Actionneurs de vannes électriques - Leur fonctionnement

Actionneurs de vannes électriques - Comment ils fonctionnent

Les actionneurs électriques de vannes quart de tour sont des dispositifs électromécaniques utilisés pour commander à distance des vannes quart de tour, telles que les vannes à bille et les vannes papillon. Par rapport à leurs homologues pneumatiques et hydrauliques, les actionneurs de vannes électriques constituent une méthode de commande des vannes plus économe en énergie, plus propre et plus silencieuse. Ils peuvent être achetés avec la vanne comme un ensemble ou comme une unité séparée et ajoutés à une vanne quart de tour existante.

JP fluid control Actionneur de vanne électrique série AGActionneur de vanne électrique série AW

Figure 1 : Actionneur de vanne électrique série AG (à gauche) et série AW (à droite) pour le contrôle des fluides JP

Table des matières

Conception de l'actionneur de vanne électrique

Les actionneurs électriques pour vannes quart de tour sont un type d'actionneurs de vanne motorisés rotatifs. Les actionneurs rotatifs électriques convertissent l'énergie électrique en force rotative, de sorte qu'un actionneur électrique quart de tour ne peut tourner que de 90 degrés. Le moteur électrique génère un couple, qui est transmis pour faire tourner la vanne par le biais d'un entraînement de sortie. Les options de tension du moteur sont soit AC (courant alternatif), soit DC (courant continu), ou ils peuvent fonctionner sur les deux. Le moteur est logé dans un boîtier robuste et compact qui contient également les autres composants de l'actionneur tels que les engrenages, les interrupteurs de fin de course, le câblage, etc. L'ensemble est relié à une vanne par une interface de connexion compatible, telle qu'une norme ISO 5211.

Torque

Les vannes quart de tour nécessitent un tour de 90° pour s'ouvrir ou se fermer complètement. Pour faire tourner la vanne, un couple (l'équivalent en rotation de la force linéaire) est nécessaire. L'actionneur électrique génère ce couple et le transmet à son arbre de sortie, qui est ensuite relié à la tige ou à l'arbre de la vanne. Cela fait tourner la bille ou le disque de la vanne et ouvre ou ferme l'orifice pour laisser passer ou bloquer le flux. La quantité de couple générée par un actionneur dépend de son engrenage et de la capacité du moteur. La capacité du moteur (couple) est une spécification importante pour l'actionneur car elle doit être supérieure au couple requis par la vanne pour garantir qu'il puisse ouvrir et fermer la vanne. Habituellement, le couple de rupture est spécifié comme le couple requis d'une vanne, car il s'agit du couple le plus élevé requis pour faire tourner la vanne.

Couple de rupture

Lorsqu'une vanne est en position ouverte ou fermée, le couple nécessaire pour se "libérer" de l'une ou l'autre de ces positions est appelé couple de rupture. En d'autres termes, il s'agit de la quantité de couple nécessaire pour provoquer le déplacement initial d'une vanne à partir d'une position de repos. En général, le couple de rupture est plus élevé que le couple de marche. Par exemple, le couple de rupture d'un robinet à boisseau sphérique général est environ 30 % supérieur à son couple de fonctionnement. Le couple de rupture est plus élevé car il s'agit d'une position statique, le fluide peut s'accumuler dans la cavité de la bille et/ou le fluide peut rayer le siège de la vanne, ce qui augmente la friction, etc. Un actionneur de vanne quart de tour adapté doit générer un couple supérieur au couple de rupture de la vanne.

Temps de réponse

Le temps de réponse est le temps nécessaire à un actionneur pour faire tourner la vanne de 90 degrés complets (c'est-à-dire pour ouvrir ou fermer complètement une vanne après que la commande ait été donnée). Comme le couple, la vitesse d'un actionneur est liée à son engrenage et à la puissance de son moteur. Le couple et la vitesse d'un actionneur sont directement liés car le couple est inversement proportionnel à la vitesse. Cette relation est affectée par la disposition des engrenages. Pour une capacité donnée du moteur de l'actionneur, un rapport de vitesse plus élevé se traduirait par un couple plus important et un temps de réponse plus lent qu'un rapport de vitesse plus faible. Par conséquent, si le temps de réponse est une spécification critique de l'application, il doit être examiné avec l'exigence de spécification du couple.

Méthode de contrôle

Les actionneurs de vannes électriques courants ont soit une commande à 2 points (communément appelée "on/off"), soit une commande à 3 points, mais ils ont tous deux 3 fils. Consultez notre section sur le câblage électrique pour plus d'informations.

Voltage

Les actionneurs électriques peuvent être alimentés en courant continu ou alternatif. Ils sont généralement disponibles dans les tensions nominales suivantes : 12, 24, et 48V pour le courant continu et 24, 48, 120, 130, 240V pour le courant alternatif.

Montage

Type de bride ISO 5211 de JP fluid controls AG actionneur de vanne électrique

Figure 2 : Type de bride ISO 5211 de JP fluid controls AG actionneur de vanne électrique

Les actionneurs quart de tour ont une interface de connexion qui les relie à une vanne. Il comprend un entraînement de sortie, un carré d'arbre ou une tige pour relier la tête de la vanne, et une bride pour boulonner l'actionneur à la vanne. La conception et les dimensions de cette interface de connexion peuvent être spécifiques à une marque ou normalisées selon des normes telles que la norme ISO 5211. Les actionneurs de vannes à bille de la série AW1 de JP fluid controls sont des exemples d'actionneurs quart de tour avec des interfaces de connexion spécifiques à une marque. Ces vannes sont compatibles avec les vannes BW2 et BW3 de JP fluid controls. La série d'actionneurs quart de tour AG, quant à elle, possède une interface de connexion normalisée ISO 5211 et est compatible avec toutes les vannes dotées d'une bride ISO 5211. La figure 2 ci-dessous montre un type de bride ISO 5211. Quelle que soit la marque, des vannes et des actionneurs différents peuvent être interchangés, à condition qu'ils respectent la même norme ISO 5211. Selon la norme ISO 5211, il existe différents types de brides qui varient en fonction du couple maximal de la bride, de la dimension et du nombre de vis, de boulons ou de goujons.

Caractéristiques de l'actionneur de vanne électrique

Indicateurs de position

Indicateur de position de vanne sur un actionneur de vanne électrique

Figure 3 : Indicateur de position de vanne sur un actionneur de vanne électrique

Les indicateurs de position indiquent la position, ouverte ou fermée, de l'actionneur à un moment donné. Il existe des indicateurs visuels, comme dans la figure 3, mais aussi des systèmes électriques de retour de position qui renvoient la position à votre système (c'est-à-dire au contrôleur). Les indicateurs de position ont deux options de commutation de base : les interrupteurs mécaniques et les interrupteurs de proximité (sans contact). Les interrupteurs de fin de course mécaniques sont activés par des cames internes sur l'arbre d'entraînement de sortie. Les interrupteurs mécaniques peuvent également être des interrupteurs de fin de course. Les détecteurs de proximité sont activés par des capteurs qui détectent la position de la vanne. Les indicateurs de position peuvent n'afficher que les positions de base de marche et d'arrêt ou être également capables d'indiquer une position partiellement ouverte ou partiellement fermée.

Commande manuelle

La commande manuelle est une fonction de sécurité présente dans la plupart des actionneurs. Il s'agit généralement d'un volant ou d'une poignée mécanique. Cette roue vous permet de fermer ou d'ouvrir mécaniquement une vanne en cas de panne de courant ou de toute autre urgence.

Interrupteurs de fin de course supplémentaires :

Les interrupteurs de fin de course sont un composant électromécanique des actionneurs. Ils se composent d'une came de fin de course de fermeture et d'une came de fin de course d'ouverture. Lorsque l'actionneur déplace une vanne en position ouverte ou fermée, la came de commutation correspondante se déplace. Lorsqu'une position finale est atteinte, la came de commutation correspondante coupe l'électricité. Cela permet d'empêcher tout mouvement ultérieur et de fournir une assise limite. L'assise de la limite est le maintien d'une vanne dans la position finale souhaitée. Sur certains actionneurs, les cames de l'interrupteur de fin de course sont réglables. Cela vous permet de définir une position, comme une ouverture à 75 %, comme une position finale. Les cames de fin de course peuvent être incorporées dans les indicateurs de position en tant que liaison mécanique entre la vanne et l'actionneur.

Cycle d'utilisation

Le cycle d'utilisation spécifie le temps d'utilisation d'un actionneur entre les cycles. L'ouverture puis la fermeture de la vanne constituent un cycle. Le cycle de fonctionnement est un rapport entre le temps de marche et le temps d'arrêt, exprimé en pourcentage. Il est calculé à l'aide de la formule ci-dessous. Par exemple, s'il faut à un actionneur 10 secondes pour s'ouvrir, 20 secondes pour se fermer, puis 30 secondes pour se reposer après l'ouverture et la fermeture, le cycle de service sera de (10+20 / 10+20+30) × 100 = 50 %.

(temps d'ouverture + temps de fermeture) / (temps d'ouverture + temps de fermeture + repos) × 100 = cycle d'utilisation

Sécurité intégrée

La sécurité intégrée est une fonction de sécurité importante dans certains actionneurs de vannes automatiques. La sécurité intégrée est conçue pour fermer ou ouvrir une vanne en cas de panne de courant. Un tel système nécessite une forme de stockage d'énergie, comme un mécanisme à ressort ou une batterie. En général, le mécanisme à sécurité intégrée ferme la valve. Dans un mécanisme à ressort, un ressort chargé ferme automatiquement la valve lorsque l'alimentation est coupée. Pour un système de batterie de secours, souvent appelé retour de sécurité par batterie (BSR), une batterie alimente l'actionneur pour le fermer. Selon la taille de la batterie et de l'actionneur, le temps de charge et le nombre total de tours varieront. Pour une redondance supplémentaire, certains actionneurs ont les deux versions de sécurité intégrée dans la conception. Comme indiqué, la plupart des opérations à sécurité intégrée ferment la vanne, mais certaines applications exigent que la vanne s'ouvre en cas de panne de courant. Un exemple d'une telle application est le flux d'eau froide entrant dans un échangeur de chaleur. En effet, de l'eau froide serait nécessaire pour refroidir le fluide chaud restant, afin d'éviter une surchauffe.

Modulation

Certains actionneurs de vannes électriques ont la capacité d'effectuer une commande modulante, souvent appelée DPS (système de positionnement numérique). Il s'agit de la capacité à positionner avec précision la vanne en tout point entre l'ouverture et la fermeture complète (c'est-à-dire entre 0° et 90°). Ceci est nécessaire pour les applications qui nécessitent la variation du débit. Généralement, la modulation est réalisée à l'aide d'un système de boucle de contrôle et d'une carte de circuit imprimé de positionnement (PCB) placée dans l'actionneur. Pour en savoir plus sur la modulation, lisez notre article sur les vannes modulantes.

Câblage électrique

Cette section vise à expliquer les différentes possibilités de câblage pour les actionneurs de vannes électriques à 2 et 3 points, car il existe des différences significatives entre les deux.

  • Actionneurs de commande à 2 points (on/off): Les trois fils sont pour le +, le -, et un fil de contrôle. Pour faire tourner la vanne, le fil de commande doit être alimenté pour ouvrir et désalimenté pour fermer ou vice-versa. Sans alimentation électrique de l'ensemble de l'unité, la vanne reste dans la dernière position. Par exemple, la série AW1-R de JP Fluid Control utilise ce schéma de câblage ouvert/fermé.
  • Actionneurs de commande à 3 points: Les trois fils sont pour - et deux pour + (fils de commande). Par conséquent, les deux signaux de commande peuvent ouvrir ou fermer la vanne en fonction de celui qui est alimenté. La commande à 3 points offre également la possibilité de réaliser des arrêts intermédiaires (partiellement ouverts). Les deux fils de commande ne doivent jamais être alimentés en même temps, sous peine d'endommager l'actionneur. Par exemple, la série AW1 de JP Fluid Control utilise ce schéma de câblage à 3 points.

Avant l'installation, vérifiez que le code de l'actionneur correspond au schéma de connexion. Une installation incorrecte peut endommager définitivement l'actionneur ou conduire à des situations dangereuses. Les actionneurs sont dotés de commutateurs de position internes, ce qui fait que seule l'énergie est consommée pendant l'ouverture ou la fermeture.

Actionneur électrique 2 points AW1 DC

La connexion du fil de contrôle (bleu) ouvre la valve en 6s. Une fois que le fil de contrôle est coupé, la valve se ferme en 6s. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

Schéma de câblage pour un actionneur électrique CC à 2 points

Schéma de câblage pour un actionneur électrique CC à 2 points

Actionneur électrique 3 points AW1 AC

La connexion du fil de contrôle bleu ouvre la valve en 16s. La connexion du fil de contrôle marron ferme la valve en 16s. Si les deux fils de commande sont déconnectés, la vanne restera dans la position actuelle. De cette façon, la position de la vanne peut être régulée. Ne connectez jamais les fils de commande bleu et brun en même temps, car cela endommagerait l'actionneur. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

3 points AWI-230AC

Schéma de câblage pour un actionneur électrique à 3 points AC

Actionneur électrique 2 points AW1 AC

La connexion du fil de contrôle (noir) ouvre la valve en 16s. Une fois que le fil de contrôle est coupé, la valve se ferme en 16s. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

Schéma de câblage pour un actionneur électrique CA à 2 points

Schéma de câblage pour un actionneur électrique CA à 2 points

Actionneur électrique 3 points AW1 DC

En connectant le fil de contrôle marron, la vanne se ferme en 6s. En connectant le fil de contrôle noir, on s'assure que la valve s'ouvre en 6s. Si les deux fils de commande sont connectés, la vanne restera dans la position actuelle. De cette façon, la position de la vanne peut être régulée. Ne connectez jamais les fils de commande noir et brun en même temps ! Cela endommagerait l'actionneur. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

Schéma de câblage pour un actionneur électrique 3 points DC

Schéma de câblage pour un actionneur électrique 3 points DC

Normes

Degré de protection IP (IEC 60529)

Les actionneurs de vannes électriques ont un indice de protection IP (protection contre les intrusions). L'indice IP spécifie le degré de protection de l'actionneur contre la poussière, l'eau et d'autres risques environnementaux. Le classement IP 54 des actionneurs de vannes à boisseau sphérique de la série AW signifie que ces actionneurs sont partiellement protégés de la poussière et peuvent résister aux projections d'eau.

Type de service (IEC 60034-1)

Il s'agit d'une norme internationale de la CEI (Commission électrotechnique internationale) pour les dispositifs électriques rotatifs. Pour les actionneurs électriques, elle précise le type de service et le cycle de service de leurs moteurs électriques. Un actionneur classé S2 30min peut fonctionner en permanence en service court pendant 30min, après quoi le moteur doit être laissé au repos. Il peut être redémarré lorsque sa température est revenue à la température ambiante.

ATEX

Lesdirectives ATEX précisent quels équipements peuvent fonctionner en toute sécurité dans un environnement à atmosphère explosive. Une certification ATEX pour un actionneur signifie que l'actionneur est antidéflagrant dans un environnement particulier. Consultez notre organigramme pour déterminer si vous avez besoin d'un actionneur ATEX ou si vous avez besoin de mieux comprendre votre étiquette ATEX.

Directive basse tension (LVD) 2014/35/EU

La certification LVD garantit que les équipements électriques basse tension, tels que les actionneurs, offrent une protection suffisante à leurs utilisateurs.

Compatibilité électromagnétique (CEM) 2014/30/EU

Un actionneur certifié CEM ne génère ni n'est affecté par les perturbations électromagnétiques.

Matériau

Les composants de l'actionneur sont contenus dans un boîtier compact. Les matériaux de boîtier les plus courants sont le plastique et l'aluminium. Les applications spéciales peuvent nécessiter des matériaux de boîtier spéciaux.

Applications des actionneurs de vannes électriques

Les actionneurs électriques quart de tour sont utilisés pour commander à distance les vannes à bille et les vannes papillon. Ils facilitent grandement l'utilisation des vannes quart de tour en permettant un contrôle automatisé à distance. Ils fournissent également un couple suffisant pour les vannes qui nécessitent des couples plus élevés que ceux qui ne peuvent être générés par un être humain. Ces actionneurs sont utilisés dans l'automatisation industrielle, l'irrigation, l'approvisionnement en eau, le dosage des fluides, les systèmes de chauffage et le transport ou le transfert de fluides.

Critères de sélection des actionneurs de vannes électriques

  • Torque
  • Puissance
  • Compatibilité du montage des vannes
  • Température
  • Classement IP
  • Exigence ATEX
  • Sécurité intégrée
  • Modulation
  • Type de service et cycle de service

FAQ

Comment câbler et installer des actionneurs de vannes électriques ?

Les méthodes d'installation et de câblage des actionneurs électriques varient selon le modèle. Cependant, des instructions détaillées de câblage et d'installation pour les actionneurs des séries AW et AG peuvent être trouvées ici.