Schließschlagarm
Um kompakte Ventile größerer Nennweite auf kleinstem Bauraum anzusteuern, hat der Fluidikspezialist Bürkert Fluis Control Systems das TwinPower-Spulensystem entwickelt.
Für die Funktion eines Magnetventils ist die Qualität des eingesetzten Spulensystems entscheidend. Der Fluidikspezialist Bürkert Fluid Control Systems hat das bereits früh erkannt. Er entwickelt und produziert die Spulen für seine Magnetventile seit vielen Jahren im eigenen Haus. Dadurch kam ein Innovationsprozess in Gang; es entstand eine Vielzahl unterschiedlicher Spulen, die in Größe, Leistungsfähigkeit und zusätzlichen Eigenschaften an die unterschiedlichsten Applikationsanforderungen angepasst sind. Gleichzeitig hat sich aber auch das Anwendungsfeld der Ventile in der Industrie, aber insbesondere im Wohn-, Geschäfts- und Gewerbebereich stetig erweitert. Das hatte zur Folge, dass die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Ventile weiter stiegen. Die Antwort darauf waren sogenannte Impulsspulen.
Impulsspulen: der erste Schritt zu höherer Energieeffizienz
Die einfache Impulsspule erhält zur Ansteuerung nur einen kurzen Impuls, um den Anker in seine Endposition zu bewegen. Ein Dauermagnet hält den Anker nach dem Abschalten der Spule dann in der Endposition. Um das Ventil zurückzuschalten ist ein weiterer Impuls notwendig, der die Spule in umgekehrter Richtung durchläuft, und somit den Anker vom Dauermagneten löst. Eine externe Ansteuerung, z. B. eine Gerätesteckdose mit Inverterelektronik muss bei dieser Verschaltung die Polarität wechseln.
Bei der Doppel-Impulsspule werden zwei Impulsspulen unabhängig voneinander übereinander gewickelt. Bei einem Stromimpuls übernimmt die erste Spule die Bewegung des Ankers und die Magnetisierung des Jochs. Der Restmagnetismus (Remanenz) im Eisenkreis hält den Anker dann in Position, wenn der Strom abgeschaltet wird. Ein Impuls auf die zweite Wicklung wirkt der Remanenz entgegen und der Anker wird in seine ursprüngliche Position bewegt. Es ist hier also keine Polaritätsumschaltung notwendig, sondern die Spulen werden anwenderfreundlich über drei Anschlüsse (P1/N/P2) angesteuert.
Um kompakte Ventile größerer Nennweite auf kleinstem Bauraum anzusteuern, hat der Fluidikspezialist das TwinPower-Spulensystem entwickelt. Hier werden zwei gleichsinnig gewickelte Spulen parallel auf einem gemeinsamen Joch angeordnet. Eine integrierte Elektronik schaltet nach kurzer Anzugsphase mit hohem Strom und starkem Anzugsmagnetfeld die Spulen von Parallel- auf Reihenschaltung um und reduziert so den Stromfluss und die Leistungsaufnahme auf ein Viertel der Anzugsleistung. Neben der Energieeinsparung lassen sich damit hohe Schaltfrequenzen zuverlässig realisieren. Zusätzlicher Vorteil: die geringere Eigenerwärmung der Spulen reduziert den Wärmeeintrag in das Medium, was bspw. in vielen medizinischen Anwendungen erwünscht ist.
Pulsweitenmodulation: Energiesparen mit Nebenwirkungen
Um leistungsstarke Ventile mit größeren Spulensystemen energiesparend schalten zu können, kommt eine Elektronik mit Leistungsabsenkung zum Einsatz, üblicherweise mit Pulsweitenmodulation (PWM). Dabei wird für einen kurzen Moment ein hoher Stromimpuls, der eine große Anzugskraft generiert, auf eine einzelne Spule gegeben. Nach wenigen Millisekunden schaltet die Elektronik mittels eines getakteten Gleichstromes in einen energiesparenden Haltebetrieb um.
Das Verfahren hat sich im praktischen Einsatz bewährt, entspricht aber nicht immer den heute gültigen Normen zur Betriebssicherheit und zum Anwenderschutz. Vielen ist gar nicht bewusst, welche Anforderungen z. B. elektrisch betriebene Wasserventile heute erfüllen müssen, damit sie in der Industrie und insbesondere in Wohn-, Geschäfts- und Gewerbegebäuden eingesetzt werden dürfen. Hier stehen Themen im Vordergrund wie die VDE-Zulassung (DIN EN 60730-2-8) mit einer Prüfung bei blockiertem Mechanismus sowie einer Prüfung der Druckstoßeigenschaften und der Störfestigkeit (EMV). Dabei zeigt sich oft, dass die aktuellen Grenzwerte für die Elektromagnetische Verträglichkeit (DIN EN 61000-6-1/2/3/4) sich bei Ansteuerung über PWM oft nur mit aufwändigen und teuren Entstörmaßnahmen erreichen lassen. Zudem erzeugt die Pulsweitenmodulation Geräusche, die aufgrund ihrer Frequenz von Menschen als unangenehmen empfunden werden.
Bürkert hat deshalb ein innovatives Spulensystem mit Kick-and-Drop-Elektronik entwickelt, das kurzzeitig hohe Anzugskräfte bereitstellt, im Betrieb jedoch ca. 70 % weniger Energie benötigt als konventionelle Spulen, schließschlagarm arbeitet und elektromagnetische Störungen vermeidet.
Kick-and-Drop-Elektronik: keine Geräusche und EMV-Störungen
Bei der Kick-and-Drop-Elektronik (KD) wird eine Spulenwicklung zunächst durch einen hohen Spannungsimpuls übererregt, um den zum Öffnen des Ventils benötigten hohen Strom und damit die Anzugskraft zu erzeugen. Nach wenigen Millisekunden schaltet die Elektronik auf die andere Spulenwicklung mit niedriger Leistung in einen energiesparenden Haltebetrieb um. Damit wird die Leistungsaufnahme drastisch reduziert. Diese Doppelspulen-Technik eignet sich besonders für dauergeöffnete Ventile, wie bspw. Gas- oder Leitungswassersicherungsventile sowie für batteriegepufferte Entleerungssysteme. Durch die geringe Leistungsaufnahme ist die max. Eigenerwärmung (ca. 52 °C am Kernführungsrohr) des Ventils geringer als sonst üblich, was Ablagerungen und Verkalkung minimiert und die Lebensdauer deutlich erhöht. Die Mehrkosten für eine Kick-and-Drop-Elektronik amortisieren sich deshalb bereits nach zwei bis vier Jahren.
Anders als bei der üblicherweise eingesetzten Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt die KD-Elektronik keine für Mensch und Tier unangenehmen (Körperschall-)Störgeräusche und eignet sich daher besonders für den Einsatz in der Haus- und Gebäudesystemtechnik. Ein weiterer Vorteil der KD-Technik ist die elektromagnetische Verträglichkeit. Die KD-Doppelspule erfüllt die EMV nach Industrie- und Wohnbereichsnorm (DIN EN 61000-6-1/2/3/4). Im Gegensatz zur PWM-Ansteuerung wird bei diesem Verfahren keine elektrische Störfrequenz erzeugt. Der Einsatz von aufwändigen und teuren Entstörmaßnahmen wird damit überflüssig.
Die Ventile mit Kick-and-Drop-Elektronik gibt es in den Nennweiten von 2–50 mm. Die Doppelspule und die integrierte Elektronik sind in Epoxidharz verpresst und so optimal vor Umwelteinflüssen geschützt. Die Spannungsversorgung der Doppelspule ist universell und frequenzunabhängig. Dies ermöglicht einen weltweiten Einsatz. Sowohl Zulassungen nach UL als auch die Atex-Vorgaben werden durch die Doppelspule mit KD-Elektronik erfüllt.
