4
028
Modulerande magneticventiler
Funktionsprincip och konstruktion
Inledning: Ventilen i värme- och ventilationsanläggningar
Ventilens statiska och dynamiska uppträdande är avgörande för en snabb och noggrann reglering av värme- och ventilationssystem (Figur 1). Styrsignalens exakta omvandling till en slagrörelse påverkar signifikant reglerförloppets stabilitet och noggrannhet.
Detta datablad beskriver teknologin (Figur 2) och tar hänsyn till ventilens konstruktion
(Figur 3) avseende värme- och ventilationssystemens specifika behov.
Figur 1:
Ventilen i ett värme- och ventilationssystem
- Hydraulisk/termisk
effekt
- Ventilautoritet
- Flödesmängd (kv)
- Ingångskaraktäristik
- Linjäritet
- Upplösning
Figur 2: Ventilen: Översikt över basteknologin
CA1N4028sv
1998-12-01
Building Technologies
Teknologin i praktiken / Ventilens egenskaper
1
2
3
a
b
c
d
e
f
g
h
i
k
Ingång
Bypass
Utgång
Magnetspole
Ankare
Fjäder
Spindel
Disk
Övre/undre ventilsäten
Bälgar
Öppning för tryckbalansering
Handmanöverdon
Elektriskt gränssnitt
Omvandling från ställsignal till magnetspänning
Det elektriska gränssnittet (Figur 3, k) ansluts till matningsspänningen AC 24 V och till
regulatorutgången med en ställsignal DC 0...10 V (eller DC 0...20 mA) för ventilen. Den
interna fassnittsgeneratorn omvandlar gränssnittets effektutgång i proportion till ställsignalen. Magneticspolen ansluts till denna fassnittsspänning (Figur 4).
Fassnittsgenerator
Figur 4: Omvandling av ställsignalen till en magnetspänning
2/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Omvandling från elektrisk till mekanisk energi
a) Magnetspänning –> magnetisk kraft
I den ferromagnetiska kretsen, som består av ventilhuset (magnetring) och det flytande
ankaret, producerar spolens spänning (Figur 3) ett magnetfält. Där det största magnetiska motståndet uppstår – i luftgapet – orsakar detta fält en dragningskraft som blir
starkare när spänningen ökar.
Figur 5: Magnetfältet i den ferromagnetiska kretsen
b) Magnetisk kraft –> motkraft –> slag
Den magnetiska kraften agerar för att överbrygga fjäderkraften. Ankaret rör sig nu i
slagets riktning tills den magnetiska kraften och fjäderkraften är lika. Varje spänningssignal har därför en bestämd slaglängd.
Beroende på den ferromagnetiska kretsens speciella konstruktion är det ett linjärt samband mellan ökningar i spänning och slag.
Magnetspänning
Magnetiskt fält
Fjäderkraft
Slag
Figur 6: Samband mellan slag (H) och spänning (U)
3/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
c) Ventilens reglerområde
Reglerområdet består av tre delområden:
- Övre ventilsätets öppnings / stängningsområde: Stängningskraften på den flexibla
disken arbetar också här mot attraktionskraften. Ventilens uppförande karaktäriseras
inom detta område av dess extremt höga upplösning, vilket resulterar i en mycket
förfinad modulerande reglering av vätska.
- Slag/arbetsområde: Här arbetar dragningskraften endast mot fjäderkraften.
- Nedre ventilsätets öppnings / stängningsområde: Här finns en kraftreserv tillgänglig,
som garanterar att ventilsätet stänger helt.
H
0
10
15
område
U
[V]
20
Figur 7: Ställdonets arbetsområde
d) Svar på små signaler inom slag/arbetsområde
Inom slag/arbetsområdet har magneticställdonet en exakt bestämd hysteres. När ställdonet arbetar inom denna hysteres ändras lutningen och slaget har en högre upplösning. Denna egenskap hjälper till att stabilisera extremt svåra reglerkretsar.
Figur 8: Ändrad lutning inom slag/arbetsområde som svar på små signaler
e) Andra påverkande krafter
Övervinna statisk friktion. Fassnittsspänningen producerar kontinuerligt en "finoscillation" i ankaret, som övervinner den statiska friktionen mellan ankaret och spolen. Endast glidfriktionen kvarstår och därför sker en omedelbar respons på minsta
spänningsförändring. Konsekvensen blir högre upplösning (se Figur 9 som exempel).
F
F
Glidfiktion
Endast glidfriktion
Statisk friktion
Konventionell ventil
H
Magneticventil
H
Figur 9: Statisk friktion
4/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
• Övervinna tryckkraft
Olika tryck över reglerbanan påverkar magnetkraften, men detta potentiella problem
kan elimineras genom tryckbalansering. Balanseringen garanterar att magnetkraften
först och främst används för flödesreglering. Tryckbalansering är en extremt effektiv
lösning och erhålls i praktiken med hjälp av bälgar (Figur 10). Trycket p2 passerar genom en passage i spindeln in i bälgarna och utjämnar trycket p2 på ventildiskens nedre
del. Trycket p1, som arbetar på diskens övre del, utjämnas av trycket p1 på bälgarnas
nedre del. Denna lösning, som finns inom själva ventilen, kräver varken en speciell
kompenseringskrets eller extra utrymme.
Figur 10: Tryckbalansering
Samband mellan slag och flödesmängd
Ventilens konstruktion med en flexibel disk som styrelement betyder, att ett minimum
flöde omedelbart erhålles så snart ventilen öppnas. Med en ökad ställsignal, ökar ventilöppningen i förhållande till slaget och producerar en linjär ökning av flödet (se Figur
11). Flödeskaraktäristiken avser både reglering mellan port 1 –> 3 och 2 –> 3. När
ventilen används som blandningsventil, kombineras de båda flödena och ger ett konstant flöde ut.
kv
Figur 11: Flödeskarakteristik
5/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Samband mellan flödesmängd och värmekvantitet
När Siemens magneticventil används som en tvåvägsventil (port 2 stängd) ger disken en trottelreglering som svar på ställsignalen från regulatorn.
När magneticventilen används som en trevägsventil, blandas vattnet från två temperaturkällor proportionellt i förhållande till ställsignalen från regulatorn.
Den korrekta hydrauliska kretsen och korrekt ventilmontage är vitala faktorer för
reglerkvaliteten.
Ett annat viktigt kriterium för reglerkretsens kvalitet är minsta reglerbara värmekvantitet. Magneticventilens uppförande i "fin" öppnings / stängningsområdet, som beskrivits tidigare, gör att mycket små värmekvantiteter kan styras.
Sammanfattning
1) Siemens magneticställdon har en utomordentligt lång livslängd, tack vare dess enkla
konstruktion.
2) Den modulerande ventilens speciella uppförande i "fin" öppningsområdet – inget
startsprång, en konkav "startkurva" – garanterar en exakt reglering ner till minsta
flöde.
3) Den friktionsfria konstruktionen resulterar i en hög upplösning med extremt
noggrann reglering av flödesmängden som följd.
4) Magneticställdonets karaktäristiska konstruktion åstadkommer en mycket snabb
förflyttning genom hela slaglängdsområdet (1 till 2 sekunder) och dessutom ett
omedelbart svar på förändringar i ingångssignalen.
Med Siemens magneticventilers speciella egenskaper kan även svåra reglerkretsar i
värme- och ventilationssystemen styras.
Fördelar
Huvudorsak
Noggrannhet
Ingen statisk friktion
Brett applikationsområde
Linjär slag / spänningskaraktäristik, hög upplösning i
"fin" öppningsområde
Snabbt språngsvar
Ställhastighet
Effektiv dämpning
Ställhastighet
6/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Reglerfördelar
Kvaliteten på en reglerkrets beror på ett antal separata faktorer: reglersystemets karaktäristik och dess olika element (vanligtvis uttryckt som ‘svårighetsgraden’), regulatorinställningar och, till stor del, hydraulikventilens regleregenskaper.
Det vill säga, de relevanta frågorna är:
• Hur snabbt svarar ventilen på en regleravvikelse?
• Hur hög är dess upplösning?
• Hur effektivt reglerar ventilen partiella belastningar?
Utvecklingsingenjörerna på Siemens baserade sitt arbete på dessa frågor, när de konstruerade den modulerande magneticventilen, den produkt som först bäddade för bolagets framgångar. Trots fortsatta förbättringar och utvecklingen på marknaden, är dessa
frågor oförändrade, även med dagens nya framgångsrika DDC-teknologi inom området
värme och ventilationsstyrning.
Snabb positionering
Den enkla konstruktionsprincipen på vilken magneticställdonet baseras – en enda rörlig
del, ankaret, inom ett varierande magnetfält – resulterar i en
mycket snabb positionering. Inom reglerkretsen är magneticventilen ett "fördröjningsfritt" (försumbar fördröjning) element, vilket innebär följande:
• Snabb eliminering av störningar
• Ventilen svarar omedelbart på börvärdesförändringar
• Reglerkretsens svårighetsgrad Sv = Tu : Tg reduceras markant: till exempel från
0,48 till 0,36 (d v s 25 %), som visas genom jämförbara mätningar mellan system
med magnetic och konventionella ventiler (se Figur 13).
Figur 13: Ställhastighets påverkan på svårighetsgraden
En minskad svarighetsgrad betyder
också att den tillåtna kretsförstärkningen kan ökas. Antalet tidsfördröjande
element i reglersystemet kan minskas
med ett (se Figur 14).
0.03
0.05 0.07
0.1
0.2
0.3
0.5
0.7
1
Figur 14: Tillåten kretsförstärkning V0
7/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Hög upplösning
Magneticställdonets snabba, känsliga svar och ventildiskens korta slaglängd i kombination blir en ventil med hög upplösning. Även de minsta regleravvikelserna resulterar i en
förändring av slaget och därmed en ändring av flödesmängden. Ventilen styr flödet
noggrant över hela slaglängden, även vid den punkt där ventilkaraktäristiken (kv som
en funktion av slaglängden) är relativt brant. Medelupplösningen ( ∆H: H100, där
H = slag) av Siemens standarddiskventiler är 1: 200.
Lämplig ventilkaraktäristik för reglering av partiella belastningar
Figur 15, 16 och 17 visar de vanligaste typerna på ventilkaraktäristik inom området
värme- och ventilationsreglering. Figur 18 och 19 är exempel på karaktäristiska kurvor
uppmätta med Siemens ventiler över hela slaglängden
och Figur 20 skildrar kurvan i det fina öppningsområdet (0...10 % slaglängd). Detta
visar följande:
• En Siemens ventils typiska egenskap är kurvans jämnhet i det fina öppningsområdet nära nollpunkten. Detta är området där kurvan tydligt skiljer sig från det
normala linjära svaret. Kurvan är konkav och det finns inget startsprång. Ventilen är
optimerad i det fina öppningsområdet, vilket resulterar i "droppvis" reglering.
• I kurvan i Figur 20, överstiges lutningstoleransen, som definieras i VDI/VDE vid en
punkt där kv = 4 %. Dessa toleranser är emellertid inte relevanta för Siemens ventiler, eftersom flödet fortfarande är helt kontrollerbart även där kurvan är så brant.
Med Siemens ventiler motsvarar läckagemängden kvo det relevanta (kritiska)
gränsvärdet kvr, som definieras i VDI/VDE riktlinjerna.
kvr -värdet används normalt för att beräkna en ventils reglerområde S:
S = kvs : kvr
Konventionella ventiler har ett reglerområde mellan 50 och 100. Eftersom Siemens
ventiler inte är beroende av en maximal lutningstolerans normalt sett, finns inget motsvarande kvr. Skulle S behöva beräknas, med kvo , ges ventilens teoretiska reglerområde. Med en läckagemängd kvo = 0,05 % kvs, är reglerområdet 1 : 0,0005 = 2000.
Siemens ventilens förmåga att reglera flödesmängden i det fina öppningsområdet är så
bra, att konceptet reglerområde såsom kvalitetskriterium ej är relevant. VDI/VDEriktlinjerna skrevs med tanke på konventionella ventiler och tar inte hänsyn till Siemens
magneticventilen.
Teoretisk ventilkaraktäristik
Den linjära kurvan (se Figur 15) grundar sig på följande uträkning:
kv = kvo + nlin • H
där:
kvs
H = Slag [mm]
kv = Specifik flödesmängd [m3/h]
kvo = Flödesmängd där H = 0 (språng vid start)
nlin = Kurvans branthet
kvo
( = 1 - ––– )
kvs
kvo
Figur 15: Linjär kurva
8/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Uträkningen för motsvarande procentuella (exponentiell) kurva (Figur 16)
är:
H ngl •
kv = kvo • e H
100
Här är lutningen inte konstant, utan ändras med H enligt samma exponentiella
regel.
Värdet ngl bestämmer hur brant kurvan stiger och är konstant för varje ventil.
kv
kvs
kvo
H
Figur 16: Motsvarande procentuell kurva (teoretisk)
Aktuell kurva för en konventionell ventil
I praktiken, faller motsvarande (teoretiska) procentuella kurva bort i det lägsta öppningsområdet och producerar vanligtvis en konkav karaktäristik. Vid punkten där tangenten överstiger lutningstoleransen första gången, är kv lika med kvr .
Detta värde används för att bestämma ventilens reglerområde:
kv
kvs
Sv = kvs : kvr
kvr
kvo
H
Figur 17: Kurva i praktiken (principiellt)
kv [%]
kvs
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Hub
[%]
Figur 18: M3P20F ventilkaraktäristik
9/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
kv[%]
kvs
Praktiska egenskaper: ännu mindre minsta reglerbara värmekvantitet
I värme- och ventilationsreglering används hydraulikventilerna normalt tillsammans
med en värmeväxlare. Ventilerna reglerar varm- eller kallvattenflödet. Värmeväxlaren
har i allmänhet en brant karaktäristik i det partiella belastningsområdet (se Figur 21).
Även vid små flödesmängder, överförs en relativt stor del termisk energi till luften.
Om ventilen svarar med ett "språng" vid uppstart, är den minsta reglerbara värmekvantiteten avsevärt större. Det är inte alls önskvärt i reglerförhållanden, eftersom det
kan orsaka att systemet pendlar. Väsentligt är att en modulerande form av reglering
blir en till/från reglering vid denna punkt.
Ett diagram (Figur 21) används för att bestämma minsta reglerbara värmekvantitet.
För detta ändamål behövs två nyckelvärden: a -värdet (karaktäristik för konstruktion)
för värmeväxlaren (d v s sambandet mellan differensen i vattentemperaturen och
differensen mellan vatteningången och luftens utgångstemperatur) och ventilauktoriteten pv (= samband mellan tryckdifferensen vid ventilen och den totala tryckdifferensen i den variabla volymdelen på hydraulikkretsen).
Typiska värden är: a = 0,5 och pv = 0,5. Vi kan nu jämföra en Siemens ventil med en
konventionell ventil med dessa värden som grund:
• Konventionell ventil: Sv = 50
• Siemens ventil: Sv = 200
För Siemens ventilen skall upplösningen matas in här, eftersom den är lägre än
ventilkroppens reglerområde. (Vid konventionell ventil, har ställdonets påverkan
redan tagits med i beräkningen).
Följande värden kan nu hämtas från diagrammet:
•
•
Konventionell ventil: Qmin = 5,8 % QN
Siemens ventil: Qmin = 1,4 % QN
10/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
Qmin [%]
QN
Figur 21 : Bestämning av minsta reglervara värmekvantitet Qmin från ventilautoritet Pv, reglerområde Sv
och ”a-värde” (konstruktionskaraktäristik – från ”Reglerteknik”, Impulsprogram husteknik)
Sammanfattning
De modulerande magneticventilerna med sina enastående regleregenskaper och robusta konstruktion, underhållsfria drift och långa livslängd är mycket lämpliga i system
där noggrann reglering av temperatur eller fukt krävs. Ventilerna utvecklades för värmeoch ventilationssystem, men kan även användas inom industriell processreglering.
Naturligtvis är det inte bara själva ventilen, som optimerar reglerkretsen, men den
spelar en stor roll, när det gäller att uppnå detta mål.
11/12
Siemens
Building Technologies
CA1N4028sv
1998-12-01
12/12
Siemens
Building Technologies
Siemens AB, Building Technologies Division, en/1998-11-01
Rätt till ändringar förbehålles
CA1N4028sv
1998-12-01
