Vanne de verrouillage monostable à puissance nulle : comparaison du marché des nouvelles énergies

Pourquoi détenir le pouvoir est important dans les nouveaux systèmes énergétiques

Une bobine solénoïde de 5 W maintenue ouverte pendant une année complète consomme environ 43,8 kWh (5 W × 8 760 h). Une vanne qui maintient son état à 0,05 W consomme environ 0,44 kWh sur la même période. Les chiffres sont illustratifs, mais l’écart est réel et il se multiplie à chaque vanne du système.

Dans une usine connectée au réseau, cet écart constitue un coût d’exploitation. Dans les équipements alimentés à l’énergie solaire et alimentés par batterie, cela s’apparente plus à une contrainte de conception. Chaque watt dépensé pour maintenir une vanne ouverte réduit l’énergie disponible pour tout le reste, et le matériel de production et de stockage doit être dimensionné pour la supporter.

La chaleur est la deuxième préoccupation. Une bobine alimentée en permanence réchauffe la vanne, le boîtier qui l'entoure et, dans les armoires compactes, les composants à proximité. Dans les conteneurs de batteries et les boîtiers d'électronique de puissance, les budgets thermiques sont serrés et chaque watt dissipé par une bobine de valve est un watt que le système de refroidissement doit éliminer.

La sélection des vannes dans ces systèmes se résume donc à trois variables : la quantité d'énergie consommée par la vanne pendant son maintien, la quantité de matériel de contrôle dont elle a besoin et ce qu'elle fait lorsque l'alimentation disparaît. Le reste de cet article compare les architectures de vannes à ces trois variables.

Comparaison de trois architectures de vannes

Les ingénieurs choisissent généralement entre deux conceptions établies. L'électrovanne monostable conventionnelle reste actionnée uniquement lorsque sa bobine est alimentée, et un ressort la ramène à la position par défaut lorsque l'alimentation est coupée. La vanne à impulsion bistable utilise un verrou magnétique : une impulsion courte la commute et elle maintient sa position sans alimentation jusqu'à ce qu'une impulsion opposée arrive.

Chaque conception résout un problème et en laisse un autre ouvert. Les vannes monostables sont simples à câbler mais consomment un courant de maintien en continu. Les vannes bistables fonctionnent à puissance nulle mais nécessitent un pilote d'impulsion et restent dans leur dernière position en cas de perte d'alimentation. Le Vanne de verrouillage monostable à puissance nulle est conçu pour se situer entre les deux : il est câblé et contrôlé comme une vanne monostable, tout en conservant son état à très faible puissance.

Comparaison de trois architectures d'électrovannes. Les valeurs de la vanne de verrouillage monostable à puissance nulle sont indiquées par le fabricant.
Caractéristique	Monostable conventionnel	Impulsion bistable	Vanne de verrouillage monostable à puissance nulle
Signal de commande	Tension continue standard	Contrôleur d'impulsions dédié	Tension continue standard
Type de fourniture	CC ou CA	CC uniquement	CC ou CA
Détenir le pouvoir	Continu, souvent plusieurs watts	Zéro à la valve ; l'alimentation du contrôleur est séparée	En dessous de 0,05 W (DC), en dessous de 0,06 W (AC)
Chauffage à serpentin	Important	Aucun pendant le verrouillage	Pas d'augmentation de la température de la bobine
Câblage et mise en service	Simple	Plus complexe	Simple
Comportement en cas de perte de puissance	Spring revient à la valeur par défaut	Contient le dernier état	Retourne à l'état initial

Comment fonctionne la vanne de verrouillage monostable à puissance nulle

La vanne est alimentée pour s'ouvrir ou se fermer, puis passe dans un état de verrouillage à très faible consommation. Les données du fabricant placent la puissance de maintien en dessous de 0,05 W pour les modèles DC et en dessous de 0,06 W pour les modèles AC, sans augmentation de la température de la bobine pendant le fonctionnement et avec un taux d'économie d'énergie supérieur à 95 % par rapport à une vanne monostable conventionnelle.

Deux choix de conception expliquent le comportement. Premièrement, une architecture de verrouillage composite sépare l’étage de commutation haute puissance de l’étage de maintien basse puissance. Deuxièmement, le circuit pilote est intégré à la vanne plutôt que fourni en tant que module externe. Étant donné que le pilote se trouve à l'intérieur de la vanne, le système de contrôle voit une charge ordinaire à deux états : appliquez une tension et la vanne s'actionne, supprimez la tension et elle se réinitialise.

Ce dernier point est ce qui différencie cette conception d’une valve à impulsion bistable. L'état de maintien dépend d'une petite alimentation continue, donc une coupure complète de puissance ramène automatiquement la vanne à sa position initiale. Le commerce est un petit tirage permanent en échange d’un comportement prévisible.

L'électronique intégrée est protégée par une encapsulation BMC. La connexion électrique utilise l'interface standard DIN43650, de sorte qu'un connecteur enfichable existant peut être réutilisé et aucun pilote externe ou contrôleur d'impulsions n'est requis.

Évaluation de l’adéquation aux nouvelles applications énergétiques

Le tableau ci-dessous indique où s'adapte la vanne de verrouillage monostable à puissance nulle et ce qui doit encore être vérifié. Les évaluations sont des jugements techniques basés sur le comportement déclaré de la vanne et non des allégations de performances certifiées pour une installation spécifique.

Évaluation de l’adéquation de la candidature. Vérifiez les notes et les certifications par rapport à la fiche technique avant de spécifier.
Demande	Pourquoi détenir le pouvoir est important	Ajustement	Vérifier avant de préciser
Contrôle des fluides solaires et hors réseau	Capacité de production et de stockage limitée	Bon lorsqu'il existe un petit approvisionnement continu et qu'un contrôle standard est utilisé	Capacité d’alimentation et courant de pointe d’actionnement
Boucles de gestion thermique du stockage d’énergie	De nombreuses vannes dans des armoires fermées avec des budgets thermiques serrés	Candidat sérieux pour les vannes de zone et de dérivation sur commande 24 V	Compatibilité du liquide de refroidissement, pression nominale, position de réinitialisation par rapport à l'état de sécurité
Circuits auxiliaires hydrogène et pile à combustible	L'état prévisible en cas de perte de puissance est un attribut de sécurité	Possible pour les lignes auxiliaires non dangereuses	Certification pour zones dangereuses et compatibilité des matériaux
Pompes à chaleur et circuits solaires thermiques	Les vannes restent dans la même position pendant de longues périodes	Bon ajustement pour un service de longue durée	Température nominale du fluide et fluide
Boucles de refroidissement des équipements de recharge des véhicules électriques	Chaleur à l’intérieur d’armoires scellées	Bon ajustement pour les rénovations utilisant le câblage existant	Type de liquide de refroidissement, plage ambiante, vibration

La gestion thermique des stockages mérite une attention particulière. Les boucles de liquide de refroidissement dans les armoires de batteries dépendent de vannes qui se comportent de manière prévisible, et une vanne qui revient à une position définie en cas de coupure de courant est une propriété qui mérite d'être spécifiée explicitement. Cela ne signifie pas qu’un type de vanne résout à lui seul le risque thermique. Cela signifie que le comportement de réinitialisation appartient à la fiche technique, aux côtés de la pression nominale et de la compatibilité du liquide de refroidissement.

La même logique s’applique aux rénovations. Étant donné que la vanne utilise un câblage standard et un connecteur DIN43650, elle peut remplacer une électrovanne conventionnelle sans modification du circuit de commande, ce qui réduit les efforts de mise en service dans les installations existantes.

Où un type de vanne différent est le meilleur choix

La vanne de verrouillage monostable à puissance nulle n'est pas l'option la moins gourmande en énergie dans tous les cas. Parce qu'elle a besoin d'une petite alimentation continue pour maintenir son état, elle consomme une énergie qu'une vanne bistable à impulsions ne consomme pas. À 0,05 W, cela représente environ 1,2 Wh par jour. Une batterie de 12 V, 7 Ah stocke environ 84 Wh, donc une batterie seule utiliserait environ 70 jours de cette capacité.

Pour un nœud de capteur qui dort pendant des semaines entre les actionnements et fonctionne avec une petite batterie, une valve à impulsion bistable associée à un contrôleur basse consommation durera généralement plus longtemps. Il en va de même lorsque le système dispose déjà d'un pilote d'impulsions et ne nécessite pas de réinitialisation automatique.

Trois autres points nécessitent de la prudence :

Courant de pointe d'actionnement : la vanne a besoin de plus de puissance pendant la commutation que pendant le maintien, l'alimentation doit donc être dimensionnée pour le pic indiqué sur la fiche technique.
Zones dangereuses : l'électronique intégrée ne rend pas une vanne adaptée aux atmosphères explosives. Confirmez la certification requise pour le modèle spécifique.
Chiffres du fabricant : la puissance de maintien et le taux d'économie sont des valeurs indiquées. Mesurez-les à votre tension de fonctionnement et à votre température ambiante avant de vous engager dans un déploiement à grande échelle.

Liste de contrôle de sélection pour les ingénieurs et les acheteurs

Les contrôles suivants distinguent une application appropriée d'une application inappropriée. Les parcourir dans l'ordre détermine généralement le choix entre les trois architectures.

Interface de contrôle : le contrôleur existant génère-t-il une tension continue ou génère-t-il déjà des impulsions ?
Type d'alimentation : le système est-il en courant continu ou alternatif et quelle tension est disponible au niveau de la vanne ?
Comportement en cas de perte de puissance : la vanne doit-elle revenir à une position définie en cas de perte d'alimentation ?
Cycle de service : combien de temps la vanne reste-t-elle dans un état et à quelle fréquence commute-t-elle ?
Bilan de puissance : l'alimentation peut-elle supporter une petite charge continue plus le pic d'actionnement ?
Fluides et pression : le matériau du corps, les joints, les températures et pressions nominales sont-ils compatibles avec le fluide ?
Certification : le site nécessite-t-il une autorisation pour zone dangereuse ou autre ?
Environnement : quelle est la plage de température ambiante et l’exposition aux vibrations ?

Résumé de la comparaison

Les vannes monostables conventionnelles restent raisonnables pour les applications à courte durée de vie et peu coûteuses où la puissance et la chaleur n'ont pas d'importance. Les vannes à impulsion bistables constituent le choix le plus judicieux pour les systèmes fonctionnant uniquement sur batterie, dotés déjà d'un contrôle par impulsion et ne nécessitant pas de réinitialisation automatique.

La vanne de verrouillage monostable à puissance nulle occupe l'espace entre eux. Il convient aux nouveaux systèmes énergétiques qui fonctionnent avec une commande à tension continue standard, maintiennent les vannes dans une position pendant de longues périodes et nécessitent à la fois une faible chaleur et une position de retour définie en cas de perte de puissance. Ses limites sont le tirage au repos pendant le maintien, le pic d'actionnement et les questions de certification qui s'appliquent à toute vanne électrique. Faire correspondre ces limites à la liste de contrôle ci-dessus est le moyen le plus fiable de décider si elles appartiennent à une conception donnée.