Elettrovalvole ad azionamento diretto

Di particolare importanza per l’affermazione e l’impiego su larga scala dell’automazione pneumatica sono le aumentate prestazioni delle elettrovalvole e una maggiore razionalità dei montaggi (soprattutto nei grandi impianti).
L’elettrovalvola è il componente che consente di trasformare un segnale elettrico in un segnale pneumatico. Le elettrovalvole sono molto diffuse negli impianti pneumatici dove il sistema di controllo scelto è di tipo elettrico o elettronico (sono la stragrande maggioranza) come ad esempio i PLC.
Le elettrovalvole sono, da un punto di vista funzionale, delle valvole distributrici il cui azionamento avviene elettricamente; diventa così di particolare importanza l’elettromagnete (o bobina) realizzato mediante un solenoide in filo di rame isolato avvolto su di un nucleo di materiale non magnetico (amagnetico).
Le elettrovalvole possono essere di due tipi: ad azionamento diretto o ad azionamento indiretto. Le elettrovalvole ad azionamento diretto prevedono una parte elettrica costituita da una bobina; all’interno del nucleo tubolare c’è un canotto in materiale non magnetico con un’estremità aperta e l’altra chiusa.

Sul lato aperto viene inserito un nucleo mobile, libero di scorrere nel canotto tubolare amagnetico.
Il lato chiuso del canotto è costituito da un contronucleo in cui è ricavata una via di scarico.
Il nucleo mobile è munito alle due estremità di due gommini che servono per le tenute.
Il nucleo mobile è spinto da una molla inserita tra nucleo e canotto contro la sede di tenuta sul corpo, da cui c’è immissione d’aria. Il gommino inferiore ne permette la tenuta.

La distanza tra il nucleo e il contronucleo è chiamato traferro. Quando si invia corrente alla bobina, si concatena un flusso tra l’avvolgimento e il nucleo mobile, costituito da materiale magnetizzabile, e lo stesso viene attirato verso il contronucleo.
L’aria può fluire dalla bocca 1 verso la bocca 2, in quanto si è aperta una luce di passaggio. Contemporaneamente, il gommino superiore del nucleo mobile chiude lo scarico 3.
Questa elettrovalvola ad azionamento diretto si comporta come una valvola a 3 vie e 2 posizioni comandata elettricamente del tipo ad otturatore a centro aperto.
Se la bobina viene alimentata in corrente continua, la forza di attrazione è data dalla seguente relazione:

F	U2	siccome	U2	= I2 avremo che F	I2
	R2 · d2		R2		d2

dove:
F = forza di attrazione
U = tensione di alimentazione della bobina
R = resistenza del filo dell’avvolgimento della bobina
d = traferro
I = intensità della corrente che attraversa la bobina

La forza di attrazione, quindi, risulta proporzionale al quadrato della corrente e inversamente proporzionale al quadrato del traferro; di conseguenza, un piccolo aumento del traferro corrisponde ad una notevole diminuzione della forza di attrazione.
Se invece la bobina viene alimentata in corrente alternata, la forza di attrazione risulta essere:

F	U2
	ω2 · L2 · d2

dove:
ω = 2 π ƒ
F = forza di attrazione
U = tensione di alimentazione della bobina
L = induttanza dell’avvolgimento della bobina
d = traferro
f = frequenza della tensione di alimentazione

La forza dipende dall’induttanza della bobina che, a sua volta, è legata alla permeabilità magnetica del traferro e del materiale utilizzato per la realizzazione del nucleo della bobina.
Data una tensione di alimentazione U, la corrente I assorbita dalla bobina aumenta all’aumentare del traferro d poiché diminuisce l’induttanza: è per questo motivo che la forza di attrazione in corrente alternata è maggiore, a parità di altri fattori, rispetto a quella realizzata in corrente continua.
L’induttanza cambia con la posizione del nucleo mobile: infatti, quando c’è il massimo traferro, la forza di attrazione è bassa ed è minima anche l’impedenza della bobina (la reattanza induttiva è piccola).
In questa fase la corrente risulta elevata (corrente di spunto) e la bobina genera una forza che agisce in modo più repentino rispetto a quella generata dalla corrente continua.

Durante la corsa del nucleo mobile, il traferro diminuisce, riducendosi a zero, la reattanza induttiva aumenta, contribuendo ad aumentare l’impedenza del circuito della bobina, e, contemporaneamente, diminuisce la corrente assorbita (corrente di mantenimento).
La potenza elettrica necessaria, quindi, assume il valore massimo quando c’è il massimo traferro (potenza di spunto) e raggiunge livelli molto bassi quando il traferro si annulla (potenza di mantenimento).
Qualora il tempo di reazione del solenoide alimentato in corrente continua debba essere ridotto, si può applicare una tensione più alta del normale per una durata di pochi millisecondi.
L’effetto che si ottiene è molto simile allo spunto di una bobina alimentata in corrente alternata. Quando il nucleo mobile giunge alla fine della propria corsa, la tensione può essere ridotta fino alla metà del suo valore nominale.
Nelle elettrovalvole aventi la bobina alimentata in corrente alternata è presente il cosiddetto anello di sfasamento. Ogni volta che la corrente alternata passa per lo zero, il nucleo mobile, per effetto della molla, tenderebbe a ritornare nella posizione di riposo, ma non appena la corrente aumenta di nuovo, viene attratto nuovamente; tutto questo genera un fastidioso ronzio che può accompagnare il funzionamento dell’elettrovalvola.
Il nucleo, inoltre, continuerebbe a sbattere più volte al secondo causandone una precoce usura. Per porre rimedio a questo inconveniente si crea un secondo campo magnetico, sfasato di circa 90°, inserendo nel contronucleo un anello di rame chiuso su se stesso.

Il sistema così realizzato funziona come un trasformatore, in cui la bobina è l’avvolgimento primario e l’anello in rame l’avvolgimento secondario caratterizzato dal fatto di essere costituito da una sola spira chiusa in cortocircuito.
La spira, avendo una piccolissima resistenza, genera una corrente indotta sfasata e di valore molto alto; tale corrente genera a sua volta un campo magnetico, sfasato di 90° rispetto a quello principale, generato dalla bobina.
Il risultato pratico è che la forza di attrazione risultante, generata dai due campi magnetici, non avrà mai valore zero, impedendo all’elettrovalvola di ronzare.
Mentre l’assorbimento in potenza delle bobine alimentate in corrente alternata è indicato in voltampere [VA] e, normalmente, può assumere valori di 3,5 e 5 VA, quello delle bobine alimentate in corrente continua è espresso in watt [W] e può assumere valori di 3 o 4 W.

Le correnti, che possono diventare anche consistenti, necessarie per azionare un elettromagnete sottoposto al fluido in pressione, relegano le elettrovalvole di questo tipo all’impiego solo per piccole portate.

Nella posizione di riposo agiscono verso il basso la forza della molla e il peso del nucleo, mentre agisce verso l’alto la forza generata dalla pressione del fluido di alimentazione sulla sezione posta in ingresso, come mostrato nella fig. 6.
Se la forza del fluido che agisce sul gommino di tenuta per alimentazione è rilevante, la molla di contrasto dovrà essere dimensionata in modo da essere, direttamente proporzionale alla sezione intercettata dal nucleo mobile; il campo magnetico da generare per vincere la forza della molla richiederà una corrente di azionamento piuttosto alta e, quindi, un solenoide di adeguate proporzioni.
L’opposto succederà se la sezione intercettata sarà piccola; in questo caso, però, sarà possibile il passaggio di una portata di aria inferiore.

La standardizzazione del comando elettrico per questo tipo di valvole ha portato alla costruzione di modelli per piccole taglie come microvalvole di 10, 15, 22, 30, 32 mm e qualche volta della taglia da G1/8”.
Le versioni reperibili in commercio sono del tipo 2/2 e 3/2 normalmente chiuse (NC) o normalmente aperte (NO).
In alternativa all’utilizzo di una singola valvola è di particolare importanza l’applicazione modulare, in cui le elettrovalvole sono facilmente compattate e assemblate in modo da formare la cosiddetta isola di valvole.
Una sola bocca di alimentazione collega internamente gli elementi e la bocca di utilizzo è collocata nella base; inoltre, la sostituzione di ciascun componente risulta agevole e rapida. Di seguito nella tab. 6 vengono riportate a titolo di esempio le caratteristiche principali di elettrovalvole a comando diretto Serie A della ditta Camozzi.

Le elettrovalvole della Serie A sono del tipo a comando diretto e possono funzionare con aria filtrata secca o lubrificata. Sono disponibili nelle versioni 2/2 e 3/2 vie, sia con funzione normalmente chiusa (NC), sia con funzione normalmente aperta (NO), nelle versioni a cassetto e del tipo 5/2 monostabile o bistabile.
Vengono realizzate in diverse versioni rispetto al tipo di corpo, agli attacchi filettati e alle luci di passaggio al fine di soddisfare le diverse esigenze di impiego e di montaggio.
L’esecuzione meccanica nelle sue parti interne è realizzata in acciaio inox, mentre gli otturatori sono prodotti in NBR. L’elettromagnete (o solenoide) è indipendente e può essere sostituito senza interferire con la parte in pressione della valvola in modo facile e sicuro.
La scelta dei solenoidi, che possono essere di tre tipi intercambiabili sulla stessa parte meccanica, condiziona le prestazioni dell’elettrovalvola (consumo e pressione) come indicato sui cataloghi.

Tabella 6 - Caratteristiche generali e pneumatiche delle elettrovalvole ad azionamento diretto e dei solenoidi Serie A (Camozzi)
Caratteristiche generali
Costruzione	Ad otturatore
Gruppo valvola	Vie/Pos. 2/2 - 3/2 NC o NO
Materiali	Corpo OT58 (nichelato) - altri inox - guarnizioni NBR, corpo in nylon
Fissaggio	A mezzo viti M4
Attacchi	M5 - G1/8
Installazione	In qualsiasi posizione
Temperatura	0 ÷ 60 °C (con aria secca -20 °C)
Lubrificante	Olio compatibile con NBR (3° ÷ 10°E)
Caratteristiche pneumatiche
Pressione d’esercizio	0 ÷ 15 - 0 ÷ 9 - 0 ÷ 6 - 0 ÷ 10 bar a seconda dei modelli
Pressione nominale	6 bar
Coefficiente di portata	KV 0,6 - 0,7 - 0,8 - 0,9 - 1- 1,1 - 1,8 - 2,2 a seconda dei modelli [l/min (H2O)]
Portata nominale	Qn 53 ÷ 160 Nl/min a seconda dei modelli con Qn determinato con 6 bar all’alimentazione e con Δp = 1 bar
Fluido	Aria filtrata secca, con o senza lubrificazione
Caratteristiche dei solenoidi
Dimensione nominale	22 x 22 oppure 30 x 30
Grado di protezione	IP54 - DIN 40050 oppure IP65
Isolamento	Classe H (180 °C) collaudato a 3000 V per un minuto
Connessioni	Bipolare più terra DIN 43650 (forma A o forma B)
Tolleranza della tensione di alimentazione	AC -15% ÷ +10% in DC ± 10%
Servizio continuo	ED 100% - servizio continuo

Negli interventi di manutenzione, di collaudo, o nei casi di mancanza di tensione di alimentazione, durante il funzionamento della macchina può presentarsi la necessità di azionare manualmente le valvole. Per questo motivo, le elettrovalvole, sia quelle ad azionamento diretto sia quelle ad azionamento indiretto sono dotate di un comando ausiliario manuale.

Tale dispositivo varia a seconda delle tipologie costruttive: dal semplice pulsantino monostabile alla vite bistabile sul quarto di giro, alla levetta premi/tira. Il tipo più completo è dotato di pulsante o vite mono e bistabile: solamente premendo, e poi rilasciando, si ottiene la funzione mono, mentre premendo ed effettuando un quarto di giro o mezzo giro si attua la funzione bistabile.

Figura 8: Esempio di funzionamento di elettrovalvole ad azionamento diretto del tipo ad otturatore: a) Funzione normalmente chiusa (NC) - b) Funzione normalmente aperta (NO). Le valvola hanno le seguenti bocche: 1 = alimentazione, 2 = utilizzo, 3 = scarico. Da notare che in questo tipo di valvole per ottenere la funzione 2/2 basta chiudere la bocca 3 di carico (Pneumax).

Figura 9: a) Collegamento di bobine per elettrovalvole. I solenoidi per le elettrovalvole della Serie A nei modelli A70 e A80 sono del tipo monostabile. Nel modello G90, invece, il solenoide è di tipo speciale con memoria incorporata che consente di trasformare un’elettrovalvola monostabile in bistabile - b) Montaggio di bobine per elettrovalvole ad azionamento diretto (Camozzi).

Figura 10: a) Esempio di elettrovalvola a cassetto ad azionamento diretto del tipo 5/2 monostabile. Si noti la presenza di un diodo luminoso LED che segnala quando il solenoide è alimentato (DYNAMCO) - b) Simbolo di una elettrovalvola ad azionamento diretto monostabile con ritorno a molla del tipo 5/2, con comando ausiliario manuale - c) Simbolo di una elettrovalvola ad azionamento diretto bistabile del tipo 5/2 con comandi ausiliari manuali.

Figura 11:a) Elettrovalvole ad azionamento diretto Serie A. Si noti la possibilità di montare le valvole in batteria in modo da realizzare un’isola di valvole e la vite per l’azionamento manuale della valvola - b) Esempio di codifica di elettrovalvole ad azionamento diretto Serie A (Camozzi).

Figura 12: Esempio di comando ausiliario manuale mediante vite di un’elettrovalvola 3/2 monostabile: a) Valvola chiusa - b) Valvola aperta (Norgren).

Allegati scaricabili

Guida all\'uso delle elettrovalvole negli impianti

Argomenti correlati

Seconda parte della guida