Choix d'une bobine d'électrovanne AC ou DC

Les solénoïdes sont des dispositifs électromécaniques qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique. Il existe deux types principaux de solénoïdes : Électro-aimants à courant alternatif et électro-aimants à courant continu. Les solénoïdes AC sont alimentés par le courant alternatif (AC), tandis que les solénoïdes DC sont alimentés par le courant continu (DC). Cet article compare les différences et les considérations de conception des bobines de solénoïdes à courant alternatif et à courant continu pour une application.

Principe de fonctionnement du solénoïde

Les solénoïdes sont les composants les plus importants utilisés dans les électrovannes pour contrôler le débit des liquides et des gaz. Les solénoïdes sont des dispositifs électromécaniques qui convertissent l'énergie électrique CA ou CC en mouvement linéaire. Ils sont généralement constitués d'une bobine hélicoïdale enroulée concentriquement autour d'un cylindre mobile, appelé armature, fabriqué dans un matériau ferromagnétique tel que le fer ou l'acier. La plupart des électrovannes ont une bobine remplaçable et peuvent être utilisées avec des bobines de différentes tensions.  

Lorsque le courant traverse la bobine, il génère un champ magnétique à l'intérieur de la bobine qui attire l'armature vers le centre du solénoïde en utilisant les mêmes principes de base que les électro-aimants ordinaires. Comme l'armature est attirée vers le centre du solénoïde quelle que soit la polarité du courant, une force opposée est nécessaire pour ramener l'armature dans la position de départ lorsque la bobine n'est pas alimentée. Pour ce faire, un mécanisme à ressort est utilisé. Dans des conditions idéales, pour actionner le solénoïde, la force générée par celui-ci doit être supérieure aux forces combinées du ressort, de la pression hydraulique et du frottement.

En soulevant l'armature, un petit orifice de la valve s'ouvre et permet l'écoulement du fluide. Le débit de la vanne peut être contrôlé en mettant la bobine sous tension ou hors tension. Bien qu'il existe plusieurs types d'électrovannes qui diffèrent par leur construction mécanique , l'idée de base d'un actionneur solénoïde agissant sur une surface de contrôle reste la même dans tous les types d'électrovannes.

La polarité des contacts électriques n'est pas importante pour les électrovannes à courant alternatif et à courant continu. Avec les électrovannes à courant alternatif, cela peut être évident car le courant change de polarité deux fois par période. Dans le cas des électrovannes à courant continu, le raisonnement est le suivant : le courant traversant la bobine crée un électro-aimant qui produit une force d'attraction sur l'armature. Lorsque le courant est appliqué à travers la bobine, l'armature sera toujours tirée vers la bobine, indépendamment du contact et de la polarité du courant.

Différences entre les solénoïdes à courant alternatif et à courant continu

Au niveau le plus élémentaire, le fonctionnement des solénoïdes à courant continu est relativement simple : le solénoïde peut être alimenté, ce qui permet à la force magnétique générée par le solénoïde de surmonter la résistance du ressort et de déplacer l'armature vers le centre de la bobine, ou désalimenté, ce qui permet à la force du ressort de repousser l'armature vers la position de départ.

Avec les solénoïdes à courant alternatif, la théorie de fonctionnement est légèrement plus compliquée. Le courant alternatif peut être approximé par une forme d'onde sinusoïdale. Par conséquent, deux fois par période, le courant passe par zéro, ce qui signifie que le courant traversant la bobine à ce moment-là est égal à zéro.

Comme la force magnétique générée par le solénoïde est directement proportionnelle au courant circulant dans la bobine du solénoïde, la force du ressort surmonte la force générée par le solénoïde pendant un court laps de temps, deux fois par période. Ce problème se manifeste par une vibration de l'armature, qui produit un bourdonnement et peut provoquer des tensions sur les composants de l'électrovanne. Pour éviter ce problème, un simple anneau conducteur, appelé anneau d'ombrage, est installé près de la bobine autour de l'armature. L'anneau d'ombrage est généralement en cuivre. La fonction d'un anneau d'ombrage est de stocker l'énergie du champ magnétique et de la libérer avec une différence de phase de 90 degrés.

L'effet d'un anneau d'ombrage est que, tandis que le champ magnétique généré par la bobine primaire diminue vers zéro, le champ magnétique généré par l'anneau d'ombrage atteint son maximum, comblant ainsi efficacement l'écart dans l'amplitude du champ magnétique pendant les passages à zéro, éliminant ainsi les vibrations. La plupart des électrovannes qui peuvent être utilisées avec différentes tensions de bobine ont une bague de déphasage intégrée.

Si des saletés s'accumulent autour de l'armature, l'effet de l'anneau d'ombrage peut être limité et une autre solution est nécessaire. Une autre solution consiste à utiliser un circuit électronique qui filtre le courant du solénoïde, de sorte qu'il n'y ait pas de passage à zéro. Ce circuit peut être intégré dans la bobine de l'électrovanne elle-même ou être construit à l'extérieur. Il est généralement mis en œuvre à l'aide de diodes de redressement et d'un condensateur de filtrage dans une topologie de redresseur à onde pleine.

Utilisation de bobines à courant alternatif avec du courant continu et vice versa

Dans certains cas, les bobines prévues pour le courant alternatif peuvent être utilisées avec des alimentations en courant continu et vice versa. Toutefois, il convient de garder à l'esprit certaines limites.

Il est possible d'utiliser une bobine prévue pour le courant alternatif avec une alimentation en courant continu, mais la tension (et le courant) doit être limitée, sinon le solénoïde risque de griller. La raison en est qu'en régime alternatif, les bobines ont une réactance inductive qui s'ajoute à la résistivité électrique de la bobine. Par conséquent, l'impédance d'une bobine est plusieurs fois plus élevée en régime alternatif qu'en régime continu. Par exemple, l'utilisation d'une électrovanne de 24 VAC avec une alimentation de 24 V DC endommagerait très probablement le solénoïde car le courant effectif circulant dans le solénoïde serait beaucoup plus élevé avec une tension DC.

Malheureusement, il n'existe pas de facteur fixe pour réduire la tension d'alimentation. Le courant effectif doit être mesuré en régime alternatif, et ce courant doit être fixé comme objectif pour le régime continu également. Pour atteindre cet objectif, il est possible de réduire la tension d'alimentation ou d'utiliser une résistance limitant le courant.

L'utilisation d'une bobine calibrée pour le courant continu avec une alimentation en courant alternatif présente un risque de vibrations car les électrovannes à courant continu peuvent ne pas contenir de bague de déphasage ou de circuit de redressement. Ces vibrations peuvent endommager le solénoïde en sollicitant les composants au fil du temps, et elles peuvent contribuer au niveau de bruit dans la pièce. Il est possible de contourner ce problème en utilisant un circuit externe de redressement à onde pleine avec un filtre capacitif.

Un autre problème est que le courant effectif sera plusieurs fois inférieur dans ce cas, et la force magnétique générée par la bobine pourrait ne pas être suffisante pour déplacer l'armature de sa position de repos. Une solution consisterait à utiliser une tension plus élevée afin que le courant effectif corresponde au courant nominal du solénoïde.

Considérations relatives à la conception d'un solénoïde à courant alternatif ou à courant continu

Idéalement, lorsqu'une électrovanne passe de l'état OFF à l'état ON, le solénoïde devrait initialement générer une force plus importante afin de surmonter la tension du ressort combinée à la pression hydraulique agissant contre l'électrovanne. Une fois le débit établi, les forces hydrauliques agissant sur le mécanisme de la vanne diminuent, et le solénoïde peut réduire la force générée afin de réduire la consommation d'énergie et l'échauffement.

Les solénoïdes à courant alternatif suivent ce comportement idéal de plus près que les solénoïdes à courant continu. Dans les solénoïdes à courant continu, lorsque le solénoïde est mis en marche, le courant augmente asymptotiquement vers une certaine valeur dépendant de la résistivité de la bobine. Cela se traduit par un courant initial plus faible (et une force initiale plus faible entraînant une ouverture plus lente de la valve). Une fois la vanne ouverte, l'appel de courant reste à une valeur constante qui est supérieure à ce qui est nécessaire pour maintenir la vanne ouverte. Par conséquent, les solénoïdes à courant continu sans circuit externe gaspillent une quantité considérable d'énergie à l'état ouvert.

Pour les circuits à courant alternatif, l'impédance d'une bobine est calculée à l'aide de la formule suivante :

Dans la formule ci-dessus, Z est l'impédance, R est la résistance électrique de la bobine, j est une constante égale à la racine carrée de -1 qui, dans cette équation, a pour effet de décaler la phase de 90 degrés, f est la fréquence et L est l'inductance de la bobine. Au début, l'entrefer est important et, par conséquent, l'inductance de la bobine est faible, ce qui se traduit par une impédance plus faible et un courant plus important dans le solénoïde. Un courant plus important équivaut à une force magnétique plus élevée sur l'induit.

Lorsque la vanne s'ouvre, l'entrefer devient de plus en plus petit et l'impédance de la bobine augmente rapidement, ce qui diminue le courant à travers la bobine. La réduction du courant dans la bobine se traduit par une réduction de la consommation d'énergie et de la chaleur perdue. C'est pourquoi les solénoïdes à courant alternatif génèrent une première pointe de courant, ce qui permet une ouverture plus rapide et plus puissante de la vanne. Dès que la vanne est ouverte, le courant diminue, ce qui réduit la consommation d'énergie.

Bien que les solénoïdes à courant alternatif soient intrinsèquement plus efficaces sur le plan énergétique, ils présentent certains inconvénients. L'une d'entre elles est la perte de puissance due aux courants de Foucault qui se forment par induction électromagnétique dans l'induit. Un autre inconvénient est le risque de vibrations, qui peut être atténué par l'utilisation d'électrovannes bien conçues qui utilisent des bagues d'ombrage appropriées. En outre, les systèmes de contrôle modernes ont tendance à faciliter l'interface avec les sorties en courant continu, de sorte que l'utilisation de solénoïdes en courant alternatif avec ces systèmes peut s'avérer plus compliquée et nécessiter l'utilisation de relais supplémentaires.

Les solénoïdes à courant continu peuvent être rendus plus efficaces en utilisant des circuits externes qui peuvent modeler le courant de la bobine de manière à ce qu'il y ait une pointe de courant initiale nécessaire à l'ouverture de la vanne. Une fois la vanne ouverte, le courant peut être réduit à un niveau de courant de maintenance, qui est juste suffisant pour maintenir la vanne ouverte de manière fiable en tirant l'armature contre la tension du ressort.

Ces circuits externes peuvent être aussi simples que la connexion de la bobine en série avec une connexion parallèle d'une résistance et d'un condensateur. Dans un tel circuit, la charge du condensateur par l'intermédiaire de la bobine produit un pic initial de courant dans la bobine. Une fois le condensateur chargé, la résistance de limitation de courant laisse passer tout le courant. L'inconvénient d'une approche aussi simpliste est qu'une partie de la puissance est gaspillée pour chauffer la résistance de limitation du courant.

Il existe des approches beaucoup plus complexes impliquant des alimentations à découpage qui fournissent un courant programmable à la bobine. Ces blocs d'alimentation peuvent fonctionner avec des électrovannes et des blocs d'alimentation en courant alternatif et en courant continu. Ils garantissent une bonne pointe d'ouverture de la vanne et une consommation d'énergie réduite lorsque la vanne est ouverte, ce qui se traduit par une meilleure efficacité énergétique, moins de chauffage et une durée de vie prolongée de l'électrovanne.