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Facteurs de sélection de vannes proportionnelles Steve Skinner, Eaton Hydraulics, Havant, UK Copyright Eaton Hydraulics 2000 Facteurs de sélection de vannes proportionnelles Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Configuration du piston Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Piston (symétrique) d'entrée et de sortie A A P B T T B P 20N T Le piston représenté est le plus courant dans un distributeur proportionnel. Pour une ouverture donnée, la limitation du débit est la même sur toutes les portées. Dans le cas d'un actionneur à surfaces actives égales (tel qu'un moteur), ceci permet une commande aussi bien sur l'entrée que sur la sortie. Dans le cas d'un actionneur à surfaces actives différentes (vérin), la commande porte essentiellement, suivant le sens de déplacement, sur l'entrée ou sur la sortie. Piston de sortie A A B P T T B P 28S T Le piston de sortie n'a d'encoches qu'au niveau des portées A-T et B-T. La limitation du débit est relativement faible au niveau des portées P-A et P-B (comme dans un distributeur à commutation classique). Le piston de sortie peut s'utiliser dans le cas de vérins et de moteurs. Il s'utilise souvent pour la commande de charges négatives. Piston d'entrée A A B T B P T 22A P T Le distributeur KDG4V 3S n'est disponible qu'avec piston d'entrée. Il possède des encoches au niveau des portées P-A et P-B. Piston asymétrique A A B P T T B P 20N10 T Pour assurer une commande optimale d'actionneurs à surfaces actives différentes, la plupart des distributeurs proportionnels sont disponibles avec piston asymétrique. Dans ce cas, la limitation du débit de P vers A ou de P vers B est plus faible que de P vers B ou de B vers T. Si l'on utilise, par exemple, un piston 2:1 dans un vérin 2:1, la même commande est possible en entrée et en sortie. Piston symétrique Les avantages d'un piston asymétrique peuvent s'illustrer à l'aide d'un exemple simple d'un vérin non chargé commandé par un distributeur proportionnel et une balance de pression. 2 : 1 A B P T 8 bar Piston symétrique À la rentrée de la tige du vérin, la balance de pression maintient une perte de charge constante de 8 bar entre les orifices P et B du distributeur proportionnel. 2 : 1 A B DP = 8 bar 8 bar P T Piston symétrique Comme le débit de A vers T est le double de celui de P vers B (pour un vérin à rapport des surfaces actives de 2:1), la perte de charge de A vers T est le quadruple de celle de P vers B (32 bar dans le cas présent). 2 : 1 A B DP = 32 bar 8 bar P T Piston symétrique 1) Une contre-pression de 32 bar du côté de la face avant du piston exige une pression de 64 bar du côté de la tige. 2 : 1 32 bar 2) Il en résulte qu'il faut une pression minimale de 72 bar au niveau de l'orifice de raccordement P pour déplacer le vérin en l'absence de charge. 64 bar A B 72 bar DP = 32 bar 8 bar P T Piston asymétrique Si l'on remplace le piston symétrique par un piston asymétrique (dans le rapport 2:1), la perte de charge, imposée par la balance de pression, sera également de 8 bar. 2 : 1 A B Piston 2:1 DP = 8 bar 8 bar P T Piston asymétrique Un piston 2:1 associé à un vérin 2:1 a alors pour conséquence d'avoir également une perte de charge de 8 bar de A vers T. 2 : 1 A B Piston 2:1 DP = 8 bar 8 bar P T Piston asymétrique La contre-pression de 8 bar du côté de la face avant du piston exige 16 bar du côté de la tige, et donc une pression minimale de 24 bar au niveau de l'orifice P. 2 : 1 8 bar 16 bar L'utilisation d'un piston asymétrique réduit ainsi de 72 bar à 24 bar la pression minimale nécessaire au niveau de l'orifice P. A B Piston 2:1 24 bar DP = 8 bar 8 bar P T Possibilités de sélection du piston A T P 20N A T A B T B P 22A T Le choix de la caractéristique de limitation du débit du piston est donc déterminé par le type d'actionneur et la nature de la charge. T T B P 28S A T B P 20N10 T Positions centrales du piston A B A B A B P T P T P T 2C 33C 5C Plusieurs possibilités de sélection de la position centrale du piston sont également disponibles avec la plupart des distributeurs proportionnels. Le bon choix dépend surtout de la caractéristique de charge et des vannes auxiliaires présentes dans le système. Si l'on emploie, par exemple, un distributeur proportionnel pour éviter le mouvement d'un actionneur, il est possible d'utiliser un piston 2C. Si l'on emploie, en revanche, un clapet anti-retour à commande électromagnétique ou pilotable, un piston du type 33C peut être mieux approprié. Débit nominal Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Débit nominal du piston 2) Différents débits nominaux peuvent être obtenus en faisant varier la taille, la forme et le nombre d'encoches du piston. QR l/min A B P T DP de 5 bar 1) Le débit nominal d'un piston est défini par le débit que laisse passer une portée du piston (à ouverture maximale) pour une perte de charge de 5 bar. QR 3 l/min 3) Des vannes à débit nominal compris entre 3 et 550 l/min sont actuellement disponibles. 550 l/min Calcul du débit A1 V1 Q1 QR = ? Le bon choix de la taille d'un distributeur proportionnel est important car un distributeur trop petit ne permet pas d'obtenir la vitesse nécessaire de l'actionneur. Un distributeur trop grand peut se traduire par une très faible ouverture du piston, ce qui est difficile à commander. Calcul du débit A1 A2 F P1 P2 PS PT Comme un distributeur proportionnel limite le débit aussi bien à l'entrée qu'en sortie de l'actionneur, le choix de la bonne taille n'est toutefois pas aussi simple que dans le cas d'une vanne à commutation classique. Calcul du débit A1 A2 P1.A1 P1 P2.A2 F P2 P1.A1 = P2.A2 + F PS PT Pour pouvoir déterminer la perte de charge dans le distributeur, il est nécessaire d'estimer les pressions P1 et P2. Ceci peut se faire en partant de l'équilibre des forces s'exerçant sur le piston du vérin ... Calcul du débit A1 A2 F P1 Q A2 Q. A1 P2 P1.A1 = P2.A2 + F DP Q2 PS PT A2 P2 – PT = PS – P1 A1 2 ... et du rapport des débits et pertes de charge au niveau des diaphragmes de mesure. Logiciels de dimensionnement L'approche la plus simple est toutefois d'utiliser des logiciels exécutant toutes les étapes du calcul. Performances Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Performances des vannes sans contre-réaction 2) Quand, dans une vanne sans contre-réaction, on met sous tension l'électroaimant, il est généré une force magnétique qui repousse le piston dans le corps de la vanne en s'opposant à la force d'un ressort. 1) Lors de la sélection du débit nominal optimal d'une vanne proportionnelle, il est également nécessaire de tenir compte des performances de la vanne, comme par exemple de son aptitude à maintenir le piston dans la position exigée en dépit des forces d'écoulement. DP Q Performances des vannes sans contre-réaction 3) Quand la vanne est toutefois traversée par le fluide, des forces d'écoulement s'exercent aussi sur le piston en s'opposant à la force magnétique. 1) Le piston ouvre alors le passage jusqu'à ce que la force magnétique et la force du ressort comprimé soient en équilibre. DP 2) À ouverture maximale, le débit traversant la vanne est proportionnel à la racine carrée de la différence de pression aux bornes de la vanne. Q Performances des vannes sans contre-réaction 1) Les forces d'écoulement ont pour effet de refermer en partie le piston, ... DP 2) ... ce qui conduit à une courbe différente de celle calculée et à une limitation du débit maximal possible. Q Performances des vannes sans contre-réaction Dès que la limite de débit est atteinte, la courbe peut devenir soit verticale, soit même régressive. Autrement dit, une augmentation de la perte de charge se traduit alors par une réduction du débit traversant la vanne. DP Q Une courbe verticale, en revanche, veut dire qu'une variation de la perte de charge n'entraîne aucune variation du débit, par exemple dans le cas d'un effet de compensation de pression. Performances des vannes sans contre-réaction DP 4 6 Q La courbe de performances indiquée définit donc la limite de la plage d'utilisation d'une vanne pour un signal d'entrée maximal ; il n'est, par exemple, pas possible de travailler en dehors de cette plage. Performances des vannes à contre-réaction Les vannes à contreréaction ont également des limites de performances, mais celles-ci sont en général supérieures à celles d'une vanne équivalente sans contre-réaction. DP Q Performances des vannes à contre-réaction 1) Quand les forces d'écoulement poussent le piston en direction de la position de fermeture, le signal du capteur de contre-réaction indique que le piston a changé de position. L'intensité du courant injecté dans l'électroaimant est ainsi automatiquement augmentée. DP 2) Ceci permet au piston de s'opposer à des forces d'écoulement supérieures et permet ainsi à des débits supérieurs de traverser la vanne. Q Performances des vannes à contre-réaction Il peut toutefois arriver que les forces d'écoulement deviennent trop grandes pour l'électroaimant, et la vanne se met alors à se fermer comme auparavant. DP Q Performances des vannes à contre-réaction La plage de performances d'une vanne à contre-réaction est donc supérieure à celle d'une vanne équivalente sans contre-réaction et permet la commande de débits supérieurs. DP Q Commande / Régulation Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Commande Rampe 1) Dans un système de commande, un amplificateur génère à partir d'une tension d'entrée un courant appliqué à la vanne proportionnelle, qui régule le débit d'alimentation de l'actionneur et commande ainsi sa vitesse. Intensité du courant Débit Position Accélération Vitesse 2) Une variation de la charge de l'actionneur ou de la pression du système peut toutefois faire varier la vitesse de l'actionneur. Tension Une commande de l'accélération et du freinage de l'actionneur peut être obtenue en utilisant le générateur de rampes de l'amplificateur, qui fait varier l'amplitude de la variation du courant de sortie. 3) Pour pouvoir contrôler la position de l'actionneur à l'aide d'un système de commande, on peut utiliser un détecteur de fin de course, qui coupe la tension du signal d'entrée appliqué à l'amplificateur (et sélectionne ainsi la vitesse nulle de l'actionneur). La position exacte à laquelle s'arrête l'actionneur dépend toutefois d'une série de facteurs (inertie de la charge, temps de réponse de la vanne, vitesse, etc.). La précision de la position et donc limitée, et un dépassement n'est pas corrigé. Commande Rampe Taux de variation de la force Intensité du courant Pression Force Tension Une commande de pression peut être obtenue par utilisation d'un limiteur de pression ou détendeur. Dans ce cas, la tension d'entrée appliquée à l'amplificateur génère un courant de sortie correspondant appliqué à la vanne proportionnelle afin de réguler ainsi la pression au niveau de l'actionneur.Le générateur de rampes intégré dans l'amplificateur peut s'utiliser pour commander le taux de croissance ou de décroissance de la pression. Régulation de la vitesse Rampe Accélération PID + Intensité du courant _ Débit Vitesse Tension Vitesse Tension Tension Une régulation de la vitesse exige un capteur qui délivre un signal de contreréaction proportionnel à la vitesse de l'actionneur. Pour générer un courant de sortie (ou un débit au niveau de l'actionneur) quand le signal d'erreur est nul (contre-réaction = entrée), l'amplificateur doit être un intégrateur. Le maintien de la vitesse (sous différents charges, etc.) est alors beaucoup plus précis que dans le cas d'un système de commande. Comme dans une commande, une régulation de l'accélération et du freinage peut être obtenue en utilisant le générateur de rampes intégré dans l'amplificateur. Régulation de la position Rampe 1) Une régulation de la position exige un capteur qui délivre un signal de contre-réaction proportionnel à la position de l'actionneur. PID + Intensité du courant _ Débit Vitesse Position Tension Position Tension Tension 2) Dans la plupart des applications, l'amplificateur génère tout simplement un courant de sortie proportionnel à l'écart de position (entrée moins contre-réaction). La précision de la position est donc beaucoup plus grande que dans un système de commande. 3) Dans certaines situations, on peut toutefois utiliser l'intégrateur et le différentiateur de l'amplificateur pour améliorer les performances du système. Les applications de ce genre exigent cependant un niveau relativement élevé d'expérience. Le générateur de rampes intégré dans l'amplificateur peut également s'utiliser pour commander la vitesse de passage de l'actionneur d'une position à l'autre. Régulation de la force Rampe Taux de variation de la force PID + Intensité du courant Pression Force Force Tension _ Tension Tension Pour la régulation de la force, on peut utiliser soit un capteur de pression soit un capteur de force pour la mise à disposition du signal de contre-réaction. Si la commande est assurée par un distributeur à tiroir, l'amplificateur génère normalement un signal de sortie comportant à la fois une composante proportionnelle et une composante intégrale. Comme précédemment, le générateur de rampes permet de commander le taux de variation de la force du vérin. Réponse Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Réponse indicielle Débit Entrée Sortie Le temps de réponse de la vanne est un facteur important dans les systèmes à hautes performances. Il peut s'indiquer par le comportement de la vanne à une variation en échelon du signal d'entrée, qui, dans certains cas, peut avoir l'allure représentée ici. Le problème est toutefois de déterminer le point auquel le signal d'entrée et le signal de sortie sont égaux. Temps Réponse indicielle Entrée 100% 90% Sortie Débit Dans d'autres cas, la sortie peut dépasser l'entrée, et il est à nouveau difficile de déterminer le point auquel signal d'entrée et signal de sortie sont égaux. Pour éviter ce problème, le temps de réponse est normalement indiqué comme le temps nécessaire à la sortie pour atteindre 90 % de la valeur finale. Temps T Débit (de P vers B) Débit (de P vers A) Réponse en fréquence 100% Entrée Sortie 75% 50% 25% Temps Il est parfois plus judicieux de mesurer les performances de la vanne en examinant son comportement à une courbe sinusoïdale appliquée à l'entrée. Ceci s'obtient souvent en faisant osciller le piston de la vanne de plus ou moins 25 % autour de la position ouverte à 50 %. Aux basses fréquences, la sortie de la vanne peut suivre presque exactement l'entrée. Débit (de P vers B) Débit (de P vers A) Réponse en fréquence Entrée 100% Sortie 75% A2 50% A1 25% 360º L 1) Dès que la fréquence d'entrée augmente, l'amplitude de sortie diminue ; la sortie commence à être en retard sur le signal d'entrée. Réponse en amplitude (dB) = 20 log Temps ( ) A2 A1 Retard de phase (º) = L 2) Ces deux effets se décrivent par les deux grandeurs réponse en amplitude et retard de phase. 1) Réponse en amplitude et retard phase se mesurent pour une série fréquences et se reportent dans diagramme à échelle logarithmique. est connu sous le nom de diagramme Bode. -3 Bande passante 1 10 100 de de un Il de Retard de phase (º) Réponse en amplitude (dB) Réponse en fréquence Fréquence (Hz) 2) La fréquence à laquelle la sortie est réduite de 3 dB (50 %) est connue sous le nom de bande passante. La fréquence de coupure est la fréquence correspondant à un retard de phase de 90º. L'une ou plusieurs de ces valeurs s'utilisent normalement pour déterminer la réponse de la vanne. 135 90 45 1 10 100 Fréquence (Hz) Fréquence de coupure Linéarité Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Linéarité E Débit de sortie QMAX Dans les systèmes de commande, notamment, il est souvent important d'avoir un rapport linéaire entre signal d'entrée de la vanne et débit de sortie. La linéarité de la vanne quantifie la qualité du respect de cette condition. Linéarité (%) = Signal d’entrée E QMAX x 100 Répétabilité Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Répétabilité E Débit de sortie QMAX Signal Répétabilité (%) = Applications successives d'un même signal (même vanne) E QMAX x 100 La répétabilité mesure la précision avec laquelle une vanne génère une sortie désirée quand on applique et supprime le même signal. Ceci est important dans les systèmes de commande, afin de pouvoir garantir le fonctionnement uniforme d'une machine. Reproductibilité Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Reproductibilité E Débit de sortie QMAX Signal Reproductibilité (%) = Applications successives d'un même signal (vannes différentes) E QMAX x 100 La reproductibilité est une mesure analogue, mais se réfère au même signal appliqué à des vannes différentes. Hystérésis Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Hystérésis QMAX Débit de sortie L'hystérésis décrit la différence entre le signal d'entrée croissant et le signal d'entrée décroissant nécessaire à l'obtention d'une sortie désirée. E Signal d’entrée IMAX Hystérésis (%) = E IMAX x 100 Gain en pression Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Gain en pression Le gain en pression d'une vanne mesure la rapidité avec laquelle le piston ouvre et ferme les orifices de travail de la vanne quand le piston se déplace d'un côté ou de l'autre de la position centrale. Gain en pression En quittant sa position centrale, le piston ouvre progressivement la communication de (A) vers (P) et ferme (T). C'est l'inverse pour l'orifice (B). A T B P T Gain en pression Une fois que le piston a parcouru une certaine distance (typiquement égale à 3 - 4 % de sa course totale), l'orifice (A) est à la pression maximale, et l'orifice (B) à la pression du réservoir. Dans beaucoup de systèmes de régulation, il faut un gain en pression élevé pour que la vanne réponde, afin de corriger également les très petites erreurs. A PD B T PPS T PD PS 1 2 3 4 % entrée Recouvrement du piston Configuration du piston Débit nominal Performances Commande / Régulation Réponse Linéarité Répétabilité Reproductibilité Hystérésis Gain en pression Recouvrement du piston Recouvrement du piston Recouvrement nul Recouvrement positif Dans certains cas, il est possible de spécifier la nature du recouvrement d'un piston proportionnel. Un piston à recouvrement positif réduit les fuites en position centrale, un piston à recouvrement négatif donnant souvent un système à réponse extrêmement rapide (les pistons à recouvrement nul n'existent qu'en théorie). Recouvrement négatif Pression de sortie Recouvrement du piston Recouvrement positif Signal d’entrée Recouvrement négatif La nature du recouvrement influence le gain en pression, comme on peut le voir ici. Un recouvrement positif conduit à une zone morte, zone dans laquelle la sortie ne varie pas tant que le signal d'entrée ne dépasse pas un certain seuil. Dans les systèmes de commande, on utilise souvent des vannes à recouvrement positif (afin de réduire les fuites), associées à une compensation électronique visant à réduire la zone morte réelle. Les vannes de régulation, elles, utilisent normalement des pistons à recouvrement négatif en vue d'un contrôle optimal. Directives d'application Oui Évt Non Contrôle Chocs Accélér. Commande de vitesse Régulation de vitesse Régulation de position Régulation de pression Ce diagramme montre les domaines d'application typiques de différents types de VALVE vannes proportionnelles. Comme toujours, il y a, ici aussi, des exceptions. Facteurs de sélection de vannes proportionnelles Steve Skinner, Eaton Hydraulics, Havant, UK Copyright Eaton Hydraulics 2000
