Austausch des Woodward EGB10 durch den ProAct (Gen III)

In diesem Beitrag wird der Austausch eines hydraulisch-mechanischen Drehzahlreglers durch ein digitales, elektronisches System behandelt. Konkret wird ein Woodward EGB10 durch einen ProAct-Aktuator der dritten Generation ersetzt.

Hydraulische Regler erfordern spätestens alle 30.000 Betriebsstunden eine Generalüberholung durch einen autorisierten Service-Partner. Diese Revisionen verursachen Kosten im vierstelligen Bereich. Zudem besteht das Risiko, dass sich das dynamische Verhalten des Reglers nach der Überholung verändert, was zu unruhigem Motorlauf führen kann.

Ein digitaler Regler bietet hier folgende Vorteile:

• Geringere Lebenszykluskosten: Die Anschaffungskosten liegen im Bereich einer mechanischen Revision.
• Wartungsarmut: Das System arbeitet nahezu wartungsfrei.
• Einfacher Austausch: Im Fehlerfall wird der Aktuator als komplette Einheit getauscht. Die Instandsetzung des Altgeräts (z. B. Lagerwechsel) kann anschließend ohne Stillstandszeiten der Anlage durchgeführt werden.

Der ProAct ist kein reines Stellglied, sondern ein autarkes, geschlossenes Regelsystem (Closed-Loop).

1. Sollwert-Verarbeitung: Das System empfängt das Positionssignal vom übergeordneten Drehzahlregler und setzt dieses in Bruchteilen einer Sekunde um.
2. Interne Regelung: Ein integrierter Positionssensor erfasst permanent die Ist-Stellung. Der interne Regelkreis steuert den Scheibenmotor direkt in CW- (Clockwise) oder CCW-Richtung (Counter-Clockwise).
3. Zustandsüberwachung: Die integrierte Elektronik ermöglicht ein kontinuierliches Monitoring des Aktuators, wodurch Ausfälle frühzeitig vermieden werden können.

Projekthintergrund und Risikoabwägung

Diese Faktoren gaben den Ausschlag für den Umbau auf einem Schiff mit dieselelektrischem Antrieb. Technisch bedeutete dieser Schritt den Verzicht auf das mechanisch-hydraulische Backup, das der EGB10 bei Stromausfall bietet. Der ProAct verfügt über kein solches Backup.

Bei einer Konfiguration mit drei Hauptmotoren und einer redundant ausgelegten Spannungsversorgung ist ein mechanisches Backup jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Vorteile bei Präzision, Wartung und Diagnosefähigkeit führten letztlich zur Entscheidung für den ProAct Gen III.

Die technische Projektierung begann mit der exakten Bestimmung der Montageposition für den neuen Aktuator. Ziel dieser geometrischen Auslegung war es, die Hebelverhältnisse so zu wählen, dass ein nahezu identisches Gelenkspiel und eine optimale Kraftübertragung zum Regelgestänge des Motors gewährleistet sind.

Die folgenden Abbildungen dokumentieren diesen Konstruktions- und Planungsprozess:

Im direkten Vergleich wird die kompakte Bauform des neuen Aktuators deutlich. Auf der Konstruktionszeichnung bzw. dem Foto ist die Ausgangswelle des Aktuators exakt in derselben Position ausgerichtet wie die des ursprünglichen Reglers.

Diese geometrische Ausrichtung dient als Basis für die Konstruktion der Montagekonsole (Gestell), auf welcher der Aktuator final befestigt wird.

Die weiteren Aufnahmen zeigen zwar nicht denselben Motor, aber zwei baugleiche, nebeneinander installierte Aggregate im direkten Vergleich: Eine Maschine ist noch mit dem Woodward EGB-10P ausgestattet,

während die benachbarte bereits auf den ProAct Gen III umgerüstet wurde.

Der optische Vergleich verdeutlicht nochmals die erhebliche Platzersparnis und die kompakte Bauweise des elektronischen Aktuators gegenüber der mechanisch-hydraulischen Baugruppe.

Nachdem der neue Aktuator montiert und der Stellweg des Kraftstoffhebels über den gesamten Bereich von 0 % bis 100 % mechanisch überprüft worden war, erfolgte die Anpassung der Parameter im Drehzahlregler. Hierzu waren lediglich zwei Software-Konfigurationen erforderlich:

1. Wirkrichtung: Umstellung des Ausgangssignals von Reverse Acting (invertiert) auf Forward Acting (direkt wirkend).
2. Signalart: Anpassung des Ausgangssignals von 0…200 mA auf den Standard von 4…20 mA.

Anschließend wird der Konnektor „ACS06E24-28S-472“ vorbereitet, wobei die alten Steuerleitungen von dem Drehzahlregler zum Governor benutzt werden können:

Und nach dem der Konnektor an das ProACT angeschlossen wurde, kann die Maschine gestartet werden.

Das folgende Video zeigt das Verhalten beim Erststart:

Der erste Probelauf verlief vollständig erfolgreich. Aufgrund des engen Zeitfensters vor Ort konnte im ersten Schritt nur eine der drei Maschinen durch uns umgerüstet werden. Das Ergebnis und die Betriebswerte der modifizierten Anlage überzeugten die Besatzung jedoch so weit, dass die Mannschaft die verbleibenden zwei Motoren in den Folgetagen eigenständig und erfolgreich umgerüstet hat.

An dieser Stelle bedanke ich mich bei der Besatzung. Ohne deren Einsatz wäre es unmöglich Umbau durchzuführen.

Aber Governor ist nicht gleich Governor. Hier ist ein Überblick über die gängigsten Typen, die uns im Alltag begegnen:

Die Klassiker und Spezialisten im Check

SG Governor

Der SG-Governor ist ein hydraulischer Regler mit Speed Droop, der in kleinen Diesel-, Gas- oder Benzinmotoren eingesetzt wird, bei denen keine isochrone (konstante) Drehzahlregelung erforderlich ist. Der Aufbau des Speed-Droop-Governors bewirkt, dass der Governor bei zunehmender Motorbelastung mit einer niedrigeren Geschwindigkeit arbeitet. Diese Eigenschaft ermöglicht die Stabilität des geregelten Systems und eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen parallel geschalteten Einheiten.

(Drehmoment: < 4.0 Nm)

PSG Governor

Der PSG-Governor ist ein druckkompensierter Regler mit Speed-Droop oder isochroner Regelung zur Steuerung der Drehzahl von kleinen Diesel-, Gas- und Benzinmotoren sowie von kleinen Dampf- oder Industriegasturbinen. Er wird eingesetzt, um Motoren oder Turbinen zu steuern, die Generatoren, Gleichstromgeneratoren, Pumpen oder Kompressoren antreiben.

(Drehmoment: < 3.9 Nm)

TG Governor

Speziell für Dampfturbinen entwickelt. Er lässt sich nur mechanisch über Hebel oder Gewinde einstellen. Ein echtes Arbeitstier ohne viel Schnickschnack.

Drehmoment:

• TG10: T < 14 Nm
• TG13: T < 16.5 Nm
• TG17: T < 23 Nm

EGB Governor

Der EGB-Governor/Aktuator wird zusammen mit Woodward-Analog- oder Digitalsteuerungen verwendet, die ein proportionales Signal von 20–160 mA liefern, um Dual-Fuel-, Diesel- und Benzinmotoren sowie Gas- und Dampfturbinen zu steuern, die elektrische oder mechanische Lasten antreiben. Die integrierte hydraulische Ölversorgung erleichtert die Wartung des Governors in nahezu jeder Installationsumgebung.

Drehmoment:

• EGB10P: T < 11 Nm
• EGB13P: T < 14.2 Nm
• EGB35P: T < 38 Nm
• EGB50P: T < 54 Nm
• EGB29P: T < 34 Nm
• EGB58P: T < 71 Nm

PGG-EG Governor

(Pressure compensated Governor Generator Electric Governor) Die PGG-EG-Governor/Aktuatoren verfügen über eine Motordrehzahleinstellung für den Kugelkopf-Backup-Governor. Diese Einheiten werden üblicherweise in Generatoranwendungen oder Schiffen eingesetzt. Besonders breite Verbreitung fanden diese Governor bei MAK – oder Wärtsilä – Motoren. Eine extern einstellbare Droop-Funktion am Backup-Governor sowie eine Lastbegrenzung gehören zur Standardausstattung des PGG-EG.

Drehmoment:

• PGG-EG12: T < 16 Nm
• PGG-EG16: T < 22 Nm
• PGG-EG29 :T < 39 Nm
• PGG-EG58 :T < 79 Nm
• PGG-EG200 :T < 271 Nm

UG25+ Governor

Der universelle Governor UG-25+ ist ein mikroprozessorgesteuerter, mechanisch-hydraulisch verstärkter Regler zur Steuerung von Diesel-, Gas- oder Dual-Fuel-Motoren sowie Dampfturbinen. Der Governor bietet erweiterte Steuerungsfunktionen, wie z. B. Startkraftstoff- und Boost-Begrenzungsschemata. Die zusätzliche transiente Kraftstoffbegrenzung (Sprungregelung) verbessert die Lastaufnahme des Motors und reduziert transiente Emissionen erheblich. Der UG-25+ zeichnet sich durch schnelle Reaktionsfähigkeit und hohe Arbeitsleistung aus, ohne dass zusätzliche Hilfsgeräte wie ein Start-Booster erforderlich sind.

Drehmoment:

• UG-25+ standard: T < 45.4 Nm
• UG-25+ incr. output: T < 55 Nm

Wie funktioniert das Ganze eigentlich?

Stellt euch den Governor als Bindeglied zwischen Motor und Kraftstoffzufuhr vor. Er hängt direkt an der Kurbelwelle. Erhöht sich die Drehzahl, bewegen sich die sogenannten Fliehgewichte nach außen. Dieser Impuls regelt über einen Ölkreislauf den Druck auf einen Kolben, der wiederum den Kraftstoffhahn drosselt oder öffnet.

Die Hauptbestandteile eines hydro-mechanischen Governors an dem Beispiel eines UG8-Governor:

• Drehzahlspeederfeder
• Axiallagersystem
• Fliehgewichte
• Steuerkolben der Pilotventile
• Buchse des Pilotventils
• Ölpumpen
• Öl-Druckregelung
• Servo- (Kraft-) Kolben
• Kompensationssystem
• Antriebswelle

Kleiner Einblick in das Innenleben (am Beispiel des UG8): Das Innere ist ein mechanisches Kunstwerk aus Federn, Axiallagern, Pilotventilen, Ölpumpen und Kompensationssystemen.

Die Hybrid-Lösung: Das Beste aus beiden Welten (PG-EG & EGB z.B.)

Wer maximale Präzision will, aber bei der Sicherheit keine Kompromisse eingehen möchte, landet unweigerlich bei den Hybrid-Governor-Systemen wie dem PG-EG oder dem EGB.

Wie funktionieren sie? Diese Modelle besitzen zusätzlich einen proportionalen Eingang (meistens im Bereich von 20–160 mA). Hier kann ein externer, digitaler Drehzahlregler, wie Woodward 701, 721, 723 Plus oder 702 bei Lokomotiven, angeschlossen werden. Die Elektronik übernimmt dann das Kommando und steuert den Motor so exakt aus, dass spürbar Treibstoff eingespart wird und die Verbrennung optimal abläuft.

Das Sicherheits-Plus: Der mechanische Fallschirm Das eigentliche Highlight ist die Ausfallsicherheit. Sollte die elektronische Steuerung einmal aussetzen (z. B. durch einen Kabelbruch oder Sensorausfall), steht die Anlage nicht sofort still.

• Automatischer Wechsel: Der Governor schaltet im Fehlerfall nahtlos in den mechanischen Modus um.
• Backup-Betrieb: Der interne Fliehkraftregler übernimmt sofort die Kontrolle.

Das macht diese Hybride zur ersten Wahl für Anwendungen, bei denen ein plötzlicher Motorausfall kritisch wäre – wie in der Schifffahrt oder bei der Energieversorgung. Man kombiniert also die digitale Effizienz mit der mechanischen Unzerstörbarkeit.

Warum Wartung kein Luxus ist

Wenn man sich die Liste der Bauteile ansieht, wird schnell klar: Das ist Feinmechanik auf höchstem Niveau. Da sich viele Teile bewegen und unter Öldruck stehen, ist Verschleiß vorprogrammiert. Deshalb sollte man den Governor alle 30.000 bis 40.000 Betriebsstunden in die Fachwerkstatt schicken. Wer hier spart, riskiert teure Ausfälle.

Reparatur oder High-Tech-Tausch?

Die Überholung ist oft zeit- und kostenintensiv. Viele Firmen überlegen daher: „Warum nicht gleich auf vollelektronische Aktuatoren umrüsten?“

• Vorteil: Nahezu wartungsfrei und extrem präzise.
• Nachteil: Das mechanische Backup fällt weg. Wenn die Elektronik streikt, steht die Maschine still. Hier braucht man also immer einen schnellen Ersatzplan.

Unter einem Drehzahlregler versteht man im Allgemeinen ein Zusatzgerät für eine Maschine zur automatischen Regelung oder Begrenzung der Drehzahl.

Der Drehzahlregler, manchmal auch Governor genannt, regelt die Energie, die einer Antriebsmaschine zugeführt wird, um ein gewünschtes Ergebnis wie Drehzahl, Last oder Druck zu erzielen. Unter Energie versteht man im Allgemeinen chemische Energie bei einem Verbrennungsmotor oder Druck bei einer Dampf- oder Wasserturbine.

Mechanische Regelung

Funktionsbeschreibung

der einfachste Geschwindigkeitsregler:

Durch die Zentrifugalkraft bewegt sich der Ring nach oben und verringert den Wasserdurchfluss. Bei geringerer Drehzahl – fallen die Kugeln nach unten und der Wasserzufluss erhöht sich…

Hydraulische Regler

Funktionsbeschreibung

Fast alle mechanischen Drehzahlregler arbeiten nach dem gleichen Prinzip:

Über den Steueranschluss wird die Antriebsdrehung auf die Fliehgewichte übertragen, die drehzahlabhängig Axialkugellager bewegen und Kraft auf mechanische oder hydraulische Stellglieder ausüben.

Weiterentwicklung

Durch ausgefeilte Techniken können mechanische Drehzahlregler um Eigenschaften wie Droop erweitert werden. Langsam wird jedoch erkannt, dass mechanische Drehzahlregler zwar sehr stabil und ausfallsicher sind, aber sehr schnell an ihre Grenzen stoßen. Hinzu kommt, dass solche Drehzahlregler sehr teuer und massiv sind.

Meist werden solche Regler dort eingesetzt, wo die Verfügbarkeit sehr hoch sein muss, z.B. bei Schiffen oder Dampfturbinen. In solchen Fällen wird der Regler durch einen elektrischen Drehzahlregler zu einem Stellglied degradiert und die Fliehkraftregelung wird immer nur dann aktiviert, wenn die Elektronik ausfällt.

Elektronischen analogen Regler

Funktionsbeschreibung

Diese Regler arbeiten mit analogen Signalen wie der Frequenz des Drehzahlsensors. Diese Frequenz wird mittels Filter in eine analoge Spannung umgewandelt, mit einem Sollwertsignal verglichen und als Ausgangssignal an ein Stellglied weitergegeben. Die Regelstrecke ist in diesem Fall der Motor, dessen Drehzahl wiederum vom Drehzahlsensor erfasst wird.

Das Diagramm eines Barber Colman DYNA – Reglers zeigt die Funktionsweise eines typischen analogen Drehzahlreglers:

die Vorteile eines solchen Reglers liegen

• in der Wirtschaftlichkeit und im modularen Aufbau.
• Im Gegensatz zum mechanischen Regler, bei dem der Regler mit dem Stellglied eine Einheit bildet, kann der elektronische Regler an eine Vielzahl von Stellgliedern angeschlossen werden.
• Die Einstellung erfolgt in der Regel mit einem einfachen Schraubendreher ohne aufwendigen Umbau des Gerätes.

Zur Nachteilen zählen:

• Relativ geringe Ausfallsicherheit.
• Relativ schneller Alterungsprozess wegen der Vielzahl elektronischen Bauteile.
• Abhängigkeit von der Stromversorgung.
• Ungenaue Parametrierung …

Heutiger Stand – Digitalen Regler

Ein digitaler Geschwindigkeitsregler ist die logische Weiterentwicklung eines analogen Reglers. Der Regler ist im Wesentlichen ein Prozessor mit einer Vielzahl von Ein- und Ausgängen, die durch ein spezielles Programm gesteuert werden.

Für einfachen Anwendungen wie, kleine Gensets, Gabelstabler oder Landmaschinen empfiehlt sich ein einfacher Drehzahlregler mit wenigen analogen, bzw. digitalen Eingängen, wie ein APECS 4500:

APECS 4500

Durch die umschaltbare Regelparameter, flexiblen Ein-/Ausgänge und besonders einen PWM-Aktuator-Ausgang mit Dauerstrom bis zu 8A. eignet sich der Apecs 4500 für eine große Anzahl der Stellglieder welche als Solenoid bzw. DC-Motor ausgeführt sich.

Woodward 2300E

Der Woodward 2301E Drehzahlregler wird für komplexere Aggregate verwendet. Genau genommen kann der 2301E nicht mehr als Drehzahlregler bezeichnet werden, sondern als Motorregler (ECU), wenn der volle Umfang der Hardware ausgenutzt wird.

2301E besitzt:

• 1x CAN – Port.
• 3x PT und 3x CT – Eingänge als Generatorlastsensor,
• 1x Actuator Driver – Ausgang,
• 2x MPU – Eingänge,
• 1x analoge Ausgang,
• 2x analoge Eingang,
• 8x digitalen Eingänge,
• 4x digitalen oder PWM – Ausgänge,
• 1x RS232,
• 1x RS422,

Alle diese Ein- und Ausgänge können in der Programmierumgebung GAP beliebig miteinander verknüpft und programmiert werden.

Woodward liefert dieses Modul hauptsächlich in drei Versionen aus:

• 2301E Digital Load Sharing and Speed Control for Engines,
• 2301E-ST Digital Electronic Load Sharing & Speed Control for Small Steam Turbines und
• 2300EDigital Load Sharing and Speed Control Hardware

Das Besondere an dieser Hardware ist, dass durch die freie Programmierung mit GAP ein kundenspezifisches Gerät entwickelt werden kann, das einen perfekten Ersatz für veraltete Drehzahlregler wie 721, 723 usw. darstellt.

Large engine control module (E6)

• Inputs:
  • 16 digital, 29 digital/analog,​
  • 8 differential analog, ​
  • 8 T/C or RTD, 2 UEGO​
  • 4 VR/HE/PWM, MPU
• Outputs:
  • 8 HS digital, 12 LS/PWM digital, 2 analog, 4 HS/LS/PWM digital
• Communications:
  • ​3 CAN, 1 RS-485, 1 RS-232, 1 Ethernet​

Wie der 2300E wird auch der LECM mit GAP programmiert und kann nicht nur mit der Standardsoftware von Woodward, sondern auch mit eigener Software betrieben werden. An dieser Stelle sollte auch erwähnt werden, dass dieses Hauptmodul, wie im Bild dargestellt, mit weiteren Modulen erweitert werden kann, wie:

AUX, COMBUSTION CONTROL

• Inputs:
  • 24 Knock, Pressure, or T/C
  • 2 VR/HE/PWM speed sensors,
  • 2 digital jumpers​
• Outputs:
  • 1 HS digital,
  • 20 electronic ignition/injection drivers​
• Communications:
  • 2 CAN​

EID (ELECTRONIC IGNITION/INJECTION DRIVER) MODULE

• Inputs:
  • 24 Knock, Pressure, or T/C
  • 2 VR/HE/PWM speed sensors,
  • 2 digital jumpers​
• Outputs:
  • 1 HS digital,
  • 20 electronic ignition/injection drivers​
• Communications:
  • 2 CAN​

Das Ergebnis ist ein flexibles System, das mit fast jedem Motor kompatibel ist, unabhängig von Kkraftstoffwahl. Von Diesel bis Wasserstoff ist alles möglich.

Vorteile der digitalen Technik gegenüber der analogen

Der Vorteil eines digitalen Reglers gegenüber einem analogen oder gar mechanischen Regler liegt auf der Hand. Die digitale Steuerung ermöglicht jederzeit einen genauen Einblick in den Regelvorgang. Dadurch können nicht nur Fehler leicht erkannt, sondern auch der Prozess optimiert werden, um letztendlich Effizienz und Emissionen zu optimieren.

Die Prozess-Simulation ist also auch ein wesentlicher Vorteil einer digitalen Steuerung.

Nachfolgend ein Beispiel für die Einstellung eines Reglers 723+. Es wird ein Wärtsila-Motor mit einem mechanischen Stellglied UG-A simuliert.