Elektromotorischer Antrieb für Rohrleitungsarmaturen

mini|Elektrischer Stellantrieb auf einer Armatur in einem Kraftwerk,Handrad mit rotem Hebel für Handbetrieb. Im Hintergrund E-Motor mit grauem Zuleitungskabel. Vorne links vier blaue (eigensichere) Signalkabel für Endlagen, Drehmoment und Fernbefehl.

Bei einem elektromotorischen Antrieb für Rohrleitungsarmaturen handelt es sich um eine besondere Art von Stellantrieben. Sie werden vorzugsweise im Pipelinebau und im Anlagenbau verwendet.

Allgemeines mini|Motorisch betätigte Absperreinrichtung an einer Fernwärmeleitung Basis ist ein handelsüblicher Drehstrommotor mit Links- und Rechtslauf. Ein Getriebe erzeugt das notwendige Drehmoment. Durch diese Untersetzung ist die Verfahrzeit hoch, was in der Regel nicht kritisch ist. Bei großen Nennweiten sind Verfahrzeiten von einigen Minuten üblich.

Das Getriebe erlaubt die gleichzeitige Anordnung eines Handrades. Hiermit kann man die Armatur bequem vor Ort schließen oder öffnen. Hierfür gibt es eine mechanische Verriegelung. Steht diese auf „Hand“, dann haben Fernbefehle keine Wirkung. Man geht davon aus, dass der Bediener vor Ort solche Entscheidungen bei Störungen (Leckagen) oder bei Reparaturarbeiten treffen muss (vor Ort hat Vorrang).

In vielen Fällen kommt eine Drehmomentüberwachung hinzu. Im Pipelinebetrieb ist es üblich, große Armaturen regelmäßig aus Testgründen zu verfahren, damit man im Ernstfall nicht überrascht wird, dass eine Armatur „festgebacken“ ist.

Neben dem häufigen Einsatz als Auf- und Zu-Antrieb kommt auch der Einsatz als Regelantrieb infrage, vorausgesetzt, die Regelgüte ist mit der langsamen Verfahrgeschwindigkeit vereinbar.

Dieses Arbeitsprinzip, bei dem der Motor lediglich für die Bewegungsdauer des Ventils unter Spannung steht, reicht für geringe oder mittlere Anforderungen an die Regelgüte eines Prozesses vollkommen aus. Bei hochdynamischen Positionierkreisen mit hohen Anforderungen an die Positioniergüte jedoch werden oft elektrische Regelantriebe genutzt.

Im Unterschied zum eingangs genannten Arbeitsprinzip steht hier der von einem Frequenzumformer angesteuerte Drehstrom-Regelmotor permanent unter Spannung und erzeugt ein Drehmoment, welches in einem sensiblen Kräftegleichgewicht mit den Rückstellkräften aus dem Prozess steht. In diesem Zustand kann der Motor ohne zeitliche Begrenzung verharren, ohne dass eine thermische Überlastung auftritt. Überwachungselemente (Drehmomentschalter, Wegendschalter etc.) zum Schutz des Antriebs oder Motors sind nicht notwendig. Der Motor entwickelt sein Stellmoment sanft und proportional zu der Positionierabweichung; und selbst kleinste Abweichungen von ±0,05 % werden ausgeglichen.

Einteilung nach der Bewegung Als Stellweg wird die Strecke bezeichnet, die der Stellkörper in der Armatur durchfahren muss, um die Armatur komplett zu öffnen, bzw. zu schließen. Typische Stellkörper sind Klappenscheiben, Ventilkegel oder Schieberplatten. Die drei genannten Stellkörper sind typische Vertreter für die drei Grundbewegungen die zum Durchfahren des Stellweges erforderlich sind. Die Klappe wird durch eine 90° Schwenkbewegung von der Endlage AUF nach ZU bewegt, der Ventilkegel vollführt dafür eine verhältnismäßig kurze Hubbewegung. Die Stellbewegung der Schieberplatte durchmisst den vollständigen Durchmesser der Armatur. Für jeden dieser Bewegungstypen wird ein Stellantriebstyp benötigt.

Drehantriebe 100px|mini|Elektrischer Drehantrieb auf einem Schieber mit Spindel Drehantriebe werden zur Automatisierung von Dreharmaturen benötigt. Der klassische Vertreter dieses Typus ist der Schieber. Die Grundanforderungen an Drehantriebe sind in der Norm EN ISO 5210 wie folgt beschrieben:

Ein Drehantrieb ist ein Stellantrieb, der auf die Armatur ein Drehmoment über mindestens eine volle Umdrehung überträgt. Er kann Schubkräfte aufnehmen.

An der Schieberplatte ist eine Gewindespindel montiert. Über eine Gewindebuchse schraubt der Drehantrieb die Schieberplatte in ihrer Führung von AUF nach ZU und umgekehrt. Zum Durchfahren des kompletten Stellwegs, des sogenannten Armaturenhubes, muss der Stellantrieb je nach Armatur zwischen einigen wenigen und mehreren hundert Umdrehungen ausführen. Konstruktionsbedingt sind elektrische Drehantriebe, im Gegensatz zu pneumatischen Stellantrieben, keinerlei Hubbegrenzungen unterworfen. Deshalb werden Schieber fast ausschließlich mit elektrischen Drehantrieben automatisiert.

Der Drehantrieb muss im Armaturenanschluss, die Schnittstelle zur Armatur, das Gewicht der Schieberplatte aufnehmen können. Dies findet im zweiten Satz der Definition Ausdruck.

Schieber gibt es von Durchmessern von ca. 10 cm bis zu einigen Metern. Der Drehmomentbedarf im Bereich der Drehantriebsanwendungen liegt zwischen ca. 10 Nm bis zu 30 000 Nm.

Schwenkantriebe mini|Elektrischer Schwenkantrieb auf einer Klappe Schwenkantriebe werden zur Automatisierung von Schwenkarmaturen benötigt. Klassische Vertreter dieses Typus sind Klappen und Kugelhähne. Die Grundanforderungen an Schwenkantriebe sind in der Norm EN ISO 5211 wie folgt beschrieben:

Ein Schwenkantrieb ist ein Stellantrieb (Aktor), der auf die Armatur ein Drehmoment über weniger als eine volle Umdrehung überträgt. Er muss keine Schubkräfte aufnehmen können.

Über weniger als eine volle Umdrehung bedeutet meistens eine Schwenkbewegung von 90°, es gibt aber Armaturentypen, die abweichende Schwenkwinkel benötigen, z. B. Zweiwegeventile. Die Stellkörper in Schwenkarmaturen sind immer im Armaturengehäuse gelagert, d. h., das Gewicht des Stellkörpers wirkt nicht auf den Schwenkantrieb. Dies findet im letzten Satz der Definition Ausdruck.

Schwenkarmaturen gibt es mit Durchmessern von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Der Drehmomentspanne zum Betätigen des Stellkörpers ist vergleichbar umfangreich. Er reicht von ca. 10 Nm bis zu mehreren 100000 Nm. Bei Armaturen mit großem Durchmessern und hohem Drehmomentbedarf sind elektrische Stellantriebe konkurrenzlos.

Schubantriebe Schubantriebe, außerhalb der Normung auch Linearantriebe genannt, werden überall dort verwendet, wo in einer Armatur das Absperrelement vor eine Sitzöffnung geschoben werden soll, also die Bewegung linear erfolgen muss. Ein typischer Vertreter der zu automatisierenden Armaturen ist das Stellventil. Ähnlich wie der Stöpsel in der Badewanne in den Ausguss gedrückt wird, wird der Kegel durch eine Hubbewegung in den Kegelsitz gedrückt. Gegen den Kegel wirkt der Druck des Mediums. Der Schubantrieb bringt die entsprechende Schubkraft auf, um den Kegel gegen diesen Druck zu bewegen und halten zu können. Elektromechanische Linearantriebe stehen heute in einer breiten Palette von Hubgrößen und Betätigungskräften zur Verfügung. In Verbindung mit intelligenten Steuerungen bilden sie einen unverzichtbaren Bestandteil von automatisierten Prozessen in der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik, in der Prozesstechnik sowie in Kraft- und Wasserversorgungen.

Der überwiegende Anteil der nichtelektrischen Schubantriebe, sind pneumatische Membranantriebe. Sie zeichnen sich durch ein einfaches Konstruktionsprinzip aus und sind infolgedessen kostengünstig. Voraussetzung für ihren Einsatz ist allerdings das Vorhandensein einer Druckluftversorgung. Außerhalb dieser Bedingung bietet sich der Einsatz elektrischer Schubantriebe an, deren Energieversorgung sich einfacher realisieren lässt.

Konstruktiver Aufbau 500px|mini|Elektrischer Drehantrieb mit Steuerung Motor (1) Als Elektromotoren werden überwiegend robuste Asynchronmotore für Drehstrom verwendet. Es kommen aber auch Wechselstrom- und Gleichstrommotoren zum Einsatz. Die Motoren sind speziell für die Anforderungen der Armaturenautomatisierung angepasst. Konstruktiv bedingt stellen sie aus dem Stillstand ein wesentlich höheres Drehmoment bereit als vergleichbare konventionelle Motoren. Diese Eigenschaft wird benötigt, um festsitzende Armaturen aus ihrem Sitz lösen zu können. Elektrische Stellantriebe werden unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt. Lüftermotoren bieten nicht die notwendige Schutzart und können nicht verwendet werden. Deshalb sind Stellantriebe nicht für Dauerbetrieb einsetzbar, da die Motoren nach einer bestimmten Betriebszeit eine Abkühlphase benötigen. Dies entspricht der Anwendung, denn Armaturen werden nicht permanent betätigt.

Weg- und Drehmomentsensorik (2) Über eine Wegschaltung wird der durchfahrene Stellweg gemessen und das Erreichen einer Endlage signalisiert, eine Drehmomentschaltung erfasst das in der Armatur anstehende Drehmoment. Bei Überschreiten eines eingestellten Grenzwertes wird dies gleichermaßen signalisiert. Häufig verfügen die Stellantriebe über einen Stellungsferngeber, der die Armaturenstellung als kontinuierliches Strom- oder Spannungssignal ausgibt.

Getriebe (3) Zur Untersetzung der hohen Drehzahl des Elektromotors wird häufig ein Schneckengetriebe verwendet. Dieses ermöglicht eine hohe Untersetzung in einer Getriebestufe und es hat einen niedrigen Wirkungsgrad, der im Fall der Stellantriebe gewünscht ist. Dadurch wirkt das Getriebe selbsthemmend, d. h., es wirkt gegen ungewünschte Veränderungen der Armaturenposition durch Krafteinwirkungen am Armaturenstellkörper. Dies ist insbesondere bei Drehantrieben von Bedeutung, die mit dem Gewicht von Schieberplatten axial belastet werden.

Armaturenanschluss (4) Der Armaturenanschluss besteht aus zwei Elementen. Zum Ersten dem Flansch, mit dem der Antrieb fest mit dem entsprechenden Gegenstück der Armatur verschraubt wird. Je größer das zu übertragende Moment ist, desto größer muss der Flansch sein.

Zum Zweiten ist dies die Anschlussform, über die das Drehmoment bzw. die Schubkraft vom Stellantrieb auf die Armaturenwelle übertragen wird. Entsprechend der Vielzahl von Armaturenbauformen gibt es auch eine Vielzahl von Anschlussformen.

Abmessungen und Form von Anschlussflansch und Anschlussformen sind bei Dreh- und Schwenkantrieben in den Normen EN ISO 5210 bzw. EN ISO 5211 festgelegt. Bei Linearantrieben orientiert man sich in der Regel an der DIN 3358.

Handbetätigung (5) Die meisten elektrischen Stellantriebe haben in der Grundausführung ein Handrad, mit dem der Antrieb während der Inbetriebnahme oder bei Ausfall der Energieversorgung manuell betätigt werden kann. Das Handrad kann, je nach Ausführung, im Motorbetrieb stillstehen oder mitlaufen.

Stellantriebs-Steuerung (6) Die Signalverarbeitung der Antriebssignale einerseits und der Fahrbefehle der Prozessleitung andererseits erfolgt in einer Stellantriebs-Steuerung. Diese Aufgabe kann prinzipiell durch eine externe Steuerung, z. B. eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) übernommen werden. Moderne Stellantriebe enthalten eine integrierte Steuerung, die die Signalverarbeitung vor Ort und ohne Verzögerungszeiten durchführt. Bestandteil der Steuerung sind auch die zur Ansteuerung des Elektromotors notwendigen Schaltgeräte. Dies können Wendeschütze oder Thyristoren sein, die als elektronisches Bauelement keinem mechanischen Verschleiß unterworfen sind. Über diese Schaltgeräte schaltet die Steuerung den Elektromotor entsprechend der anliegenden Signale und Befehle ein bzw. aus. Eine weitere Aufgabe der Stellantriebs-Steuerung ist es, die Prozessleitung mit den notwendigen Rückmeldungen zu versorgen, z. B. wenn eine Armaturenendlage erreicht ist.

Elektroanschluss (7) Am Elektroanschluss werden die Versorgungsleitungen des Motors und die Signalleitungen zum Übertragen der Befehle zum Antrieb und zum Rückmelden des Antriebszustandes angeschlossen. Idealerweise ist der Elektroanschluss als Steckverbindung ausgeführt, so dass z. B. im Falle von Wartungsarbeiten nicht die komplette Verdrahtung einzeln gelöst werden muss.

Feldbus-Anschluss (8)