Vannes à commande magnétique progressive
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Vannes à commande magnétique progressive
028 4 Vannes à commande magnétique progressive Construction et fonctionnement L'organe de réglage dans la boucle de régulation CVC (ancien assortiment de Staefa Control System) Landis & Staefa fabrique et commercialise pour la régulation CVC des vannes à commande magnétique progressive qui utilisent sur la plupart des modèles un clapet comme élément de fermeture. Le comportement statique et dynamique de l'organe de réglage est primordial pour obtenir une régulation rapide et adaptée aux besoins dans les installations de CVC (figure 1). La qualité de conversion du signal de régulation en positionnement est déterminante pour la stabilité et la précision du circuit de régulation. La description suivante se réfère aux technologies appliquées (figure 2) et aux éléments constructifs de la vanne (figure 3) tout en considérant les exigences spécifiques à la CVC. MMI Va n n e statique dynamique Régulateur Système réglé Figure 1 : La vanne dans la boucle CVC Sonde Vanne Signal de positionnement Corps de vanne Interface électrique Moteur amplification électrique conversion Alimentation Hachage de phase mécanique Commande magnétique mécanique hydraulique Compensation de pression hydraulique thermique Siège de la vanne Circuit hydraulique – capacité hydraulique / thermique – autorité de la vanne – débit (kv) – caractéristique d'entrée – linéarité – résolution – vitesse de positionnement Figure 2 : La vanne : vue d'ensemble des technologies de base Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division CA1N4028F / 02.2000 1/12 Technologies de la réalisation et caractéristiques du produit 94.0226 i k 1 2 3 a b c d e f g h i k Voie d'entrée Bipasse Voie de sortie Bobine magnétique Noyau Ressort Axe Clapet Siège de vanne supérieur / inférieur Soufflet Ouverture de compensation Réglage manuel Interface électrique I a b 0 ... 20 V– c d g 1 h 1 3 f 3 e 2 2 Figure 3 : Vanne à commande magnétique, schéma et coupe Conversion du signal de positionnement en tension magnétisante L'interface électrique (figure 3, k) est raccordée à une alimentation 24 V~ et au signal de positionnement 0 ... 10 V− du régulateur. Le générateur interne de hachage de phase fournit une tension de sortie de l'interface proportionnelle au signal de positionnement. La bobine magnétique est raccordée à cette tension hachage de phase (figure 4). Signal de positionnement 0 ... 10 VDC U 10 0 Générateur hachage de phase 94.0206 Tension magnétisante 0 ... 20 VDC U 20 U t t Alimentation 24 VAC t U U 24 t t 0 Figure 4 : Conversion signal de positionnement / tension magnétisante CA1N4028F / 02.2000 2/12 Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division Conversion électrique ∅ mécanique a) tension magnétisante ∅ force magnétique La tension magnétisante appliquée sur la bobine produit dans le circuit ferromagnétique, composé de l'enveloppe fixe et du noyau mobile, un champ magnétique (figure 3). A l'endroit de la plus grande résistance magnétique – l'entrefer – ce champ provoque une force d'attraction. Une tension magnétisante croissante augmente la force d'attraction. 94.0207 Bobine (a) Noyau (b) Enveloppe Entrefer Pôle Figure 5 : Champ magnétique dans le circuit ferromagnétique b) Force magnétique ∅ réaction ∅ course Un ressort de rappel agit à l'encontre de cette attraction. Le noyau se déplace jusqu'à ce qu'un équilibre s'établisse entre la force d'attraction et le ressort. Il en résulte une course définie à chaque tension appliquée. De par la forme spéciale du circuit ferromagnétique, il existe un rapport linéaire entre l'augmentation de la tension et la course. Tension magnétisante Champ magnétique Φ Ressort Constante de ressort CF Course x [H] U [V] 94.0209 Figure 6 : Rapport course (H) et tension (U) Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division CA1N4028F / 02.2000 3/12 c) Plage de commande La plage complète de commande comprend trois plages : – Dans la plage d'ouverture / fermeture siège supérieur de vanne la force de fermeture du clapet plat flexible agit aussi contre la force d'attraction. Le comportement de la vanne est caractérisé par une très haute résolution. Un dosage très fin de la course et donc du fluide est par conséquent possible. – Dans la plage d'ouverture seule la force du ressort agit contre la force d'attraction. – Dans la plage d'ouverture / fermeture siège inférieur de vanne il y a une réserve de force qui permet une étanchéité du siège inférieur de la vanne. Plage ouverture/ fermeture C Plage travail course Plage ouverture/ fermeture Siège supérieur de vanne 40479 Siège inférieur de vanne U [V] 0 10 15 20 Figure 7 : Plages de travail de la commande d) Comportement à de faibles variations de signaux de position : La commande magnétique possède dans la plage de travail une hystérésis exactement définie. A l'intérieur de cette hystérésis la pente est modifiée et la course a une résolution plus élevée. Cette caractéristique contribue à stabiliser des circuits de régulation très difficiles. H Plage de travail de course 40489 Plage de faible signal α2 α1 U [V] 10 15 Figure 8 : Pente modifiée pour de faibles variations de signaux e) Autres forces d'influences : • le frottement statique La tension de hachage de phase produit continuellement de petites oscillations au noyau ; celles-ci diminuent le frottement statique entre le noyau et l'armature. Seule la friction de glissement existe et a pour conséquence une réponse immédiate à toute modification de tension de commande (figure 9). 94.0208 F F Friction de glissement Seulement friction de glissement Frottement statique Vanne conventionelle H Vanne magnétique Staefa H Figure 9 : Friction de glissement CA1N4028F / 02.2000 4/12 Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division • les pressions La différence des pressions statiques influence la force magnétique. La compensation de pression permet de réduire notablement cette force supplémentaire. La force magnétique est disponible en premier lieu pour la régulation du débit. Cette compensation est réalisée sur le plan de la construction à l'aide d'un soufflet (figure 10). Par un perçage dans l'axe, la pression statique p2 est établie à l'intérieur du soufflet ; elle compense la pression p 2 agissant côté inférieur du clapet. La pression p1 agissant sur le côté supérieur est compensée par la surface extérieure du soufflet. Cette astuce de construction permet d'éviter un dispositif spécial de compensation. Figure 10 : Compensation de pression Relation entre course et débit La vanne est construite avec un clapet flexible comme élément de réglage. Cette particularité permet d'obtenir immédiatement un minimum de débit dès que la vanne commence à s'ouvrir. Ensuite, la section de passage s'agrandit proportionnellement à la course. Le débit augmente alors linéairement (figure 11). Ce comportement s'applique aussi bien au passage 1 ∅ 3, qu'au passage 2 ∅ 3. Quand la vanne est utilisée en mélange, les deux caractéristiques s'additionnent, donnant une valeur constante de débit. kv kvs [%] 94.0410 100 100 H [%] H100 Figure 11 : Caractéristique de débit Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division CA1N4028F / 02.2000 5/12 Relation entre débit et quantité de chaleur Quand la vanne est utiliséeen deux voies (voie 2 fermée) le clapet dose la quantité à écouler en fonction du signal de positionnement du régulateur. Quand la vanne est utilisée en trois voies, elle mélange le fluide provenant des deux sources proportionnellement au signal de commande. Les choix corrects du circuit hydraulique et de l'installation de la vanne sont importants pour la qualité de la régulation. La quantité minimum de chaleur réglable est également un critère de qualité important pour une boucle de régulation. Le comportement de la vanne magnétique Landis & Staefa dans la plage ouverture / fermeture est capable de contrôler une très petite quantité de chaleur. Récapitulatif 1) Sa construction simple confère à la vanne Landis & Staefa à commande magnétique une longue durée de service. 2) Son comportement particulier à l'ouverture – pas de saut d'entrée, "rampe de démarrage" concave – permet de maîtriser entièrement le processus de régulation, même pour des quantités infimes de débit. 3) Sa construction sans friction améliore la résolution de la course, ainsi le débit peut être dosé exactement. 4) La caractéristique de la vanne à commande magnétique permet une ouverture très rapide de 0 à 100 % (1... 2 s) et par conséquent une réponse pratiquement immédiate aux modifications du signal d'entrée. Les avantages des caractéristiques particulières des vannes Staefa à commande magnétique permettent de réguler les circuits CVC les plus complexes. 94.0211 Avantage Raison Précision Pas de frottement statique Plage d'utilisation élargie Linéarité de la courbe course / tension haute résolution à l'ouverture Réponse rapide au démarrage Vitesse de positionnement Réglage efficace de la perturbation Vitesse de positionnement Figure 12 : Caractéristiques de régulation CA1N4028F / 02.2000 6/12 Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division Avantages techniques de régulation La qualité d'une boucle de régulation dépend de nombreux facteurs : des caractéristiques du système à réguler avec ses différents organes – quantifiable par le degré de difficulté –, des réglages effectués sur le régulateur et dans une large mesure, des qualités techniques de l'organe de réglage hydraulique. Aussi, il faut se demander : • A quelle vitesse réagit la vanne à un écart de réglage ? • Avec quelle précision le résout-elle ? • Comment maîtrise-t-elle la plage de charge partielle ? Les ingénieurs de développement de Staefa ont basé leur réflexion sur ces questions de base lorsqu'ils ont construit la vanne à commande magnétique progressive. Dans un souci d'amélioration permanente et de l'accroissement de nos offres de marché, ces questions restent toujours à l'ordre du jour, même à l'ère du numérique pour les installations de CVC. Vitesse de positionnement élevée Le principe simple de construction de la commande magnétique – une seule pièce mobile, un noyau dans un champ magnétique variable – a pour corollaire une vitesse de positionnement très élevée. La vanne magnétique est dans la boucle de régulation un organe pratiquement sans retard. Ceci a pour conséquence : • une élimination rapide des grandeurs perturbatrices. • la vanne s'adapte aussitôt aux modifications de consigne. • le degré de difficulté Sv = T u / Tg de la boucle de régulation est considérablement réduit, de 0,48 à 0,36, soit 25%. Ces valeurs résultent de la comparaison entre une vanne à commande magnétique et une vanne conventionnelle (figure 13). x 94.0142 t Tu Tu Tg [s] S = 0.36 S = 0.48 Tg Figure 13 : Influence de la vitesse de positionnement sur le degré de difficulté V0 94.0143 100 Un degré de difficulté réduit signifie que le gain de la boucle admissible peut être augmenté. Ainsi, le nombre d'éléments d'ordre de la boucle peut être réduit de 1 (voir figure 14). 70 50 40 30 20 10 3 7 5 4 4 5 3 6 2 Figure 14 : Gain admissible de la boucle Vo Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division 1 0.03 0.05 0.07 0.1 0.2 0.3 0.5 7 89 0.7 10 1 Tu =S Tg CA1N4028F / 02.2000 7/12 Résolution élevée La réaction rapide et précise de la commande magnétique, combinée à une course réduite du clapet, donne une vanne à résolution élevée. Cela signifie que même les plus petits écarts de régulation provoquent une modification de la course et donc du débit. La vanne régule précisément le comportement du débit sur toute la course, même au point où la caractéristique de la vanne (kv en fonction de la course) est relativement importante. La résolution moyenne ÐH : H100 (H = course) des vannes standard Staefa est 1 : 200. Courbe de vanne idéale pour réglage de charge partielle Les figures 15, 16 et 17 montrent les différents types de caractéristiques de vannes rencontrés le plus souvent en CVC. Les figures 18 et 19 représentent des exemples de caractéristiques mesurées de vannes Staefa, et la figure 20 la plage de charge partielle (course = 0 ...10%). On constate : – L'aplatissement de la caractéristique à partir du point zéro est typique de la vanne Landis & Staefa. C'est là que réside la différence importante par rapport au comportement linéaire habituel : pas de saut d'entrée, la courbe est concave. La vanne régule "au goutte à goutte" et est opti-misée dans la plage de fermeture. – Pour la courbe de la figure 20 la tolérance de pente est dépassée pour kv = 4%, comme défini dans les préconisations VDI/VDE. Cependant, ces tolérances ne sont pas importantes pour les vannes Staefa, car pour cette pente le débit reste complètement réglable. Pour les vannes Staefa, le taux de fuite k vo correspond à la valeur limite (critique) kvr comme défini dans les préconisations VDI/VDE La valeur kvr est habituellement utilisée pour calculer le rapport de réglage : S = kvs : kvr Les vannes conventionnelles ont des rapports de réglage compris entre 50 ...100. Comme les tolérances de pente ne s'appliquent pas au sens traditionnel du terme pour les vannes Staefa, kvr n'a pas de signification, S devrait être calculé en utilisant kvo . Pour un taux de kvo = 0,05% kvs on obtient 1 : 0,0005 = 2000. En d'autres termes, les performances de la vanne Staefa pour réguler le débit dans le domaine des faibles ouvertures sont telles que la définition établie du rapport de réglage est désuète. Les préconisations VDI/VDE adaptées certes aux vannes de construction traditionnelle sont incapables de valoriser une technologie différente. Caractéristiques théoriques La caractéristique linéaire (figure 15) correspond à l'équation suivante : kv = kvo + nlin · H pour H = kv = k vo = n lin = course [mm] débit spécifique [m 3 /h] débit pour H = 0 (saut d'entrée) pente de la caractéristique k vo ( = 1 - ––– ) k vs kv 94.0144 kvs kvo Taux de fuite = Saut d'entrée H H100 Figure 15 : Caractéristique linéaire CA1N4028F / 02.2000 8/12 Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division La caractéristique à pourcentage égal (exponentielle) (figure 16) a l'équation : kv = k vo • e ngl • H H100 La pente n'est pas constante, mais elle se modifie avec H, selon la même loi exponentielle. La grandeur ngl détermine la courbure du tracé. Pour une vanne donnée, c'est une constante. kv 94.0145 kvs kvo Figure 16 : Caractéristique à égal pourcentage (théorique) H H100 Caractéristique réelle d'une vanne conventionnelle En pratique, la caractéristique s'éloigne de la caractéristique théorique aux positions proches de la fermeture (figure 17). Au point où la tangente dépasse les tolérances de pente k v = k vr. Cette valeur définit le rapport de réglage de la vanne : kv kvs Sv = k v r 94.0146 kvs Tangente Tolérances de pente kvr Figure 17 : Caractéristique réelle (principe) (selon VDI / VDE) kvo H H100 kv [%] kvs 94.0147 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Course [%] Figure 18 : Caractéristique d'une vanne M3P20F Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division CA1N4028F / 02.2000 9/12 kv [%] kvs kv [%] kvs 94.0149 94.0148 110 10 9 ± 10 % 100 8 kv100 = 92.63 90 7 80 Points de mesure 6 70 Caractéristique théorique Points de mesure 60 5 Caractéristique théorique 50 kvr = 4 % 4 40 3 30 2 20 Tolérances de pente 10 20 Figure 9 1 Tolérances de pente kvr = 0.3 % Course 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 [%] Figure 19 : Caractéristique de la vanne M3P25 (course totale) Course 0 0 1 2 Figure 20 : 3 4 5 6 7 8 9 10 [%] Caractéristique de la vanne M3P25F (zone de fermeture) Conséquence pratique : la quantité minimum de chaleur réglable En CVC, on utilise le plus souvent les vannes en connexion avec un échangeur de chaleur. Elles règlent le débit d'eau chaude ou d'eau froide. Ces échangeurs de chaleur ont en général une caractéristique à pente importante dans la plage de charge partielle (figure 21), c'est-à-dire que pour un débit d'eau faible une quantité d'énergie relativement élevée est rapidement transmise à l'air. Si la vanne présente un saut d'entrée, cela augmente considérablement la quantité minimum d'énergie réglable. Ceci n'est pas souhaitable car des oscillations sont à craindre. La régulation progressive se transforme à ce point en régulation tout ou rien. Un diagramme (figure 21) est utilisé pour calculer la quantité minimum de chaleur réglable. Deux grandeurs sont encore nécessaires : l'autorité a de l'échangeur de chaleur (= rapport entre la différence de température d'eau et la différence entre la température d'entrée d'eau et celle de la sortie d'air) et l' autorité de la vanne Pv (= rapport entre la pression différentielle sur la vanne et la pression différentielle totale dans la partie à débit variable du circuit hydraulique). Les valeurs courantes sont a = 0,5 et P v = 0,5. Comparons une vanne Staefa à une vanne conventionnelle sur la base de ces valeurs. – Vanne conventionnelle : Sv = 50 – Vanne Staefa: Sv = 200 (Pour la vanne Staefa, il faut utiliser dans ce cas le pouvoir de résolution. Pour une vanne conventionnelle, l'influence du moteur est déjà prise en compte.) Les valeurs suivantes peuvent être extraites de ce diagramme : – Vanne convent.: Qmin = 5.8%QN – Vanne Staefa: CA1N4028F / 02.2000 10/12 Qmin = 1.4%QN Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division Qmin [%] QN 94.0150 70 50 40 a 30 25 0 0.1 20 30 0. 0 2 0. 15 0. 10 60 0. 8 5.8 50 0. 40 70 0. 90 0. 80 0. .0 1 B 5 4 3 2 B' 1.4 1 1.0 Pv 0.80 0.60 0.50 A A' 10 0.40 0.30 Sv 20 25 0 50 10 0 20 0 30 0 50 0.20 0.15 0.10 0.4 0.6 0.8 1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 V min [%] Figure 21 : Détermination de la puissance minimale réglable de chauffage Qmin à partir de l'autorité de la vanne Pv, du rapport de positionnement Sv et de la valeur a (d'après "technique de réglage") Conclusion Les vannes à commande magnétique progressive, caractérisées par leurs qualités techniques de régulation, leur robustesse, leur facilité d'entretien et leur longévité sont adaptées à tous les cas où la température et l'hygrométrie doivent être réglées avec exactitude. Elles ont été mises au point pour les installations de CVC, mais leur domaine d'utilisation s'étend aussi aux processus industriels. La vanne seule ne peut optimiser la boucle de réglage, mais elle y apporte sa contribution maximale. Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division CA1N4028F / 02.2000 11/12 © 1998 Siemens Building Technologies AG CA1N4028F / 02.2000 12/12 Siemens Building Technologies Landis & Staefa Division