Actionneurs de vannes électriques - Leur fonctionnement

Les actionneurs électriques à quart de tour sont des dispositifs électromécaniques conçus pour commander à distance des vannes à quart de tour, telles que les vannes à bille et à papillon. Ils peuvent être achetés en tant que package avec la vanne ou séparément pour être installés sur une vanne à quart de tour existante.

Table des matières

• Conception d'un actionneur de vanne électrique
• Montage
• Caractéristiques de l'actionneur de vanne électrique
• Câblage électrique
• Normes
• Matériau
• Applications des actionneurs de vannes électriques
• Critères de sélection des actionneurs de vannes électriques
• FAQ

Conception d'un actionneur de vanne électrique

Les actionneurs électriques pour vannes quart de tour sont un type d'actionneurs de vannes à moteur rotatif. Les actionneurs électriques rotatifs 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 l'intermédiaire d'une commande de sortie. Les options de tension du moteur sont soit AC (courant alternatif), soit DC (courant continu), soit l'une ou l'autre. Le moteur est logé dans un boîtier robuste et compact qui contient également d'autres composants de l'actionneur tels que les engrenages, les interrupteurs de fin de course, le câblage, etc. L'ensemble est connecté à une vanne par l'intermédiaire d'une interface de connexion compatible, telle que la norme ISO 5211. Par rapport à leurs homologues pneumatiques et hydrauliques, les actionneurs de vannes électriques offrent une méthode de contrôle des vannes plus efficace sur le plan énergétique, plus propre et plus silencieuse.

Couple

Les vannes quart de tour nécessitent une rotation de 90° pour s'ouvrir ou se fermer complètement. Pour 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. Cette action fait tourner la bille ou le disque de la vanne et ouvre ou ferme l'orifice pour permettre ou bloquer le flux. Le couple généré 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 l'ouverture et la fermeture de la vanne. Habituellement, le couple de rupture est spécifié comme le couple requis d'une soupape, car il s'agit du couple le plus élevé requis pour faire tourner la soupape.

Couple de rupture

Lorsqu'une vanne est en position ouverte ou fermée, le couple nécessaire pour "sortir" 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 soupape 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 tournant sphérique général est environ 30 % plus élevé que son couple de fonctionnement. Le couple de décollement 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 approprié doit générer un couple supérieur au couple de rupture de la vanne.

Temps de réaction

Le temps de réponse est le temps nécessaire à un actionneur pour tourner la vanne de 90 degrés (c'est-à-dire pour ouvrir ou fermer complètement une vanne après que la commande a 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 influencée par la disposition des engins. Pour une capacité donnée du moteur de l'actionneur, un rapport de démultiplication plus élevé se traduira par un couple plus important et un temps de réponse plus lent qu'un rapport de démultiplication 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 sont dotés d'une commande à 2 points (communément appelée "marche/arrêt") ou à 3 points, mais ils ont tous les deux 3 fils.

Tension

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

Montage

Les actionneurs quart de tour ont une interface de connexion qui les relie à une vanne. Il se compose d'un entraînement de sortie, d'un carré d'arbre ou d'une tige pour relier la tête du robinet, et d'une bride pour boulonner l'actionneur au robinet. La conception et les dimensions de cette interface de connexion peuvent être spécifiques à une marque ou conformes à des normes telles que la norme ISO 5211. Les actionneurs de vannes à boisseau sphérique de la série AW1 de JP fluid controls sont des exemples d'actionneurs quart de tour dotés d'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 tous les robinets dotés 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 tant 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 de serrage maximal, des dimensions et du nombre de vis, de boulons ou de goujons.

Caractéristiques de l'actionneur de vanne électrique

Indicateurs de position

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 d'information sur la 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 commutateurs mécaniques et les commutateurs 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 afficher uniquement les positions de base de marche et d'arrêt ou être capables d'indiquer une ouverture ou une fermeture partielle.

Annulation 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 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

Les interrupteurs de fin de course sont des composants électromécaniques 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 d'interrupteur correspondante coupe l'électricité. Cela permet d'empêcher tout mouvement ultérieur et de limiter le nombre de places assises. L'assise limite est le maintien d'une soupape dans la position finale souhaitée. Sur certains actionneurs, les cames des interrupteurs de fin de course sont réglables. Cela vous permet de définir une position, comme 75 % d'ouverture, en tant que 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 rapport cyclique spécifie le temps d'utilisation d'un actionneur entre les cycles. L'ouverture et la fermeture de la vanne constituent un cycle. Le rapport cyclique 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 10 secondes à un actionneur pour s'ouvrir, 20 secondes pour se fermer, puis 30 secondes pour se reposer après l'ouverture et la fermeture, le rapport cyclique sera de (10+20 / 10+20+30) × 100 = 50 %.

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

Sécurité intégrée

La sécurité intégrée est une fonction de sécurité importante dans certains actionneurs de vannes automatisées. 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. Généralement, le mécanisme de sécurité ferme la vanne. Dans un mécanisme à ressort, un ressort chargé ferme automatiquement la vanne lorsque l'alimentation électrique est coupée. Dans le cas d'un système de batterie de secours, souvent appelé retour de sécurité de la batterie (BSR), une batterie alimente l'actionneur pour le fermer. Le temps de charge et le nombre total de tours varient en fonction de la taille de la batterie et de l'actionneur. Pour plus de redondance, certains actionneurs intègrent les deux versions de sécurité intégrée dans leur conception. Comme nous l'avons mentionné, la plupart des opérations à sécurité intégrée ferment la vanne, mais certaines applications exigent que la vanne s'ouvre en cas de coupure 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 liquide chaud restant, afin d'éviter la 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 requièrent 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, étant donné qu'il existe des différences significatives entre ces deux types d'actionneurs.

• Actionneurs de commande à 2 points (marche/arrêt) : Les trois fils sont le +, le - et un fil de contrôle. Pour faire tourner la vanne, le fil de commande doit être alimenté pour ouvrir et non alimenté 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 contrôle à 3 points: Les trois fils sont pour - et deux pour + (fils de contrôle). 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 d'effectuer 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 de procéder à l'installation, vérifiez que le code de l'actionneur correspond au schéma de connexion. Une mauvaise installation peut endommager de manière permanente l'actionneur ou conduire à des situations dangereuses. Les actionneurs sont dotés d'interrupteurs de position internes, ce qui signifie que seule l'énergie est consommée lors de l'ouverture ou de la fermeture.

Actionneur électrique 2 points AW1 DC

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

Actionneur électrique 3 points AW1 AC

La connexion du fil de commande bleu ouvre la vanne en 16 secondes. La connexion du fil de commande marron ferme la vanne en 16 secondes. Si les deux fils de commande sont déconnectés, la vanne restera dans la position actuelle. La position de la vanne peut ainsi être réglée. Ne jamais connecter les fils de commande bleu et marron en même temps, car cela endommagerait l'actionneur. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

Actionneur électrique 2 points AW1 AC

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

Actionneur électrique 3 points AW1 DC

En connectant le fil de commande marron, la vanne se ferme en 6 secondes. La connexion du fil de commande noir garantit l'ouverture de la vanne en 6 secondes. Si les deux fils de commande sont connectés, la vanne restera dans la position actuelle. De cette manière, la position de la vanne peut être réglée. Ne jamais connecter les fils de commande noir et marron en même temps ! Cela endommagerait l'actionneur. L'actionneur ne consomme de l'énergie que pendant l'ouverture et la fermeture.

Normes

Degré de protection IP (IEC 60529)

Les actionneurs de vannes électriques ont une classe 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. L'indice IP 54 des actionneurs de vannes à boisseau sphérique de la série AW signifie que ces actionneurs sont partiellement protégés contre 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 appareils électriques rotatifs. Pour les actionneurs électriques, il spécifie le type et le cycle de fonctionnement de leurs moteurs électriques. Un actionneur classé S2 30min peut fonctionner en continu en régime de courte durée pendant 30min, après quoi le moteur doit être laissé au repos. Il peut être redémarré une fois que sa température est revenue à la température ambiante.

ATEX

Les directives ATEX précisent quels équipements peuvent fonctionner en toute sécurité dans une 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 souhaitez mieux comprendre votre étiquette ATEX.

Directive basse tension (DBT) 2014/35/EU

La certification LVD garantit que les équipements électriques à 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 pas de perturbations électromagnétiques et n'est pas affecté par celles-ci.

Matériau

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

Applications des actionneurs de vannes électriques

Les actionneurs électriques quart de tour sont utilisés pour commander à distance les vannes à boule et les vannes papillon. Ils facilitent grandement le fonctionnement 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 des fluides.

Critères de sélection des actionneurs de vannes électriques

• Couple
• Puissance
• Compatibilité de montage des vannes
• température
• Indice IP
• Exigence ATEX
• Sécurité intégrée
• Modulation
• Type de service et cycle de service

FAQ

Comment câbler et installer les actionneurs de vannes électriques ?

Les méthodes d'installation et de câblage des actionneurs électriques varient selon les modèles. Cependant, des instructions détaillées de câblage et d'installation pour les actionneurs des séries AW et AG sont disponibles ici.