Stetige Magnetventile

4
028
Aufbau und Wirkungsweise
Stetige Magnetventile
(ehemaliges Sortiment der
Staefa Control System AG)
Das Stellgerät im HLK-Regelkreis
Für eine bedarfsgerechte, rasche Regelung einer HLK-Anlage ist sowohl das
statische wie auch das dynamische Verhalten des Stellgerätes von grosser
Bedeutung (Bild 1). Die Qualität der Wandlung des Regelsignals zur Hubbewegung entscheidet massgeblich über Stabilität und Genauigkeit des Regelkreises.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die angewandten Technologien
(Bild 2) und die konstruktiven Elemente des Stellgerätes (Bild 3) im Hinblick
auf die HLK-spezifischen Anforderungen.
MMI
Stellgerät
94.0204
statisch
dynamisch
Regler
Wärmetauscher
Bild 1: Stellgerät im HLK-Regelkreis
Fühler
94.0205
Stellgerät
el. Schnittstelle
Stellsignal
verstärkt
gewandelt
Speisung
Phasenschnitt
Antrieb
elektrisch
mechanisch
Magnet
Ventil
mechanisch
hydraulisch
hydraulisch
Druckkompensation
thermisch
Sitzventil
–
–
–
–
–
–
–
hydr. / therm. Leistung
Ventilautorität
Durchfluss (kv)
Eingangsverhalten
Linearität
Auflösung
Stellgeschwindigkeit
Hydraulische
Schaltung
Bild 2: Stellgerät: Übersicht Basis-Technologien
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Realisierung der Technologien und Merkmale des Produkts
94.0226
i
k
Legende
1
Ventil-Eintritt
2
Bypass
3
Ventil-Austritt
a
Magnetspule
b
Anker
c
Feder
d
Spindel
e
Teller
f
Ventilsitz oben / unten
g
Balg
h
Kompensationsöffnung
i
Handverstellung
k
elektrische Schnittstelle
I
a
b
0 ... 20 V–
c
d
g
1
h
1
3
f
3
e
2
2
Bild 3: Magnetventil schematisch und im Schnitt
Wandlung Stellsignal → Magnetspannung
Die elektrische Schnittstelle (Bild 3, k) ist an eine AC 24 V-Speisung und an
den Reglerausgang mit dem Stellsignal DC 0 ... 10 V (oder DC 0 ... 20 mA)
für das Ventil angeschlossen. Der interne Phasenschnitt-Generator im
Anschlussgehäuse ZM../A verändert die Ausgangsleistung der Schnittstelle
proportional zum Stellsignal. An diese Phasenschnittspannung ist die
Magnetspule angeschlossen (Bild 4).
Phasenschnitt-Generator
Stellsignal
DC 0 ... 10 V
94.0206
U
10
0
U
20
U
t
t
Speisung
AC 24 V
Magnetspannung
DC 0 ... 20 V
t
U
U
24
t
t
0
Bild 4: Wandlung Stellsignal / Magnetspannung
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Wandlung elektrisch → mechanisch
a) Magnetspannung → Magnetkraft
Die an der Spule (Bild 3, a) angelegte Magnetspannung erzeugt im Eisenkreis, bestehend aus dem festen Mantel und dem beweglichen Anker, ein
Magnetfeld. Am Ort des grössten magnetischen Widerstandes – im Luftspalt – verursacht dieses Feld eine Anziehungskraft. Mit zunehmender
Magnetspannung erhöht sich die Anziehungskraft.
94.0207
Spule (a)
Anker
(b)
Mantel
Luftspalt
Pol
Bild 5: Magnetfeld im Eisenkreis
b) Magnetkraft → Gegenkraft → Hub
Dieser Anziehung wirkt eine Federkraft entgegen. Der Anker verschiebt
sich nun im Sinne der Hubbewegung so lange, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen Anziehungskraft und Feder gebildet hat. Damit
ergibt sich zu jeder angelegten Spannung ein definierter Hub.
Durch die spezielle Eisenkreis-Gestaltung ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Spannungserhöhung (Kaftzunahme) und Hub.
94.0209
Magnetspannung
Magnetfeld
Φ
Federkraft
Federkonstante
CF
Hub
x
[H]
U [V]
Bild 6: Zusammenhang Hub (H) und Spannung (U)
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c) Schliessbereich - Hubarbeitsbereich
Der gesamte Ansteuerbereich umfasst drei Teilbereiche:
– Im Öffnungs- / Schliessbereich Ventilsitz oben wirkt der Anziehungskraft
zusätzlich noch die Schliesskraft des flexiblen Tellers entgegen. Das Verhalten des Ventils ist in diesem Bereich durch ein extrem hohe Auflösung
gekennzeichnet. Eine sehr feine Hub- und damit Wasserdosierung ist
deshalb möglich.
– Im Öffnungsbereich wirkt der Anziehungskraft nur noch die Federkraft
entgegen.
– Im Öffnungs- / Schliessbereich Ventilsitz unten ist eine Kraftreserve vorhanden, die ein Abdichten des Ventilsitzes unten erlaubt.
Öffnungs-/
Schliessbereich
H
40479DE
Öffnungs-/
HubSchliessarbeitsbereich
bereich
Ventilsitz
oben
Ventilsitz
unten
U [V]
0
10
15
20
Bild 7: Arbeitsbereiche des Antriebes
d) Kleinsignalbereich
Der Magnetantrieb besitzt innerhalb des Hubarbeitsbereiches eine genau
definierte Hysterese. Innerhalb dieser Hysterese wird der Hub mit hoher
Auflösung, aber veränderter Steigung durchfahren. Diese Charakteristik
trägt dazu bei, sehr schwierige Regelkreise zu stabilisieren.
40489DE
H
Hubarbeitsbereich
Kleinsignalbereich
α2
α1
10
U [V]
15
Bild 8: Veränderte Steigung innerhalb des Hubarbeitsbereichs im Kleinsignalverhalten
e) Spezielle Kräfte
• Überwindung der Haftreibung
Die Phasenschnittspannung prägt dem Anker eine permanente, feine
Vibrationsbewegung auf, wodurch der Haftreibungsanteil zwischen Anker
und Spulenträger ständig überwunden wird. Relevant ist nur die
Gleitreibung. Bei veränderter Steuerspannung kann die Bewegung sofort
einsetzen. Konsequenz: höhere Auflösung (Illustrationsbeispiel siehe
Bild 9).
94.0208
F
F
Nur
Gleitreibung
Gleitreibung
Haftreibung
konventionell
H
Staefa Magnetventil
H
Bild 9: Haftreibung
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• Überwindung der Druckkräfte
Die Differenz der statischen Drücke über dem Regelpfad beeinflusst die
Magnetkraft. Durch die Druckkompensation kann diese zusätzliche Kraftausübung weitgehend aufgehoben werden. Die Magnetkraft steht in
erster Linie für die Durchflussregelung zur Verfügung. Der Wirkungsgrad
dieses Wandlungsprozesses ist hoch. Konstruktiv ist diese Kompensation
mit Hilfe eines Balges verwirklicht (Bild 10). Durch eine Bohrung in der
Spindel wird der statische Druck p2 in den Innenraum des Balges geführt
und kompensiert den an der Unterseite des Tellers wirkenden Druck p2.
Der auf der Oberseite des Tellers wirkende Druck p1 wird durch die Aussenfläche des Balges kompensiert. Durch diese konstruktive Lösung entfällt
eine besondere Kompensationsleitung. Der erforderliche Bauraum für diese
Funktion ist minimal.
Bild 10: Druckkompensation
Wandlung Hub → Durchfluss
Die Konstruktion des Ventils mit einem Teller als Schliesskörper führt dazu,
dass das Medium im Sinne einer sehr schmalen Spaltströmung zu fliessen
beginnt. Später vergrössert sich der Durchlassquerschnitt proportional zum
Hub. Entsprechend steigt dann der Durchfluss linear zum Hub an (Bild 11).
Dieses Verhalten gilt sowohl über den Regelpfad 1 → 3, wie über den
Regelpfad 2 → 3. Im Einsatz als Mischventil summieren sich die beiden
Charakteristiken zu einem konstanten Durchflusswert.
kv
kvs
[%]
94.0410
100
100
H
[%]
H100
Bild 11: Durchflusscharakteristik
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Wandlung Durchfluss → Wärmemenge
Als reines Durchgangsventil (Eingang 2 verschlossen) dosiert das Sitzventil
die durchströmende Menge auf Grund des Regler-Stellsignals.
Als Mischventil führt es Medienströme mit verschiedenen Temperaturen
zusammen.
Wichtig für die Güte der Regelung ist die richtige Wahl der hydraulischen
Schaltung und der korrekte Einbau des Ventils in diese.
Ein wichtiges Qualitätskriterium für einen Regelkreis ist ferner die minimal
regelbare Wärmemenge. Wegen des beschriebenen Verhaltens im
Öffnungs- / Schliessbereich ist diese Wärmemenge beim Staefa-Magnetventil sehr klein.
Zusammenfassung
1) Der Staefa-Magnetantrieb ist wegen seiner direkten Konstruktion durch
eine lange Lebensdauer gekennzeichnet.
2) Wegen des besonderen Öffnungsverhaltens – kein Eingangssprung, konkave "Anfahrrampe" – beherrscht das stetige Magnetventil den Regelvorgang bis zu kleinsten Durchflussmengen voll.
3) Durch die reibungsarme Konstruktion ist die Auflösung des Hubes sehr
gross, so dass die Durchflussmenge genau dosiert werden kann.
4) Die Eigenschaft des Magnetantriebes ermöglicht ein sehr rasches Durchfahren des Hubbereiches (1... 2 s) und damit eine annähernd
verzögerungsfreie Antwort auf Veränderungen des Eingangssignals.
Diese Eigenschaften sind besondere Merkmale der Staefa-Magnetventile
und ermöglichen, auch schwierige HLK-Regelkreise zu beherrschen.
94.0211
Vorteil
Hauptgrund
Genauigkeit
keine Haftreibung
Einsatzbereich
erweitert
Linearität der HubSpannungs-Kennlinie,
hohe Auflösung im
Öffnungsbereich
Schnelles Einfahren
Stellgeschwindigkeit
Schnelles Ausregeln
der Störung
Stellgeschwindigkeit
Bild 12: Regeleigenschaften
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Regeltechnische Vorteile
Die Güte eines Regelkreises hängt von vielen Einzelfaktoren ab: Von der
Beschaffenheit der Regelstrecke mit ihren verschiedenen Gliedern – quantitativ erfassbar durch den Schwierigkeitsgrad –, von der Einstellung des Reglers und in starkem Masse aber auch von den regeltechnischen Qualitäten
des hydraulischen Stellgerätes.
Zu fragen wäre:
• Wie schnell reagiert das Ventil auf eine Regelabweichung?
• Wie fein löst es auf?
• Wie gut beherrscht es den Teillastbereich?
Von diesen Grundfragen gingen die Entwicklungsingenieure von Staefa
Control System aus, als sie das Ausgangsprodukt dieser Firma konstruierten, das stetige Magnetventil. Im Zuge der fortlaufenden Verbesserung
und Erweiterung dieser Marktleistung bleibt die ursprüngliche Fragestellung dieselbe, auch im Zeitalter der weitverbreiteten DDC-Technik im HLKBereich.
Hohe Stellgeschwindigkeit
Das einfache Konstruktionsprinzip des Magnetantriebs – nur ein beweglicher Teil, der Anker im variierenden Magnetfeld – hat zur Folge, dass die
Stellgeschwindigkeit sehr gross ist. Das Magnetventil ist im Regelkreis ein
praktisch verzögerungsfreies Glied. Das wirkt sich wie folgt aus:
• Störgrössen werden rasch ausgeregelt.
• An Sollwertänderungen passt sich das Stellgerät sofort an.
• Der Schwierigkeitsgrad Sv = Tu / Tg der Regelstrecke vermindert sich erheblich, z.B. von 0,48 auf 0,36, also um 25 %, wie Vergleichs-Messungen
auf Anlagen mit Magnetventilen und konventionellen Stellgeräten
gezeigt haben (siehe Bild 13).
x
94.0142
t
Tu
Tu
Tg
S = 0.36
S = 0.48
Tg
[s]
Bild 13: Einfluss der Stellgeschwindigkeit auf den Schwierigkeitsgrad
V0
94.0143
100
Verminderter Schwierigkeitsgrad bedeutet aber
auch, dass die zulässige
Kreisverstärkung erhöht
werden kann. Die Zahl der
Speicherelemente der
Regelstrecke reduziert sich
um eines (siehe Bild 14).
70
50
40
30
20
10
3
7
5
4
4
5
3
6
2
Bild 14: Zulässige Kreisverstärkung Vo
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1
0.03
0.05 0.07
0.1
0.2
0.3
0.5
7
89
0.7
10
1
Tu
=S
Tg
CA1N4028D / 11.1998
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Hohe Auflösung
Der rasch und fein reagierende Magnetantrieb, kombiniert mit dem kurzhubigen Tellerventil, ergibt ein Stellgerät mit hohem Auflösungsvermögen.
Das heisst: auch kleinste Regelabweichungen bewirken eine Änderung des
Hubes und damit des Durchflusses. Das Ventil beherrscht das Durchflussverhalten über dem ganzen Hubbereich voll, z.B. auch dort, wo die Ventilkennlinie (kv in Funktion des Hubes) relativ steil ist. Bei den üblichen Tellerventilen von Staefa kann mit einer mittleren Auflösung ∆H : H100 von
1 : 200 gerechnet werden.
Die Ventilkennlinie mit dem optimalen Teillastverhalten
Die Bilder 15, 16 und 17 zeigen Typen von Kennlinien, wie sie in der HLKTechnik meistens vorkommen. Auf den Bildern 18 und 19 sind Beispiele von
gemessenen Kennlinien von Staefa-Ventilen dargestellt, auf Bild 20 der
Teillastbereich von 0 ...10 % Hub. Daraus ist folgendes ersichtlich:
– Charakteristisch für das Staefa-Ventil ist der flache Anstieg der Kennlinie
vom Nullpunkt an. Hier liegt die wichtige Abweichung vom üblichen
Linearverhalten vor: kein Eingangssprung, die Krümmung ist konkav.
Das Ventil regelt „tropfenweise“, es ist im Schliessbereich optimiert.
– Bei der Kennlinie in Bild 20 wird bei kv = 4% die Neigungstoleranz, wie
sie in den VDI/VDE -Richtlinien festgelegt ist, überschritten. Diese Toleranzen sind aber für die Staefa-Ventile nicht relevant, weil auch bei dieser Neigung, wie oben erwähnt, das Durchflussverhalten noch voll beherrschbar ist. Der dem Sinn der VDI/VDE -Richtlinien entsprechende
(kritische) Grenzwert kvr ist bei Staefa-Ventilen die Leckmenge kvo.
Mit dem kvr -Wert wird üblicherweise das Stellverhältnis eines Ventils
berechnet:
S = kvs / kvr
Konventionelle Ventile weisen Stellverhältnisse im Bereich 50 ...100 auf. Bei
Staefa-Ventilen, die in diesem Sinne keine maximale Neigungstoleranz und
kein solches kvr aufweisen, müsste S mit kvo gerechnet werden. Dies ergibt
das theoretische Stellverhältnis. Bei einer Leckmenge von kvo = 0.05% kvs
erhält man 1 : 0,0005 = 2000. Mit anderen Worten: das Staefa-Ventil ist im
Teillastbereich bezüglich Durchfluss so gut, dass der Begriff des Stellverhältnisses als Qualitätskriterium gar nicht massgebend ist. Die VDI/VDERichtlinien berücksichtigen das Magnetventil nicht. Sie wurden im Hinblick
auf konventionelle Stellgeräte verfasst.
Theoretische Kennlinien
Die lineare Kennlinie (siehe Bild 15) entspricht der folgenden Gleichung:
kv = kvo + nlin · H
H
kv
kvo
nlin
= Hub [mm]
= spezifischer Durchfluss [m3/h]
= Durchfluss bei H = 0
(Eingangssprung)
= Neigung der Kennlinie
kv
94.0144
kvs
k
kvs
vo
( = 1 - –––
)
kvo
Bild 15: Lineare Kennlinie
CA1N4028D / 11.1998
8/12
Leckmenge =
Eingangssprung
H
H100
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Die gleichprozentige (exponentielle) Kennlinie (Bild 16) hat die Gleichung:
kv = kvo • e
ngl •
H
H100
Die Neigung ist hier nicht konstant, sondern verändert sich mit H, und zwar
nach demselben Exponentialgesetz.
Die Grösse ngl legt fest, ob die Kurve rascher oder langsamer ansteigt. Für
ein gegebenes Ventil ist sie eine Konstante.
kv
94.0145
kvs
kvo
Bild 16: Gleichprozentige Kennlinie
(theoretisch)
H
H100
Tatsächliche Kennlinie eines konventionellen Ventils
Eine theoretisch gleichprozentige Kennlinie fällt im praktischen Fall im untersten Teillastbereich meistens konvex ab (Bild 17). Wo die Tangente erstmals die Neigungstoleranzen überschreitet, liegt der Punkt mit kv = kvr.
Mit diesem Wert wird das Stellverhältnis definiert:
kvs
kv
Sv = kvr
94.0146
kvs
Tangente
Neigungstoleranzen
kvr
Bild 17: Praktische Kennlinie
(Prinzip)
(nach VDI / VDE)
kvo
H
H100
kv
[%]
kvs
94.0147
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Hub
[%]
Bild 18: Kennlinie eines M3P20F-Ventils
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CA1N4028D / 11.1998
9/12
kv
[%]
kvs
kv
[%]
kvs
94.0149
94.0148
10
110
± 10 %
100
9
8
kv100 = 92.63
90
7
80
Messpunkte
6
70
theoretische
Kennlinie
Messpunkte
60
5
theoretische
Kennlinie
50
kvr = 4 %
4
40
3
30
2
20
Neigungstoleranzen
10
Bild
Bild 20
5
1
Neigungstoleranzen
kvr = 0.3 %
Hub
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 [%]
Bild 19: Kennlinie des M3P25F-Ventils (ganzer Hubbereich)
Hub
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[%]
Bild 20: Kennlinie des M3P25F-Ventils (Schliessbereich)
Praktische Konsequenz:
die minimal regelbare Wärmemenge
Hydraulische Stellgeräte verwendet man in der HLK-Technik meistens im
Zusammenhang mit einem Wärmetauscher. Sie regeln den Durchfluss von
Kalt- oder Warmwasser. Diese Wärmetauscher haben in der Regel eine steile Charakteristik im Teillastbereich (siehe Bild 21), d.h. schon bei geringem
Wasserdurchfluss wird rasch eine relativ grosse Energiemenge an die Luft
übertragen.
Weist das Ventil einen Eingangssprung auf, steigert dies die minimal regelbare Energiemenge beträchtlich. Ein solches Verhalten ist aber regeltechnisch gar nicht erwünscht, weil es zu Schwingungen führen kann. Die an
sich stetige Regelung wird beim Erreichen dieses Punktes zu einer pendelnden Auf-Zu-Regelung.
Zur Ermittlung dieser minimal regelbaren Wärmemenge steht ein Diagramm (Bild 21) zur Verfügung. Dabei sind noch zwei Kenngrössen erforderlich: die Auslegekennziffer a des Wärmetauschers (= Verhältnis der
wasserseitigen Temperaturdifferenz zur Differenz zwischen Wassereintritts- und Luftaustrittstemperatur) und die Ventilautorität Pv (= Verhältnis
der Druckdifferenz am Ventil zur gesamten Druckdifferenz im mengenvariablen Teil der hydraulischen Schaltung).
Häufig auftretende Werte sind a = 0,5 und Pv = 0,5.
Mit diesen Werten soll ein Staefa-Ventil mit einem konventionellen Stellgerät verglichen werden.
– Konventionelles Stellgerät:
Sv = 50
– Staefa-Ventil:
Sv = 200
(Beim Staefa-Ventil ist in diesem Fall das Auflösungsvermögen einzusetzen.
Beim konventionellen Ventil ist der Einfluss des Antriebes bereits berücksichtigt.)
Aus dem Diagramm liest man die folgenden Werte heraus:
– Konventionelles Ventil:
– Staefa-Ventil:
CA1N4028D / 11.1998
10/12
Qmin = 5,8 % QN
Qmin = 1,4 % QN
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Qmin
[%]
QN
94.0150
70
50
40
a
30
25
0
0.1
20
30
0.
0
2
0.
15
40
0.
10
60
0.
8
5.8
50
0.
70
0. 90
0.
80
0. .0
1
B
5
4
3
2
B'
1.4
1
1.0
Pv
0.80
0.60
0.50
A
A'
10
0.40
0.30
Sv
20
25
0
50
10
0
20
0
30
0
50
0.20
0.15
0.10
0.4
0.6 0.8 1
2
3
4
5 6
8
10
15
20
V min [%]
Bild 21: Bestimmung der minimalen regelbaren Wärmeleistung Qmin aus
Ventilautorität Pv, Stellverhältnis Sv und a-Wert (nach "Regeltechnik",
Impulsprogramm Haustechnik)
Fazit
Stetige Magnetventile mit ihren regeltechnischen Eigenschaften, zusammen mit ihrer Robustheit, Wartungsfreiheit und langer Lebensdauer,
eignen sich überall dort, wo Temperaturen oder Feuchtigkeitswerte sehr
exakt geregelt werden müssen. Entwickelt wurden sie für HLK-Anlagen, ihr
Anwendungsbereich erstreckt sich aber auch ins Gebiet der Industrieprozesse.
Das Ventil allein kann freilich den Regelkreis noch nicht optimieren, aber es
leistet seinen maximal möglichen Beitrag dazu.
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© 1998 Siemens Building Technologies AG
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