Моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью: сравнение рынка новой энергии

Почему сохранение власти имеет значение в новых энергетических системах

Соленоидная катушка мощностью 5 Вт, находящаяся в открытом состоянии в течение года, потребляет около 43,8 кВтч (5 Вт × 8760 ч). Клапан, удерживающий свое состояние на уровне 0,05 Вт, за тот же период потребляет около 0,44 кВтч. Цифры показательны, но разрыв реальный, и он увеличивается с каждым клапаном в системе.

На предприятии, подключенном к сети, этот разрыв представляет собой эксплуатационные расходы. В оборудовании, работающем на солнечных батареях и батареях, это ближе к конструктивному ограничению. Каждый ватт, потраченный на удержание клапана открытым, уменьшает энергию, доступную для всего остального, и оборудование для генерации и хранения должно быть рассчитано на ее передачу.

Тепло – вторая проблема. Катушка, находящаяся под постоянным напряжением, нагревает клапан, корпус вокруг него и, в компактных шкафах, расположенные рядом компоненты. В аккумуляторных контейнерах и корпусах силовой электроники тепловой баланс ограничен, и каждый ватт, рассеиваемый катушкой клапана, — это ватт, который система охлаждения должна удалить.

Таким образом, выбор клапана в этих системах сводится к трем переменным: сколько энергии потребляет клапан во время удержания, сколько управляющего оборудования ему требуется и что он делает, когда питание пропадает. В оставшейся части статьи архитектуры клапанов сравниваются с этими тремя переменными.

Сравнение трех клапанных архитектур

Инженеры обычно выбирают между двумя устоявшимися конструкциями. Обычный моностабильный электромагнитный клапан остается активированным только тогда, когда на его катушку подается питание, а пружина возвращает его в положение по умолчанию при отключении питания. В бистабильном импульсном клапане используется магнитная защелка: короткий импульс переключает его, и он удерживает положение без питания до тех пор, пока не поступит противоположный импульс.

Каждый дизайн решает одну проблему и оставляет открытой другую. Моностабильные клапаны просты в подключении, но постоянно потребляют удерживающий ток. Бистабильные клапаны удерживают нулевую мощность, но им нужен импульсный драйвер, и они остаются в своем последнем положении, если питание пропадает. Моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью создан для того, чтобы находиться между ними: он подключен и управляется как моностабильный клапан, но сохраняет свое состояние при очень низкой мощности.

Сравнение трех архитектур электромагнитных клапанов. Значения для моностабильного запорного клапана нулевой мощности указаны производителем.
Особенность	Обычный моностабильный	Бистабильный импульс	Моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью
Сигнал управления	Стандартное постоянное напряжение	Специальный импульсный контроллер	Стандартное постоянное напряжение
Тип поставки	постоянный или переменный ток	только округ Колумбия	постоянный или переменный ток
Удерживающая сила	Непрерывный, часто несколько ватт	Ноль на клапане; питание контроллера отдельное	Менее 0,05 Вт (постоянный ток), ниже 0,06 Вт (переменный ток)
Змеевик нагрева	Значительный	Нет, пока зафиксировано	Нет повышения температуры катушки
Электромонтаж и ввод в эксплуатацию	Простой	Более сложный	Простой
Поведение при потере мощности	Spring возвращается к умолчанию	Сохраняет последнее состояние	Возвращается в исходное состояние

Как работает моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью

Клапан подается на открытие или закрытие, а затем переходит в состояние фиксации со сверхнизким энергопотреблением. По данным производителя, мощность удержания составляет менее 0,05 Вт для моделей постоянного тока и менее 0,06 Вт для моделей переменного тока, при этом температура катушки не повышается во время работы, а уровень экономии энергии превышает 95 % по сравнению с обычным моностабильным клапаном.

Два варианта дизайна объясняют такое поведение. Во-первых, составная архитектура с фиксацией отделяет этап переключения высокой мощности от этапа удержания малой мощности. Во-вторых, схема управления интегрирована в клапан, а не поставляется как внешний модуль. Поскольку привод находится внутри клапана, система управления видит обычную нагрузку с двумя состояниями: подает напряжение, и клапан срабатывает, снимает напряжение, и он сбрасывается.

Этот последний момент отличает эту конструкцию от бистабильного импульсного клапана. Состояние удержания зависит от небольшой непрерывной подачи, поэтому полное отключение мощности автоматически возвращает клапан в исходное положение. Сделка представляет собой небольшую постоянную ничью в обмен на предсказуемое поведение.

Встроенная электроника защищена инкапсуляцией BMC. Для электрического подключения используется стандартный интерфейс DIN43650, поэтому существующий разъем можно использовать повторно, при этом не требуется внешний драйвер или импульсный контроллер.

Оценка соответствия новым энергетическим приложениям

В таблице ниже указано, где подходит моностабильный запорный клапан нулевой мощности и что еще необходимо проверить. Оценки представляют собой инженерные заключения, основанные на заявленном поведении клапана, а не сертифицированные заявления о производительности для какой-либо конкретной установки.

Оценка соответствия приложения. Перед тем как указать номиналы и сертификаты, проверьте их соответствие техническим характеристикам.
Приложение	Почему сохранение власти имеет значение	Подходит	Проверьте, прежде чем указывать
Солнечное и автономное управление жидкостью	Ограниченная мощность генерации и хранения	Хорошо, когда существует небольшая непрерывная подача и используется стандартное управление.	Мощность питания и пиковый ток срабатывания
Контуры терморегулирования накопителей энергии	Множество клапанов в закрытых шкафах с ограниченным тепловым балансом.	Сильный кандидат на зональные и байпасные клапаны с управлением от 24 В.	Совместимость охлаждающей жидкости, номинальное давление, положение сброса в сравнении с безопасным состоянием
Вспомогательные цепи водорода и топливных элементов	Предсказуемое состояние при потере питания является атрибутом безопасности.	Возможно для неопасных вспомогательных линий	Сертификация опасных зон и совместимость материалов
Тепловые насосы и солнечные тепловые контуры	Клапаны остаются в одном положении в течение длительного времени	Хорошо подходит для длительного обслуживания	Номинальная температура жидкости и среды
Контуры охлаждения зарядного оборудования для электромобилей	Нагрев внутри герметичных шкафов	Хорошо подходит для модернизации с использованием существующей проводки.	Тип охлаждающей жидкости, диапазон окружающей среды, вибрация

Особого внимания заслуживает управление температурным режимом хранилища. Контуры охлаждающей жидкости в батарейных шкафах зависят от клапанов, которые ведут себя предсказуемо, а клапан, который возвращается в определенное положение при потере питания, является свойством, которое стоит указать явно. Это не означает, что любой тип клапана сам по себе устраняет термический риск. Это означает, что порядок сброса указан в технических характеристиках наряду с номинальным давлением и совместимостью охлаждающей жидкости.

Та же логика применима и к модернизации. Поскольку в клапане используется стандартная проводка и разъем DIN43650, он может заменить обычный электромагнитный клапан без изменений в схеме управления, что позволяет снизить затраты на ввод в эксплуатацию на существующих установках.

Где другой тип клапана является лучшим выбором

Моностабильный запорный клапан с нулевой мощностью не всегда является вариантом с наименьшей мощностью. Поскольку для поддержания своего состояния ему требуется небольшой непрерывный источник питания, он потребляет энергию, которой нет у бистабильного клапана с импульсным управлением. При 0,05 Вт это примерно 1,2 Втч в день. Аккумулятор на 12 В, 7 Ач хранит около 84 Втч, поэтому при его хранении в одиночку потребуется около 70 дней этой емкости.

Для сенсорного узла, который бездействует неделями между срабатываниями и работает от небольшой батареи, бистабильный импульсный клапан в паре с маломощным контроллером обычно прослужит дольше. То же самое касается случаев, когда система уже имеет импульсный драйвер и не требует автоматического сброса.

Еще три момента требуют осторожности:

Пиковый ток срабатывания: клапану требуется больше энергии во время переключения, чем во время удержания, поэтому мощность питания должна быть рассчитана на пик, указанный в таблице данных.
Опасные зоны: встроенная электроника не делает клапан пригодным для использования во взрывоопасных средах. Подтвердите необходимую сертификацию для конкретной модели.
Данные производителя: удерживающая способность и уровень экономии являются заявленными значениями. Прежде чем приступать к масштабному развертыванию, измерьте их при рабочем напряжении и температуре окружающей среды.

Контрольный список выбора для инженеров и покупателей

Следующие проверки отделяют подходящее приложение от неподходящего. Проработка их по порядку обычно позволяет сделать выбор между тремя архитектурами.

Интерфейс управления: существующий контроллер выдает постоянное напряжение или уже генерирует импульсы?
Тип питания: система постоянного или переменного тока и какое напряжение имеется на клапане?
Поведение при потере мощности: должен ли клапан вернуться в определенное положение при потере питания?
Рабочий цикл: как долго клапан находится в одном состоянии и как часто он переключается?
Бюджет мощности: может ли источник питания выдерживать небольшую непрерывную нагрузку плюс пик срабатывания?
Среда и давление: совместимы ли с жидкостью материал корпуса, уплотнения, номинальные значения температуры и давления?
Сертификация: требуется ли для данного объекта разрешение на использование в опасной зоне или другие разрешения?
Окружающая среда: каковы диапазон температур окружающей среды и воздействие вибрации?

Резюме сравнения

Обычные моностабильные клапаны по-прежнему подходят для кратковременных и недорогих применений, где мощность и тепло не имеют значения. Бистабильные импульсные клапаны являются лучшим выбором для систем, работающих только от батарей, которые уже имеют импульсное управление и не требуют автоматического сброса.

Пространство между ними занимает моностабильный запорный клапан нулевой мощности. Он подходит для новых энергетических систем, которые работают на стандартном управлении постоянным напряжением, удерживают клапаны в одном положении в течение длительного времени и требуют как низкого нагрева, так и определенного положения возврата при потере мощности. Его ограничениями являются постоянная тяга во время удержания, пик срабатывания и вопросы сертификации, которые применимы к любому клапану с электрическим приводом. Сопоставление этих ограничений с приведенным выше контрольным списком — наиболее надежный способ решить, соответствует ли он данному проекту.