Survol d’une bobine d'électrovanne CA ou CC

Choisir une bobine d'électrovanne c.a. ou c.c

Figure 1 : Bobine de l'électrovanne

Figure 1 : Bobine d'électrovanne

Principes de fonctionnement des solénoïdes

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 en courant alternatif ou continu en mouvement linéaire. Ils se composent généralement 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 circule dans 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 électroaimants 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 en position de démarrage lorsque la bobine n'est pas alimentée. Ceci est réalisé grâce à un mécanisme à ressort. Dans des conditions idéales, pour actionner le solénoïde, la force générée par le solénoïde doit être supérieure aux forces combinées du ressort, de la pression hydraulique et de la friction.

En soulevant l'armature, on ouvre un petit orifice dans la valve qui 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 dans leur construction mécanique , l'idée de base d'un actionneur électromagnétique agissant sur une surface de contrôle reste la même pour tous les types d'électrovannes.

La polarité des contacts électriques n'est pas importante avec 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 de toute façon. Avec les électrovannes à courant continu, le raisonnement est le suivant : le courant qui passe dans la bobine crée un électroaimant 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 AC et DC

Au niveau le plus élémentaire, le fonctionnement des solénoïdes à courant continu est relativement simple : le solénoïde peut être excité, 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 désexcité, 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 du fonctionnement est légèrement plus compliquée. Le courant alternatif peut être approximé en utilisant une forme d'onde sinusoïdale. Par conséquent, deux fois par période, le courant présente un passage par zéro, ce qui signifie que le courant qui traverse la bobine à ce moment-là est égal à zéro.

Comme la force magnétique générée par le solénoïde est directement proportionnelle au courant qui traverse la bobine du solénoïde, la force du ressort surmontera la force générée par le solénoïde pendant une courte période, deux fois par période. Ce problème se manifeste par une vibration de l'armature, qui produit un bourdonnement et peut provoquer des contraintes 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 fabriqué 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 un pic, comblant 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 d'ombrage intégrée.

Si des saletés s'accumulent autour de l'armature, l'effet de la bague d'ombrage peut être limité et une autre solution est nécessaire. Un exemple d'une autre solution est l'utilisation d'un circuit électronique qui filtre le courant du solénoïde, de sorte qu'il n'y ait pas de passages 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 en utilisant des diodes de redressement et un condensateur de filtrage dans une topologie de redresseur pleine onde.

Utilisation de bobines de 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 faut 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) doivent être limités, sinon le solénoïde risque de brûler. 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 l'électrovanne car le courant effectif traversant l'électrovanne serait beaucoup plus élevé avec une tension DC.

Malheureusement, il n'existe pas de facteur fixe pour le déclassement de 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 de limitation du courant.

L'utilisation d'une bobine prévue pour le courant continu avec une alimentation en courant alternatif impose le risque de vibrations, car les électrovannes à courant continu peuvent ne pas contenir de bague de déphasage ou de circuit redresseur. Ces vibrations peuvent endommager le solénoïde en sollicitant les composants au fil du temps, et elles peuvent contribuer aux niveaux de bruit dans la pièce. Ceci peut être contourné en utilisant un circuit redresseur pleine onde externe avec un filtre capacitif.

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

AC vs. Considérations sur la conception des solénoïdes en courant alternatif et en courant continu

Idéalement, lorsqu'une électrovanne passe de l'état OFF à l'état ON, le solénoïde doit initialement générer plus de force afin de surmonter la tension du ressort combinée à la pression hydraulique agissant sur la vanne. 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 plus fidèlement ce comportement idéal que les solénoïdes à courant continu. Dans les solénoïdes à courant continu, lorsque le solénoïde est mis sous tension, le courant augmente de façon asymptotique vers une certaine valeur qui dépend 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 celle 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 alternatifs, l'impédance d'une bobine est calculée à l'aide de la formule suivante :

impédance de la bobine AC

où 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 déphaser de 90 degrés, f est la fréquence et L est l'inductance de la bobine. Dans un premier temps, l'entrefer est important et, par conséquent, l'inductance de la bobine est faible, ce qui entraîne une impédance plus faible et un courant plus important dans le solénoïde. Un courant plus important correspond à une force magnétique plus élevée sur l'armature.

Au fur et à mesure que la vanne s'ouvre, l'entrefer devient de plus en plus petit et l'impédance de la bobine augmente rapidement, diminuant le courant à travers la bobine. La réduction du courant dans la bobine entraîne une réduction de la consommation d'énergie et de la chaleur perdue. C'est pourquoi les solénoïdes à courant alternatif génèrent un pic initial de courant, 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 électrique.

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 en raison de l'induction électromagnétique dans l'armature. Un autre inconvénient est le risque de vibration, qui peut être atténué par l'utilisation d'électrovannes bien conçues qui utilisent des bagues d'ombrage appropriées. En outre, les systèmes de commande modernes ont tendance à fournir une interface plus facile avec les sorties en courant continu, de sorte que l'utilisation de solénoïdes en courant alternatif avec ces systèmes peut être plus encombrante et nécessiter l'utilisation de relais supplémentaires.

Les solénoïdes à courant continu peuvent être rendus plus efficaces en utilisant des circuits externes qui peuvent façonner le courant de la bobine de manière à ce qu'il y ait un pic de courant initial nécessaire pour ouvrir la valve. 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 de connecter la bobine en série avec une connexion parallèle d'une résistance et d'un condensateur. Dans un tel circuit, la charge du condensateur à travers la bobine fournit un pic de courant initial dans la bobine. Après la charge du condensateur, la résistance de limitation du 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 commutées qui fournissent un courant programmable à la bobine. Ces alimentations peuvent fonctionner avec des électrovannes et des alimentations en courant alternatif ou continu. Ils assurent un bon pic d'ouverture de la vanne et une consommation d'énergie réduite pendant que la vanne est ouverte, ce qui se traduit par un meilleur rendement énergétique, moins d'échauffement et une durée de vie prolongée de l'électrovanne.