Reduciendo el consumo de energía de las válvulas solenoides

La optimización de las válvulas solenoides para la eficiencia energética es clave para operaciones industriales sostenibles y rentables. Su papel en el control del flujo de fluidos en numerosos sistemas significa que incluso pequeñas mejoras en su uso de energía pueden conducir a ahorros energéticos sustanciales en general y a una mayor eficiencia operativa. Lograr un consumo de energía reducido puede implicar la selección de válvulas solenoides con clasificaciones de potencia más bajas, el uso de materiales avanzados o formas constructivas que requieran menos energía para activarse, o el empleo de estrategias de control que minimicen el tiempo en que la válvula está energizada. Este artículo analiza las diversas técnicas para optimizar el diseño y la operación de las válvulas solenoides, destacando la importancia de las innovaciones en válvulas solenoides energéticamente eficientes.

Índice

• Seleccionando el tamaño correcto de la válvula
• Diseño o tipo de válvula solenoide
• Frecuencia de operación y uso de válvulas de bola eléctricas
• Parámetros físicos
• Patrones de ciclo
• Corrientes pico durante la apertura
• Válvulas solenoides con temporizadores

Seleccionando el tamaño correcto de la válvula

Seleccionar el tamaño óptimo para la válvula solenoide es crucial para minimizar el consumo de energía. Una válvula sobredimensionada desperdicia energía de dos maneras:

• Capacidad de flujo excesiva: Una válvula con una tasa de flujo que excede los requisitos del proceso permite que pase más aire comprimido de lo necesario. Este flujo innecesario se traduce en energía desperdiciada.
• Selección inadecuada de la bobina: Las válvulas sobredimensionadas a menudo requieren bobinas más grandes para operar el mecanismo de la válvula. Estas bobinas más grandes consumen más energía, incluso cuando la válvula no está controlando activamente el flujo.

Al seleccionar cuidadosamente una válvula con la tasa de flujo adecuada (Kv o Cv) y un tamaño de bobina correspondiente que coincida con las necesidades de la válvula, se puede reducir significativamente el consumo de energía en su sistema.

Diseño o tipo de válvula solenoide

El consumo de energía puede variar significativamente entre los diferentes tipos de válvulas solenoides, influenciado por su diseño y características operativas.

• Normalmente abierta vs normalmente cerrada: Una válvula solenoide normalmente abierta permanece abierta cuando no está energizada, mientras que una válvula normalmente cerrada se mantiene cerrada cuando no está energizada. Elegir una válvula normalmente abierta cuando el ciclo operativo requiere que la válvula esté cerrada la mayor parte del tiempo conduce a un desperdicio innecesario de energía, ya que las válvulas solenoides consumen energía cuando se accionan. Lea nuestro artículo sobre válvula solenoide normalmente abierta vs normalmente cerrada para más detalles.
• Directa vs indirecta: Las válvulas operadas directamente, que controlan el mecanismo de la válvula directamente, consumen más energía pero ofrecen simplicidad y fiabilidad para aplicaciones de alta demanda, como sistemas de cierre de emergencia donde la respuesta inmediata es crítica. Por otro lado, las válvulas operadas indirectamente son más eficientes en energía, utilizando la presión del medio a través de un pequeño canal de sangrado para activar la válvula. Estas son ideales para aplicaciones donde la conservación de energía es primordial, como en sistemas HVAC o riego automatizado, donde el diferencial de presión puede ser utilizado en beneficio del sistema.

Frecuencia de operación y uso de válvulas de bola eléctricas

En casos donde el consumo de energía y la frecuencia de operación son consideraciones críticas, una válvula biestable, que retiene su posición sin suministro de energía continuo, podría ser la opción más eficiente en energía. Las válvulas solenoides de enclavamiento, también llamadas válvulas solenoides biestables, son dispositivos eficientes en energía que usan un pequeño imán permanente para mantener su posición abierta o cerrada, eliminando la necesidad de energía eléctrica continua. Las válvulas solenoides de enclavamiento son ideales para aplicaciones alimentadas por batería o móviles donde el bajo uso de energía es crucial, ofreciendo una solución sostenible para diseños de sistemas que requieren un consumo mínimo de energía.

Además, las válvulas de bola eléctricas solo usan energía durante la actuación, haciéndolas más eficientes para sistemas con conmutación infrecuente. Sin embargo, para un ahorro óptimo de energía y eficiencia operativa, se consideran predominantemente las válvulas biestables, que no requieren energía para mantener su posición. Lea nuestro artículo sobre válvula de bola eléctrica vs válvula solenoide para más información.

Parámetros físicos

Ajustando las características físicas de la bobina del solenoide, específicamente aumentando el número de vueltas (N) y optimizando la corriente (I), es posible reducir el consumo de energía mientras se mantiene la fuerza electromagnética necesaria para operar la válvula. La fuerza del solenoide está directamente relacionada con el producto de la corriente y el número de vueltas (I×N).

• Aumentar el número de vueltas: Al aumentar el número de vueltas en la bobina, se puede mantener o aumentar la fuerza del campo magnético incluso con una corriente más baja. Un mayor número de vueltas significa que se necesita menos corriente para lograr la misma fuerza, lo que lleva a un menor consumo de energía.
• Optimizar la corriente: Ajustar la corriente que fluye a través de la bobina al nivel óptimo necesario para la operación también puede reducir el consumo de energía. Para ajustar la corriente, comience consultando las especificaciones del fabricante de la válvula para entender la corriente mínima requerida. Luego, experimente reduciendo gradualmente la corriente mientras monitorea la operación de la válvula para asegurarse de que permanezca confiable. Usar una fuente de alimentación variable puede facilitar este proceso, permitiendo un control preciso sobre la corriente. Además, considere implementar dispositivos reguladores de corriente diseñados para este propósito, que ajustan automáticamente la corriente a niveles óptimos basados en las condiciones operativas.
• Diseño de la bobina: Elija bobinas diseñadas para un bajo consumo de energía. Algunas bobinas están específicamente diseñadas para reducir el uso de energía una vez que la válvula alcanza su estado operativo.

Patrones de ciclo

El patrón de ciclo de la válvula solenoide, que incluye el número de veces que la válvula se abre y cierra, así como la duración que permanece en cada estado, influye significativamente en su consumo de energía. Seleccionar las características de diseño correctas, como si una válvula es normalmente abierta o normalmente cerrada, es crucial y debe alinearse con el patrón de ciclo de la válvula dentro del sistema para asegurar la eficiencia energética.

Ejemplo

Compare dos válvulas solenoides basadas en su patrón de ciclo y consumo de energía para un sistema de riego automatizado que opera una vez al día durante 30 minutos.

Paso 1: Patrón de ciclo

Suponga que ambas válvulas toman el mismo tiempo para abrirse y cerrarse, y operan una vez al día durante 30 minutos.

Resumen del patrón de ciclo	Tiempo (hrs)
Tiempo para abrir	0.0033 hrs (20 segundos)
Tiempo para cerrar	0.0033 hrs (20 segundos)
Tiempo en posición abierta	0.5 hrs (30 minutos)
Tiempo en posición cerrada	23.4934 hrs (Tiempo restante en un día)

Paso 2: Consumo de energía

Considere que ambas válvulas tienen las siguientes características de consumo de energía:

Tipo de válvula	Energía para abrir (Wh)	Energía para cerrar (Wh)	Energía en posición abierta (Wh)	Energía en posición cerrada (Wh)
Válvula A	0.05	0.05	0.1	0
Válvula B	0.03	0.03	0.06	0

Para encontrar el consumo total de energía diario para cada válvula, calcule la energía para cada fase de operación.

• Válvula A:
  • Apertura: 0.05 Wh
  • Cierre: 0.05 Wh
  • Posición abierta: 0.1 Wh
  • Posición cerrada: 0 Wh (no consume energía)
  • Consumo total diario: 0.2 Wh
• Válvula B:
  • Apertura: 0.03 Wh
  • Cierre: 0.03 Wh
  • Posición abierta: 0.06 Wh
  • Posición cerrada: 0 Wh (no consume energía)
  • Consumo total diario: 0.12 Wh

Conclusión

Basado en la comparación, la Válvula B es más eficiente en energía para este patrón de ciclo específico. También, considere otros factores como el costo, requisitos de mantenimiento y complejidad del sistema para tomar una decisión informada sobre la válvula solenoide más adecuada para las necesidades.

Corrientes pico durante la apertura

La potencia para abrir la válvula (potencia inicial) es mucho mayor que la potencia para mantenerla abierta (potencia de retención), siendo la potencia de retención del 20-40% de la potencia inicial.

Solenoides alimentados por CA

Las válvulas solenoides alimentadas por CA tienen un pico de corriente en la apertura pero una corriente de retención más baja. Para reducir el consumo de energía en las válvulas solenoides de CA, considere los siguientes métodos:

Caída de voltaje

Reducir el voltaje a la bobina para disminuir el flujo de corriente y el consumo de energía, asegurando que el solenoide aún funcione correctamente. Dado que la potencia consumida por la bobina es directamente proporcional al cuadrado de la corriente (P = I²xR, donde P es potencia, I es corriente y R es resistencia), reducir el voltaje conduce a una reducción en el flujo de corriente a través de la bobina. Esto, a su vez, reduce el consumo total de energía.

Aumento de frecuencia

Al aumentar la frecuencia del suministro de CA, se puede mejorar la eficiencia de la inducción magnética en la bobina del solenoide. Esto se debe a que la reactancia inductiva (que se opone al flujo de corriente de CA en un inductor) es directamente proporcional a la frecuencia (X_L = 2πfL, donde X_L es la reactancia inductiva, f es la frecuencia y L es la inductancia). Una frecuencia más alta aumenta la reactancia inductiva, lo que puede reducir la corriente y, por lo tanto, el consumo de energía, especialmente durante la fase de retención.

Este método requiere un suministro de CA compatible que pueda entregar la frecuencia más alta sin afectar otros componentes o el rendimiento general del sistema. Además, la bobina del solenoide y los materiales deben ser capaces de operar eficientemente a frecuencias más altas sin sobrecalentarse o experimentar interferencias electromagnéticas excesivas.

Uso de bobinas dobles

Este enfoque utiliza dos bobinas en la válvula solenoide: una diseñada para una corriente de entrada alta para abrir la válvula y otra para una corriente de retención más baja. Inicialmente, ambas bobinas se activan en paralelo para proporcionar un campo magnético fuerte necesario para abrir la válvula. Una vez que la válvula está abierta, el sistema cambia a usar solo una bobina o ambas bobinas en serie, reduciendo significativamente la corriente y, por lo tanto, el consumo de energía. Este método requiere un sistema de control más complejo para cambiar entre las configuraciones paralelas y en serie. También aumenta el costo inicial debido a la necesidad de dos bobinas y circuitos de control adicionales. Sin embargo, el ahorro en el consumo de energía puede justificar estos costos a lo largo de la vida operativa de la válvula.

Solenoides alimentados por CC

Las válvulas alimentadas por CC mantienen una corriente constante, lo que lleva a un mayor consumo total de electricidad.

El diseño de "impulso y caída" funciona proporcionando inicialmente un alto voltaje al solenoide para lograr rápidamente la acción requerida (como comprimir un resorte) y luego reduce el voltaje necesario para mantener la posición o mantener el solenoide en su lugar. Por ejemplo, si se necesitan 12 voltios para atraer el solenoide, después de completar la acción inicial, el voltaje puede reducirse a 4 voltios para mantenerlo en posición.

• Fase de impulso: Al inicio, la señal PWM se establece para proporcionar un ciclo de trabajo alto, lo que significa que los pulsos son anchos y el intervalo entre ellos es corto. Esto resulta en un voltaje (o corriente) promedio más alto suministrado al solenoide, proporcionando el "impulso" necesario para actuar rápidamente la válvula. Esta alta potencia supera la resistencia inicial, la inercia y cualquier otra fuerza para mover el solenoide de su posición de reposo a su posición activada.
• Fase de caída: Una vez que el solenoide se ha activado, el ciclo de trabajo del PWM se reduce. Esto significa que los pulsos se vuelven más estrechos y el intervalo entre ellos aumenta, resultando en un voltaje (o corriente) promedio más bajo suministrado al solenoide. Esta "caída" en la potencia aún es suficiente para mantener el solenoide en su posición activada pero consume menos energía que la fase de "impulso" inicial.

Esta circuitería puede integrarse dentro de la bobina, en un conector DIN, o como un módulo de ahorro de energía separado para sistemas existentes, ahorrando potencialmente hasta un 40% en energía.

Válvulas solenoides con temporizadores

Válvulas solenoides con temporizadores optimizan el uso de energía activando la válvula solo durante los períodos requeridos, previniendo la operación innecesaria y el desperdicio de energía.