Elektrische und pneumatische AktuatorenBei Rohrleitungsventilen scheint es, als seien die beiden Stellantriebstypen sehr unterschiedlich und die Wahl müsse anhand der am Installationsort verfügbaren Energiequelle erfolgen. Diese Ansicht ist jedoch voreingenommen. Neben den wesentlichen und offensichtlichen Unterschieden weisen sie auch eine Reihe weniger offensichtlicher, einzigartiger Merkmale auf.

Elektrische und pneumatische Aktuatoren sind die beiden am häufigsten verwendeten Antriebsmechanismen in Automatisierungssystemen. Die Auswahl des Aktuators erfolgt üblicherweise in der Entwurfsphase und er wird nach der Installation bis zum Ende seines Lebenszyklus eingesetzt.

Bei der Wahl des Antriebstyps des Aktuators werden oft die Parameter des Prozessmediums in der Rohrleitung nicht berücksichtigt, sondern nur die internen Referenzmaterialien des Konstrukteurs, die Stromversorgungssituation oder die Frage, ob der Standort eine große Menge an vorgefertigtem Gas liefern kann, beachtet.

Im laufenden Betrieb stellt sich jedoch häufig heraus, dass einige Ventile mit Stellantrieben ausgestattet werden müssen oder sich die Parameter des Prozessmediums in einigen Ventilen ändern. Dann stellt sich die Frage: Soll ich den ursprünglichen Stellantrieb beibehalten oder ihn durch einen anderen Stellantrieb ersetzen, um die Leistung zu verbessern?

Längere Lebensdauer

Dieser Artikel stellt die wichtigsten Leistungsmerkmale von elektrischen und pneumatischen Aktuatoren vor und vergleicht sie.

Unter normalen Umständen garantieren Hersteller 10.000 Schaltzyklen für elektrische und 100.000 Schaltzyklen für pneumatische Stellantriebe. Aufgrund ihrer einfacheren Bauweise weisen pneumatische Stellantriebe eine deutlich längere Lebensdauer auf. Zudem besteht die Reibfläche pneumatischer Stellantriebe aus Elastomer oder Polymer, und verschlissene O-Ringe sowie Kunststoffführungselemente lassen sich leicht austauschen.

Bei einem elektrischen Stellantrieb ist üblicherweise ein Untersetzungsgetriebe zwischen Motor und Abtriebswelle verbaut. Die vielen ineinandergreifenden Zahnräder unterliegen einem gewissen Verschleiß im Betrieb. Es ist außerdem erwähnenswert, dass das Schmierfett während der gesamten Lebensdauer des pneumatischen Stellantriebs nicht gewechselt werden muss.

Drehmoment

Eines der wichtigsten Leistungsmerkmale von Stellantrieben für Rohrleitungsventile ist das Drehmoment. Das Drehmoment eines elektrischen Stellantriebs hängt von der Konstruktion (konstante Komponente) und der an den Stator angelegten Spannung ab. Das Drehmoment eines pneumatischen Stellantriebs hängt von der Konstruktion (konstante Komponente) und dem Druck der dem Stellantrieb zugeführten Druckluft ab.

Im Allgemeinen muss das Drehmoment des Stellantriebs größer sein als das maximale Drehmoment des Ventils oder größer als das zum Bewegen des Absperrelements erforderliche Drehmoment. In der Praxis kann das tatsächliche Drehmoment des Ventils höher sein als das vom Hersteller angegebene maximale Drehmoment und auch höher als das maximale Drehmoment des Stellantriebs. Dies ist zweifellos ein Notfall.

Wird der Stellantrieb weiter betrieben, kann dies zu Schäden am Stellantrieb und am Ventil führen. Steigt das Drehmoment des Ventils, erhöht der Motor das Drehmoment schrittweise, bis der Auslösewert erreicht ist. Dies bedeutet, dass die mechanische Struktur gezwungen wird, ein übermäßiges Drehmoment jenseits des Auslegungsbereichs aufzunehmen und zu bewältigen.

Überdrehschutz

Um Schäden an der Anlage unter den oben genannten Bedingungen zu vermeiden, kann der elektrische Stellantrieb mit speziellen Vorrichtungen ausgestattet werden. Am häufigsten kommt ein Drehmomentschalter zum Einsatz, der mechanisch (das gängige Funktionsprinzip beruht auf der axialen Bewegung des Schneckenrades bei Überdrehmoment) oder elektronisch (üblicherweise Messung des Statorstroms oder des Hall-Effekts) ausgeführt sein kann. Überschreitet das Drehmoment den maximal zulässigen Wert, unterbricht der Drehmomentschalter die Statorspannung und stoppt den Stellantriebsmotor. Pneumatische Stellantriebe benötigen keinen Überdrehmomentschutz. Überschreitet das auf das Ventil wirkende Drehmoment den zulässigen Grenzwert, führt die physikalische Eigenschaft der Druckluft zum Abschalten des pneumatischen Stellantriebs. Im Gegensatz zu elektrischen Stellantrieben überschreitet das Ausgangsdrehmoment pneumatischer Stellantriebe nicht den zulässigen Grenzwert. Daher kann davon ausgegangen werden, dass bei der Ausstattung eines Rohrleitungsventils mit einem pneumatischen Stellantrieb das Risiko eines Anlagenausfalls aufgrund eines zu hohen Drehmoments ausgeschlossen ist.

Explosionsgeschütztes Design

Befinden sich Gefahrgüter in der Betriebsumgebung, können elektrische Geräte eine Explosion verursachen. Aus Platzgründen werden die Schutzstufen und -methoden in explosionsgefährdeten Bereichen in diesem Artikel nicht behandelt.

Dennoch muss betont werden, dass in Umgebungen mit Gefahrstoffen explosionsgeschützte Geräte verwendet werden müssen.

Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Standardantrieben sind explosionsgeschützte elektrische Antriebe für Rohrleitungsventile teurer und komplexer in der Konstruktion. Selbst bei Einsatz pneumatischer Antriebe in explosionsgefährdeten Bereichen besteht keine Explosionsgefahr. Die spezielle Ausführung pneumatischer Antriebe für explosionsgefährdete Bereiche beschränkt sich zudem auf Stellungsregler, Magnetventile und Endschalter (Abbildung 1-3). Wird ein pneumatischer Antrieb mit explosionsgeschütztem Zubehör zur Betätigung eines Rohrleitungsventils verwendet, sind die Kosten daher deutlich geringer als die eines explosionsgeschützten elektrischen Antriebs mit derselben Funktion.

Positionierung

Pneumatische Aktuatoren weisen einen der größten Nachteile auf. Wenn der Aktuator die Mitte des Hubs erreicht, gestaltet sich die Positionierung komplizierter, was wiederum die Positionierung des Steuerventilschiebers erschwert.

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Luft ist die Positioniergenauigkeit pneumatischer Stellantriebe um ein Vielfaches geringer als die elektrischer Stellantriebe. Verwendet der elektrische Stellantrieb einen Schrittmotor, ist seine Positioniergenauigkeit um mehrere Größenordnungen höher als die eines mit einem Stellungsregler ausgestatteten pneumatischen Stellantriebs. Letzterer eignet sich nur für Systeme, die keine hohe Positionier- oder Regelgenauigkeit erfordern. Pneumatische Stellantriebe für Rohrleitungsventile weisen konstruktionsbedingte Besonderheiten auf: Alle Komponenten des Steuerungssystems sind an der Außenseite des Stellantriebs, also außerhalb der Hauptstruktur, angebracht. Soll der Betriebsmodus von „Aus“ auf „Regelung“ umgeschaltet werden, muss das Magnetventil durch einen Stellungsregler ersetzt werden. Da diese beiden Komponenten außen am pneumatischen Stellantrieb montiert sind und die Passfläche identisch gestaltet ist, lässt sich der Verteiler einfach entfernen und der Stellungsregler montieren. Mit anderen Worten: Derselbe pneumatische Stellantrieb kann durch Austausch der entsprechenden Zubehörteile sowohl für die Abschaltung als auch für die Regelung verwendet werden (Abbildung 1-2).