Elettrovalvole negli impianti: le bobine

 

Elettrovalvole: condizioni d'impiego

 

Le bobine o solenoidi rappresentano, nelle elettrovalvole, quei componenti che consentono di interfacciare la valvola pneumatica al circuito elettrico di comando; esse devono perciò garantire le seguenti importanti condizioni di impiego:

• una elevata forza di attrazione anche con ridotti ingombri e basse potenze elettriche di alimentazione;
• un funzionamento silenzioso, in particolare quando la bobina è alimentata in corrente continua;
• un alto grado di insensibilità alle vibrazioni, spesso presenti sulle macchine e negli impianti industriali;
• la capacità di sopportare un’elevata frequenza di manovra a vuoto, senza superare le temperature massime previste dagli isolanti (classe di isolamento);
• la possibilità di installazione in qualsiasi posizione;
• un elevato grado di protezione dall’acqua e dai corpi estranei (grado di protezione IP);
• il funzionamento anche in caso di servizio continuo (ED 100%).

Inoltre, devono essere realizzate con connessioni elettriche di tipo rapido e standardizzate al fine di garantire l’intercambiabilità tra diversi costruttori in caso di sostituzione della bobina.

 

L’isolamento delle bobine

L’isolamento delle bobine deve poter garantire il normale funzionamento con una temperatura ambiente variabile da -40 °C a +80÷85 °C anche in presenza di un’elevata umidità atmosferica, di stillicidio e di vapore.

Al fine di garantire queste prestazioni, l’avvolgimento viene realizzato con filo di rame trafilato e ricotto, smaltato con apposite resine isolanti, mentre l’intera bobina è annegata in un bagno di resine (per esempio, di tipo epossidico) che va a costituire l’involucro isolante protettivo e che ne consente il fissaggio sull’elettrovalvola.

Dal blocco sporgono le connessioni elettriche a cui fanno capo l’avvolgimento e la connessione con il circuito di terra collegato alla struttura metallica che supporta l’avvolgimento. I costruttori di bobine per elettrovalvole pneumatiche o oleoidrauliche offrono una vasta gamma di prodotti che sono in grado di coprire tutte le esigenze di potenza, rapidità di intervento e dimensionali.

Fig.19a:Esempio di bobina per elettrovalvole; le dimensioni variano in funzione del modello (SIRAI)

Fig.19b:Bobina per elettrovalvole ad azionamento diretto o indiretto tipo A7H 24 V, 50/60 Hz, 3,5 VA

 

Figura 19 c - Caratteristiche elettriche delle bobine per elettrovalvole: tensione nominale di alimentazione UN, tipo di corrente AC/DC, potenza assorbita (Camozzi)
UN [V]	Tipo di corrente	Potenza [VA]	UN [V]	Tipo di corrente	Potenza [W]
24	AC 50/60 Hz	3,5	12	DC	3
110	AC 50/60 Hz	3,5	48	DC	3
220	AC 50/60 Hz	3,5	110	DC	3
48	AC 50/60 Hz	3,5	24	DC	3

 

Per quanto riguarda il funzionamento, è opportuno fare alcune considerazioni.

Se l’elettromagnete viene alimentato alla tensione nominale UN, l’avvolgimento è percorso da una corrente nominale IN. Quest’ultima dipende dall’impedenza Z che, a sua volta, è legata alla resistenza R del filo e all’induttanza L dell’avvolgimento.

Quando l’avvolgimento è percorso dalla corrente, esso si riscalda a causa dell’effetto Joule (P = R · I2); il riscaldamento, inoltre, è in funzione del tempo t durante il quale la bobina viene alimentata. La forza F di attrazione è legata all’intensità di corrente IN che attraversa l’avvolgimento e al numero N di spire che caratterizza la bobina; tale forza varia in funzione della distanza che esiste tra il nucleo mobile e quello fisso.

 

Bobine alimentate in corrente continua (DC) e in corrente alternata (AC).

 

Esaminiamo ora le differenze che esistono tra le bobine alimentate in corrente continua (DC) e quelle alimentate in corrente alternata (AC).

Fig.20:a) Circuito di alimentazione di una bobina per elettrovalvola - b) Circuito per l’eccitazione rapida di bobine per elettrovalvole

Gli elettromagneti alimentati in corrente continua sono caratterizzati da un circuito magnetico ad alto rendimento e meccanicamente semplice e robusto. Durante il loro funzionamento, il calore prodotto dipende solamente dalla corrente IN che, a parità di tensione nominale di alimentazione UN, è legata alla resistenza R dell’avvolgimento (IN = UN/R); la quantità di calore sviluppata non dipende perciò dalla posizione del nucleo mobile, né dalla frequenza delle manovre e neppure dalla corsa che compie il nucleo mobile.

Gli elettromagneti alimentati in corrente continua vengono perciò utilizzati quando sono necessarie elevate cadenze ed elevate corse. Il valore della corrente continua che attraversa la bobina non è influenzata dal valore dell’induttanza L che in particolare dipende dalla posizione del nucleo mobile; non c’è quindi pericolo che l’avvolgimento si danneggi se, per esempio, il pistoncino che determina le funzioni nella parte pneumatica dell’elettrovalvola si dovesse incollare o inceppare.

Vale la pena notare che, quando gli elettromagneti vengono alimentati, non si ha un istantaneo spostamento del nucleo mobile: questo avviene in tempi dell’ordine del decimo o del centesimo di secondo, in quanto il campo magnetico, generato dalla corrente I, assume il valore massimo dopo un certo tempo.
Con le bobine in corrente continua, la corrente I assume nel tempo valori via via crescenti e tali valori sono calcolabili con la seguente equazione:

 

I(t)=	UN	(1-e	- R ·t   L	)
	R

che tende, all’aumentare del tempo t, alla seguente relazione:

IN=	UN
	R

Al fine di diminuire il tempo di eccitazione, si può alimentare la bobina con una tensione U, maggiore di nominale UN avendo cura di inserire in serie alla bobina una resistenza addizionale Ra con lo scopo di rendere piccola la costante di tempo L/R.

Nelle bobine alimentate in corrente alternata si genera un campo magnetico alternato di direzione costante che attira il nucleo mobile all’interno del solenoide. La presenza di un campo magnetico alternato determina un riscaldamento del nucleo a causa delle perdite per isteresi e correnti parassite.

 

Perdite per isteresi e correnti parassite

 

Le perdite per isteresi, di natura magnetica, sono dovute ad un fenomeno di attrito a livello molecolare, che è possibile assimilare a dei magnetini elementari che sono costretti ad orientarsi alternativamente in relazione al campo magnetico; queste perdite sono normalmente di modesta entità grazie alle proprietà magnetiche dei materiali con cui vengono realizzati i nuclei (permeabilità magnetica).

Le perdite per correnti parassite, altrimenti dette di Foucault, sono invece di natura elettrica e nascono a causa dell’effetto Joule provocato dalle correnti indotte nelle masse metalliche attraversate da un campo magnetico alternato.
Perdite di questo tipo, che possono essere anche di valore elevato, vengono ridotte normalmente aumentando la resistenza elettrica dei circuiti magnetici (per esempio, realizzando i nuclei con lamierini isolati tra di loro e serrati in modo da formare un pacco).
La soluzione citata precedentemente porta alla costruzione di nuclei aventi una sezione rettangolare e, quindi, con un minore rendimento magnetico; inoltre, il circuito magnetico risulta meccanicamente più debole e di più complessa realizzazione.

Le bobine alimentate in corrente alternata sono caratterizzate da un’elevata corrente di spunto con il vantaggio di avere dei ridotti tempi di intervento. In definitiva, si ottiene un’elettrovalvola più veloce, ma proprio a causa dei valori elevati di corrente che si possono raggiungere, queste bobine vengono utilizzate con basse cadenze e corse brevi.
Contrariamente alle bobine alimentate in corrente continua, se avviene un inceppamento del meccanismo pneumatico azionato dal nucleo mobile, si ha un rapido riscaldamento della bobina che può, in breve tempo, portare al danneggiamento degli isolanti.

Queste bobine, inoltre, si riscaldano a causa della corrente che le attraversa. Il valore della corrente dipende dalla lunghezza della corsa e dalla resistenza R dell’avvolgimento. Se non vengono effettuate elevate cadenze, è possibile calcolare il riscaldamento con la seguente relazione: Q = R · I2 · t, dove R è la resistenza della bobina, I la corrente che la attraversa e t il tempo di inserzione.

In definitiva, le bobine alimentate in corrente alternata presentano le seguenti caratteristiche:

1. l’alimentazione della bobina determina una forte corrente di spunto che diminuisce via via che il nucleo mobile si muove fino a quando il circuito magnetico si è chiuso;
2. nella bobina si sviluppa una quantità di calore Q che è proporzionale al quadrato della corrente I che la percorre;
3. quando la bobina è alimentata, in essa si sviluppa del calore che deve essere dissipato, pena il danneggiamento degli isolanti.

 

Il terzo punto indicato precedentemente determina che:

1. se al nucleo mobile è impedito di compiere completamente la sua corsa e di chiudere il circuito magnetico, la corrente assorbita mantiene gli elevati valori della corrente di spunto, danneggiando così l’isolante in pochi minuti;
2. se la bobina viene eccitata e diseccitata con una frequenza superiore a 2÷3 inserzioni al secondo, essa non riesce a dissipare il calore prodotto dall’alta corrente di spunto, danneggiando l’isolante;
3. se una bobina prevista per funzionare a 60 Hz viene alimentata alla stessa tensione nominale, ma avente una frequenza di 50 Hz, si può verificare un surriscaldamento eccessivo dell’avvolgimento, entrambe le bobine si danneggiano rapidamente se vengono alimentate per errore in corrente continua;
4. un valore eccessivo di corrente si può manifestare anche se la bobina viene alimentata con una tensione molto superiore a quella nominale.

 

Le bobine per elettrovalvole vengono costruite per tensioni di funzionamento di 24, 48, 110 e 220 V in AC, con una tolleranza di +10%÷15%, e di 12, 24, 48 e 110 V in DC, con una tolleranza di ±10%, con potenze che variano da 3,5 a 5 VA in AC e da 2 a 4 W in DC. Le bobine funzionano normalmente per un servizio di tipo continuo ED 100%, che è inteso come il tempo d’inserzione massimo tollerato dalle bobine.

Se con la sigla ED 100% si indica il funzionamento in servizio continuo, con una percentuale minore si intende, invece, un servizio discontinuo, cioè intervallato da tempi attivi e tempi di riposo.

Si ottiene così che:

ED =	Ti	· 100
	Ti + Tr

dove:
Ti = tempo di inserzione
Tr = tempo a riposo

Per esempio, se Ti = 10’ e Tr = 10’ si ottiene che

 

ED =	10\'	· 100
	10\' + 10\'

e quindi ED = 50%.

 

Nei comandi elettromeccanici tradizionali, o con PLC di vecchia generazione, le bobine per le elettrovalvole funzionano generalmente in corrente alternata, mentre con i sistemi attuali (per esempio quelli che utilizzano i bus di campo) la scelta è quasi sempre rivolta verso quelle a corrente continua.

Il dimensionamento dell’impianto elettrico (sezione dei conduttori e potenza del trasformatore/alimentatore di alimentazione) dovrà essere conforme al numero massimo delle bobine agenti contemporaneamente; inoltre, in relazione al fatto che le elettrovalvole alimentate in corrente continua non assorbono elevati spunti di corrente, è possibile una certa economia nel dimensionamento dei circuiti di controllo rispetto a quelli in corrente alternata (in particolare se si utilizzano PLC).

Con elettrovalvole alimentate in corrente alternata, un insufficiente dimensionamento del circuito di alimentazione può determinarne un funzionamento instabile, che può causare seri danni agli isolanti (bruciatura degli avvolgimenti).

Sono disponibili in commercio bobine che possono trasformare un’elettrovalvola monostabile in bistabile; tali bobine prevedono un funzionamento ad impulso.

 

Fig.21a:Esempio di bobina con memoria magnetica funzionante con comando ad impulso

 

Nella fig. 21 viene mostrata una bobina di questo tipo: se alimentata attraverso il morsetto 2, si ottiene il set dell’elettrovalvola, se invece si alimenta il morsetto 1 si attua il reset. Il principio di funzionamento è basato sull’uso di particolari sistemi magnetici che necessitano, per il funzionamento, solamente di un impulso elettrico e non di una corrente che circola permanentemente.

Questo tipo di bobine presentano i seguenti vantaggi:

• il consumo del solenoide è particolarmente limitato, in quanto il comando di apertura e chiusura è ottenuto con un impulso della durata di circa 20 ms. La valvola resta costantemente nella posizione comandata, senza alcuna alimentazione, sino a che non si invia l’impulso inverso che ne commuta la posizione;
• la valvola rimane nella posizione comandata (aperta o chiusa) anche se viene a mancare l’alimentazione elettrica all’impianto in cui è inserita e, quindi, può essere utilizzata come memoria di posizione;
• qualora sia necessario impiegare valvole normalmente aperte, non occorre utilizzare valvole con la parte meccanica invertita in quanto una valvola normalmente chiusa diviene normalmente aperta invertendo la sequenza dell’impulso di comando;
• queste bobine trovano applicazione dove si devono intercettare fluidi ad alta temperatura, dove esistono problemi con temperature ambiente elevate e nei comandi con PLC o microprocessori;
• la bobina non ha punte di surriscaldamento;
• l’impulso minimo richiesto per la manovra deve avere, come è stato precisato precedentemente, una durata minima di 20 ms; se per ragioni circuitali l’impulso deve durare per un tempo molto lungo, non vi sono pericoli di riscaldamento in quanto il solenoide è progettato per funzionare anche per il servizio continuo (ED 100%).

Possono funzionare sia in corrente alternata sia in corrente continua; eventualmente può essere necessaria un’interfaccia se il comando avviene mediante PLC. Nella fig. 21 sono riportati i possibili schemi di comando. Queste bobine funzionano con tensioni comprese tra 12 e 48 V, sia in AC sia in DC, con una tolleranza del ±10% e correnti assorbite, variabili a seconda della tensione di alimentazione, comprese all’incirca tra 60÷300 mA per l’impulso di set e tra 10150 mA per l’impulso di reset.

 

Fig.21b: Sequenza di comando di una bobina con memoria e relativi tempi di set e reset

Fig.21c: Funzionamento con l’alimentazione in corrente alternata

Fig.21d: Funzionamento con l’alimentazione in corrente continua

Fig.21e: Interfaccia per il comando di queste bobine mediante PLC e in corrente continua

 

Leggi anche: Guida all'uso delle elettrovalvole negli impianti