4
028
Staefas 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.
MMI
Ventil
40204SV
Statisk
Dynamisk
Regulator
Värmeväxlare
Figur 1 :
Ventilen i ett värme- och ventilationssystem
Givare
40205SV
Ventil
Styrsignal
Elektriskt
gränssnitt
Ställdon
förstärkt
omvandlad
Matningsspänning
Fassnitt
Ventilkropp
mekanisk
elektrisk
mekanisk
Magnet
hydraulisk
hydraulisk
Tryckbalansering
termisk
Ventil
säte
–
–
–
–
–
–
–
Hydraulisk/termisk effekt
Ventilauktoritet
Flödesmängd (kv)
Ingångskaraktäristik
Linjäritet
Upplösning
Ställhastighet
Hydraulikkrets
Figur 2 :
Ventilen: Översikt över basteknologin
Ersätter S1-04.08
Landis & Staefa
CA1N4028S
Oktober 1997
1/12
Teknologin i praktiken / Ventilens egenskaper
94.0226
i
k
I
a
1
2
3
a
b
c
d
e
f
g
h
i
k
b
Ingång
Bypass
Utgång
Magnetspole
Ankare
Fjäder
Spindel
Disk
Övre/undre ventilsäten
Bälgar
Öppning för tryckbalansering
Handmanöverdon
Elektriskt gränssnitt
0 ... 20 V–
c
d
g
1
h
1
3
f
3
e
2
2
Figur 3 : Diagram och magneticventilen i genomskärning
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
Styrsignal
DC 0 ... 10 V
40206SV
U
10
0
U
20
U
t
t
Matningsspänning
AC 24 V
Magnetspänning
DC 0 ... 20 V
t
U
U
24
t
t
0
Figur 4 : Omvandling av ställsignalen till en magnetspänning
2/12
CA1N4028S
Oktober 1997
Landis & Staefa
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.
40207SV
Spole (a)
Ankare
(b)
Ventilhus
Luftgap
Pol
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.
40209SV
Magnetspänning
Magnetiskt fält
Φ
Fjäderkraft
Fjäderkonstant
CF
Slag
x
[H]
U [V]
Figur 6 : Samband mellan slag (H) och spänning (U)
Landis & Staefa
CA1N4028S
Oktober 1997
3/12
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
"Fin" öppnings/
stängningsområde
Slag/ "Fin" öppnings/
arbetsstängningsområde
område
Övre ventilsäte
40479SV
Nedre
ventilsäte
U [V]
0
10
15
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.
40489SV
H
Slag/arbetsområde
Litet signalområde
α2
α1
U [V]
10
15
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).
94.0208
F
F
Endast
glidfriktion
Glidfriktion
Statisk friktion
Konventionell ventil
H
Staefa magneticventil
H
Figur 9 : Statisk friktion
4/12
CA1N4028S
Oktober 1997
Landis & Staefa
• 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 p 1,
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
kvs
[%]
94.0410
100
100
H
[%]
H100
Figur 11 : Flödeskaraktäristik
Landis & Staefa
CA1N4028S
Oktober 1997
5/12
Samband mellan flödesmängd och värmekvantitet
När Staefas 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) Staefas 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 Staefas magneticventilers speciella egenskaper kan även svåra reglerkretsar i värme- och ventilationssystemen styras.
94.0211
Fördelar
Huvudorsak
Noggrannhet
Ingen statisk friktion
Brett applikationsområde
Linjär slag / spänningskaraktäristik, hög
upplösning i "fin"
öppningsområde
Snabbt språngsvar
Ställhastighet
Effektiv dämpning
Ställhastighet
Figur 12 : Reglerkaraktäristik
6/12
CA1N4028S
Oktober 1997
Landis & Staefa
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 Staefa Control System 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 värmeoch 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 = T u : 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).
x
94.0142
t
Tu
Tu
Tg
Tg
S = 0.36
S = 0.48
[s]
Figur 13 : Ställhastighetens påverkan på svårighetsgraden
V0
94.0143
100
En minskad svårighetsgrad betyder också att
den tillåtna kretsförstärkningen kan ökas. Antalet
tidsfördröjande element i
reglersystemet kan minskas med ett (se Figur 14).
70
50
40
30
20
10
3
7
5
4
4
5
3
6
2
Figur 14 : Tillåten kretsförstärkning Vo
Landis & Staefa
CA1N4028S
1
0.03
Oktober 1997
0.05 0.07
0.1
0.2
0.3
0.5
7
89
0.7
10
1
Tu
=S
Tg
7/12
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 (k v som en funktion av slaglängden) är
relativt brant. Medelupplösningen ( ∆H : H100 , där H = slag) av Staefas
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 Staefas ventiler över hela slaglängden
och Figur 20 skildrar kurvan i det fina öppningsområdet (0 ...10 % slaglängd).
Detta visar följande:
– En Staefa 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
Staefas ventiler, eftersom flödet fortfarande är helt kontrollerbart även där
kurvan är så brant. Med Staefas 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
Staefas ventiler inte är beroende av en maximal lutningstolerans normalt sett,
finns inget motsvarande kvr. Skulle S behöva beräknas, med k vo , ges ventilens
teoretiska reglerområde. Med en läckagemängd k vo = 0,05 % kvs, är
reglerområdet 1 : 0,0005 = 2000. Staefa-ventilens förmåga att reglera
flödesmängden i det fina öppningsområdet är så bra, att konceptet
reglerområde såsom kvalitetskriterium ej är relvant. VDI/VDE-riktlinjerna skrevs
med tanke på konventionella ventiler och tar inte hänsyn till Staefa
magneticventilen.
Teoretisk ventilkaraktäristik
Den linjär kurvan (se Figur 15) grundar sig på följande uträkning:
kv = k vo + nlin • H
kv
där :
40144SV
kvs
H
= Slag [mm]
kv
= Specifik flödesmängd [m 3/h]
k vo
= Flödesmängd där H = 0
(språng vid start)
n lin = Kurvans branthet
k vo
( = 1 - –––
)
kvs
kvo
CA1N4028S
H
H100
Figur 15 : Linjär kurva
8/12
Läckagemängd =
Språng vid start
Oktober 1997
Landis & Staefa
Uträkningen för motsvarande procentuella (exponentiell) kurva (Figur 16)
är:
H
kv = kvo • e n • H
gl
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
94.0145
kvs
kvo
Figur 16 : Motsvarande procentuell
kurva (teoretisk)
H
H100
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
40146SV
kvs
Sv = k vs : kvr
Tangent
Lutningstolerans
kvr
Figur 17 : Kurva i praktiken (principiellt)
(enligt VDI / VDE)
kvo
H
H100
kv
[%]
kvs
94.0147
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Hub
[%]
Figur 18 : M3P20F ventilkaraktäristik
Landis & Staefa
CA1N4028S
Oktober 1997
9/12
kv
[%]
kvs
kv
[%]
kvs
40149SV
40148SV
110
10
9
± 10 %
100
8
kv100 = 92.63
90
7
80
Mätpunkter
6
70
Teoretisk karaktäristik
Mätpunkter
60
5
Teoretisk karaktäristik
50
kvr = 4 %
4
40
3
30
2
20
Lutningstolerans
10
Figur 20
1
Lutningstolerans
kvr = 0.3 %
Slag
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 [%]
Figur 19 : M3P25F ventilkaraktäristik (över full slaglängd)
Slag
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[%]
Figur 20 : M3P25F ventilkaraktäristik (i finöppningsområdet)
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 p v = 0,5.
Vi kan nu jämföra en Staefa-ventil med en konventionell ventil med dessa
värden som grund:
– Konventionell ventil :
Sv = 50
– Staefa ventil :
Sv = 200
För Staefa-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
– Staefa ventil :
10/12
CA1N4028S
Qmin = 1,4 % QN
Oktober 1997
Landis & Staefa
Qmin
[%]
QN
94.0150
70
50
40
a
30
25
0
0.1
20
30
0.
0
2
0.
15
40
0.
10
60
0.
8
5.8
50
0.
70
0. 90
0.
80
0. .0
1
B
5
4
3
2
B'
1.4
1
1.0
Pv
0.80
0.60
0.50
A
A'
10
0.40
0.30
Sv
20
25
0
50
10
0
20
0
30
0
50
0.20
0.15
0.10
0.4
0.6 0.8 1
2
3
4
5 6
8
10
15
20
V min [%]
Figur 21: Bestämning av minsta reglerbara värmekvantitet Q min från ventilauktoritet P v , 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 värme- och 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.
Landis & Staefa
CA1N4028S
Oktober 1997
11/12
© Landis & Staefa AB, Tryckt i Sverige
12/12
CA1N4028S
Oktober 1997
Rätt till ändringar förbehålles
Landis & Staefa
