Motorauswahl für HVAC-Gasventilaktuatoren

Der Zweck dieses Whitepapers ist es, die für die Betätigung von Gasventilen in Heizungs-, Lüftungsund Klima-Anlagen (HVAC-Anlagen) verfügbaren Motortechnologien zu erläutern und zu vergleichen. HVAC-Anlagen beinhalten preisgünstige, elektronisch gesteuerte Ventile für die Fluidstrommodulierung und -sperre, wobei für gewöhnlich ein mittleres Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit erforderlich ist. Die für die Betätigung dieser Ventile verfügbaren Motortechnologien haben verschiedene inhärente Eigenschaften, die je nach spezifischen Anwendungsforderungen Vorteile mit sich bringen können.

EINFÜHRUNG

HVAC-Anlagen werden für die Regulierung der Temperatur und Luftqualität in geschlossenen Räumen verwendet. Sie sorgen also dafür, dass es im Winter schön warm und im Sommer angenehm kühl ist. Das Heizsystem kann Boiler, Pumpen, Heizungen, Messgeräte und weitere Komponenten enthalten, die normalerweise über die Verbrennung von Erdgas zur Erwärmung von Luft und Wasser angetrieben werden, wobei diese Elemente dann im Raum zirkuliert und aufbereitet werden.

Der Betrieb einer HVAC-Anlage beruht auf der präzisen Steuerung und Messung von Gas-/Flüssigkeitsströmen über Sensoren und modulierende Komponenten. Die modulierenden Eigenschaften werden dabei auf verschiedene Arten erzielt, für gewöhnlich unter Verwendung von Stromregelventilen und/oder Absperrventilen.

GRUNDLEGENDE FUNKTIONSWEISE VON DURCHFLUSSREGELVENTILEN

Bei Durchflussregelventilen wird der Ventilschaft im Ventilgehäuse auf und ab bewegt. Auf diese Weise begrenzt die Nadel, das Dichtelement am Ende des Schafts, den Flüssigkeitsstrom auf das gewünschte Niveau. Bei Ventilen mit Schaft-und-Kugel-Bauweise rotiert eine Kugel um die Ventilachse, wobei eine Öffnung in der Kugel dafür sorgt, dass in einer bestimmten Position Vollstrom herrscht und variabler Durchfluss möglich ist, während sich der Schaft in die komplett geschlossene Position dreht.(Abbildung 1)

Je nach Bauweise des Ventils kann die Bewegung des Ventilschafts manuell (durch Anpassen der Spindelnadelposition) oder elektronisch erreicht werden. Bei der elektronischen Version wird der Schaft von einem Aktuator bewegt, der mithilfe eines Motor- und Antriebssystem gesteuert wird.

ARTEN VON ELEKTRISCHEN ANTRIEBSSYSTEMEN FÜR GASVENTILAKTUATOREN

Zur Erfüllung der Leistungs- und Kostenanforderungen von Gasventilaktuatoren kommen als Antriebstechnologie nur Bürstenmotoren oder Gleichstrom-Schrittmotoren in Frage. Beide Technologien können das notwendige Drehmoment und die für die Anwendung erforderliche Drehzahl liefern, allerdings muss der Konstrukteur bei der Entwicklung einer kompletten Antriebslösung auch die Konfiguration der gesamten Anlage berücksichtigen. Vereinfacht ausgedrückt besteht ein elektrisches Antriebssystem aus einem Motor und einem Positionssystem. Nachfolgend werden die Optionen beschrieben, die basierend auf der Systemkonstruktionsabsicht ausgewählt werden müssen.

Verfügbare Optionen für die Gesamtsystemkonfiguration

Motortechnologie	Gleichstrom- Bürstenmotor
	Schrittmotor
Art der Aktuatorbewegung	Drehend
	Linear
Positionssystem	Geschlossener Regelkreis
	Offener Regelkreis

Beim Gasventilaktuator bestimmt die in der obenstehenden Tabelle gewählte Kombination aus Motortechnologie, Antriebsart und Positionssystem, wie komplex und teuer die komplette Antriebslösung ausfallen wird. Dies sind Ihre Optionen für das elektrische Antriebssystem:

•	Gleichstrom-Bürstenmotoren sorgen für Drehbewegung, können jedoch auch Linearbewegung liefern, wenn eine zusätzliche externe Leitspindel (zur Umwandlung von Drehbewegung in Linearbewegung) angebracht wird. In beiden Fällen ist für jegliche Positionierungsanforderungen ein Encoder für den Betrieb im geschlossenen Regelkreis erforderlich.
•	Schrittmotoren sorgen für Drehbewegung, können jedoch mithilfe einer zusätzlichen externen Leitspindel auch Linearbewegung liefern. In beiden Fällen ist ein offener Regelkreis direkt über den Treiber möglich. Wenn ein geschlossener Regelkreis erforderlich ist, muss ein Encoder verwendet werden.
•	Lineare Schrittmotoren verfügen über eine integrierte Leitspindel und bieten somit eine robuste Baugröße und direkten Linearantrieb mit offenem Regelkreis über den Treiber.

Mögliche Systemkonfigurationen für die Motortechnologien

Motortechnologie	Gleichstrom- Bürstenmotor	Schrittmotor / Linearer Schrittmotor
Antriebsart	Drehend oder extern linear	Drehend, extern linear oder integriert linear
Positionssystem	Geschlossen	Geschlossener/Offener Regelkreis
Drehmoment/ Drehzahl	Sehr breites Spektrum	Eingeschränktes Spektrum
Kosten	Mittel bis hoch	Niedrig

MOTORAUSWAHL FÜR GASVENTILAKTUATOREN

Gleichstrommotor

Gleichstrommotoren sind einfache elektrische Maschinen, die sich beim Anlegen von Gleichstrom drehen.(Abbildung 2) Sie erfordern keine aufwändige Elektronik für den Antrieb des Motors. Wenn die Anwendung jedoch Linearbewegung erfordert, muss der Gleichstrommotor zusätzlich mit einer Leitspindel und einem Getriebesystem ausgestattet werden, um die Drehbewegung in Linearbewegung umzusetzen. Die Gleichstromlösung erfordert zudem einen Rückführungsmechanismus in Form eines optischen Sensors oder Encoders zur präzisen Steuerung der linearen Position. Einige Konstrukteure fügen möglicherweise aufgrund des hohen Rotorträgheitsmoments auch ein Bremssystem hinzu, um die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen.

Typischerweise erreichen Gleichstrommotoren (die sich hervorragend für Gasventilanwendungen eignen) eine Abtriebsdrehzahl von 1.000 bis 10.000 U/min und liefern ein Drehmoment von bis zu 160 mNm. Je nach Arbeitslastpunkt der Anwendung können ein Getriebe und/oder ein Leitspindelsystem hinzugefügt werden.

Schrittmotor
Schrittmotoren sind elektrische Gleichstrommotoren, die in mehreren, gleichgroßen und separaten Inkrementen (Schritten) gedreht werden.(Abbildung 3) Für den Antrieb eines Schrittmotors ist eine dedizierte Steuerungseinheit erforderlich. Schrittmotoren verfügen aufgrund ihrer Gestaltung und ihres Aufbaus über inhärente Eigenschaften, die sich vorteilhaft auf die Anwendung auswirken können. Diese Motoren können aufgrund der integrierten Positionsregelung (einzelne Schritte) mit hoher Genauigkeit im offenen Regelkreis betrieben werden, unter der Voraussetzung, dass der Motor korrekt dimensioniert ist. Außerdem kann aufgrund der Bauweise von Schrittmotoren das Rastmoment für das Beibehalten einer Position genutzt werden, während für ausgezeichnetes Ansprechverhalten beim Starten, Stoppen und Umkehren der Anwendung gesorgt wird.

Wenn die Anwendung Linearbewegung erfordert, muss eine Schrittmotorlösung zusätzlich mit einer Leitspindel und einem Getriebesystem ausgestattet werden, um die Drehbewegung in eine Linearbewegung umzusetzen.

Typischerweise können Schrittmotoren für Abtriebsdrehzahlen von bis zu 1.000 U/min verwendet werden und liefern ein Drehmoment von bis zu 170 mNm. Das tatsächliche Drehmoment und die tatsächliche Drehzahl hängen jedoch auch vom Antriebsmodus (ganzer Schritt, halber Schritt oder Mikroschritt) ab. Je nach Arbeitslastpunkt der Anwendung können ein Getriebe und ein Leitspindelsystem hinzugefügt werden.

Schrittmotor-Linearaktuator
Der Schrittmotor-Linearaktuator besteht aus einem Can Stack-Schrittmotor mit einem Gewinderotor und einer integrierten Leitspindel, die für direkte Linearbewegung und kompakte Baugröße sorgt.(Abbildung 4) Die Leitspindel des Schrittmotor-Linearaktuators bewegt sich in einzelnen Schritten auf und ab, wenn elektrische Impulse angelegt werden. Ein entscheidender Vorteil der Schrittmotor- Linearaktuatoren ist die Fähigkeit, diesen in einem offenen Regelkreis präzise zu steuern, sodass für die Positionierung kein kostspieliges Rückführ- oder Bremssystem erforderlich ist.

Typischerweise können Linearaktuatoren für Abtriebsdrehzahlen von bis zu 80 mm/s verwendet werden und liefern Kraft bis zu 100 N. Die tatsächliche Kraft und Drehzahl hängen dabei auch von der Leistungsfähigkeit der Leitspindel und dem Antriebsmodus (ganzer Schritt, halber Schritt oder Mikroschritt) ab. Je nach Arbeitslastpunkt der Anwendung kann ein Getriebe hinzugefügt werden.

ZUSAMMENFASSUNG

Vergleich der Antriebslösungen

Parameter	Gleichstrommotor	Schrittmotor
Drehzahl	***	**
Kraft/Drehmoment (bei niedriger Drehzahl)	***	**
Betriebstemperatur	**	**
Standzeit	**	***
Kosteneffizienz	*	***
Einfacher Motorbetrieb	***	**
Einfache Drehzahl- und Positionsregelung	*	***
Wirkungsgrad	***	*

Wichtige Überlegungen bei der Wahl des Motors für die Ventilbetätigung in HVAC-Anlagen:
Gasventilanwendungen unterscheiden sich bezüglich des Ventilschafttyps und des gewünschten Betriebs bzw. der angestrebten Präzision. Zu den Anwendungsanforderungen, die bei der Bestimmung der bestmöglichen Lösung zum Tragen kommen, gehören unter anderem:

•	Maximalwert und für den Betrieb erforderlicher Wert für Drehmoment/Kraft;
•	Drehzahl: Typischerweise beziehen sich Kraft-/Drehmomentanforderungen bei Ventilanwendungen auf geringe Drehzahlen;
•	Preis der vollständigen Lösung;
•	Steuerungssystem: Typischerweise ist kein geschlossener Regelkreis erforderlich;
•	Betriebstemperaturen im Umfeld der Anwendung;
•	für die Betätigung (Dreh- oder Linearbewegung) notwendige Antriebsart;
•	erwartete Nutzungsdauer der Lösung vor Austausch;
•	Bedarf an Linear- oder Rotationsauflösung;
•	maximale zur Verfügung stehende Stromstärke und Spannung.

Basierend auf den verfügbaren Antriebslösungen und den Anforderungen der HVAC-Anlage ist entweder eine Schrittmotorlösung (für Rotationsanwendungen) oder ein linearer Schrittmotor (für lineare Anwendungen) am besten geeignet.

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