Stetige Magnetventile

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1 Stetige Magnetventile Aufbau und Wirkungsweise (ehemaliges Sortiment der Staefa Control System AG) Das Stellgerät im LK-Regelkreis Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die angewandten Technologien (Bild 2) und die konstruktiven Elemente des Stellgerätes (Bild 3) im inblick auf die LK-spezifischen Anforderungen. MMI Stellgerät statisch Regler dynamisch Für eine bedarfsgerechte, rasche Regelung einer LK-Anlage ist sowohl das statische wie auch das dynamische Verhalten des Stellgerätes von grosser Bedeutung (Bild 1). Die Qualität der Wandlung des Regelsignals zur ubbewegung entscheidet massgeblich über Stabilität und Genauigkeit des Regelkreises. Wärmetauscher Bild 1: Stellgerät im LK-Regelkreis Fühler Stellgerät el. Schnittstelle Antrieb Ventil Stellsignal Speisung Phasenschnitt verstärkt gewandelt elektrisch mechanisch hydraulisch thermisch Magnet mechanisch hydraulisch Druckkompensation Sitzventil ydraulische Schaltung hydr. / therm. Leistung Ventilautorität Durchfluss (kv) Eingangsverhalten Linearität Auflösung Stellgeschwindigkeit Bild 2: Stellgerät: Übersicht Basis-Technologien Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 1/12

2 Realisierung der Technologien und Merkmale des Produkts 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 andverstellung k elektrische Schnittstelle I 0... V a b c d 1 3 g h f e 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... V (oder DC 0... 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). Stellsignal DC 0... V Phasenschnitt-Generator Magnetspannung DC 0... V U U U 0 t t t Speisung AC 24 V U U 24 t 0 t Bild 4: Wandlung Stellsignal / Magnetspannung CA1N4028D / Siemens Building Technologies 2/12 Landis & Staefa Division

3 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 Anker (b) Spule (a) Mantel Luftspalt Pol Bild 5: Magnetfeld im Eisenkreis b) Magnetkraft Gegenkraft ub Dieser Anziehung wirkt eine Federkraft entgegen. Der Anker verschiebt sich nun im Sinne der ubbewegung so lange, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen Anziehungskraft und Feder gebildet hat. Damit ergibt sich zu jeder angelegten Spannung ein definierter ub. Durch die spezielle Eisenkreis-Gestaltung ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Spannungserhöhung (Kaftzunahme) und ub Magnetspannung Magnetfeld Federkraft ub Φ Bild 6: Zusammenhang ub () und Spannung (U) Federkonstante C F x [] U [V] Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 3/12

4 c) Schliessbereich - ubarbeitsbereich 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 ub- 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 ubarbeitsbereich Öffnungs-/ Schliessbereich 40479DE Ventilsitz oben Ventilsitz unten 0 15 Bild 7: Arbeitsbereiche des Antriebes U [V] d) Kleinsignalbereich Der Magnetantrieb besitzt innerhalb des ubarbeitsbereiches eine genau definierte ysterese. Innerhalb dieser ysterese wird der ub mit hoher Auflösung, aber veränderter Steigung durchfahren. Diese Charakteristik trägt dazu bei, sehr schwierige Regelkreise zu stabilisieren. ubarbeitsbereich 40489DE Kleinsignalbereich α2 α1 15 U [V] Bild 8: Veränderte Steigung innerhalb des ubarbeitsbereichs im Kleinsignalverhalten e) Spezielle Kräfte Überwindung der aftreibung Die Phasenschnittspannung prägt dem Anker eine permanente, feine Vibrationsbewegung auf, wodurch der aftreibungsanteil 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). F F Gleitreibung Nur Gleitreibung aftreibung Bild 9: aftreibung konventionell Staefa Magnetventil CA1N4028D / Siemens Building Technologies 4/12 Landis & Staefa Division

5 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 ilfe eines Balges verwirklicht (Bild ). Durch eine Bohrung in der Spindel wird der statische Druck p 2 in den Innenraum des Balges geführt und kompensiert den an der Unterseite des Tellers wirkenden Druck p 2. Der auf der Oberseite des Tellers wirkende Druck p 1 wird durch die Aussenfläche des Balges kompensiert. Durch diese konstruktive Lösung entfällt eine besondere Kompensationsleitung. Der erforderliche Bauraum für diese Funktion ist minimal. Bild : Druckkompensation Wandlung ub 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 ub. Entsprechend steigt dann der Durchfluss linear zum ub 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. k v Bild 11: Durchflusscharakteristik Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 5/12

6 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 ubes sehr gross, so dass die Durchflussmenge genau dosiert werden kann. 4) Die Eigenschaft des Magnetantriebes ermöglicht ein sehr rasches Durchfahren des ubbereiches ( s) und damit eine annähernd verzögerungsfreie Antwort auf Veränderungen des Eingangssignals. Diese Eigenschaften sind besondere Merkmale der Staefa-Magnetventile und ermöglichen, auch schwierige LK-Regelkreise zu beherrschen Vorteil auptgrund Genauigkeit keine aftreibung Linearität der ub- Spannungs-Kennlinie, hohe Auflösung im Öffnungsbereich Einsatzbereich erweitert Schnelles Einfahren Stellgeschwindigkeit Schnelles Ausregeln der Störung Stellgeschwindigkeit Bild 12: Regeleigenschaften CA1N4028D / Siemens Building Technologies 6/12 Landis & Staefa Division

7 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 LK- Bereich. ohe 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 S v = T u / T g 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 T u T u T g T g S = 0.36 S = 0.48 [s] t Bild 13: Einfluss der Stellgeschwindigkeit auf den Schwierigkeitsgrad V 0 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) Bild 14: Zulässige Kreisverstärkung V o T u T g = S Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 7/12

8 ohe 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 ubes und damit des Durchflusses. Das Ventil beherrscht das Durchflussverhalten über dem ganzen ubbereich voll, z.b. auch dort, wo die Ventilkennlinie (k v in Funktion des ubes) relativ steil ist. Bei den üblichen Tellerventilen von Staefa kann mit einer mittleren Auflösung : 0 von 1 : 0 gerechnet werden. Die Ventilkennlinie mit dem optimalen Teillastverhalten Die Bilder 15, 16 und 17 zeigen Typen von Kennlinien, wie sie in der LK- Technik meistens vorkommen. Auf den Bildern 18 und 19 sind Beispiele von gemessenen Kennlinien von Staefa-Ventilen dargestellt, auf Bild der Teillastbereich von 0... % ub. Daraus ist folgendes ersichtlich: Charakteristisch für das Staefa-Ventil ist der flache Anstieg der Kennlinie vom Nullpunkt an. ier 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 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 k vr ist bei Staefa-Ventilen die Leckmenge k vo. Mit dem k vr -Wert wird üblicherweise das Stellverhältnis eines Ventils berechnet: S = / k vr Konventionelle Ventile weisen Stellverhältnisse im Bereich auf. Bei Staefa-Ventilen, die in diesem Sinne keine maximale Neigungstoleranz und kein solches k vr aufweisen, müsste S mit k vo gerechnet werden. Dies ergibt das theoretische Stellverhältnis. Bei einer Leckmenge von k vo = 0.05% erhält man 1 : 0,0005 = 00. 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/VDE- Richtlinien berücksichtigen das Magnetventil nicht. Sie wurden im inblick auf konventionelle Stellgeräte verfasst. Theoretische Kennlinien Die lineare Kennlinie (siehe Bild 15) entspricht der folgenden Gleichung: k v = k vo + n lin = ub [mm] k v = spezifischer Durchfluss [m3/h] k vo = Durchfluss bei = 0 (Eingangssprung) n lin = Neigung der Kennlinie k v k ( = 1 - vo ) Bild 15: Lineare Kennlinie k vo Leckmenge = Eingangssprung 0 CA1N4028D / Siemens Building Technologies 8/12 Landis & Staefa Division

9 Die gleichprozentige (exponentielle) Kennlinie (Bild 16) hat die Gleichung: k v = k vo e n gl 0 Die Neigung ist hier nicht konstant, sondern verändert sich mit, und zwar nach demselben Exponentialgesetz. Die Grösse n gl legt fest, ob die Kurve rascher oder langsamer ansteigt. Für ein gegebenes Ventil ist sie eine Konstante. kv kvs Bild 16: Gleichprozentige Kennlinie (theoretisch) k vo 0 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 k v = k vr. Mit diesem Wert wird das Stellverhältnis definiert: Sv = k vr kv Tangente Bild 17: Praktische Kennlinie (Prinzip) k vr k vo Neigungstoleranzen (nach VDI / VDE) k v Bild 18: 0 Kennlinie eines M3PF-Ventils ub Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 9/12

10 k v0 = Bild 5 k v kvs Neigungstoleranzen Messpunkte theoretische Kennlinie ± % ub kv k vr = 4 % k vr = 0.3 % Neigungstoleranzen Messpunkte theoretische Kennlinie ub Bild 19: Kennlinie des M3P25F-Ventils (ganzer ubbereich) Bild : Kennlinie des M3P25F-Ventils (Schliessbereich) Praktische Konsequenz: die minimal regelbare Wärmemenge ydraulische Stellgeräte verwendet man in der LK-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 P v (= Verhältnis der Druckdifferenz am Ventil zur gesamten Druckdifferenz im mengenvariablen Teil der hydraulischen Schaltung). äufig auftretende Werte sind a = 0,5 und P v = 0,5. Mit diesen Werten soll ein Staefa-Ventil mit einem konventionellen Stellgerät verglichen werden. Konventionelles Stellgerät: S v = 50 Staefa-Ventil: S v = 0 (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: Q min = 5,8 % Q N Staefa-Ventil: Q min = 1,4 % Q N CA1N4028D / Siemens Building Technologies /12 Landis & Staefa Division

11 Q min Q N a B B' P v A' A Sv Vmin Bild 21: Bestimmung der minimalen regelbaren Wärmeleistung Q min aus Ventilautorität P v, Stellverhältnis S v und a-wert (nach "Regeltechnik", Impulsprogramm austechnik) 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 LK-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. Siemens Building Technologies CA1N4028D / Landis & Staefa Division 11/12

12 1998 Siemens Building Technologies AG CA1N4028D / Siemens Building Technologies 12/12 Landis & Staefa Division