dde esss ccchhaaîîînnnee sss … · moohhaammeeddbboouuaacciiddaa@@yyaahhoooo..ffrr Page 2 sur 96 Différentes catégories de vannes On peut ranger les vannes dans différentes

sur 97 [email protected]

AAACCCTTTIIIOOONNNNNNEEEUUURRRSSSddd eee sss ccc hhh aaa nnn eee sss aaa uuu ttt ooo mmm aaa ttt iii sss sss

Conception et rdaction

Ing. Formateur : Mohamed BOUASSIDA

[email protected] 2010

mmoohhaammeeddbboouuaacciiddaa@@yyaahhoooo..ffrr Page 1 sur 96

LLEESS VVAANNNNEESS PPRROOPPOORRTTIIOONNNNEELLLLEESS

Une vanne est un dispositif qui sert arrter ou modifier le dbit d'un fluide liquide,

gazeux, pulvrulent ou multiphasique, en milieu libre (canal) ou en milieu ferm

(canalisation).

Principales parties d'une vanne Proportionnelle

Toutes les vannes sont constitues des diffrentes parties fonctionnelles suivantes :

Corps

Coiffe ou bonnet

Voie ou passage

Porte ou sige

Axe ou tige

Opercule ou obturateur, tels que : boisseau, papillon, guillotine, sphre ou boule,...

Volant ou actionneur (actuateur) lment extrieur la vanne, qui permet de

manuvrer celle-ci.


Diffrentes catgories de vannes

On peut ranger les vannes dans diffrentes catgories, selon leurs caractristiques :

par la taille : Depuis le simple petit robinet jusqu' la trs grosse vanne de

rgulation du dbit d'arrive d'eau dans une centrale hydrolectrique. On parle alors

de son Diamtre Nominal DN et de sa Pression Nominale PN (=1/2 Pression

maximale)

par la fonction : Vanne rgulatrice de dbit, vanne de purge, vanne d'arrt, NO

par le principe d'obstacle au dbit qui le traverse : Vanne papillon, vanne

piston, vanne boisseau conique, vanne boisseau sphrique, vanne troisvoies,

vanne guillotine,...

par le systme de commande : Manuelle, lectrique (servo vanne,

lectrovanne), hydraulique, pneumatique,...


Caractristiques Directes des Vannes

Comme tous dispositifs daction (actionneur) on appelle caractristiques directes

par la fonction % = (%) avec :%

:%

% =

100 Et% =

100

Exemple de calcul :

Pour une commande de tours, une ouverture de 45

% =45 0

90 0 100 = 50%

Forme des caractristiques :

%

%


Type des Vannes

Vanne Papillon : BUTTERFLY VALVE

La vanne papillon est un appareil dont l'obturateur se dplace par rotation autour d'un

axe perpendiculaire au sens d'coulement et, en position ouverte, est contourn par le

fluide. Parfaite pour les liquides non visqueux.

Principe de commande

La commande est en relation sinus avec le passage du fluide

Cest une vanne qui vhicule un dbit sinus langle de commande

= [1 (

[( avec langle douverture.

Caractristique

Ouverture = 0% (0)Dbit = 0%


Ouverture = 50% (45)Dbit = 29 %

100%50%

u%

Qv%

100%

Pour avoir un Dbit de

50% il faut commander 60


Vanne bille : BALL VALVE

La vanne tournant sphrique a pour fonction le sectionnement d'un fluide qu'il soit gaz

ou liquide par la rotation dune bille perce dans le sens dcoulement.

La vanne bille est parfaite pour les gaz, les grands dbits et grande pression puisque la

force de passage du fluide naffecte pas langle douverture.

La commande est en relation sinus

avec le passage du fluide, cest une

vanne qui vhicule un dbit

proportionnel langle de commande,

comme pour le cas de la vanne

papillon, mais le tournant sphrique

ne souvre dune seule ct ce qui

limite le dbit faible commande



Ouverture = 50% (45)Dbit < 20 %

u%

Qv%

100%

Pour avoir un Dbit de

50% il faut commander 78

= [1 (

2 [(


Vanne guillotine : GATE VALVE

La vanne guillotine a pour fonction le sectionnement d'un fluide qu'il soit liquide ou

pteux par l'intermdiaire de la pelle qui tranche le passage du fluide. La vanne pelle est

construite pour une tanchit totale ou relative, et sa commande est parfaitement

linaire.

Cest une vanne qui vhicule un dbit proportionnel la distance de commande x

=

Principe de commande

Caractristique

Qv%

Pour avoir un Dbit de 50%

il faut commander 50%

100%50%

u%

100%

Ouverture = 0% (0 mm)Dbit = 0%


Ouverture = 50% (3 mm)Dbit = 50 %


Vanne piston : PISTON VALVE

La vanne Piston a pour fonction le rglage du dbit d'un fluide, gaz ou liquide.

L'tanchit de la vanne piston se fait par le dplacement du piston entre 2 anneaux en

graphite. L'tanchit extrieure est assure par l'anneau suprieur, alors que l'anneau

infrieur assure l'tanchit en ligne.

Cest une vanne qui vhicule un dbit logarithmique selon la distance de commande x :

= log (%

+ 1)

Qv%


il suffit de commander 43%

100%50%

u%

100%



Ouverture = 50% (5 mm)Dbit = 58 %


Vanne conique : CONIC VALVE

La vanne obstacle conique a pour fonction le rglage du dbit d'un fluide, gaz ou liquide.

L'tanchit de la vanne conique se fait par le dplacement dun cne dans un sige

appropri, ce qui minimise la turbulence du fluide par rapport un obstacle piston ou

soupape.

Cest une vanne qui vhicule un dbit exponentiel selon la distance de commande x :

= [(%

) 1]


il faut commander 85%

Qv%

100%50%

u%

100%


Vanne sphrique : SPHERIC VALVE

Un clapet de forme parabolique se dplace linairement par rapport au sige de passage du

fluide et peut faire varier ainsi la section de passage.

Le dplacement du clapet est ralis par une tige mobile en translation.

Cest une vanne qui vhicule un dbit logarithmique selon la distance de commande x

comme pour le cas de la vanne piston mais des caractristiques plus accentues :

= log (%

100+ 1)

100%50%



Qv%

u%

100%


Vanne membrane : MEMBRANE VALVE

Une membrane de forme parabolique est dforme par le mouvement de la tige pour

assurer le passage du fluide ou larrt brusque.

La membrane assure une parfaite isolation du fluide avec la partie mobile quelque soit la

vanne est en position ouverte ou ferme


comme pour le cas de la vanne sphrique mais des caractristiques rapides en commande :

= log (%

+ 1)

100%50%



Qv%

u%

100%


Vanne soupape : FLAT VALVE

Le robinet soupape a pour fonction le rglage du dbit d'un fluide gaz ou liquide, dont

l'obturateur se dplace linairement dans le sens de l'coulement au niveau des portes

d'tanchit. Les vannes soupape peuvent tre droits, inclins ou querres. L'tanchit

vers l'extrieur est obtenue par un pressetoupe ou par un soufflet.

Cest le mcanisme utilis par les fabricants des robinetteries domestiques


comme pour le cas de la vanne sphrique mais des caractristiques plus accentues :

= log (%

100+ 1)

100%50%



Qv%

u%

100%


Capacit de dbit d'une vanne

Rappel :

Il a t tabli que la loi liant le dbit volumique Qv la section de passage Sp et la

chute de pression P de lamont laval dun fluide () est la suivante :

=

K : coefficient dpendant du profil interne de la vanne (quilibre les units de calcul).

Nous constatons que :

Le dbit varie proportionnellement la section de passage.

Le dbit est proportionnel la racine carre de la perte de charge.

Le dbit volumique est inversement proportionnel la racine carre de la masse

volumique.

Pour un liquide, lorsque la temprature ne varie que de quelques degrs, sa masse

volumique est peu prs constante, donc, le dbit ne varie qu'en fonction de la perte de

charge et de la section de passage.

Capacit du corps de vanne :

Le dbit maximum QVMAX ne dpend pas que de la section de passage Sp Maximale

seulement mais aussi de la densit du fluide, de la perte de charge, et du coefficient de

forme interne du corps.

Deux corps de vanne prsentant la mme section de passage n'ont donc pas forcment

la mme capacit.

On ne peut comparer les capacits de corps de vannes diffrents ayant une mme

section de passage Sp qu'en respectant les conditions d'essais suivantes :

Mme fluide ()

Mme diffrence de pression P


Ainsi, le coefficient de profil interne K explique les diffrences de capacits entre deux

corps de vannes de types diffrents et de Sp identiques. Nous voyons donc que la capacit

elle seule ne permet pas de comparer les possibilits de dbit des corps de vanne.

CV du corps de vanne :

Le coefficient de dbit Cv utilis pour la premire fois par MASONEILAN en 1944, est

devenu l'talon universel de mesure du dbit de fluide qui s'coule dans une vanne.

Ce coefficient est employ dans les calculs qui conduisent au dimensionnement des

vannes ou la dtermination des dbits qui les traversent.

Par dfinition, le coefficient CV est le nombre de gallons (U.S) d'eau 15C,

traversant en une minute une restriction lorsque la chute de pression au passage de cette

restriction est de 1 Psi. On a :

P en Psi ( 0,069\ bar)

d : densit (par rapport l'eau)

QV : en US gallon/min (3,785 l/min)

Le Cv est un repre de grandeur au moyen duquel le technicien peut dterminer

rapidement et avec prcision la dimension d'une restriction connaissant les conditions de

dbit, de pression ventuellement d'autres paramtres annexes et ceci pour n'importe quel

fluide.

Le Cv est proportionnel la sectionde passage entre le sige et le clapet.

Cv = 0 lorsque la vanne est ferme ;

Cv = CVMAX lorsque la vanne estcompltement ouverte.

Le Cv dpend aussi du profil internede la vanne et du type d'coulement dansla vanne.

=


KV du corps de vanne :

En unit du systme internationale on peut crire :

P en bar

d : densit du fluide (Sans unit)

QV en m3/h

On dmontre que :

Cas des liquides visqueux, coulement laminaire

On obtient un coulement laminaire au lieu de l'coulement turbulent habituel

quand la viscosit du liquide est leve ou lorsque la chute de pression est petite.

Pour dimensionner la vanne, il faut calculer le coefficient de dbit CV en coulement

turbulent puis en coulement laminaire et utiliser la valeur obtenue la plus grande.

CV en coulement laminaire :

= , (

)

: Viscosit dynamique la temprature de l'coulement en centpoise

QV : Dbit du liquide en m3/h

P : Variation de pression en bar

=

= .


Cas des gaz

Dans le cas ou le fluide en circulation est un gaz et que son coulement n'est pas

critique on a :

=

) (

QV : Dbit volumique du gaz en Nm3/h ;

P : Pression diffrentielle en bar

P1 : Pression absolue du gaz en amont de la vanne en bar

P2 : Pression absolue du gaz en aval de la vanne en bar

d : Densit du gaz par rapport celle de l'air ;

: Temprature du gaz en K.

Calcul de Cv

CV quivalent de plusieurs vannes en parallle

Pour un montage de plusieurs vannes en parallles on a :

= + + +

Et

= = = =

= + + +


CV quivalent de plusieurs vannes en sries

Pour un montage de plusieurs vannes en sries on a :

= = = =

Donc

= + + +

Influence des convergents-divergents

Quand une vanne n'est pas de la mme dimension que la tuyauterie, elle est installe

entre un convergent et un divergent. Ceuxci crent une chute de pression

supplmentaire provoque par la contraction et la dilatation de la veine fluide.

Le Cv calcul doit tre corrig par la relation suivante :

=

Le coefficient de correction Fp dtermin exprimentalement est habituellement

fourni par le constructeur.

Il peut tre aussi dtermin de manire approche partir des formules suivantes.

Il est alors calcul en considrant que la contraction et la dilatation de la veine

fluide se font d'une faon brutale. La chute de pression est donc surestime et l'on ne

risque pas de sousdimensionner la vanne.

(1

) = (

1

) + (

1

) + + (

1

)


d : Diamtre de la vanne en mm

D : Diamtre de la tuyauterie en mm

: Facteur de correction de dbit en coulement non critique pour installation

convergentdivergent avec angle au sommet du convergent suprieur 40

: Facteur de correction de dbit en coulement non critique pour installation avec un

divergent seul ou avec convergentdivergent lorsque l'angle au sommet du convergent est

infrieur 40

Cavitation et vaporisation

Variation de la pression statique travers une vanne

En application du thorme de Bernoulli, la restriction de la section de passage

prsente par la vanne et son oprateur provoque une augmentation de la pression

dynamique.

= 1 1,51

0,046

= 1 1

0,046


Il en rsulte une diminution de la

pression statique plus ou moins importante

selon :

La gomtrie interne de la vanne

La valeur de la pression statique

en aval de la vanne (P2).

Cette diminution de la pression

statique de la vanne doit tre compare la

tension de vapeur du liquide la temprature

d'coulement, car il peut en rsulter des

phnomnes nuisibles la qualit du contrle

et la tenue du matriel.

Ecoulement turbulent sans cavitation PSC > PV

P1 : Pression amont et P2 : Pression aval

PSC : Pression la section contracte

PV : Perte de charge de la vanne

PV : Pression de vaporisation du fluide la

temprature de service

Lcoulement est toujours en phase liquide

Ecoulement critique avec cavitation PSC < PV

A lintrieur de la vanne, il y a formation

de bulles de vapeur suivie de leur

implosion. Ce phnomne est la cavitation

et lcoulement est dit critique .


Cavitation

Lorsque la pression statique dans la veine fluide

dcrot et atteint la valeur de la tension de vapeur du

liquide la temprature d'coulement, le phnomne de

cavitation apparat (formation de petites bulles de vapeur

au sein du liquide, Courbe n2).

Quand la pression statique s'accrot nouveau (diminution de la vitesse par

largissement de la veine fluide), les bulles de vapeur se condensent et implosent, ce

phnomne de cavitation prsente les inconvnients suivants :

Bruit, d'un niveau sonore inacceptable, trs caractristique car semblable

celui que provoqueraient des cailloux circulant dans la tuyauterie

Vibrations des frquences leves ayant pour effet de desserrer toute la

boulonnerie de la vanne et de ses accessoires

Destruction rapide du clapet, du sige, du corps, par enlvement de particules

mtalliques. Les surfaces soumises la cavitation prsentent une surface

granuleuse

Le dbit traversant la vanne n'est plus sensible (proportionnel) la

commande

C'est gnralement les vannes les plus profiles intrieurement qui on une tendance

accrue la cavitation.


Vaporisation

Si la pression statique en aval de la vanne est faible (forte perte de charge dans la

vanne), le processus d'implosion des bulles gazeuses ne se produit pas : cellesci restent

prsentes dans la veine fluide, d'o le phnomne de vaporisation (Courbe n3).

Ce phnomne de vaporisation prsente les inconvnients suivants :

Bruit, d'un niveau sonore moindre que celui provoqu par la cavitation.

Dommages mcaniques sur le clapet, le sige et le corps, par passage grande

vitesse d'un mlange gaz liquide.

Les surfaces exposes ce phnomne prsentent des cavits d'un aspect poli.

Rgime critique.

Consquences pratiques

Pour viter le bruit et la destruction rapide de la vanne, on doit calculer et choisir

une vanne de rgulation ne prsentant pas de phnomne de cavitation. Tout au plus peut

on accepter une cavitation naissante ?

De mme, une vanne prsentant un phnomne de vaporisation ne doit pas tre

employe.

La chute de pression maximum utilisable pour l'accroissement du dbit (PC) et en

particulier les conditions de pression pour lesquelles une vanne sera compltement

soumise la cavitation peuvent tre dfinie grce au facteur FL, de la faon suivante :

P1 : Pression en amont de la vanne ;

PV : Pression de vapeur du liquide la temprature en amont.

=


Pour les applications o aucune trace de cavitation ne peut tre tolre, il faut

utiliser un nouveau facteur KC au lieu de la valeur de FL.

Ce mme facteur KC sera utilis si la vanne est place entre un convergent et un

divergent.

Pour trouver la chute de pression correspondant au dbut de cavitation, utiliser la

formule suivante :

Des solutions techniques doivent donc tre trouves pour viter cavitation et

vaporisation dans les vannes de rgulation. Si l'on se rfre aux relations prcdentes, il

suffit, pour viter la cavitation, de ramener la chute de pression dans la vanne une valeur

infrieure PC

On peut donc :

Augmenter la pression en amont et en aval en choisissant pour la vanne une

position qui se trouve un niveau bas dans l'installation : ceci augmente la pression

statique

Slectionner un type de vanne ayant un facteur FL plus important

Changer la direction du fluide, le facteur FL d'une vanne d'angle utilise avec

coulement tendant ouvrir au lieu de tendant fermer passe de 0,48 0,9 ce qui

signifie que la chute de pression peut tre au moins triple.

Installer deux vannes semblables, en srie, et l'on calculera le facteur FL total des

deux vannes de la faon suivante : FL q = FL d'une vanne.

=


Calcul selon le constructeur SAMSON


Servomoteur

Le servomoteur est l'organe permettant d'actionner la tige de clapet de la vanne.

L'effort dvelopp par le servomoteur deux buts :

Lutter contre la pression agissant sur le clapet par le fluide

Assurer l'tanchit de la vanne, et le pourcentage douverture

Ces deux critres conditionnent le dimensionnement des servomoteurs.

Le fluide moteur (nergie de motricit) peut tre : de l'air, de l'eau, de l'huile, de

l'lectricit (servomoteur lectrique).

En gnral, le fluide est de l'air et la pression de commande varie de 0,2 bar 1 bar

(315Psi), on distingue les servomoteurs pneumatiques suivants :

Le servomoteur classique membrane, conventionnel ( action direct ou inverse) ou

rversible (on peut changer le sens d'action).

Le servomoteur membranes droulante, surtout utilis pour les vannes rotatives.

Le servomoteur piston, utilis lorsque les efforts fournir sont trs importants. La

pression de commande peut tre importante. Alors le fluide moteur peut tre de

l'air, de l'eau ou de l'huile.

Le servomoteur lectrique, utilis pour les vannes rotatives. On associe un moteur

lectrique un rducteur de vitesse permettant ainsi d'obtenir des couples trs

importants.


Servomoteur pneumatique

Dfinition :

Gnralement le servo est un prsactionneur divis en deux parties :

Exemple : Huile et air : Servofrein, Courant alternatif et Courant continu : Servo drive,

pression basse et pression haute : Servo moteur pneumatique.

Donc le servo moteur pneumatique agit sur la tige dune vanne en translation de faible

distance mme pour les grands diamtres, alors on doit doubler le nombre des siges et de

organes dobstacle.

Principe de dplacement :

Si la pression de commande augmente, la membrane

en caoutchouc ou polymre se dforme

paraboliquement vers le haut et tire la tige de la

vanne proportionnellement aux efforts des ressorts

de rappel (contre pression).

Quand le fluide exerce des efforts de forage de la

position douverture, alors le positionneur auto

corrige la pression de commande.

Pression de commande3 15 Psi normalise Tige de la vanne

Echappement

MembraneRessort


Prsentation technologique des servo moteurs pneumatiques :


Effort de motricit

Cest la force exerce par le servo moteur pneumatique sur la tige pour convaincre les

ressorts de rappel seulement, en respectant les units nous pouvons crire :

=

: []

: ] ]

: []

: [ ]

Exemple de calcul :

On veut calculer la force applique sur la tige pour un diamtre actif de la

membrane de 200mm et 100% de commande sur le servo.

100% de commande = 1 = 100 000 = 0,1 /

= p = 3, 14159 100 = 31416 mm

=0,1 31416

9,81 320

Conditions dquilibre :

Soit alors le tableau suivant :

Pour un diamtre du servo de 200 mm et une course de 6 mm de la membrane


Avec un signal de commande de 0,21bar

Mme quand le servo ne reoit pas de signal, les ressorts exercent une force de

fermeture (pour vanne NC), et la tige reste bloque vers le bas.

A la pression 200 mbar qui dsigne 0% de commande douverture, la tige se dbloque vers

le haut, mais la vanne ne souvre pas, alors on parle de la position de dcollage, et la vanne

est prte au micromtre prs de se soulever pour vhiculer le fluide selon le pourcentage

de commande.

Dimensionnement des servomoteurs et pression de commande :

Afin que le servo puisse dplacer les lments mobiles de la vanne et dans quelques cas

convaincre les forces parvenant de lcoulement du fluide, il doit tre capable de faire, ce

qui engendre des diamtres diffrents et des pressions de commandes diffrentes :

Exemple : Diamtre 250mm, 320mm, 400mm Pressions de commande : 0,21 bar

(315 Psi), 0,42 bars (630Psi)

Pour un servo de 400mm pression 4 bars maximum, peut engendrer des forces qui

dpassent les 5 tonnes.

Pression decommande

Pourcentage decommande

Force de motricit Dplacement de la tige

0 bar Pas de signal 0 Kg Bloque

0,2 bar 0% 64 Kg 0 mm

0,4 bar 25% 128 Kg 1,5 mm

0,6 bar 50% 192 Kg 3,0 mm

0,8 bar 75% 256 Kg 4,5 mm

1,0 bar 100% 320 Kg 6,0 mm


Pouvoir de fermeture directe des servomoteurs :

Pour le cas dune vanne NC

(Normally Closed) la pression de

commande de fermeture est de 200mbar

par exemple, alors que le servomoteur

doit assurer une tanchit parfaite

quelques soient les perturbations de

fluctuation de la pression du fluide qui

veut traverser la vanne.

Cette pression de fluide exerce un force FF qui

dfonce le clapet, alors le servomoteur ne peut

quexercer la force des ressorts FRESSORTS qui ne peut

pas excder la force de dcollage (pour 200 mm et

signal 200mbar on a 64Kg)

Donc en quilibre on a :

= Et puisque = et =

alors :

= =

Exemple de calcul : = 16 = 25

Alors Pression maximale de pique 2XPN = 32 bars et DVALVE < 0,9 DN 22,5 mm

= 32

0,2 22,5 = 285

FRESSORTS

FFLUIDE

DSERVO

dVALVE


Le mcanisme de renvoi dangle :

Bien que le positionneur corriger en continue la

position de louverture de la vanne, mais on peut le

contourner par le mcanisme de renvoi dangle, qui est

conu pour quil soit irrversible et ne transmet pas les

efforts alatoires du fluide vhicul.

Ces mcanismes comme engrenages coniques droits

ou vis sans fin et roue dente necssites lentretien.

Toutefois le servomoteur doit tre capable de convaincre les Forces du fluide pour

mobiliser la tige dans les deux sens surtout avec le mcanisme de renvoi dangle

Vanne

Servomoteur membrane

Positionneur

Mcanisme de renvoi dangle


Servomoteur ELECTRIQUE

Dfinition :

Le servomoteur lectrique est bas sur

le principe dun moteur courant continu,

aliment par une carte lectronique de

pilotage de courant et tension

dalimentation pour varier la vitesse de

fermeture de la vanne et le couple de

trainage pour convaincre les forces

produites par la fluctuation de pression du

fluide.

Exemple de servomoteur lectrique :

Motorisation ATEX Actionneur lectrique linaire de vanne :

Actionneur linaire lectrique ATEX pour vannes

Course maxi de 30mm

Force 800N

Alimentation 24VDC/DC ou 230 VAC

Retour du ressort en 16 s

Mode de contrle : TOR ou analogique 2 10V


Effort de motricit :

Cest le couple exerc par le servomoteur lectrique suite la rotation du moteur en

liaison avec un rducteur mcanique mcanisme de renvoi dangle irrversible.

La puissance utile du moteur lectrique :

= =

; :

: 85%

Exemple de calcul :

Pour une vanne de PN=200 Psi et DN=1" on a : = 23 = 2,5

= 23 2,5 0,85 48,9

Le couple du moteur lectrique : =

=

: []

: ] / ]

: ] / [ ] ]

Exemple de calcul : PN=200 Psi et DN=1"

Pour la mme vanne on a : 500

Donc : = ,

0,933


Le Couple gnrer par le servomoteur (Effort de motricit) suite au couple

moteur lentre du rducteur mcanique selon la relation :

= Avec : 75%

Et = Donc =

Le couple du servomoteur qui nest dautre que C2 peut scrire de la faon suivante :

=


Pour la mme vanne on a : =

(Rduit 200 fois la vitesse)

=0,933 0,75

1200

140

Par ailleurs

=23 2,5 0,85 0,75

2 50060

1 200 140

l'gard dun couple on peut toujours dterminer la force en N quil peut engager sur

un rayon dune roue dente par exemple par la loi suivante : =

Moteur

Rducteur

Rapport i

2 ; C2

1 ; CM


Cette force est valable pour le dimensionnement des actionneurs linaires lectriques

seulement, pour les actionneurs rotatifs (vanne de tour) il suffit davoir un couple du

servomoteur qui convainc les efforts de frottement mcanique de serrage la

fermeture et le dbut de louverture, ou encore le frottement de laxe aux coussinets.

=


Pour la mme vanne on a : = 25

=140

0,125 1 9,81 114

Conditions de lquilibre des actionneurs linaires lectriques :

Il faut que la somme des forces sur la tige soit nulle, alors : =

Ce qui se traduit ainsi : F = P S


Alors Pression maximale de pique 2XPN = 28 bars et DVALVE < 0,9 DN 22,5 mm

Condition de motricit > 2800000 (.)

1 9,81 113,5

La condition est vrifie, le servomoteur est valable pour la vanne

Roue denterayon : r


Le Positionneur

Ncessit du positionneur :

La pression alatoire du fluide dsigne par PN (Pression

Nominale) exerce un effort douverture sur la vanne (NC) et

dstabilise sa position do la ncessit de mesurer la

position de la tige et agir sur la pression de commande pour

lauto maintien de la commande.

Dfinition :

Le positionneur va servir maintenir louverture exige par le rgulateur quelque

soit les perturbations de dpression et surpression du fluide qui influent directement sur

la force applique la tige, cest pourquoi on lappelle vanne de rgulation car elle

comporte une boucle de rgulation de la position de la tige la consigne.

Positionneur vanne tourPositionneur Programmable

Positionneur A levier

POSITIONNEUR 4-20mA OU0-10V : Carte lectronique de rgulationpour actionneurs


Avantages du positionneur

Ralise lasservissement de position

Changement du sens daction de la vanne

Conversion du signal de commande (Convertisseur I/P)

Changement de la loi intrinsque de la vanne (Positionneur came)

Amplification de la pression Pe envoye sur le servomoteur

Changement dchelle dans le cas de rgulation en split range

Diminution du temps de rponse de la vanne

Positionneur Pneumatique Pneumatique :

A lquilibre il faut que : = .

Dans le cas dun positionneur lectropneumatique, le soufflet est remplac par une

bobine lectromagntique sensibilit daction trs leve.

Pe

x

Pe

x

K


Positionneur Electropneumatique SMART :

Un positionneur de vanne est dit "intelligent" lorsque, en plus de sa fonction de base de

positionneur qui est de garantir la position correcte de l'obturateur par rapport au sige

pour un signal de commande donn, il permet de raliser, grce ses composants, en

particulier son microprocesseur:

un dialogue distance, car il possde des circuits de communication. Cela

permet distance partir d'un systme de conduite, d'un ordinateur, d'une micro

console, de l'identifier, l'interroger, le configurer, suivre son fonctionnement donc

celui de la vanne,

un rglage plus prcis effectu par la vanne du fait d'un asservissement l'aide

d'un capteur de position et du calcul selon un algorithme numrique de l'action

ncessaire sur le servomoteur de vanne

un autorglage, un autotalonnage, une autovrification, un autodiagnostic

en cas de panne d'un de ses composants (il indique luimme quel est son composant

dfectueux), un suivi statistique de certains paramtres, un test avec visualisation

Programmable& HART


graphique de ses performances statiques ou dynamiques (exemple: hystrsis, temps

de rponse)

une modification aise et prcise de certaines caractristiques de l'ensemble

vanne + positionneur, en particulier sa caractristique statique qui peut ainsi tre

parfaitement adapte au procd.

Boucle de rgulation de la vanne de rgulation :

Le positionneur est un convertisseur I/P (Intensit/Pression), recevant une commande

CO du rgulateur (ou API) en mA et la transforme en un signal Pe en bar.

Positionneur Electropneumatique


Etalonnage des vannes proportionnelles

Etalonnage mcanique

Consiste ouvrir un mcanisme daccouplement entre la tige ct vanne et la tige

ct servomoteur avec grande prcaution.

Alors la vanne et le servomoteur

deviennent indpendante et chaque partie

peut tre allonge ou retrcie en faisant

touner lcrou dans un sens ou dans un

autre, chaque tour quivaut 1,000 mm.

La procdure dtalonnage doit tre faite en deux parties, une pour le servomoteur

et lautre pour la vanne, lensemble install sur un banc dessai spcifique :

Le banc dessai doit comporter une pompe

volumtrique de prcision avec dbit variable

de large tendu. Sur le circuit ferm deau est

plac un dbitmtre de haute prcision.

La mesure de la pression en amont et en aval de

la pompe est assure par des manomtres de

grand diamtre et haute prcision.

On doit avoir aussi un marbre de prcision avec

un comparateur cadran avec support

magntique pour palper les positions

mcaniques de la tige.

Accouplement

Tige duservomoteur

Ecrou infrieur

Contre Ecrou


Pour les vannes grands diamtres (environ 6") les banc dessai devienne rare et on

doit les fabriquer la demande :

Etalonnage mcanique du servomoteur :

Exercer sur le servomoteur la pression de commande

minimale (3 Psi ou 200mbar) et faite tourner lcrou du

haut afin datteidre le point le plus extrme de commande

(Le plus bas pour une vanne NC) et qui coincide

parfaitement avec lpaulement ou les rainures de

laccouplement quand la vanne est dans la position de

dcollage et ne doit passer aucun dbit voir fuite.


Etalonnage mcanique de la vanne :

Appliquer la pression de commande maximale (15 Psi ou

1 bar) et faite tourner lcrou du bas pour atteindre les rainures

daccouplement quand la vanne est dans la position extrme

(Le plus haut pour vanne NC) qui donne le maximum de dbit,

sans dpasser ce point pour ne pas perdre un peu de la course.

Etalonnage lectronique linaire

Le principe est dappliquer les deux commandes extrme 4mA et 20mA et mesurer la

pression gnrer par le convertisseur I/P sa sortie.

Sil ya des carts, il faut agir sur les potentiomtres ZERO et SPAN du convertisseur.

Exemple de convertisseur I/P (420mA et 0,21bar)

Il faut alimenter le positionneur par une alimentationlectrique nominale soit 24 VDC ou 12 VDC dansquelques cas on utilise 24VAC.

Pour lalimentation en air sous pression il faut appliquer au moins 20Psi (1,4bar) de

pression dair sec minimum (6bars est un Maximum pour la majorit des convertisseurs

I/P), pour le signal de commande 630Psi on applique au moins 40Psi (2,8bar).

Le groupe Filtre Rgulateur de pression ne doit pas comprendre un

lubrificateur car la vanne proportionnelle pneumatique ne se

comporte pas comme un vrin simple effet, puisquil nya pas des

pices sous pression et en mouvement en mme temps comme le

piston et la chemise.


Aprs dbranchement pneumatique du positionneur du servomoteur, l a procdure

dtalonnage lectronique linaire consiste :

Gnrer par un calibrateur 4,000 mA

dun ct (I) et mesurer 200,0 mbar de

lautre ct du positionneur (P).

En dcart il faut agir sur le

potentiomtre ZERO pour lannuler

Gnrer par un calibrateur 20,000 mA

dun ct et mesurer 1000,0 mbar de

lautre ct du positionneur

En dcart il faut agir sur le

potentiomtre SPAN pour lannuler

A lintrieur des positionneurs on trouve un

bloc de microswitchs dont on peut configurer

la possibilit de choisir un autre tendu

dentre comme 010V et un tendu de

commande 630 Psi ou 1260 Psi, alors il faut

donner les alimentations adquates en tension

et pression dair sec.

I

P

Alimentation 24VDC

Alimentation 20 Psi

20 mA 1 bar

ZZ

S

I

P

Alimentation 24VDC

Alimentation 20 Psi

4 mA 0,2 bar

ZZ

S


Etalonnage par programmation du positionneur configurable

Les positionneurs dits intelligents ou SMART peuvent tre paramtrs via la console

HART ou un Modem HART connecte un PC.

La procdure dtalonnage mcanique du servomoteur et de la vanne reste la mme

pour les positionneurs lectropneumatiques analogiques ou SMART en moyennant un

banc dtalonnage spcifique.

Mais les opportunits offertes par la communication numrique avec les positionneurs

de la nouvelle gnration semble infinies, et trs utile pour :

La gestion dentretien de la vanne

La scurit dutilisation

L es commodits de commande avance

Les positionneurs intelligents sont

paramtrable soit par le protocole HART

(Console ou PC) ou plus fort encore

communication PROFIBUS ou RS par

cble TTL/RS232.


Rseaux de positionneurs HART avec multiplexeur :

Dans un systme de

supervision ou SNCC (Systme

Numrique Contrle

Commande) les positionneurs

peuvent tre connects sur un

multiplexeur pilot par

lordinateur partir dun

modem.

Le protocole HART assure

ladressage de chaque

positionneur de vanne et le

logiciel prend en charge la

commodit de paramtrage de

base et avanc.


Dans le menu ONLINE de la console on peut trouver le suivant :

Logiciel IBIS de paramtrage via PC


Logiciel Valvue de paramtrage via PC

Valvue est un logiciel Masoneilan, qui permet de paramtrer les vannes de la mme

marque. La version Lite, est fournie gracieusement par le fabricant. Lancer le logiciel

Valvue lite (normalement sur le bureau). Aprs recherche de la vanne (laisser faire),

slectionner la vanne (comme sur l'image cidessous), puis cliquer sur le bouton Select.


REGLAGE PID des vannes proportionnelles

Principe de la boucle de rgulation continu

Le rgulation continu en boucle ferme est dfinie comme un processus o la valeur

mesure (position de la tige) est constamment surveille et est compare la valeur de la

consigne (ordre douverture).

Dpendant du rsultat de cette comparaison, lentre variable du systme (tige de la

vanne) est influence pour ajuster la valeur mesure la valeur de la consigne (Ordre)

quelles que soient les perturbations (fluctuation de la pression du fluide via la vanne).

Cette boucle de rgulation applique a la vanne de rgulation donne le nom

technique la vanne proportionnelle soit :

Vanne Auto Servomoteur quipe dun positionneur

Le capteur de position de la tige est sensible au micromtre prs, et le positionneur

compare cette position la cosigne qui parvient du rgulateur extrieur (lordre

douverture de la vanne), lcart sera lifter mathmatiquement par les effets PID pour :

Donner de la rapidit daction de la tige (Proportionnel)

Capteur deposition

PositionneurPID

Servomoteur

Manuel

Auto

Ordre

Tige de la vanne


De la prcision statique louverture voulue (Intgral)

De lanticipation au dpart de mouvement de la tige (Drive)

La valeur calculer suite aux effets PID sera applique sur le servomoteur pour ramener

correctement et efficacement la tige de la vanne la position dsire.

Chane de mesure dune vanne de rgulation :

Exemple de calcul : Ordre douverture est 40% sur 6 mm de course.

Positionneur I/P : 420 mA et 0,21 bars, exploits 100%

Dbit via vanne Q = Constant alors correction = 0 donc

Signal de mesure = Ordre = 40% => Position x = 2,4 mm

Dbit via vanne Q = Q0+Q alors Position x 2,45 mm alors

Correction = [(2,4 2,45)*100/ (6 0)]*PID 0,8% * PID

Convertisseur I/P

Capteur de position

PositionneurServomoteur

Tige

Vanne Dbit via vanne QV

Position x x Signal de mesure

Ordre douverture

Signal douverture correction

Z E

11

Z C

11

Z Z

11

Pression


Rgulation de la position de la tige par KP seul ( levier)

Est caractrise par (KP ou Gr=100/BP%) la constante de proportionnalit ou le gain du

rgulateur, sa valeur est multiplie par lcart instantan entre la consigne voulue sur la

tige et sa position actuelle influenant ainsi laction sur la tige de la vanne le rendant ainsi

plus rapide dans la limite de sa stabilit

= ) % %)

Cette rgulation est suffisante pour les vannes montes sur les pipes fluide laminaire

ou proche de la turbulence, parce que loprateur proportionnel est bon pour la rapidit

dexcution douverture et de fermeture mais insuffisant pour la rgulation de la position

en cas de fluctuation de la pression de fluide.

Pour les vannes de rgulation positionneur pneumatique le rglage de KP se fait par la

variation de la longueur dun levier lumire gradue et crou de serrage :

Si KP est grande : la tige oscille puis aille la position dsire ou reste en pompage.

Si KP est faible : La tige est trs lente pour aller une position proche de la dsire.

Si KP est correcte : La tige aille rapidement la position dsire sans oscille.


Rgulation de la position de la tige par PID complte :

Comparaison entre une rgulation P, PI et PID :

Privilges des effets PID sur les vannes de rgulation

Effet Proportionnel KP :

Bien dos, il donne de la rapidit lexcution dun ordre douverture, la tige de la

vanne convainc facilement les forces de fluide et se positionne la consigne dsire

par le rgulateur qui commande la vanne. Avec les effets de vieillissement des

mcanismes de la vanne il faut augmenter un peu KP. (Attention = 100 /% )

BP% est la Bande Proportionnelle est linverse de KP.

Effet Drivateur TD :

Il est important au dmarrage de la tige, pour compenser le temps mort des

mcanismes mobiles de la vanne. Avec les effets de vieillissement des mcanismes

de la vanne il faut augmenter le paramtre TD sans pomper la rponse de la vanne.

Temps en ms

Position de latige en mm

PID completPI seuls

P seul

Position 2

Position 1

e


Effet Intgrateur TI :

Est ncessaire pour contrer la fluctuation du fluide qui fait dvier la tige de sa

position, un bon paramtre TI donne une prcision parfaite la vanne pour que la

tige atteint sa position voulue. Avec les effets de vieillissement des mcanismes de

la vanne il faut diminuer le paramtre TI.

Introduction PID par logiciel :

Aprs introduction de Proportionnel Gain (%), Integral Time (s), Derivate Time (ms)

on applique les valeurs la vanne Apply PID et faire deux tests :

Test dasservissement ( Consigne) : Donner un nouveau ordre la tige et observer

lexcution qui doit aller rapidement, exactement sans pompage.

Test de rgulation ( Perturbation) : Changer la pression du fluide et observer la

tige qui ne doit pas bouger visuellement, ou par comparateur 0,05mm.


Entretien des VANNES DE Rgulation :

Rvision de la vanne :

Suite des annes dexercices et des conditions de fonctionnement extrmes

(Temprature du fluide, degrs de PH, Pression de service) ainsi que les phnomnes de

cavitation et de vaporisation les lments interne de la vanne se dtriore sensiblement et

ncessite une rvision vu le prix lev de la vanne par rapport lintervention de

maintenance.

Les tapes raliser pour une rvision triennale (lourde):

Dmontage complet de la vanne

Dmontage et nettoyage du filtre de la vanne et du rseau

Dmontage, dtartrage et dgraissage des lments

Remplacement du kit joint (membrane, clapet, ajutage)

Graissage des lments

Remontage et essais : Contrle de fermeture (tanchit), contrle douverture

Exemple de changement dune membrane de vanne membrane :


Rvision gnrale :

Dmontage, sablage, peinture, remplacement des pices uses par des pices

d'origine, remontage, talonnage 0%...100%...

Aprs rvision gnrale la vanne doit tre monte sur le banc dessais spcifique aux

caractristiques de la vanne, et faire le possible suivant :

Ltalonnage mcanique.

Ltalonnage lectrique.

Reprogrammation

Contrle dtanchit

Contrle douverture maximale

Dterminer le nouveau KV

Paramtrage PID, scurits

Les ensembles des pices comme le sige, le clapet, la tige, le corps peuvent tre

inter changes avec dautre type de vanne de mme marque ce qui impose une dpendance

technologique mais conomiquement cest mieux.

Avant Pendant

Aprs


Rvision des guidages :

Selon la nature des fluides qui traversent la vanne, acide forte, base forte Les lments

qui assurent ltanchit entre la tige et le fluide se dtriorent et la vanne fait une fuite

(LEAK) nuisible et non scuritaire (vapeur surchauff sous pression, acide).

Alors il faut faire des changements des presses toupes et des joints :

Changement de la tige :

Quand ltalonnage mcanique est mal fait, ou

la tension de rglage des ressorts est trs forte on

risque alors de tasser la tige fond et elle flchie

invisiblement, mais la vanne ne se ferme plus 0%

de commande. Si la flexxion est trs faible alors il

suffit de recalibrer, si non faire la rvision de la

tige qui est un ensemble de plus de 20 pices et

diviser en trois parties assembls mcaniquement.


Rvision du servomoteur pneumatique :

La rvision des servomoteurs pneumatiques est base

essentiellement sur le changement de la membrane et

quelquefois le changement des ressorts et des disques.

Lendommagement de la membrane est d surtout :

Eclatement : Caus par une surpression accidentelle en provenance du

positionneur qui peut tre son tour altr, de plus lorsque les paramtres PID de

rgulation de la boucle principale sont fortement doss alors la pompe entre en

pompage la membrane se fatigue et sclate enfin.

Erosion : Ce phnomne est accentu par la mauvaise qualit de lair comprim qui

alimente le positionneur, qui doit tre parfaitement sec et sans lubrification.

Lrosion cause une fuite interne dans le servomoteur, alors le positionneur peut

compenser cette fuite dans les limites de possible. On peut constater ce phnomne

quand le positionneur envoi en permanence des pressions de correction de

position mme si la pression du fluide reste constante.

Fissuration : Par manque dusage le caoutchouc se dgrade sil nest pas protger

par du papier huil quand il est stock au magasin, alors des microfissurations se

cres sur la membrane et nassure plus lexpansion correcte. Des matriaux en

polymres et du caoutchouc en fibre contre ce phnomne actuellement.

Les ressorts du servomoteur pneumatique doivent tre changs sil le faut par dautre de

mme raideurs et caractristiques dimensionnelles puis il faut refaire le rglage de leurs

tensions selon la pression de service de la vanne.


LLEESS MMOOTTEEUURRSS

Moteur courant continu

Principe Physique

Bas sur le principe de linversion du champ magntique dans le rotor Nord Sud vers

Sud Nord chaque 1/4 tours en inversant lalimentation + en + laide dun collecteur

en cuivre en quatre pices implants sur le rotor.

Cest un convertisseur de lnergie lectrique lnergie mcanique, et il est

parfaitement rversible, et devient alors un capteur de vitesse de rotation :

= () aulieu dun actionneur avec : = ()

Commande du moteur :

Commande en couple :

La commande en couple dun MCC est trs proche de la linarit parce que :

= 60( (

2p

Alors on fixe la tension dalimentation la valeur nominale et on fait varier le

courant en limitant le courant de 0% 100% (libre) par une carte lectronique spcifique.


Les pertes par effet de joule

augmentent sensiblement au carr du

courant et les pertes fer seront

presque fixes (tension fixe).

La commande en couple pour

un MCC peur servir la rgulation

des forces exerces sur un

mcanisme, ou la rgulation des

efforts de coupe des matriaux.

Commande en vitesse :

La commande dun MCC est presque linaire en vitesse : U = f() est presque

droite si on nglige la rsistance interne du moteur

La relation gnrale entre la vitesse angulaire et la tension est :

= +

Alors que 0 Donc on peut crire

que : [] = ] ]

La commande en vitesse dun MCC est

trs courante dans la rgulation de la

vitesse de rotation pour le mouvement

des volets, positionnement prcis, les

petits robots bas prix et faible

puissance tels que : imprimantes,

tlcopies, lecteurs de bande

magntique

C %

Pour avoir un couple de 50%

il faut commander un courant 40%

100%50%

I %

100%

Commande par limitation de

courant et tension maximale

Commande par variation de

tension avec courant libre

N%

Pour avoir une vitesse de 50%

il faut commander une tension 50%

100%50%

U%

100%


MACHINE synchrone

Principe Physique

Le rotor bobin polaris magntiquement est coll parfaitement la pulsation

magntique du stator donc il nya pas de glissement entre le champ magntique et la

vitesse de rotation.

Cest une machine qui est parfaitement rversible de lnergie mcanique lnergie

lectrique alternative comme gnratrice et linverse comme moteur.

Commande en mode moteur :

La vitesse de rotation est parfaitement linaire la pulsation lectrique (frquence) :

[] = ] ]

() = cos(+ ) =

2

Le moteur synchrone est parfait

pour les applications de la rgulation de

vitesse de prcision, soit par les

applications de positionnement spatiale

en robotique, ou encore en

synchronisation exacte entre deux

mouvements de rotation ou de translation.

N%


il faut commander une frquence 50%

100%50%

f %

100%


Moteur asynchrone

Principe Physique

Le rotor comme cage mtallique soumis aux champs magntiques tournants du

stator, contraint de suivre avec un lger glissement de vitesse de rotation (asynchronisme)

qui saccrot avec la charge mcanique.

Cest une machine non rversible et

trs mauvaise pour la rgulation comme

actionneur mais vu son bas prix elle

reprsente la totalit de la motorisation

lectrique.

Commande du moteur :

La vitesse de rotation dpend de la pulsation lectrique (frquence), mais ce luxe de

commande nest pas rentable conomiquement pour les applications courantes en

industrie, alors on utilise la variation de vitesse au pril du couple ( puissance variable)

laide de la variation de la valeur fficace par gradateur convenable lapplication.

N = K[1

p+

sin(2)

2p]

Commande par variation

de tension efficace


il faut commander un Angle de 90 (50%)

MAIS Pour avoir une vitesse de 25%

il faut commander un Angle 114 (63%)N%

100%50%

%

100%

25%


Moteur hydraulique

Principe Physique

Un moteur hydraulique est un moteur

isotherme qui transforme une puissance

hydraulique ou hydrostatique (pression X dbit) en

puissance mcanique (force X vitesse).

Il ya plusieurs type de commande plus ou

moins diffrente, comme moteur palette,

pistons axiaux et pistons radiaux

Le poids du moteur hydraulique est trs faible par rapport sa puissance leve, ce

qui le prvilge la rgulation de vitesse dans engins mobiles (avions, tractopelles )

Commande :

Le moteur hydraulique est commandable en vitesse de rotation et couple exerc, et

il est parfaitement linaire dans les deux cas :

Donc :

N = K_ Q

Et

C = K_ P

Ainsi les formules utiles pour commander un moteur hydraulique


Moteur pneumatique

Principe Physique

Le moteur pneumatique possde le

mme principe que celui dun moteur

hydraulique mais qui transforme la

puissance pneumatique de lair

comprim (pression X dbit) en

puissance mcanique (couple X vitesse).

Commande :

Le moteur pneumatique est commandable en vitesse de rotation, mais il rpond

dune manire exponentielle avec le dbit dair comprim pression constante :

= [(%

) 1]

Le moteur pneumatique nest pas bon pour la rgulation de la vitesse mais il est

indisponsable dans les zones haut risque dexplosion, et les grandes vitesses de rotation.

QV

N :


Moteur lectrique linaire pas pas

Principe Physique

Un moteur pas pas permet de transformer une impulsion lectrique en un

mouvement de translation trs prcis.

Le moteur linaire produit une force linaire sur sa longueur en installant un champ

lectromagntique au lieu de produire un couple.

Commande

La commande dun moteur pas pas lineaire est

exclusivement en position, est se fait par

lapplication dun train dimpulsion assur par son

directeur de commande intgr (ou extrieur) suite

une demande digitale du commanditaire (PC) :

Beaucoup des applications pour ce type de moteur

dans les robots en chirurgie de haute prcision, les

domaines de la micro technologie ainsi que pour les

trains lectriques et les voitures de future.

Commande par injection dimpulsion

Impulsion

Position


Moteur lectrique rotatif pas pas

Principe Physique

Laiguille dune boussole est place

lintersection des deux axes de deux

bobines misent en quadrature.

Lalimentation successive des bobines

provoque la rotation de laiguille dun

quart de tour, avec attraction ou

rpulsion de laiguille aimante suivant le

sens du flux dans chaque bobine.

Commande

Le directeur de commande

spcifique au moteur alterne

lalimentation lectrique entre les deux

bobines en quadrature pour commander

le moteur en parfait synchronisme avec

de de tour.

Ce type de moteur est parfait pour la rgulation de

la vitesse ou de la position en boucle ouverte sans

encodeur supplmentaire, puisque la charge et

linertie du rotor naffecte pas la position voulue.

On peut utiliser les moteurs lectriques rotatifs pas pas dans des applications de

rgulation de position et de vitesse de rotation dans les mcanismes de haute prcision

comme les imprimantes, les appareils photos et camras professionnelles.

Commande directe angulaire

Cycle

Angle


Moteur combustion

Principe Physique

Cest un moteur transforme lnergie

faucille (ptrole) en nergie mcanique avec un

trs mauvais rendement vue les grandes pertes

thermiques, acoustiques et frottement dusure.

Il ya plusieurs type de moteur et plusieurs type

dalimentation soit par gasoil, essence, gaz

GPL et huile de ptrole (Nafta)

Commande :

La commande directe dun moteur

combustion est trs hasardeuse, donc on

commande sa vitesse de rotation en

boucle ferme, le couple gnr par le

moteur chaque vitesse est pilot par la

puissance utile qui est le rsultat de la

combustion. La consommation en

carburant et air dadmission donne la

puissance dsire.

Au dessous dune vitesse de rvolution

le moteur cale et ne tourne pas.

Les moteurs combustion sont utiliser couramment en rgulation de vitesse de

rotation pour les groupes lectrogne de production denergie lectrique une frquence

proportionnelle la vitesse de rotation, ainsi que les groupes autonomes de soudage


VVEERRIINNSS && DDIISSTTRRUUBBUUTTEEUURRSS PPRROOPPOORRTTIIOONNNNEELLSS

Principe des Vrins Hydrauliques ou pneumatiques

Cest un actionneur hydromcanique qui transforme lnergie hydraulique (Dbit X

pression) en une nergie mcanique (Force X Distance).

Donc un vrin pneumatique ou hydraulique est un tube cylindrique (le cylindre, la

chemise) dans lequel une pice mobile (le piston) spare le volume du cylindre en deux

chambres isoles l'une de l'autre. Un ou plusieurs orifices permettent d'introduire ou

d'vacuer un fluide (Huile hydraulique ou air comprim) dans l'une ou l'autre des

chambres et ainsi dplacer le piston.


On peut distinguer les types des vrins suivants :

Vrins simple effet : Le dplacement de la tige vers lextrieure est pilot par

la puissance hydraulique, tandis que le retour vers lintrieur et assur par un

ressort boudin qui nest pilotable.

Vrins double effets : Le dplacement de la tige vers lextrieure et vers

lintrieure sont les deux pilots par la puissance hydraulique en vitesse

linaire et force gnre.

Vrins tlescopique : Tel une antenne tlescopique, ce vrin comporte

diffrentes tiges imbriques l'une dans l'autre, qui permettent en se dpliant,

d'atteindre des objets relativement loin (10m). La pression, gnralement de

l'huile, pousse le gros piston qui, arriv en fin de course met l'huile en

communication avec le deuxime vrin par un orifice. Pour le retour, le fluide

emprunte le mme chemin (c'est un vrin simple effet).


Commande des Vrins

Commande en force :

Afin dassurer la commande des vrins de tout type dont le but est de varier la force

engendre, alors il faut piloter la pression du fluide :

=

Bien sre la section du piston SP nest pas identique en ouverture quen fermeture du

vrin, puisque le diamtre de la tige (d) intervient par rapport au diamtre du piston (D) :

= p 4/ = p )

) 4/

Gnralement 3 alors on a = 88.9%

La rgulation de la force daction des vrins est faite surtout en Hydraulique, parce

que le fluide est presque incompressible linverse de lair comprim.

On peut utiliser les forces hydrauliques asservies pour la dformation froid (pliage

et crouissage des tles dacier, aluminium et cuivre), ainsi que le laminage froid des

faibles paisseurs.

FV%

100%50%

PH%

100%

50%

Pour avoir une Force de 50%

il faut commander une pression de 50%


Commande en vitesse :

Pour commander les vrins en vitesse il faut varier le dbit du fluide :

=

Comme pour la force, la section du piston SP nest pas identique en ouverture quen

fermeture du vrin, alors pour 3 on a = 112.5%

La rgulation de la vitesse douverture et de fermeture des tiges de vrins est faite

surtout en Pneumatique, parce que lchappement de lair comprim de la chambre non

concerne par lasservissement est fait lair libre rapidement pour avoir une vitesse

linaire par rapport dbit dans la chambre asservie, la chose qui nest pas permise pour

dautre fluide comme lhuile quil faut lachemine vers le rservoir.

On peut utiliser la vitesse asservie des tiges de vrins pneumatiques pour piloter la

rapidit des mouvements des volets daration, la vitesse de fermeture des vannes piston

pneumatique, et la synchronisation des tches automatises dun robot.

V%

100%50%

QH%

100%

50%

Pour avoir une Vitesse de 50%

il faut commander un dbit de 50%


Principe des distributeurs Proportionnels

Principe de fonctionnement :

Le distributeur proportionnel est un

organe qui organise le cheminement

du fluide selon un dbit proportionnel

la demande parvenant du rgulateur

comme signal standard 420 mA ou

signal hydraulique de pilotage

parvenant dun tage de commande.

Description :

Distributeur proportionnel action

directe avec lectronique de rgulation

numrique pour rglage de pression, de

force de dbit selon le principe IACP

(Integrated Axis Controller).


Compose dun distributeur, dun capteur de pression, capteur de position et une carte

lectronique de rgulation numrique et dune interface bus utilisateur. Lactionnement

est assur par un aimant proportionnel avec filet central et bobine amovible.

Version pour Bus CAN avec protocole CANopen DS 408 ou Profibus-DP V0/V1

Mise en service rapide par ordinateur PC et logiciel de mise en service WIN-PED 6

Domaine de lhydraulique proportionnel :

A laide dun distributeur proportionnel et selon le montage des ses orifices des

tiroirs dans le circuit hydraulique, on peut alors commander lactionneur en dbit et

pression, afin de rguler la vitesse et la force (rvolution et couple pour les moteurs), cette

technique est fortement applique dans les engins de lavage et engins travaux publics

ainsi que dans les presses hydrauliques, les presses plieuses, les laminoirs et toutes

machines robotises qui ncessite des mouvements forts et prcis.

Dbit nominal (P T).................................130 l/minDbit nominal (A B).................................100 l/minPression maximum......................................420 barPression maximum sur le retour (T)...... 20 barTemprature de fonctionnement..... 25C/+80CNombre de sections du travail.................18


LLEESS RREELLAAIISS SSTTAATTIIQQUUEESS ((SSOOLLIIDD SSTTAATTEE RREELLAAYY :: SSSSRR))

Principe lectronique

Les relais statiques sont des contacteurs qui se ferment lectroniquement, par une

simple commande en appliquant une tension continue avec trs faible cour ant.

Le triac en commutation :

Constitu de deux thyristors en

ttebche avec une gchette commune,

si on lexcite avec un angle a de commande

de 0 ou de 180 alors il sera soit passant

soit bloqu, cest le principe des SSR.

Commande des relais statiques :

Phase

I puissance 45A (AC)

+

Commande

Vers neutre

I commande 0 A(DC)

MAS1~

21

34

3-32VDC


Relais statiques monts sur circuit imprim :

Gnralement ces relais commutent en DC, avec

polarisation de la sortie respecter, en entre il faut

toujours mettre A1 sur + et A2 sur

Ces relais peuvent servir dans la commande des

actionneurs TOR puissance moyenne (< 2KW)

Sa frquence de commutation plein charge peut dpasser 10 fois par seconde (soit

10Hz), donc favorise la rgulation MLI par linertie de lactionneur.

Relais statiques monophass :

Les bornes 1 et 2 cbls ct puissance sur

220 VAC gnralement. Ces relais peuvent passer

un courant nominal qui dpasse 150A (AC) et

conu pour des actionneurs de lordre de 30 KW.

Ils peuvent commuter en charge nominale de

2 3 fois par seconde, ce qui est parfait pour les

rsistances chauffantes et les thermoplongeurs,

pour la rgulation TOR ou la rgulation MLI avec

conomie dnergie

Le refroidisseur est indispensable quand on

commute beaucoup prs de la charge nominale.


Relais statiques biphass avec commande bidirectionnelle :

Afin de commander un moteur triphas en deux sens de rotation alors il suffit

dinverser deux phases selon le principe suivant :

Sens1 (Forward) :

Commande : A1F sur + et A2 sur (A1R lair)

Puissance : L1 stimule U et L2 stimule V

Sens2 (Rear) :

Commande : A1R sur + et A2 sur (A1F lair)

Puissance : L1 stimule V et L2 stimule U

Pour la troisime phase L3 elle sera connect la borne W du moteur en permanence

ce altre la scurit des intervenants sur le moteur.

On peut atteindre des puissances motrices qui dpassent les 100 KW, bien sre avec

une puissance de commande trs faible IC < 10 mA et UC de 3 32 VDC

Relais statiques triphass :

Comme pour les relais statiques

biphass mais sans inversion de sens, donc

A1 sur + et A2 sur toujours et L1 pour U,

L2 pour V et L3 pour W. On peut trouver un

contact (non sec) 13/14 pour lauto maintien,

de plus il faut bien arer larrire du SSR

partir des conditions 80% nominales.

L1

U

L2

V

A2

A1F

A1R


Comme pour les relais

lectromagntiques contact sec, les

SSR sont trs diversifis en technologie

semiconducteur des diffrents

constructeurs, alors il faut bien fixer les

critres de choix, comme le courant par

phase, le courant de fuite en fermeture, le

dimensionnement du refroidisseur

Points forts et faibles des SSR

Avantage :

La puissance de commande est ngligeable ( 0,1W), on peut dmarrer un

moteur lectrique de 100 KW avec un signal du PC via un SSR seulement.

La commutation du semiconducteur est quasi silencieuse sans bruits

Il nya pas dusure mcanique donc une dure de vie leve par rapport aux

relais lectromagntiques

Temps de fermeture 104 seconde donc rapide 100 fois

Nombre de commutation On Off peut dpasser 109 fois

Inconvnient :

Lisolation entre le secteur et la charge nest pas parfaite et peut causer des

accidents graves au manipulateur.

Trs sensible la commande inverse ou surtension lentre.


LLEESS AACCTTIIOONNNNEEUURRSS TTHHEERRMMOOEELLEECCTTRRIIQQUUEESS

Rgulation Thermolectrique

Principe :

Pour lever de 1K (soit 1C) une charge de 1 Kg alors

il faut lui injecter une nergie thermique proportionnelle

la nature de cette charge pression ou volume constant :

Pour leau il faut injecter 4 KJ soit 4000 Ws pour lair

il suffit de mettre 1000 Ws.

Exemple de calcul :

On veut dterminer la puissance nominale dun actionneur thermolectrique pour

chauffer 10 litres deau en 8 min de 20C 55 C :

= ,

Alors = 4.000 (55 20) 10 = 1.400.000

Pour arriver chauffer en 8 min il faut une puissance :

=

=

1.400.000

480 3

A condition que le rendement thermique thermique est proche de 1.

Commande :

Un actionneur thermique est une rsistance lectrique mtallique placer dans une

gaine de protection isolante lectriquement, mais transfre facilement la chaleur vers le

fluide lextrieure suite lnergie injecte lentre :


= =

= h

Commande Continue en tension

Le facteur de puissance ( (j est trs proche de 1 puisque linductance des spires

est trs ngligeable par rapport la rsistance pure, ainsi que le rendement lectrique peut

aller jusqu 1 aussi, mais le rendement de transfert par convection est dterminer.

Pour commander les actionneurs thermolectriques en nergie on peut faire varier

la tension dalimentation :

On a = = /

=

Avec la rsistance R qui augmente avec la temprature, mais lgrement, exemple

1000C la rsistance augmente seulement 10% (Lnergie en consquence diminue 10%) :

Pour avoir une Energie de 50%

il faut applique une tension de 71%

E %

100%50%

U %

100%

50%


La commande en tension demande un autotransformateur en courant alternatif et

montage potentiomtre diviseur en courant continue, en tous cas cest chre de varier la

tension avec un courant assez fort do la commande en TOR est plus conomique.

Commande TOR ou MLI en temps :

Pour commander les actionneurs thermolectriques en nergie on peut faire varier

le temps dapplication dune tension constante (M%) :

Une rgulation base sur la Modulation de la Largeur dImpulsion, module la

puissance de lactionneur sur un temps de fonctionnement TON et temps darrt TOFF :

On a toujours + = , et on peut moduler selon le pourcentage :

% =

100

La commande TOR ou MLI des actionneurs thermolectriques est fortement

utilise dans les procds industriels, domestiques et automobiles. Toutefois, le chauffage

imprcis par lnergie lectrique est luxe et gaspillage ne pas se permettre pour les

grandes puissances, alors on doit utiliser le vapeur et les nergies renouvelables.

E %

100%50%

M %

100%

50%

Pour avoir une Energie de 50%

il faut commander 50% de temps


Les Thermoplongeurs

Principe :

Les thermoplongeurs sont

des appareils conus pour chauffer

des liquides par convection

naturelle ou force. C'est une

bonne solution prcise pour

chauffer de l'eau, des fluides

statiques ou en circulation.

Selon les applications, les thermoplongeurs existent en diffrentes matires de gaine

et tat de surface plus ou moins lisse ce qui affecte sensiblement le rendement thermique.

Le thermoplongeur doit tre en immersion totale ou partielle, dfaut de manque

de liquide, la temprature de la surface de la gaine semballe dangereusement et

lactionneur peut sendommager, si on reverse le liquide sur le thermoplongeur surchauff

on risque lexplosion du liquide lors du passage brusque vers ltat gazeux.

Thermoplongeur triphas


Les thermoplongeurs peuvent tre associs un thermostat et capteur de

temprature, pour crer une boucle de rgulation TOR sur le lieu du procd.

Application pour chauffage des mtaux en fusion :

Ce thermoplongeur lectrique

est destin chauffer les mtaux

d'alliage nonferreux.

Il peut tre utilis en chauffage

d'appoint sur un four existant ou sur

une poche d'alimentation, en tant que

chauffage unique sur four de puisage

ou un four basse pression.

Associ un thermocouple pour

le contrle de sa temprature interne

afin de mieux le commander en MLI et

le protger contre lemballement.

Application pour chauffage de leau :


Les Rsistances chauffantes

Principe :

Les rsistances chauffantes sont des appareils

conus pour chauffer des gaz (chauffer lair pour

chauffer le solide) par convection naturelle (ou

force) ou chauffer la matire solide par contact

direct.

Rsistances enviroles :

Les rsistances enviroles sont conues pour chauffer de l'air ou des gaz par

convection naturelle ou force. Les changes thermiques sont amliors par la prsence

d'une lamelle mtallique enroule autour de la rsistance chauffante. Les turbulences ainsi

cres dans l'air ou dans le gaz permettent de disposer d'une puissance 2 3 fois

suprieure celle admise par une rsistance nue dans les mmes conditions.


Rsistances plates :

La qualit de surface entre la

rsistance et le solide chauffer influence

beaucoup le rendement thermique, ainsi

que la force de serrage

Rsistances en couronne :

Les rsistances en couronne sont fortement utilises sur les machines dinjection

plastique, pour la rgulation de la temprature du plastique en phase proche du liquide.

Et selon les applications on peut les utilises pour stabiliser la temprature dun

corps aprs avoir chauff par dautre nergie, car ces actionneurs chaud ne consomme

que 60% de lnergie au dmarrage froid.


GENERATEURS DINFRAROUGE

Principe :

Un gnrateur infrarouge est une source (lampe) base de rsistance

lectrique associe la cramique pour mettre une lumire frquence IR.

Pour les sources IR court on peut distinguer la couleur rouge visible

lil nue, comme la rougeur du fer avant sa fusion.

Fortement utiliss pour la rgulation de la temprature dans les fours de schage de la peinture des voitures, schage des

motifs en cramique, verrerie et papeterie. Ainsi que les incubateurs en industrie biologique et levage animale.

Les trois types de gnrateur IR :


Les torches IR (Quartz):

Lampes et torches conomiques quartz

adaptables aux applications de linfrarouge

court, appliqus en particulier dans laviculture.

Avec rflecteur aluminium qui

augmente lefficacit, la puissance

lectrique varie de 150W 1000W.

Les lments blinds IR :

Le rayonnement infrarouge est particulirement adapt pour le chauffage de pices

en mouvement tels que cuisson de peintures, schage d'impression, strilisation. Les

lments blinds ports une temprature de 750C 900C mettent dans le spectre de

longueurs d'ondes moyennes comprises entre 2,82 m 2,47 m.

Droits ou forms en pingle, les lments peuvent tre monts face un rflecteur

haut pouvoir rflchissant.

Ces gnrateurs robustes sont utiliss dans toutes les positions et dans toutes

ambiances: chaude, humide ou poussireuse.


LLEESS VVAARRIIAATTEEUURRSS DDEE VVIITTEESSSSEE

Gnralit

Fonction des variateurs lectriques :

Un variateur de vitesse est un quipement

lectrotechnique alimentant un moteur lectrique de faon

pouvoir faire varier sa vitesse de manire continue, de l'arrt

jusqu sa vitesse nominale.

La vitesse peut tre proportionnelle une valeur

analogique fournie par un potentiomtre, ou par une

commande externe : un signal de commande analogique ou

numrique, issue d'une unit de contrle.

Principe :

Un variateur de vitesse est constitu

d'un redresseur et un onduleur. Le redresseur

va permettre d'obtenir un courant quasi

continu. partir de ce courant continu,

l'onduleur (bien souvent Modulation de

largeur d'impulsion MLI) va permettre de

crer un systme triphas de tensions

alternatives dont on pourra faire varier la

valeur efficace et la frquence.

L1

L2

L3


Le fait de conserver le rapport de la valeur efficace du fondamental de la tension par

la frquence constant permet de maintenir un flux tournant constant dans la machine et

donc de maintenir constante la fonction reliant la valeur du couple en fonction de la

vitesse synchrone des champs magntique et de la vitesse asynchrone du rotor.

Commande :

Le variateur est quip dune carte C qui reoit un signal de commande analogique

0/420mA ou 0/210V, ou par potentiomtre sur la faade pour commander la vitesse et le

couple moteur dune manire parfaitement linaire :


il faut commander 50% du signal

N %

100%50%

CO %

100%

50%


Exemple de cblage (OMRON):

Types de Commande

Principe des variateurs scalaires (simple commande)

Il ya deux types de commande scalaire, en agissant sur le courant ou sur la tension.

Le variateur scalaire base tension est le plus utilis en petite et moyenne puissance, cest

la commande U/f qui la plus utise.


Son principe est de maitenir = ce qui signifie garder le flux constant, le

contrle du couple se fait par laction sur le glissement. Le couple est proportionnel au

carr de U/f, en maitenant ce rapport constant et en jouant sur la frquence on peut alors

varier le couple et le glissement (donc la vitesse). A basse frquence les chutes de tension

deviennent importantes et le variateur ne peut plus assurer = alors en se limite

pour les commandes scalaires ne pas dcendre plus de 5 Hz.

Principe des variateurs vectoriels (commande sophistique)

La Commande vectorielle est un terme gnrique dsignant l'ensemble des commandes

tenant compte en temps rel des quations du systme qu'elle commande. Le nom de ces

commandes vient du fait que les relations finales sont vectorielles la diffrence des

commandes scalaires. Les relations ainsi obtenues sont bien plus complexes que celles des

commandes scalaires, mais en contrepartie elles permettent d'obtenir de meilleures

performances lors des rgimes transitoires. Il existe des commandes vectorielles pour tous

les moteurs courant alternatif.


chaque priode de fonctionnement de londuleur, la commande doit ouvrir ou

fermer les interrupteurs de puissance (IGBT ou autre) de manire crer dans la machine

lectrique un champ magntique rsultant dont le module et la direction sont optimaux

pour rpondre aux consignes de vitesse et de couple.


Paramtrages

Commodits de commande :

La gestion du dmarrage en mode douce, conomique ou durgence

Pilotage du courant et limitation de courant en cas dappel

La protection du moteur et de la machine entraner

Le pilotage du ralentissement

Exemple de rcapitulatif (LEROY-SOMER) :


Les Alarmes :

Coupure rseau :

Tension rseau infrieure 177V (=208V -15%).

Absence partielle ou complte de 2 ou 3 phases.

Coupure du rseau de puissance suprieure ou gale 1,5s.

Vrifier le dimensionnement de la source d'alimentation.

Vrifier le cblage, l'tat des fusibles.

Vrifier le bon rtablissement de la source, puis redmarrer.

Dmarrage trop long :

Couple rsistant anormalement lev.

Programmation du "dure de dmarrage trop long" une valeur trop faible pour

l'application.

S'assurer qu'aucun problme mcanique n'entrave le dmarrage (frottement ou dur

mcanique,...).

Revoir la valeur de la dure maximum de dmarrage.

Thermique thyristors

Cycle ou rgime de fonctionnement trop svre pour le variateur.

Rduire la frquence des dmarrages ou assouplir, en adaptant les rglages, les

contraintes lies au dmarrage.

S'assurer que le courant permanent est compatible avec le calibre de celui-ci.

Absence de phases

Absence d'une phase.

Dsquilibre en tension d'une phase suprieur 50%.

Vrifier : le rseau d'alimentation, les cbles, les connexions, les fusibles, le moteur.

Microcoupure

Coupure fugitive du ou des rseaux de puissance ou de contrle.


Effacer le dfaut par "reset", puis redmarrer.

Thermique moteur

Rgime de fonctionnement ou tat de la charge provoquant un chauffement.

Vrifier l'tat de la charge.

Rduire la charge du moteur.

Surpuissance

La puissance absorbe par le moteur est suprieure au seuil rgl en A9.


Le cas chant, rajustement du seuil de dclenchement A9.

Sous puissance

La puissance absorbe par le moteur est infrieure au seuil rgl en AC.


Le cas chant, rajustement du seuil de dclenchement AC.

Dfaut interne

Dfaillance ou perturbations trs importantes entranant un dysfonctionnement du

microcontrleur.

Effacer le dfaut puis redmarrer.

Si persistant, vrifier que les prcautions de cblage ont t respectes.

Consulter le constructeur.

Rotor bloqu

Blocage mcanique de l'arbre moteur.

Charge au dmarrage trop importante.

Eliminer la cause du blocage mcanique de l'arbre.

Soulager la machine.

Inversion du sens de rotation

L'ordre des phases en amont du variateur ne correspond pas au sens direct


Croiser deux phases en amont du variateur.

Coupure alimentation du contrle

Logiciels de paramtrage(ABB): Drive Window Light 2

Avantage

Pour les installations de pompage, de ventilation et de climatisation. Permet la

rgulation, la gestion de batterie, lconomie dnergie, le dsenfumage, etc.

Le variateur de vitesse destin la commande de moteurs asynchrones et synchrones

triphass de quelques Watts des centaines de KW.


LLEESS BBRRUULLEEUURRSS ((AA SSUUIIVVRREE))

Reproduction sans pravis du concepteur nest pas autorise, Contacter [email protected]

Documents

dde esss ccchhaaîîînnnee sss … · moohhaammeeddbboouuaacciiddaa@@yyaahhoooo..ffrr Page 2 sur 96 Différentes catégories de vannes On peut ranger les vannes dans différentes