Électrovannes proportionnelles - Leur fonctionnement

Electrovanne proportionnelle - Comment elle fonctionne ?

Une vanne de régulation proportionnelle est une vanne utilisée pour contrôler le débit d'un fluide en faisant varier la taille du passage d'écoulement via un restricteur. Le débit régulé ajuste ensuite les paramètres affectant un processus dans un système, principalement le niveau, la pression et la température. Les autres paramètres mineurs sont : le poids, l'épaisseur, l'humidité, la densité, le Ph, la couleur et la viscosité.

Dans une vanne de régulation automatique, le limiteur est dirigé par un signal provenant d'un contrôleur appelé actionneur. Une électrovanne à commande proportionnelle utilise un solénoïde comme actionneur pour un positionnement variable de la vanne.

Le fonctionnement d'une électrovanne proportionnelle standard à 2 voies à commande directe est très similaire à celui d'une électrovanne à commande directe, à la différence que la première fonctionne sur une plage de positionnement de la vanne, tandis que la seconde n'offre que deux états de commutation (c'est-à-dire marche/arrêt), Figure 1. Dans une électrovanne proportionnelle à commande directe, le plongeur est le limiteur.

Electrovannes proportionnelles

Principe de fonctionnement des électrovannes de contrôle à action directe

Figure 1 : Principe de fonctionnement des électrovannes de contrôle à action directe

Principe de fonctionnement

En principe, il est possible de contrôler proportionnellement le plongeur à l'aide d'une tension continue variable. Toutefois, dans la pratique, le frottement statique sur les points de guidage du plongeur réduit la sensibilité de la valve, ce qui entraîne des effets d'hystérésis plus importants (phénomène dans lequel la valeur d'une propriété physique est décalée par rapport aux changements de l'effet qui la provoque). Pour éviter le frottement statique, le signal d'entrée normal peut être converti en un signal de tension modulé en largeur d'impulsion (PWM) à l'aide d'une électronique de commande spéciale.

La modulation de largeur d'impulsion (PWM) est une technique souvent utilisée pour permettre le contrôle de la puissance fournie aux appareils électriques. La valeur moyenne de la tension (et du courant) fournie au solénoïde est contrôlée en activant et désactivant l'interrupteur d'alimentation à un rythme rapide (figure 2). Ce type de contrôle met le plongeur dans une oscillation très rapide mais de faible amplitude. L'oscillation place le plongeur dans un état d'équilibre qui maintient son frottement glissant constant. Le mouvement d'oscillation du plongeur n'a aucun effet sur le comportement d'écoulement du fluide.

Plus la durée de l'interrupteur est longue par rapport aux périodes d'arrêt, plus la puissance totale fournie au solénoïde est élevée. Le terme "rapport cyclique" décrit la proportion de temps de "marche", t1, par rapport à la durée du cycle, T. Un rapport cyclique faible correspond à une faible puissance, car l'alimentation est coupée la plupart du temps. Le coefficient d'utilisation est exprimé en pourcentage, 100 % correspondant à un fonctionnement complet.

Signal de commande PWM

Figure 2 : Signal de commande PWM

Dans une électrovanne de commande normalement fermée, la bobine n'étant pas alimentée en courant, le ressort pousse le plongeur vers le bas jusqu'à la position de fermeture complète, ce qui maintient la vanne fermée. L'application d'un courant à la bobine génère un champ magnétique qui déplace le plongeur vers le haut contre le ressort de rappel. À un taux d'utilisation de 100 %, le solénoïde est entièrement alimenté et la vanne est maintenue ouverte. Les cycles de service compris entre 0 et 100 % modifient proportionnellement le débit de la vanne. Par exemple, un cycle d'utilisation de 50% alimentant le solénoïde déplace le ressort et le plongeur à 50% de la plage de fonctionnement.

Critères de sélection

Dans les applications à débit continu, le choix de la taille appropriée de la vanne est beaucoup plus important que pour les vannes tout ou rien. Avec un réglage d'orifice élevé, la vanne peut déjà atteindre le plein débit avec une très petite ouverture (course). La course restante est alors inutile, ce qui nuit à la résolution et à la qualité générale du contrôle de la vanne. En revanche, avec un orifice trop petit, la vanne n'atteindra pas son plein débit. Il est recommandé que la chute de pression sur la vanne soit d'environ 30 % de la chute de pression totale du système.

Pour un fonctionnement correct et précis de la régulation, les électrovannes de commande doivent être configurées et sélectionnées en fonction de leur objectif spécifique. Les paramètres les plus importants pour le choix d'une électrovanne de commande sont la valeur kV (exprimée en m3/h) et la plage de pression de l'application. Plus l'orifice de la valve est bas ou plus la bobine est puissante, plus la pression que la valve peut arrêter est élevée. La valeur kV la plus élevée nécessaire est calculée sur la base des formules de dimensionnement de la figure 3.

kv calculation

Figure 3: où :
QN= Débit normal [m3/heure]
Kv = Facteur hydraulique
T = Température du gaz à l'entrée [K]
p1 = Pression à l'entrée [bar]
p2 = Pression de sortie [bar]
dp = Pression différentielle [bar]
SG = Gravité spécifique (Air = 1)

Sur la base de la valeur kV calculée et de la plage de pression de l'application prévue, il est possible de déterminer un type de soupape approprié et son orifice requis. Veuillez noter que les kV de la vanne doivent être supérieurs aux kV de l'application, idéalement d'environ 10 %.

Les autres critères de sélection à prendre en compte sont la pression maximale de fonctionnement, le fluide, la consommation d'énergie, la compatibilité des matériaux, le temps de réponse, la température du fluide, la tension de fonctionnement et le raccordement des ports, pour n'en citer que quelques-uns. Pour plus d'informations concernant ces critères de sélection, veuillez vous reporter à cet article ou à la fiche technique du fabricant du produit en question.

Applications typiques

Voici quelques applications courantes de l'électrovanne de contrôle proportionnelle.

Contrôle du brûleur/de la flamme : Deux gaz doivent être contrôlés dans un système de commande de brûleur ; les deux sont dans un rapport souhaité l'un par rapport à l'autre. Le rapport entre le gaz de combustion et le gaz oxydant, par exemple l'air ou l'oxygène, est déterminé par la flamme qui est nécessaire pour le processus respectif.

Contrôle de niveau avec pressurisation (contrôle de pression d'écoulement) : Le contrôle de la pression atmosphérique est un type possible de contrôle de niveau. Par l'intermédiaire de deux électrovannes de commande, un contrôleur PID fournit suffisamment d'air ou d'azote pour qu'il y ait toujours la même pression sur le fluide qui change lorsque la pression du fluide diminue en enlevant une partie du fluide.

Mélange d'eau froide et d'eau chaude : Un capteur de température Pt100 mesure la température de l'eau mélangée. Le régulateur de température amène cette température à la valeur de référence donnée en commandant deux électrovannes de contrôle en conséquence.

Contrôle de la température : Une électrovanne de commande peut régler l'alimentation en eau froide d'un échangeur de chaleur en fonction de la température mesurée de l'eau de traitement. Si cette valeur est supérieure à la valeur de référence, une plus grande quantité d'eau froide est nécessaire. Si elle est inférieure à la valeur de référence, un refroidissement moindre est nécessaire. Un circuit de chauffage fonctionne de manière similaire.

Contrôle du débit : Une électrovanne de commande peut être utilisée directement comme vanne de régulation, pour un contrôle direct du débit, par exemple.
Contrôle de l'actionneur (contrôle de la pression statique) : Deux électrovannes de commande peuvent contrôler l'air pour l'entraînement pneumatique (vanne à piston, cylindre, etc.). Un contrôleur PID détermine laquelle des deux vannes doit s'ouvrir. L'électronique de commande règle l'entraînement via les électrovannes de commande de sorte que la valeur du processus corresponde à la consigne donnée.

Éjecteurs/Contrôle de la pression : Une électrovanne de commande permet de contrôler le débit de gaz propulseur. Une plus grande quantité de gaz propulseur crée une plus grande puissance d'aspiration et un vide plus profond dans la conduite d'aspiration. Le contrôleur règle la valve en fonction de la pression du vide.

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