Verlagen van het energieverbruik van magneetventielen

Optimaliseren van magneetventielen voor energie-efficiëntie is essentieel voor duurzame en kosteneffectieve industriële operaties. Hun rol in de controle van vloeistofstromen in talrijke systemen betekent dat zelfs kleine verbeteringen in hun energieverbruik kunnen leiden tot aanzienlijke algehele energiebesparingen en verbeterde operationele efficiëntie. Dit artikel bespreekt de verschillende technieken voor het optimaliseren van het ontwerp en de werking van magneetventielen, met nadruk op het belang van innovaties in energie-efficiënte magneetventielen.

De juiste ventielgrootte selecteren

Het selecteren van de optimale grootte voor het magneetventiel is cruciaal om het energieverbruik te minimaliseren. Een te groot ventiel verspilt energie op twee manieren:

• Overmatige doorstroomcapaciteit: Een ventiel met een doorstroomsnelheid die de procesvereisten overschrijdt, laat meer samengeperste lucht door dan nodig. Deze onnodige stroom vertaalt zich in verspilde energie.
• Onjuiste spoelkeuze: Te grote ventielen vereisen vaak grotere spoelen om het ventielmechanisme te bedienen. Deze grotere spoelen verbruiken meer stroom, zelfs wanneer het ventiel de stroom niet actief regelt.

Door zorgvuldig een ventiel te selecteren met de juiste doorstroomsnelheid (Kv of Cv) en een bijbehorende spoelgrootte die overeenkomt met de behoeften van het ventiel, kan men het energieverbruik in uw systeem aanzienlijk verminderen.

Ontwerp of type magneetventiel

Het energieverbruik kan aanzienlijk variëren tussen verschillende typen magneetventielen, beïnvloed door hun ontwerp en operationele kenmerken.

• Normaal open vs normaal gesloten: Een normaal open magneetventiel blijft open wanneer het niet is geactiveerd, terwijl een normaal gesloten ventiel gesloten blijft wanneer het niet is geactiveerd. Het kiezen van een normaal open ventiel wanneer de operationele cyclus vereist dat het ventiel het grootste deel van de tijd gesloten is, leidt tot onnodig energieverlies, aangezien magneetventielen energie verbruiken wanneer ze worden geactiveerd. Lees ons artikel over normaal open vs normaal gesloten magneetventielen voor meer details.
• Direct vs indirect: Direct bediende ventielen, die het ventielmechanisme direct regelen, verbruiken meer energie maar bieden eenvoud en betrouwbaarheid voor toepassingen met een hoge vraag, zoals noodafsluitsystemen waarbij een onmiddellijke reactie cruciaal is. Aan de andere kant zijn indirect bediende ventielen energie-efficiënter, waarbij de druk van het medium via een klein lekkanaal wordt gebruikt om het ventiel te activeren. Deze zijn ideaal voor toepassingen waar energiebehoud van het grootste belang is, zoals in HVAC-systemen of geautomatiseerde irrigatie, waar het drukverschil in het voordeel van het systeem kan worden gebruikt.

Frequentie van bediening en het gebruik van elektrische kogelkranen

In gevallen waar het energieverbruik en de frequentie van bediening kritieke overwegingen zijn, kan een bi-stabiel ventiel, dat zijn positie behoudt zonder continue stroomvoorziening, de meest energie-efficiënte optie zijn. Vergrendelende magneetventielen, ook wel bi-stabiele magneetventielen genoemd, zijn energie-efficiënte apparaten die een kleine permanente magneet gebruiken om hun open of gesloten positie te handhaven, waardoor de behoefte aan continue elektrische stroom wordt geëlimineerd. Vergrendelende magneetventielen zijn ideaal voor op batterijen werkende of mobiele toepassingen waar een laag energieverbruik cruciaal is, en bieden een duurzame oplossing voor systeemontwerpen die minimale stroomconsumptie vereisen.

Ook gebruiken elektrische kogelkranen alleen energie tijdens activering, waardoor ze efficiënter zijn voor systemen met zeldzame schakelingen. Echter, voor optimale energiebesparingen en operationele efficiëntie, worden bi-stabiele ventielen, die geen stroom nodig hebben om hun positie te behouden, voornamelijk overwogen. Lees ons artikel over elektrische kogelkraan vs magneetventiel voor meer informatie.

Fysieke parameters

Door de fysieke kenmerken van de magneetspoel aan te passen, specifiek door het aantal windingen (N) te verhogen en de stroom (I) te optimaliseren, is het mogelijk om het energieverbruik te verminderen terwijl de noodzakelijke elektromagnetische kracht om het ventiel te bedienen behouden blijft. De kracht van het magneetventiel is direct gerelateerd aan het product van de stroom en het aantal windingen (I×N).

• Het aantal windingen verhogen: Door het aantal windingen in de spoel te verhogen, kan de magnetische veldsterkte gehandhaafd of verhoogd worden, zelfs met een lagere stroom. Een hoger aantal windingen betekent dat er minder stroom nodig is om dezelfde kracht te bereiken, wat leidt tot een lager energieverbruik.
• Stroom optimaliseren: Het aanpassen van de stroom die door de spoel vloeit naar het optimale niveau dat nodig is voor bediening kan ook het energieverbruik verminderen. Om de stroom aan te passen, begin met het raadplegen van de specificaties van de ventielfabrikant om de minimaal vereiste stroom te begrijpen. Experimenteer vervolgens door de stroom geleidelijk te verminderen terwijl u de werking van het ventiel in de gaten houdt om ervoor te zorgen dat het betrouwbaar blijft. Het gebruik van een variabele stroomvoorziening kan dit proces vergemakkelijken, waardoor een nauwkeurige controle over de stroom mogelijk is. Overweeg bovendien het implementeren van stroomregulerende apparaten die speciaal voor dit doel zijn ontworpen, die automatisch de stroom aanpassen naar optimale niveaus op basis van de operationele omstandigheden.
• Ontwerp van de spoel: Kies spoelen die zijn ontworpen voor een laag energieverbruik. Sommige spoelen zijn specifiek ontworpen om het energieverbruik te verminderen zodra het ventiel zijn werktoestand bereikt.

Cycluspatronen

Het cycluspatroon van het magneetventiel, dat het aantal keren dat het ventiel opent en sluit omvat, evenals de duur dat het in elke staat blijft, beïnvloedt de energieconsumptie aanzienlijk. Het selecteren van de juiste ontwerpkenmerken, zoals of een ventiel normaal open of normaal gesloten is, is cruciaal en moet overeenkomen met het cycluspatroon van het ventiel binnen het systeem om energie-efficiëntie te garanderen.

Voorbeeld

Vergelijk twee magneetventielen op basis van hun cycluspatroon en energieverbruik voor een geautomatiseerd irrigatiesysteem dat eens per dag gedurende 30 minuten werkt.

Stap 1: Cycluspatroon

Stel dat beide ventielen dezelfde tijd nodig hebben om te openen en te sluiten, en dat ze eens per dag gedurende 30 minuten werken.

Overzicht van cycluspatroon	Tijd (uren)
Tijd om te openen	0,0033 uur (20 seconden)
Tijd om te sluiten	0,0033 uur (20 seconden)
Tijd in open positie	0,5 uur (30 minuten)
Tijd in gesloten positie	23,4934 uur (Resterende tijd van een dag)

Stap 2: Energieverbruik

Overweeg dat beide ventielen de volgende energieverbruikskarakteristieken hebben:

Type ventiel	Energie om te openen (Wh)	Energie om te sluiten (Wh)	Energie in open positie (Wh)	Energie in gesloten positie (Wh)
Ventiel A	0,05	0,05	0,1	0
Ventiel B	0,03	0,03	0,06	0

Om het totale dagelijkse energieverbruik voor elk ventiel te vinden, bereken de energie voor elke bedrijfsfase.

• Ventiel A:
  • Openen: 0,05 Wh
  • Sluiten: 0,05 Wh
  • Open positie: 0,1 Wh
  • Gesloten positie: 0 Wh (verbruikt geen energie)
  • Totaal dagelijks verbruik: 0,2 Wh
• Ventiel B:
  • Openen: 0,03 Wh
  • Sluiten: 0,03 Wh
  • Open positie: 0,06 Wh
  • Gesloten positie: 0 Wh (verbruikt geen energie)
  • Totaal dagelijks verbruik: 0,12 Wh

Conclusie

Op basis van de vergelijking is Ventiel B energie-efficiënter voor dit specifieke cycluspatroon. Overweeg ook andere factoren zoals kosten, onderhoudsvereisten en systeemcomplexiteit om een geïnformeerde beslissing te nemen over het meest geschikte magneetventiel voor de behoeften.

Piekstromen tijdens het openen

Het vermogen om het ventiel te openen (initieel vermogen) is veel hoger dan het vermogen om het open te houden (houdvermogen), waarbij het houdvermogen 20-40% van het initiële vermogen is.

Op wisselstroom werkende magneetventielen

Op wisselstroom werkende magneetventielen hebben een piek in stroom bij het openen maar een lagere houdstroom. Om het energieverbruik in op wisselstroom werkende magneetventielen te verminderen, overweeg de volgende methoden:

Spanningsdaling

Verlaag de spanning naar de spoel om de stroomstroom en het energieverbruik te verminderen, waarbij ervoor wordt gezorgd dat het magneetventiel nog steeds correct functioneert. Aangezien het door de spoel verbruikte vermogen recht evenredig is met het kwadraat van de stroom (P = I²xR, waar P vermogen is, I stroom en R weerstand), leidt het verlagen van de spanning tot een vermindering van de stroomstroom door de spoel. Dit vermindert op zijn beurt het totale energieverbruik.

Frequentieverhoging

Door de frequentie van de wisselstroomvoorziening te verhogen, kan de efficiëntie van magnetische inductie in de spoel van het magneetventiel worden verbeterd. Dit komt omdat de inductieve reactantie (die de stroom van wisselstroom in een inductor tegenwerkt) recht evenredig is met de frequentie (X_L = 2πfL, waar X_L inductieve reactantie is, f frequentie en L inductantie). Een hogere frequentie verhoogt de inductieve reactantie, wat de stroom en dus het energieverbruik kan verminderen, vooral tijdens de houdfase.

Deze methode vereist een compatibele wisselstroomvoorziening die de hogere frequentie kan leveren zonder andere componenten of de algehele systeemprestaties te beïnvloeden. Bovendien moeten de spoel van het magneetventiel en de materialen efficiënt kunnen werken bij hogere frequenties zonder oververhitting of overmatige elektromagnetische interferentie.

Gebruik dubbele spoelen

Deze aanpak gebruikt twee spoelen in het magneetventiel: één ontworpen voor hoge inschakelstroom om het ventiel te openen en een andere voor lagere houdstroom. Aanvankelijk worden beide spoelen parallel geactiveerd om een sterk magnetisch veld te bieden dat nodig is om het ventiel te openen. Zodra het ventiel open is, schakelt het systeem over naar het gebruik van slechts één spoel of beide spoelen in serie, waardoor de stroom aanzienlijk wordt verminderd en dus het energieverbruik. Deze methode vereist een complexer besturingssysteem om te schakelen tussen de parallelle en seriële configuraties. Het verhoogt ook de initiële kosten vanwege de noodzaak van twee spoelen en extra besturingscircuits. Echter, de besparingen in energieverbruik kunnen deze kosten over de operationele levensduur van het ventiel rechtvaardigen.

Op gelijkstroom werkende magneetventielen

Gelijkstroom aangedreven ventielen handhaven een constante stroom, wat leidt tot een hoger algeheel elektriciteitsverbruik.

Het "kick and drop"-ontwerp werkt door aanvankelijk een hoge spanning aan het magneetventiel te leveren om snel de vereiste actie te bereiken (zoals een veer comprimeren) en vervolgens de spanning die nodig is om de positie te handhaven of het magneetventiel op zijn plaats te houden te verlagen. Bijvoorbeeld, als het 12 volt kost om het magneetventiel in te trekken, kan na de initiële actie de spanning worden verlaagd naar 4 volt om het in positie te houden.

• Kickfase: Aan het begin wordt het PWM-signaal ingesteld om een hoge duty cycle te bieden, wat betekent dat de pulsen breed zijn en het interval tussen hen kort is. Dit resulteert in een hogere gemiddelde spanning (of stroom) die aan het magneetventiel wordt geleverd, waardoor de "kick" wordt geboden die nodig is om het ventiel snel te activeren. Deze hoge kracht overwint de initiële weerstand, traagheid en andere krachten om het magneetventiel van zijn rustpositie naar zijn geactiveerde positie te verplaatsen.
• Dropfase: Zodra het magneetventiel is geactiveerd, wordt de duty cycle van de PWM verlaagd. Dit betekent dat de pulsen smaller worden en het interval tussen hen toeneemt, wat resulteert in een lagere gemiddelde spanning (of stroom) die aan het magneetventiel wordt geleverd. Deze "drop" in kracht is nog steeds voldoende om het magneetventiel in zijn geactiveerde positie te houden, maar verbruikt minder energie dan de initiële "kick"-fase.

Deze schakeling kan worden geïntegreerd in de spoel, in een DIN-connector, of als een aparte energiebesparende module voor bestaande systemen, waardoor potentieel tot 40% aan energie kan worden bespaard.

Magneetventielen met timers

Magneetventielen met timers optimaliseren het energieverbruik door het ventiel alleen tijdens de vereiste perioden te activeren, waardoor onnodige werking en energieverspilling worden voorkomen.