Monostabiles Nullleistungs-Verriegelungsventil: Vergleich des neuen Energiemarktes

Warum es in neuen Energiesystemen wichtig ist, die Macht zu halten

Eine 5-W-Magnetspule, die ein ganzes Jahr lang offen gehalten wird, verbraucht etwa 43,8 kWh (5 W × 8.760 h). Ein Ventil, das seinen Zustand bei 0,05 W hält, verbraucht im gleichen Zeitraum etwa 0,44 kWh. Die Zahlen dienen der Veranschaulichung, aber die Lücke ist real und vervielfacht sich mit jedem Ventil im System.

In einer netzgekoppelten Anlage stellt diese Lücke Betriebskosten dar. Bei solarbetriebenen und batteriegestützten Geräten handelt es sich eher um eine Designbeschränkung. Jedes Watt, das dafür aufgewendet wird, ein Ventil offen zu halten, verringert die Energie, die für alles andere zur Verfügung steht, und die Erzeugungs- und Speicherhardware muss dafür dimensioniert sein.

Hitze ist das zweite Problem. Eine kontinuierlich erregte Spule erwärmt das Ventil, das Gehäuse um es herum und in kompakten Schränken auch die in der Nähe befindlichen Komponenten. In Batteriebehältern und Gehäusen der Leistungselektronik sind die Wärmebudgets knapp und jedes Watt, das von einer Ventilspule abgeführt wird, ist ein Watt, das das Kühlsystem abführen muss.

Die Ventilauswahl in diesen Systemen hängt daher von drei Variablen ab: wie viel Strom das Ventil beim Halten verbraucht, wie viel Steuerhardware es benötigt und was es tut, wenn der Strom ausfällt. Der Rest dieses Artikels vergleicht Ventilarchitekturen mit diesen drei Variablen.

Drei Ventilarchitekturen im Vergleich

Normalerweise wählen Ingenieure zwischen zwei etablierten Designs. Das herkömmliche monostabile Magnetventil bleibt nur dann betätigt, wenn seine Spule erregt ist, und eine Feder bringt es in die Standardposition zurück, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. Das bistabile Impulsventil verfügt über eine Magnetverriegelung: Ein kurzer Impuls schaltet es und hält die Position ohne Strom, bis ein entgegengesetzter Impuls eintrifft.

Jeder Entwurf löst ein Problem und lässt ein anderes offen. Monostabile Ventile sind einfach zu verdrahten, ziehen aber kontinuierlich Haltestrom. Bistabile Ventile bleiben bei Nullleistung, benötigen aber einen Impulstreiber und bleiben in ihrer letzten Position, wenn die Versorgung unterbrochen wird. Die Monostabiles Sperrventil mit Nullleistung ist so konstruiert, dass es zwischen beiden liegt: Es ist wie ein monostabiles Ventil verdrahtet und gesteuert, behält seinen Zustand jedoch bei sehr geringer Leistung.

So funktioniert das monostabile Nullstrom-Verriegelungsventil

Das Ventil wird zum Öffnen oder Schließen mit Strom versorgt und fällt dann in einen Verriegelungszustand mit extrem geringem Stromverbrauch. Laut Herstellerangaben liegt die Halteleistung bei Gleichstrommodellen unter 0,05 W und bei Wechselstrommodellen unter 0,06 W, ohne dass die Spulentemperatur während des Betriebs ansteigt und die Energieeinsparungsrate über 95 % im Vergleich zu einem herkömmlichen monostabilen Ventil beträgt.

Zwei Designoptionen erklären das Verhalten. Erstens trennt eine zusammengesetzte Latch-Architektur die Schaltstufe mit hoher Leistung von der Haltestufe mit niedriger Leistung. Zweitens ist die Treiberschaltung in das Ventil integriert und wird nicht als externes Modul geliefert. Da sich der Treiber im Inneren des Ventils befindet, sieht das Steuersystem eine gewöhnliche Last mit zwei Zuständen: Spannung anlegen und das Ventil betätigt, Spannung entfernen und zurücksetzen.

Dieser letzte Punkt unterscheidet diese Konstruktion von einem bistabilen Impulsventil. Der Haltezustand hängt von einer geringen Dauerversorgung ab, sodass das Ventil bei einer vollständigen Stromunterbrechung automatisch in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Der Handel ist ein kleiner ständiger Zug im Austausch für vorhersehbares Verhalten.

Die integrierte Elektronik ist durch eine BMC-Verkapselung geschützt. Der elektrische Anschluss erfolgt über die Standard-DIN43650-Schnittstelle, sodass ein vorhandener Steckverbinder wiederverwendet werden kann und kein externer Treiber oder Impulsregler erforderlich ist.

Eignungsbewertung für neue Energieanwendungen

In der folgenden Tabelle wird aufgeführt, wo das Zero-Power Monostable Latching Valve passt und was noch überprüft werden muss. Bei den Bewertungen handelt es sich um technische Beurteilungen, die auf dem angegebenen Verhalten des Ventils basieren, und nicht um zertifizierte Leistungsansprüche für eine bestimmte Installation.

Besondere Aufmerksamkeit verdient das Speicherwärmemanagement. Kühlmittelkreisläufe in Batterieschränken sind auf Ventile angewiesen, die sich vorhersehbar verhalten, und ein Ventil, das bei Stromausfall in eine definierte Position zurückkehrt, ist eine Eigenschaft, die es wert ist, explizit spezifiziert zu werden. Dies bedeutet nicht, dass jeder Ventiltyp das thermische Risiko allein löst. Das bedeutet, dass das Rückstellverhalten neben der Druckstufe und der Kühlmittelverträglichkeit auf dem Datenblatt steht.

Die gleiche Logik gilt für Nachrüstungen. Da das Ventil über eine Standardverkabelung und einen DIN43650-Stecker verfügt, kann es ein herkömmliches Magnetventil ohne Änderungen am Steuerkreis ersetzen, was den Inbetriebnahmeaufwand in bestehenden Anlagen gering hält.

Wo ein anderer Ventiltyp die bessere Wahl ist

Das Zero-Power Monostable Latching Valve ist nicht in jedem Fall die Option mit der niedrigsten Leistung. Da es eine kleine Dauerversorgung benötigt, um seinen Zustand aufrechtzuerhalten, verbraucht es Strom, den ein impulsbetriebenes bistabiles Ventil nicht hat. Bei 0,05 W sind das etwa 1,2 Wh pro Tag. Eine 12-V-7-Ah-Batterie speichert ungefähr 84 Wh, so dass allein der Betrieb etwa 70 Tage dieser Kapazität verbrauchen würde.

Bei einem Sensorknoten, der zwischen den Betätigungen wochenlang schläft und mit einer kleinen Batterie betrieben wird, hält ein bistabiles Impulsventil in Kombination mit einem stromsparenden Controller normalerweise länger. Das Gleiche gilt, wenn das System bereits über einen Impulstreiber verfügt und kein automatisches Zurücksetzen benötigt.

Drei weitere Punkte erfordern Sorgfalt:

• Betätigungsspitzenstrom: Das Ventil benötigt beim Schalten mehr Strom als beim Halten, daher muss die Versorgung für den Spitzenstrom ausgelegt sein, der im Datenblatt aufgeführt ist.
• Gefahrenbereiche: Durch die integrierte Elektronik ist ein Ventil nicht für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet. Bestätigen Sie die erforderliche Zertifizierung für das jeweilige Modell.
• Herstellerangaben: Haltekraft und Sparquote sind angegebene Werte. Messen Sie sie bei Ihrer Betriebsspannung und Umgebungstemperatur, bevor Sie einen größeren Einsatz vornehmen.

Auswahl-Checkliste für Ingenieure und Käufer

Die folgenden Prüfungen unterscheiden eine geeignete Bewerbung von einer ungeeigneten. Wenn Sie sie der Reihe nach durchgehen, entscheiden Sie sich normalerweise für eine der drei Architekturen.

1. Steuerschnittstelle: Gibt der vorhandene Controller eine Dauerspannung aus oder erzeugt er bereits Impulse?
2. Versorgungsart: Ist das System Gleich- oder Wechselstrom und welche Spannung steht am Ventil zur Verfügung?
3. Verhalten bei Stromausfall: Muss das Ventil bei Stromausfall in eine definierte Position zurückkehren?
4. Einschaltdauer: Wie lange bleibt das Ventil in einem Zustand und wie oft schaltet es um?
5. Leistungsbudget: Kann die Versorgung eine kleine Dauerlast plus Betätigungsspitze tragen?
6. Medien und Druck: Sind Gehäusematerial, Dichtungen, Temperatur- und Druckwerte mit der Flüssigkeit kompatibel?
7. Zertifizierung: Erfordert der Standort eine Zulassung für explosionsgefährdete Bereiche oder andere Zulassungen?
8. Umgebung: Wie groß sind die Umgebungstemperaturen und die Vibrationsbelastung?

Zusammenfassung des Vergleichs

Herkömmliche monostabile Ventile bleiben für kurzzeitige, kostengünstige Anwendungen sinnvoll, bei denen Strom und Wärme keine Rolle spielen. Bistabile Impulsventile sind die beste Wahl für reine Batteriesysteme, die bereits über eine Impulssteuerung verfügen und keine automatische Rückstellung erfordern.

Das Zero-Power Monostable Latching Valve nimmt den Raum zwischen ihnen ein. Es eignet sich für neue Energiesysteme, die mit standardmäßiger Dauerspannungsregelung betrieben werden, Ventile über längere Zeiträume in einer Position halten und sowohl eine geringe Wärmeentwicklung als auch eine definierte Rückkehrposition bei Stromausfall benötigen. Seine Grenzen sind der stehende Zug während des Haltens, die Betätigungsspitze und die Zertifizierungsfragen, die für jedes elektrisch betriebene Ventil gelten. Der Vergleich dieser Grenzwerte mit der obigen Checkliste ist die zuverlässigste Methode, um zu entscheiden, ob sie zu einem bestimmten Design gehört.