Hoe Werkt een Elektrische Klepactuator

Elektrische kwartslagklepactuators zijn elektromechanische apparaten die worden gebruikt om kwartslagkleppen, zoals kogelkranen en vlinderkleppen, op afstand te bedienen. In vergelijking met hun pneumatische en hydraulische tegenhangers bieden elektrische klepactuators een energie-efficiëntere, schonere en stillere methode voor klepbediening. Ze kunnen samen met de klep worden gekocht als een pakket of als een afzonderlijke eenheid en worden toegevoegd aan een bestaande kwartslagklep.

Inhoudsopgave

• Ontwerp elektrische klepaandrijving
• Montage
• Kenmerken elektrische klepaandrijving
• Elektrische bedrading
• Normen
• Materiaal
• Elektrische klepactuator toepassingen
• Selectiecriteria voor elektrische klepactuatoren
• FAQ

Ontwerp elektrische klepaandrijving

Elektrische actuators voor kwartslagkleppen zijn een type roterende gemotoriseerde klepactuators. Elektrische roterende actuators zetten elektrische energie om in roterende kracht, dus een kwartslag elektrische actuator kan maar 90 graden draaien. De elektromotor genereert koppel dat via een uitgangsaandrijving wordt overgebracht om de klep te draaien. De opties voor de motorspanning zijn AC (wisselstroom), DC (gelijkstroom) of ze kunnen op beide spanningen werken. De motor zit in een robuuste, compacte behuizing die ook andere onderdelen van de actuator bevat, zoals tandwielen, eindschakelaars, bedrading, enz. Het geheel wordt aangesloten op een klep via een compatibele verbindingsinterface, zoals een ISO 5211-standaard.

Koppel

Kwartslagkleppen hebben een draai van 90° nodig om volledig te openen of te sluiten. Om de klep te draaien is koppel (het roterende equivalent van lineaire kracht) nodig. De elektrische actuator genereert dit koppel en geeft het door aan de uitgaande as, die vervolgens verbonden is met de stang of as van de klep. Dit roteert op zijn beurt de kogel of schijf van de klep en opent of sluit de opening om de stroom door te laten of te blokkeren. De hoeveelheid koppel die een actuator genereert, is afhankelijk van de vertanding en de motorcapaciteit. De motorcapaciteit (koppel) is een belangrijke specificatie voor de actuator omdat deze hoger moet zijn dan het vereiste koppel van de klep om te garanderen dat de klep geopend en gesloten kan worden. Meestal wordt het losbreekkoppel gespecificeerd als het vereiste koppel van een klep, omdat dit het hoogste koppel is dat nodig is om de klep te laten draaien.

Losbreekkoppel

Wanneer een klep zich in een open of gesloten positie bevindt, wordt de torsie die nodig is om uit een van deze posities "los te breken" de losbreekkoppel genoemd. Met andere woorden, dit is de hoeveelheid koppel die nodig is om een klep vanuit een ruststand te laten bewegen. Over het algemeen is het losbreekkoppel hoger dan het uitloopkoppel. Het losbreekkoppel voor een algemene kogelkraan is bijvoorbeeld ongeveer 30% hoger dan het aanloopkoppel. Het losbreekmoment is hoger omdat het vanuit een statische positie gebeurt, de media zich kunnen ophopen in de kogelholte en/of de media de klepzitting kunnen krassen waardoor de wrijving toeneemt, enz. Een geschikte kwartslagklepactuator moet een hoger koppel genereren dan het losbreekkoppel van de klep.

Reactietijd

Reactietijd is de tijd die een actuator nodig heeft om de klep een volledige 90 graden te draaien (d.w.z. om een klep volledig te openen of te sluiten nadat het commando is gegeven). Net als het koppel is de snelheid van een actuator gerelateerd aan de tandwieloverbrenging en het vermogen van de motor. Het koppel en de snelheid van een actuator zijn direct aan elkaar gerelateerd, aangezien het koppel omgekeerd evenredig is met de snelheid. Deze relatie wordt beïnvloed door vistuigregelingen. Voor een bepaalde capaciteit van de actuatormotor resulteert een hogere overbrengingsverhouding in meer koppel en een langzamere reactietijd dan een lagere overbrengingsverhouding. Als de responstijd een kritieke applicatiespecificatie is, moet hier dus samen met de koppelspecificatievereisten naar worden gekeken.

Controlemethode

Gangbare elektrische klepactuators hebben ofwel een 2-punts aansturing (meestal gewoon aan/uit genoemd) ofwel een 3-punts aansturing, maar beide hebben 3 draden.

Spanning

Elektrische aandrijvingen kunnen op gelijkstroom of wisselstroom werken. Ze zijn gewoonlijk verkrijgbaar in de volgende spanningsklassen: 12, 24 en 48V voor gelijkstroom en 24, 48, 120, 130, 240V voor wisselstroom.

Montage

De kwartslag actuatoren hebben een verbindingsflens om ze te verbinden met een klep. Deze bestaat uit een uitgangsaandrijving, een as of stang om de klepkop te verbinden, en een flens om de actuator aan de klep te bouten. Het ontwerp en de afmetingen van deze flens kunnen merkspecifiek zijn of gestandaardiseerd volgens normen zoals ISO 5211. Voorbeelden van kwartslag actuators met merkspecifieke aansluitinterfaces zijn de AW1 serie kogelkraan actuators van JP fluid controls. Deze kleppen zijn compatibel met de BW2- en BW3-ventielen van JP fluid controls. De AG kwartslag actuatorseries hebben daarentegen een gestandaardiseerde ISO 5211 aansluitinterface en zijn compatibel met alle kleppen met een ISO 5211 flens. Figuur 2 hieronder toont een ISO 5211 flens. Ongeacht het merk kunnen verschillende kleppen en actuatoren verwisseld worden, zolang ze maar aan dezelfde ISO 5211-norm voldoen. Onder de ISO 5211-norm vallen verschillende flenstypes die variëren door het maximale koppel van de flens, de afmetingen en het aantal bouten.

Eigenschappen van de elektrische klepactuator

Positie-indicatoren

Positie-indicatoren geven de positie, open of gesloten, van de actuator op een bepaald moment aan. Er zijn visuele indicatoren, zoals in Afbeelding 3, maar er zijn ook elektrische positieterugkoppelingssystemen die de positie terugsturen naar je systeem (d.w.z. besturing). Positie-indicatoren hebben twee basis schakelopties: mechanische schakelaars en benaderingsschakelaars (contactloos). Mechanische eindschakelaars worden geactiveerd door interne nokken op de uitgaande aandrijfas. Mechanische schakelaars kunnen ook eindschakelaars zijn. Naderingsschakelaars worden geactiveerd door sensoren die de klepstand detecteren. Positie-indicatoren kunnen alleen de basis aan- en uitstand weergeven of ook gedeeltelijk geopend of gedeeltelijk gesloten.

Handmatige override

Handmatige override is een veiligheidsfunctie die in de meeste actuators aanwezig is. Het is meestal een mechanisch handwiel of handvat. Met dit wiel kun je een klep mechanisch sluiten of openen in geval van stroomuitval of een ander noodgeval.

Eindschakelaars

Eindschakelaars zijn een elektromechanisch onderdeel van actuatoren. Ze bestaan uit een nok voor de sluiteindschakelaar en een nok voor de open eindschakelaar. Als de actuator een klep in de open of gesloten stand zet, beweegt de bijbehorende schakelnok. Wanneer een eindpositie wordt bereikt, schakelt de corresponderende schakelnok de elektriciteit uit. Hierdoor wordt verdere beweging voorkomen en wordt de zitpositie beperkt. Grenszitting is het in de gewenste eindstand houden van een klep. Bij bepaalde actuators zijn de nokken van de eindschakelaar verstelbaar. Hiermee kun je een positie, zoals 75% open, instellen als eindpositie. Nokken van eindschakelaars kunnen worden ingebouwd in positie-indicatoren als een mechanische koppeling tussen de klep en de actuator.

Inschakelduur

De bedrijfscyclus bepaalt de gebruikstijd van een actuator tussen cycli. Het openen en sluiten van de klep maakt één cyclus. De bedrijfscyclus is een verhouding tussen aan- en uittijd, uitgedrukt als percentage. Het wordt berekend met de onderstaande formule. Als een actuator er bijvoorbeeld 10 seconden over doet om te openen, 20 seconden om te sluiten en dan 30 seconden om te rusten na het openen en sluiten, dan is de duty cycle (10+20 / 10+20+30) × 100 = 50%.

(openingstijd + sluitingstijd) / (openingstijd + sluitingstijd + rust) × 100 = bedrijfscyclus

Fail-safe

Fail-safe is een belangrijke veiligheidsfunctie in sommige geautomatiseerde klepactuators. De fail-safe is ontworpen om een klep te sluiten of te openen wanneer de stroom uitvalt. Zo'n systeem heeft een vorm van energieopslag nodig, zoals een veermechanisme of een batterij. Normaal gesproken zal het fail-safe mechanisme de klep sluiten. In een veermechanisme sluit een geladen veer de klep automatisch af wanneer de stroom uitvalt. Bij een back-up batterijsysteem, vaak een battery safety return (BSR) genoemd, voorziet een batterij de actuator van stroom om deze te sluiten. Afhankelijk van de grootte van de batterij en de actuator variëren de oplaadtijd en het totale aantal beurten. Voor extra redundantie zijn bij sommige actuators beide versies van de fail-safe in het ontwerp opgenomen. Zoals vermeld, sluiten de meeste faalveilige operaties de klep, maar voor bepaalde toepassingen moet de klep openen bij stroomuitval. Een voorbeeld van een dergelijke toepassing is de stroom koud water die een warmtewisselaar binnenkomt. Dit komt omdat er koud water nodig is om de resterende warme vloeistof af te koelen, om oververhitting te voorkomen.

Modulatie

Bepaalde elektrische klepactuators kunnen een modulerende regeling uitvoeren, waarnaar vaak wordt verwezen als DPS (digital positioning system). Dit is de mogelijkheid om de klep nauwkeurig te positioneren op elk punt tussen volledig geopend en volledig gesloten (d.w.z. tussen 0° en 90°). Dit is nodig voor toepassingen waarbij de stroomsnelheid moet kunnen variëren. Modulatie wordt meestal bereikt met een regelkringsysteem en een printplaat voor positionering die in de actuator wordt geplaatst. Lees ons artikel over modulerende kleppen voor meer informatie over modulatie.

Elektrische bedrading

In dit hoofdstuk worden de verschillende bedradingsmogelijkheden voor 2- en 3-punts elektrische klepactuatoren toegelicht, aangezien er belangrijke verschillen zijn tussen beide.

• Actuatoren met 2-puntsregeling (aan/uit): De drie draden zijn voor +, - en een stuurdraad. Om de klep te kunnen draaien, moet de stuurdraad van stroom worden voorzien om de klep te openen en niet van stroom worden voorzien om de klep te sluiten of andersom. Zonder stroomtoevoer naar de gehele unit blijft de klep in de laatste stand staan. De AW1-R serie van JP Fluid Control gebruikt bijvoorbeeld dit open/dicht bedradingsschema.
• Actuatoren met 3-puntsregeling: De drie draden bestaan uit een - en twee voor + (stuurdraden). Hierdoor kunnen de twee besturingssignalen de klep openen of sluiten, afhankelijk van welke draad voorzien is van stroom. Met de 3-puntsregeling zijn tussenstops ook mogelijk (gedeeltelijk open). De twee stuurdraden mogen nooit tegelijkertijd van stroom worden voorzien, anders ontstaat er schade aan de actuator. De AW1-serie van JP Fluid Control gebruikt bijvoorbeeld dit 3-punts bedradingsschema.

Controleer voor de installatie of de code van de actuator overeenkomt met het aansluitschema. Een onjuiste installatie kan de actuator permanent beschadigen of tot gevaarlijke situaties leiden. De actuators hebben interne positieschakelaars, waardoor alleen energie wordt verbruikt tijdens het openen of sluiten.

2-punts AW1 DC elektrische actuator

Het aansluiten van de besturingsdraad (blauw) opent de klep in 6s. Zodra de besturingsdraad wordt afgesloten, sluit de klep in 6s. De actuator verbruikt alleen energie tijdens het openen en sluiten.

3-punts AW1 AC elektrische actuator

Het aansluiten van de blauwe besturingsdraad opent de klep in 16s. Het aansluiten van de bruine besturingsdraad sluit de klep in 16s. Als beide stuurdraden worden losgekoppeld, blijft de klep in de huidige stand staan. Op deze manier kan de positie van de klep worden geregeld. Sluit de blauwe en bruine besturingsdraden nooit tegelijkertijd aan, want dan beschadigt u de actuator. De actuator verbruikt alleen energie tijdens het openen en sluiten.

2-punts AW1 AC elektrische actuator

Het aansluiten van de besturingsdraad (zwart) opent de klep in 16s. Zodra de besturingsdraad wordt afgesloten, sluit de klep in 16s. De actuator verbruikt alleen energie tijdens het openen en sluiten.

3-punts AW1 DC elektrische actuator

Door de bruine besturingsdraad aan te sluiten sluit de klep in 6s. Het aansluiten van de zwarte besturingsdraad zorgt ervoor dat de klep in 6s opent. Als beide stuurdraden zijn aangesloten, blijft de klep in de huidige stand staan. Op deze manier kan de positie van de klep worden geregeld. Sluit de zwarte en bruine besturingsdraden nooit tegelijkertijd aan! Dit zal de actuator beschadigen. De actuator verbruikt alleen energie tijdens het openen en sluiten.

Normen

IP-beschermingsgraad (IEC 60529)

Elektrische klepactuators hebben een beschermingsklasse IP (Ingress Protection). De IP-waarde geeft de mate van bescherming van de actuator aan tegen stof, water en andere omgevingsgevaren. De IP 54-classificatie van de kogelkraanactuators uit de AW-serie betekent dat deze actuators gedeeltelijk beschermd zijn tegen stof en bestand zijn tegen spatwater.

Bedrijfstype (IEC 60034-1)

Dit is een internationale IEC-norm (International Electro-technical Commissions) voor roterende elektrische apparaten. Voor elektrische actuatoren specificeert het het bedrijfstype en de bedrijfscyclus van hun elektromotoren. Een actuator met een nominale S2 30min kan gedurende 30min ononderbroken in kort bedrijf werken, waarna de motor moet rusten. Het kan opnieuw worden opgestart nadat de temperatuur is teruggekeerd naar kamertemperatuur.

ATEX

ATEX-richtlijnen bepalen welke apparatuur veilig kan werken in een omgeving met een explosieve atmosfeer. Een ATEX-certificaat voor een actuator betekent dat de actuator in een bepaalde omgeving explosieveilig is. Raadpleeg ons stroomschema om te bepalen of u een ATEX-actuator nodig hebt of dat u meer inzicht moet krijgen in uw ATEX-label.

Laagspanningsrichtlijn (LVD) 2014/35/EU

De LVD-certificering garandeert dat elektrische laagspanningsapparatuur, zoals actuators, voldoende bescherming biedt aan de gebruikers ervan.

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) 2014/30/EU

Een EMC-gecertificeerde actuator genereert noch wordt beïnvloed door elektromagnetische storingen.

Materiaal

De componenten van de actuator zitten in een compacte behuizing. De meest voorkomende materialen voor de behuizing zijn kunststof en aluminium.  Voor speciale toepassingen kunnen speciale behuizingsmaterialen nodig zijn.

Elektrische klepactuator toepassingen

Elektrische kwartslag actuators worden gebruikt om kogelkleppen en vlinderkleppen op afstand te bedienen. Ze verhogen het bedieningsgemak van kwartslagkleppen aanzienlijk door een geautomatiseerde bediening op afstand. Ze leveren ook voldoende koppel voor kleppen die een hoger koppel nodig hebben dan een mens kan genereren. Deze actuators worden gebruikt in industriële automatisering, irrigatie, watervoorziening, vloeistofdosering, verwarmingssystemen en vloeistoftransport of -overbrenging.

Selectiecriteria voor elektrische klepactuatoren

• Koppel
• Vermogen
• Compatibiliteit van ventielmontage
• Temperatuur
• IP-classificatie
• ATEX vereiste
• Fail-safe
• Modulatie
• Bedrijfstype en -cyclus

FAQ

Hoe installeer ik een elektrische klepactuator?

De installatie- en bedradingsmethoden voor elektrische actuators verschillen per model. Gedetailleerde bedradings- en installatie-instructies voor de AW- en AG-serie actuators vindt u echter hier.