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