geringen Drehzahl nur ein relativ geringes Bremsmoment erzeugt wird, bei einem Stillstand des Rotors sogar überhaupt kein Bremsmoment erzeugt wird, sodass hier eine genaue Abstimmung zwischen der Rückstellkraft bzw. dem Rückstellmoment der Feder und dem von der Antriebsmotor im generatorischen Betrieb erzeugten Bremsmoment erforderlich ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Steuereinheit eine Notfallschalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, im Notfall den dynamischen Haltemodus automatisch zu beenden. Die Notfallschalteinrichtung muss dazu derart eingerichtet sein, dass bei einem Stromausfall der Kurzschluss der Statorspulen im dynamischen Haltebetrieb automatisch aufgehoben wird. Ein elektrischer Schalter kommt hier nicht infrage, da im Falle eines Stromausfalls der Kurzschluss der Statorspulen aufrechterhalten würde und die Rückstellbewegung folglich weiterhin gebremst würde. Dies würde im Notfall wertvolle Sekunden kosten, da je nach Stellung und Rückstelldauer des Stellantriebs im gebremsten Rückstellbetrieb mitunter zwei Minuten benötigt werden, bis die minimale Halteposition erreicht wird. Im Notfall muss der Bremsbetrieb des Antriebsmotors daher sofort beendet werden. Dazu ist beispielsweise ein federrückgestellter Schalter einsetzbar, der elektromagnetisch geschlossen wird und aufgrund der Federrückstellung bei fehlender Stromversorgung selbstständig öffnet. Alternativ könnte die Notfallschalteinrichtung auch mit einer autarken Batterieversorgung versehen sein, die auch während eines Stromausfalls ein Schalten der Notfallschalteinrichtung ermöglicht und somit den Bremsbetrieb des Antriebsmotors beendet, sodass der Stellantrieb ungebremst in seine Grundstellung zurückdreht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Kurzschluss der Statorspulen über eine Speichereinrichtung. Der Kurzschluss der Statorspulen wird somit nicht durch einen nahezu widerstandsfreien Leiter gebildet, durch den der im Generatorbetrieb erzeugte Strom fließt. Stattdessen fließt der Strom durch eine Speichereinrichtung, die zur Zwischenspeicherung des erzeugten elektrischen Stroms genutzt wird. Dafür eignet sich insbesondere ein Kondensator oder ein Akkumulator. Die Speichereinrichtung ermöglicht es, den im Generatorbetrieb durch die Rückstellbewegung erzeugten und nicht für das Bremsen genutzten Strom zwischenzuspeichern und anschließend im Motorbetrieb bei der Vorstellbewegung für den Betrieb des elektrischen Antriebsmotors zu nutzen. Dadurch kann der Energieverlust im Bremsbetrieb reduziert werden und der Energieverbrauch des Stellantriebs dadurch noch weiter gesenkt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Stellantrieb als Rotationsstellantrieb ausgebildet und der Stellweg des Rotationsstellantriebs ist ein Stellwinkel. Der Gesamtstellwinkel des Stellantriebs beträgt abtriebsseitig vorzugsweise maximal 90°. Somit kann beispielsweise eine von dem erfindungsgemäßen Stellantrieb betätigte Brandschutzklappe in einem Lüftungskanal über einen Gesamtwinkel von maximal 90° geschwenkt werden. Der Haltepositionsstellweg des Stellantriebs beträgt in diesem Fall vorzugsweise maximal 20°, um den Strömungsquerschnitt in dem Lüftungskanal während des dynamischen Haltebetriebs nicht nennenswert zu reduzieren und somit einen ausreichenden Luftstrom zu gewährleisten.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Stellantrieb ein Getriebe auf, dass mechanisch zwischen dem elektrischen Antriebsmotor und dem zu betätigenden Bauteil oder der zu betätigenden Vorrichtung angeordnet ist. Das Getriebe ist vorzugsweise stark untersetzt und reduziert abtriebsseitig die Drehgeschwindigkeit des Stellantriebs, wodurch abhängig von der Getriebeübersetzung beispielsweise eine Erhöhung des Abtriebsdrehmoments oder eine Begrenzung des Stellwegs ermöglicht wird. Ferner ermöglicht eine hohe Getriebeuntersetzung, dass, trotz der relativ langsamen Stellgeschwindigkeit des Stellantriebs und des relativ kurzen Stellwegs im dynamischen Haltebetrieb, beispielsweise über einen Stellwinkel von 10°, der Rotor im Generatorbetrieb mehrere Umdrehungen ausführt, sodass eine für den Bremsbetrieb ausreichende Spannung in den Statorspulen erzeugt wird. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer von einem Stellantrieb angetriebenen Brandschutzklappe in einem Lüftungskanal mit den verschiedenen Stellungen in den entsprechenden Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie den Stellweg des Stellantriebs im dynamischen Haltebetrieb.
Figur 2 eine schematische Detaildarstellung des in Figur 1 gezeigten Stellantriebs, und
Figur 3 den Verlauf des Stellwinkels des Stellantriebs während des dynamischen Haltebetriebs in einem Weg-Zeit-Diagramm sowie den Leistungsverbrauch des Stellantriebs während des dynamischen Haltebetriebs in Korrelation zu dem gezeigten Weg-Zeit-Diagramm.
Figur 1 zeigt einen Stellantrieb 10 zur Betätigung einer Brandschutzklappe 15 in einem Lüftungskanal L, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Stellantriebs 10 in einem dynamischen Haltebetrieb gesteuert wird. Der Stellantrieb 10 ist ein herkömmlicher handelsüblicher federrückgestellter Rotationsstellantrieb mit einem Übersetzungsgetriebe 40, einem elektronisch kommutierten DC- Antriebsmotor 20 und einer als Spiralfeder ausgeführten Feder 25. Die Steuerung des Stellantriebs 10 wird mittels einer entsprechenden Steuereinheit 30 umgesetzt. Die Versorgung des Stellantriebs 10 mit elektrischer Energie erfolgt durch eine externe Spannungsquelle.
Der Stellantrieb 10 ist abtriebsseitig über einen Gesamtstellwinkel s2 von
90° bewegbar und mittels einer Abtriebswelle 12 mit der Brandschutzklappe 15 verbunden. Dazu ist die Brandschutzklappe 15 exzentrisch an einer Seite an der Welle befestigt. Alternativ kann die Brandschutzklappe zentrisch an der Abtriebswelle 12 befestigt sein. Durch Drehung der Abtriebswelle 12 kann die Brandschutzklappe 15 in einem Lüftungskanal L zwischen einer Grundstellung A, in der die Brandschutzklappe 15 den Lüftungskanal L verschließt und einer Öffnungsstellung B, in der die Brandschutzklappe 15 den Lüftungskanal L vollständig freigibt, geschwenkt werden.
Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau des Stellantriebs 10. Der elektrische Antriebsmotor 20 ist vorzugsweise ein Permanentmagnet- Synchronmotor mit einem innenliegenden Stator 21 mit mehreren Statorspulen sowie einem als Außenläufer ausgebildeten und mit Permanentmagneten bestückten Rotor 22, der über das Übersetzungsgetriebe 40 und die Abtriebswelle 12 des Stellantriebs 10 mit der Brandschutzklappe 15 mechanisch verbunden ist. Die Anzahl der Getriebestufen ist hier beispielhaft dargestellt und hängt von dem eingesetzten Stellantrieb 10 ab. Das Getriebe 40 ist üblicherweise ein stark untersetzendes Getriebe, dessen Untersetzung ferner von der Leistung des Antriebsmotors 20 abhängt.
Die Feder 25, die den Stellantrieb 10 mechanisch in seine Ruheposition (hier Stellung A) zurückstellt bzw. hält, ist über das Übersetzungsgetriebe 40 sowohl mit der Abtriebswelle 12 als auch mit dem Antriebsmotor 20 des Stellantriebs 10 drehfest verbunden. Durch Ansteuerung des Antriebsmotors 20 mittels der Steuereinheit 30 und die entsprechende Bestromung der Statorspulen durch die externe Spannungsquelle wird auf der Antriebsseite des Stellmotors 10 ein Antriebsmoment TA erzeugt, das den Rotor 22 und somit die Abtriebswelle 12 des Stellantriebs 10 dreht, wodurch sich die Brandschutzklappe 15 aus der Grundstellung A bei 0° in Richtung der Öffnungsstellung B bei 90° bewegt. Über das Getriebe 40 wird die Rotation des Rotors 22 auf die Feder 25 übertragen, sodass die Feder 25 entsprechend gespannt wird. Die Feder 25 erzeugt dadurch ein dem Antriebsmoment TA des Antriebsmotors 20 entgegenwirkendes Rückstellmoment TR, das geringer als das Antriebsmoment TA ist. Üblicherweise besitzt ein für diesen Zweck geeigneter Stellantrieb 10 ein Antriebsmoment TA von ca. 9 Nm und ein Rückstellmoment TR von ca. 7 Nm.
Nach dem Erreichen der Öffnungsstellung B, die der maximalen Halteposition des dynamischen Haltebetriebs entspricht, wird der dynamische Haltebetrieb aktiviert. In einem nächsten Schritt wird über eine einfache Schalteinrichtung der Steuereinheit 30 zunächst die Stromversorgung der Statorspulen unterbrochen, wodurch das Antriebsmoment TA des Antriebsmotors 20 auf einen Wert von Null fällt. Aufgrund des Wegfalls des antriebsseitigen Antriebsmoments TA wirkt nur noch das Rückstellmoment TR der Feder 25 auf das Getriebe 40 des Stellantriebs 10 und bewegt dadurch die Brandschutzklappe 15 aus der Öffnungsstellung B bei 90° in Richtung einer Zwischenstellung C bei ca. 70°, die der minimalen Halteposition des dynamischen Haltebetriebs entspricht. Der Haltepositionsstellwinkel sl zwischen der maximalen Halteposition (Stellung B) und der minimalen Halteposition (Stellung C) entspricht somit 20°.
Die Feder 25, die über das Getriebe 40 des Stellantriebs 10 ebenfalls drehfest mit dem Rotor 22 des Antriebsmotors 20 verbunden ist, rotiert während der Rückstellbewegung den Rotor 22 mechanisch. Die Rotation der Permanentmagnete des Rotors 22 entlang der Statorspulen induziert in den Statorspulen eine Spannung, wodurch der nicht bestromte Antriebsmotor 20 als Generator betrieben wird. Zusätzlich werden die Statorspulen des Antriebsmotors 20 von der Steuereinheit 30 kurzgeschlossen, wodurch ein in sich geschlossener Stromkreis gebildet wird, in dem infolge der induzierten Spannung ein kontinuierlicher Strom durch die Statorspulen fließen kann. Dieser in den Statorspulen fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das ein entgegen dem Rückstellmoment TR der Feder 25 wirkendes elektromagnetisches Bremsmoment TB erzeugt, das den Rotor 22 und damit die Rückstellbewegung der Abtriebswelle 12 des Stellantriebs 10 bremst. Der Kurzschluss der Statorspulen wird so lange aufrechterhalten, bis die Klappe 15, bzw. der Stellantrieb 10 die Zwischenstellung C erreicht hat.
Nach Erreichen der Zwischenstellung C wird der Kurzschluss der Statorspulen aufgehoben und der Antriebsmotor 20 wird wieder elektrisch bestromt und in den Motorbetrieb versetzt, um die Klappe 15 in die Stellung B, d.h. in die maximale Halteposition des Stellantriebs 10 zu bewegen. Dieses Prozedere wiederholt sich im dynamischen Haltebetrieb zyklisch. Die Brandschutzklappe 15 bewegt sich im Lüftungskanal L folglich permanent zwischen der Stellung B und der Stellung C, solange der dynamische Haltebetrieb aktiv ist.
Figur 3 zeigt den Verlauf des Stellwinkels s des Stellantriebs S während des dynamischen Haltebetriebs über einen Zeitraum t von knapp 600 Sekunden im oberen Diagramm sowie den dazugehörigen Leistungsverbrauch des Stellantriebs 10 im unteren Diagramm. Ausgehend von der Öffnungsstellung B der Brandschutzklappe 15 im Schnittpunkt mit der Ordinate der beiden Diagramme, bewegt sich der Stellantrieb 10 aus der maximalen Halteposition (Stellung B) nach der Unterbrechung der Stromversorgung des Antriebsmotors 20 aufgrund des von der Feder 25 erzeugten Rückstellmoments TR in Richtung der Zwischenstellung C, sprich in Richtung der minimalen Halteposition des Stellantriebs 10. Der Antriebsmotor 20 befindet sich hier im Generatorbetrieb. Dabei wird die Rückstellbewegung des Stellantriebs 10 mithilfe des von dem Antriebsmotor 20 erzeugten generatorischen Bremsmoments TB stark gebremst, wodurch die Brandschutzklappe 15 bzw. der Stellantrieb 10 für die Rückstellbewegung von der maximalen Halteposition B in die minimale Halteposition C, d.h. über den Haltpositionsstellwinkel sl von 20°, ein Zeitintervall tl von ca. 120 Sekunden benötigt. Für die anschließende Vorstellbewegung im Motorbetrieb von der Stellung C in die Stellung B benötigt der Stellantrieb hingegen ca. 20 Sekunden.
Auf der rechten Seite des Diagramms ist zusätzlich die Notfallrückstellung des Stellantriebs 10 dargestellt, die im Brandfall ein schnelles Schließen der Brandschutzklappe 15 innerhalb von 15 Sekunden ermöglicht. Dazu ist die Steuereinheit 30 mit einer autarken Notfallschalteinrichtung 31 ausgestattet, die den dynamischen Haltebetrieb sofort beendet, sodass der Stellantrieb 10 rein durch die Feder 25 getrieben in die Grundstellung und die Brandschutzklappe 15 folglich in die Schließstellung A bewegt wird. In diesem Fall werden die Statorspulen nicht kurzgeschlossen, wodurch kein zusätzliches Bremsmoment TB erzeugt wird und der Stellantrieb 10 ungebremst in die Grundstellung zurückdreht. Die Notfallschalteinrichtung umfasst dazu eine Batterie, die auch während eines Stromausfalls ein Schalten der Notfallschalteinrichtung 31 ermöglicht. Die Notfallschalteinrichtung 31 umfasst ferner einen Sensor 32, der einen Stromausfall erkennt, wodurch der Batteriebetrieb der Notfallschalteinrichtung 31 aktiviert wird und die Notfallschalteinrichtung 31 den Kurzschluss der Statorspulen aufhebt, sodass der Stellantrieb 10 ungebremst in seine Grundstellung zurückdreht und die Brandschutzklappe 15 in die Schließstellung A bewegt.
Wie im unteren Diagramm gezeigt, liegt der Leistungsverbrauch während der gebremsten Rückstellbewegung konstant auf einem Wert von unter 0,1 W, da ausschließlich die in der Feder 25 gespeicherte potentielle Energie genutzt wird, um den Stellantrieb 10 in die Stellung C zu bewegen. Ferner wird ein Teil der potentiellen Energie der Federrückstellung genutzt, um die Rückstellbewegung generatorisch zu bremsen, sodass der Bremsvorgang selbst keine Energiezufuhr durch die externe Stromversorgung benötigt. Der geringfügige Leistungsverbrauch bei der gebremsten Rückstellbewegung resultiert nur aus dem Energiebedarf der Steuereinheit 30, die permanent von der externen Stromversorgung versorgt wird.
Nach dem Erreichen der Stellung C wird der Antriebsmotor 20 von der Steuereinheit 30 kurzzeitig eingeschaltet, d.h. von der externen Stromversorgung mit Energie versorgt, sodass der Antriebsmotor 20 den Stellantrieb 10 wieder in die maximale Halteposition und die Brandschutzklappe 15 somit wieder in die Öffnungsstellung B bewegt. Für die Bewegung von der minimalen Halteposition (Stellung C) in die maximale Halteposition (Stellung B) benötigt der Stellantrieb 10 im Motorbetrieb ca. 20 Sekunden. In dieser kurzen Zeitspanne verbraucht der Antriebsmotor dadurch mehr als 1 W.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen statischen Haltebetrieb ermöglicht der dynamische Haltebetrieb somit einen Teil der Energie die für die Betätigung des Stellantriebs 10 bzw. der Brandschutzklappe 15 eingesetzten Energie wieder zurückzugewinnen und so den Gesamt- Leistungsverbrauch gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten statischen Haltebetrieb zu senken.
Durch den Einsatz einer zusätzlichen Speichereinrichtung, beispielsweise eines Kondensators, der in den Kurzschlusskreis der Statorspulen eingebunden wird, kann der elektrische Strom, der im Generatorbetrieb während der Rückstellbewegung von der maximalen Halteposition in die minimale Halteposition erzeugt und nicht für das Bremsen verbraucht wird, zwischengespeichert werden. Die in dem Kondensator zwischengespeicherte elektrische Energie kann dafür genutzt werden, um in der anschließenden Vorstellbewegung von der minimalen Halteposition in die maximale Halteposition den elektrischen Antriebsmotor 20 mit Strom zu versorgen und so die im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie noch effizienter zu nutzen und dadurch den Energieverbrauch des Gesamtsystems noch weiter zu senken.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Stellantriebs (10) einer Klappe (15) oder eines Ventils in einem dynamischen Haltebetrieb, mit einem elektrischen Antriebsmotor (20) zum Ausführen einer Stellbewegung umfassend einen Stator (21) mit elektromagnetischen Statorspulen sowie einen permanentmagnetischen Rotor (22), einer in Schließrichtung vorgespannten Feder (25) zum Ausführen einer Rückstellbewegung, und einer Steuereinheit (30) zur Steuerung des dynamischen Haltebetriebs, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a. Bestromung des Stators (21) zur Erzeugung eines elektromotorischen Antriebsmoments (TA), das den Rotor (22) antreibt und somit die Vorstellbewegung des Stellantriebs (10) entgegen eines von der Federkraft der Feder (25) erzeugten Rückstellmoments (TR) bis zum Erreichen einer maximalen Halteposition (B) ausführt, b. Unterbrechung der Stator Bestromung zur Einleitung und Ausführung einer Rückstellbewegung mittels der Federkraft der Feder (25) bis zum Erreichen einer minimalen Halteposition (C), wobei der Rotor (22) des Antriebsmotors (20) während der Rückstellbewegung mittels einer von der Federkraft der Feder (25) erzeugten Rückstellmoments (TR) rotiert wird, c. Kurzschließen der Statorspulen, wodurch eine in den Statorspulen durch die Rotation des Rotors induzierte Spannung einen Stromfluss in den Statorspulen bewirkt, wodurch das aus dem Stromfluss resultierende Magnetfeld ein Bremsmoment (TB) erzeugt, das die durch die Federkraft der Feder (25) angetriebene Rückstellbewegung im dynamischen Haltebetrieb elektromagnetisch bremst, sodass die Rückstelldauer (tl) der gebremsten Rückstellbewegung gegenüber der Rückstelldauer (t2) einer rein von der Federkraft getriebenen ungebremsten Rückstellbewegung des Stellantriebs (10) bei identischem Rückstellweg (sl) reduziert ist, d. kontinuierliche zyklische Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte a, b und c. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (25) und der Antriebsmotor (20) so ausgelegt werden, dass das Bremsmoment (TB) des Antriebsmotors (20) geringer ist als das Rückstellmoment (TR) der Feder (25). Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellbewegung des Stellantriebs (10) derart gebremst wird, dass die Rückstelldauer (tl) der gebremsten Rückstellbewegung gegenüber der Rückstelldauer (t2) der ungebremsten Rückstellbewegung bei identischem Rückstellweg (sl) um mindestens 30% erhöht ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) den Stellantrieb (10) derart ansteuert, dass ein Haltepositionsstellweg (sl) zwischen der maximalen Halteposition (B) und der minimalen Halteposition (C) maximal 30% eines Gesamtstellwegs (s2) des Stellantriebs (S) beträgt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Feder (25) so ausgelegt wird, dass die Rückstelldauer (t2) der ungebremsten Rückstellbewegung über den gesamten Rückstellweg (s2) kürzer als 15 Sekunden ist. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Halteposition (B) einer Öffnungs- Endlage des Stellantriebs (10) entspricht. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellbewegung des Stellantriebs (10) derart gebremst wird, dass die Rückstelldauer (tl) der gebremsten Rückstellbewegung zwischen der maximalen Halteposition (B) und der minimalen Halteposition (C) im dynamischen Haltebetrieb mindestens 60 Sekunden beträgt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eine Notfallschalteinrichtung (31) umfasst, die während eines Stromausfalls den Kurzschluss der Statorspulen aufhebt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschluss der Statorspulen über eine Speichereinrichtung erfolgt, die zur Zwischenspeicherung von dem im Generatorbetrieb erzeugten, elektrischen Strom in den Kurzschlusskreis eingebunden wird Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (10) ein Rotationsstellantrieb ist. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellweg (s) des Rotationsstellantriebs (10) ein Stellwinkel (s) ist, wobei der Gesamtstellwinkel (s2) des Rotationsstellantriebs (10) maximal 90° beträgt. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) den Stellantrieb (10) derart ansteuert, dass der Haltepositionsstellwinkel (sl) im dynamischen Haltebetrieb maximal 20° beträgt. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (10) ein Getriebe (40) aufweist.
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PCT/EP2022/055615 WO2023165713A1 (de) 2022-03-04 2022-03-04 Verfahren zur steuerung eines elektromechanischen stellantriebs in einem dynamischen haltebetrieb

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2008122140A1 (de) 2007-04-04 2008-10-16 Newenta Ag Stellantrieb für eine brandschutzklappe
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