Elettromagneti proporzionali e valvole proporzionali

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FAQ Proportionalventile

Was sind Proportionalventile?

Wir sprechen hier von elektromagnetisch betätigten Proportionalventilen, Regelventilen oder auch Stetigventilen. Bei elektromagnetisch betätigten Ventilen handelt es sich um Ventile, die mit einem Elektromagneten angetrieben werden. Elektromagnete werden unter anderem nach der Regelbarkeit unterschieden. Wird als Antrieb für das Ventil ein Proportionalmagnet oder Regelmagnet verwendet, handelt es sich um ein Proportionalventil oder auch Regelventil. Proportionalventile werden je nach Ausführung in hydraulischen wie pneumatischen Anwendungen eingesetzt. Da ein Proportionalventil immer Teil eines Systems ist, spricht man im Ganzen von der Proportionaltechnik.

Was sind die Vorteile der Proportionaltechnik?

Proportionaltechnik hilft die Anforderungen an moderne fluidtechnische Systeme zu erfüllen:

  • Geregelter Lastaufbau, dadurch verringerte Belastung auf mechanische Bauteile
  • Ersatz von handbetätigten Ventilen durch elektrische Steuerungen
  • Vereinfachter Aufbau des hydraulischen oder pneumatischen Kreises
  • Handling höherer Leistungen
  • Automatisierbares und flexibles Einstellen von Stellgrößen
  • Energieeffizienterer Betrieb
  • Möglichkeit zum Aufbau von Regelkreisen für die Stellgrößen wie beispielsweise:
    • Geschwindigkeit  (Zylinder und Motoren)
    • Position
    • Kraft bzw. Drehmoment
    • Mischungsverhältnis

Durch was zeichnen sich Proportionalventile aus?

Mit Proportionalventilen  oder auch Stetigventilen kann der Energiefluss  in der Größe und je nach Ventilausführung auch in der Richtung gesteuert werden. Den Gegensatz hierzu stellen Schaltventile dar, mit diesen lässt sich nur zwischen Minimalwert und Maximalwert umschalten.

Der Energiefluss ist gekennzeichnet durch die Durchflussmenge und den Druck des Mediums.

Welche Arten von Proportionalventilen gibt es?

Soll mittels Ventil der Druck geregelt werden, benötigt man ein Proportional- Druckventil. Mit Proportional- Stromventilen kann die Durchflussmenge eines Mediums geregelt werden. Als Überbegriff spricht man allgemein von Wege-Ventilen.

Wie funktioniert ein Proportionalventil?  

Bei einem Proportionalventil ist die Stellgröße abhängig vom Strom der durch die Spule des Elektromagneten fließt. Diese Abhängigkeit wird durch ein Diagramm in den Technischen Daten des Ventils beschrieben.

Das nebenstehende beispielhafte Diagramm zeigt, dass der Druck (hier die Stellgröße) am Ventil mit steigendem Strom am Ventilmagneten zunimmt. 
Um einen linearen Zusammenhang zwischen Strom und Stellgröße zu erreichen, stellen proportionale Ventile hohe Anforderungen an die Qualität und Genauigkeit von Ventil und Elektromagnet.

Lassen sich Proportionalventile auch als On/Off-Ventile betreiben?

Grundsätzlich ja.  Statt den Strom zu verstellen wird das Ventil mit dem zulässigen Maximalstrom, dem sogenannten Grenzstrom, betrieben.

Da Proportionalventile den größeren Wertinhalt besitzen ist die Vorgehensweise in der Regel nicht zielführend, zudem erfolgt die Ansteuerung mittels Stromregelung, während Schaltventile einfacher,  spannungsgesteuert betrieben werden.

Wo kommen Proportionalventile zum Einsatz?

Haupteinsatzgebiet sind aufgrund der hohen Energiedichte hydraulische Anwendungen. Aber auch in der Pneumatik setzen sich Proportionalventile immer mehr durch,

Die Anwendungsgebiete sind sehr vielfältig.

Für die Hydraulik lässt sich sagen, dass Proportionalventile für die Ansteuerung von Zylindern und Motoren verwendet werden.

Wo früher handbetätigte Ventile eingesetzt wurden um die Bewegungen von hydraulisch angetriebenen Maschinen (Bsp. Bagger, Betonpumpe, landwirtschaftliche Geräte) zu steuern, so erfordern wachsende Komplexität und der Wunsch nach Automatisierung eine elektrische Ansteuerung der Ventile. Ruckfreie, geschmeidige und damit für Maschine und Anwendung sinnvolle Bewegungen lassen sich aber nur erreichen, wenn Kraft- und Geschwindigkeitsverlauf stufenlos reguliert werden können.

Diese Anforderungen erklären das sehr breite Anwendungsfeld von Proportionalventilen bzw. der Proportionaltechnik.

Im Bereich der Pneumatik werden Proportionalventile üblicherweise eingesetzt, wenn es darum geht, Durchflussmengen von Gasen zu regeln. Klassische Anwendungen sind hier die Medizin- und Analysetechnik.

Wie hoch ist die Lebensdauer von Proportionalventilen?

Neben der Robustheit der Ventile nehmen hier vor allem die aus der Anwendung resultierenden Einsatzbedingungen für das Ventil entscheidenden Einfluss.

Wichtige Faktoren sind:

  • Die Umgebungstemperatur
  • Der Belastungszyklus (mechanisch und elektrisch)
  • Mechanische und fluidische Schwingbelastungen
  • Druckverläufe

Als Besonderheit bei Proportionalventilen ist zusätzlich die Definition typischer Bewegungsabläufe eine Herausforderung. In der Anwendung ergibt sich eine Mischung aus Mikrobewegungen aufgrund sensibler Regelungsabläufe und großen Hubbewegungen. Diese Bewegungsabläufe werden entscheidend durch die Ansteuerung beeinflusst.

Wie werden Proportionalventile angesteuert?

Proportionalventile werden stromgeregelt angesteuert. Im Gegensatz zu einem Schaltventil welches üblicherweise mit Nennspannung betrieben wird, ist für den Betrieb eines Regelventils eine geeignete elektronische Ansteuerung erforderlich.

Für den Anwender ergibt sich hier eine Vielzahl von Möglichkeiten:

  • Integrierte oder integrierbare Elektronik auf dem Ventil
  • Direkte Ansteuerung durch eine SPS
  • Modulverstärker oder Verstärkerkarten im Schaltschrank
  • Kundenspezifische Ansteuerung

Dabei besteht je nach Lösung die Möglichkeit, eine Vielzahl von Parametern zu definieren und entsprechend abzurufen:

  • Sollwerte
  • Zeitliche Verläufe von Sollwerten für den Ein –und Ausschaltvorgang (Rampen)
  • Off-Set Werte
  • Überlagerte Schwingungen zur Reduzierung von Stick- Slip Effekten (Dither)

Komplexe Verstärkerkarten bieten darüber hinaus die Möglichkeit Sensorinformationen zur Sollwertabfrage zu integrieren und damit Regelkreise für Stellgrößen, wie Position, Kraft, Druck, Durchfluss bzw. Geschwindigkeit zu realisieren.

Was unterscheidet vorgesteuerte von direktgesteuerten Proportionalventilen?

Letztendlich entscheiden die zu steuernde Durchflussmenge und das Druckniveau darüber, ob ein Ventil direkt mittels Elektromagneten oder über ein elektromagnetisches Vorsteuerventil angetrieben wird.

Werden die Betätigungskräfte des Ventilkolbens zu groß, wird der Ventilkolben hydraulisch mittels eines Vorsteuerventiles betätigt, man spricht von einem vorgesteuerten Ventil.

Bei hinreichend kleinen Betätigungskräften wird der Ventilkolben direkt vom Proportionalmagneten betätigt.

Diese Unterscheidung lässt sich analog für Schalt- oder ON/OFF- Ventile vornehmen.

Wie verhalten sich Proportionalventile bei einem Stromausfall?

Dies ist von der Funktionsweise des Ventiles abhängig. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass ein Ventil bei Stromausfall seine Grundstellung einnimmt.

Wie schnell öffnen bzw. schließen sich Proportionalventile?

Die Dynamik eines Ventiles ist neben seiner Bauweise auch von den Einsatzbedingungen abhängig. Entsprechende Angaben sind Datenblättern zu entnehmen oder für die jeweilige Anwendung mit den Herstellern abzustimmen.

Wie ist die optimale Einbaulage von Proportionalventilen?

In der Regel hat die Einbaulage von Proportionalventilen keinen Einfluss auf die Funktion.

Es empfiehlt sich aber, bei der Festlegung der Einbaulage den Wartungsfall in Betracht zu ziehen.

Für den Fall, dass ein Ventil besonderen Beschleunigungen ausgesetzt ist, kann sich die Einbaulage (Lage Ventilkolben und Magnetanker in Bezug auf die Beschleunigungsrichtung) auf das Regelverhalten auswirken.

Welche Leckage weisen Proportionalventile auf?

Proportionalventile sind in der Regel Schieberventile. Um die Beweglichkeit des Ventilschiebers bzw. Ventilkolbens  in seiner Bohrung zu gewährleisten, ist Spiel zwischen Schieber und Bohrung erforderlich. Dieses Spiel führt zwangsweise zu einer geringen  internen Leckage zwischen Druck-, Arbeitsanschlüssen und dem Tankanschluss.

Die Höhe der Leckage hängt von konstruktiven und qualitativen Faktoren ab, und ändert sich mit dem beaufschlagten Druck sowie der Temperatur des Mediums.

Größe und Flussrichtung sind in der Regel in den technischen Daten des Ventiles angegeben.

Was ist unter der Hysterese eines Proportionalventiles zu verstehen?

Hysterese lässt sich gut als eine Art Reibungsverlust zwischen Steuersignal und Stellgröße erklären.

Betrachtet man die Idealkennlinie eines Proportionalventiles, dann ist einem Stromwert (Steuersignal) ein Durchflusswert zugeordnet. In der Praxis erreicht das Ventil diesen idealen Sollwert aufgrund von Verlusten wie Reibung nicht ganz. Durchfährt man folglich die vollständige Regelkennlinie des Ventils, verbleibt als Hysterese die Differenz zwischen dem Kennlinienast für steigende Stromwerte zum Kennlinienast für die fallenden Stromwerte.

Welche Proportionalventile stellt die Firma Magnet-Schultz her?

Das Produktprogramm von Magnet-Schultz umfasst neben Proportional-Druckminderventilen für Hydraulik auch Proportional-Magnetventile für Pneumatik. Darüber hinaus werden eine Vielzahl von Proportionalventilen als kundenspezifische Sonderentwicklungen in unterschiedliche Anwendungsbereiche geliefert.

Beispiele finden Sie in unseren Branchenseiten für Automotive und Hydraulik.