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Copertina Idraulica Caleffi numero 56

SERVOMOTORI PER VALVOLE DI REGOLAZIONE

I servomotori abbinabili alle valvole di regolazione sono i componenti che, opportunamente comandati, hanno la funzione di determinare il grado di apertura delle valvole, determinandone quindi la posizione dell’otturatore. 
Sono essenzialmente composti da:

•    un motore elettrico, in grado di fornire l’energia meccanica utile al movimento;
•    una trasmissione meccanica, che ha la funzione principale di amplificare la coppia del motore;
•    contatti elettrici, per l’alimentazione del motore e la gestione dei comandi di apertura o chiusura

In base alla tipologia costruttiva della valvola, si possono distinguere servomotori di tipo lineare e di tipo rotativo. I servomotori di tipo lineare vengono accoppiati alle valvole del tipo a globo, e vengono definiti tali in quanto imprimono un spostamento lungo un asse. In questo caso, la trasmissione meccanica svolge anche la funzione di trasformare la rotazione prodotta dal motore in un moto lineare.I servomotori di tipo rotativo, invece, vengono accoppiati alle valvole di tipo a settore o a sfera, le quali, come descritto nell'articolo Tipologie costruttive di valvole, sfruttano la rotazione per svolgere la loro funzione.

CARATTERISTICHE SERVOMOTORI LINEARI
  • corsa, che indica la lunghezza utile entro cui possono movimentare l’otturatore
  • forza, ovvero la spinta che riesce a generare il servomotore al fine di vincere la resistenza al movimento
  • tempo di corsa, indicativo della durata di una movimentazione completa lungo tutta la corsa
CARATTERISTICHE SERVOMOTORI ROTATIVI

• angolo di rotazione, ovvero l’ampiezza dell’angolo entro cui effettuano la rotazione, che tipicamente è di 90° o 180°
• coppia, indice della capacità di imprimere la rotazione opponendosi alle resistenze a tale movimento
• tempo di rotazione, ovvero la durata di una rotazione completa

L’alimentazione dei servomotori può essere pneumatica o elettrica. Nelle comuni applicazioni per impianti di riscaldamento e condizionamento, i servomotori sono quasi esclusivamente alimentati con energia elettrica. Per questo motivo prenderemo in considerazione solamente questa tipologia. Oltre alla caratteristiche citate, analizzeremo in seguito le modalità di azionamento dei servomotori, approfondendo quali sono i più diffusi segnali di comando che ne controllano il funzionamento.

Sono contraddistinti dalla presenza di due contatti che possono essere alternativamente alimentati per azionare il motore. L’alimentazione di uno o dell’altro contatto determina rispettivamente un movimento in senso di apertura o chiusura. Nel caso in cui nessuno dei contatti venga alimentato, la posizione del motore rimane invariata.

Un servomotore a 3 punti può quindi trovarsi in tre differenti stati a seconda del segnale di comando che riceve:

• apertura, per il tempo in cui viene alimentato il relativo contatto;
• chiusura, quando viene alimentato il contatto specifico;
• fermo marcia, quando nessuno dei due contatti viene alimentato.

Sulla base di queste caratteristiche di funzionamento, il servomotore si muove fino a quando vi è alimentazione, mentre invece, in mancanza di questa, rimane fermo nell’ultima posizione regolata.

Al fine di ovviare a problematiche quali surriscaldamento e usura, si ricorre spesso a contatti ausiliari o specifici componenti elettronici che hanno la funzione di togliere tensione al motore quando questo raggiunge i limiti di corsa.

Il sistema di regolazione in abbinamento a questo tipo di servomotore ha come limite il fatto di non conoscere l’effettiva posizione della valvola, e tipicamente agisce attivando per brevi intervalli di tempo successivi lo stato di apertura o di chiusura. Per tale caratteristica, questa logica di controllo viene comunemente detta di tipo “incrementale”, poiché il regolatore invia dei segnali di comando che hanno l’effetto di aprire (o chiudere) la valvola attraverso piccoli incrementi successivi. 

Analogia bilancia / regolazione: comando a 3 punti

Se volessimo rappresentare questo funzionamento tramite l’analogia della bilancia, è come se l’operatore, dovendo regolare l’altezza del piatto, avesse la sola possibilità di controllarne la posizione e poi aggiungere o togliere un peso alla volta. L’insieme di pesi disponibili all’operatore sono tutti della medesima dimensione.

Normalmente, è possibile impostare sul regolatore la durata degli impulsi di apertura o chiusura. Nella nostra analogia ciò corrisponde alla possibilità di decidere la dimensione dei pesi a disposizione dell’operatore. Impulsi di lunga durata (equivalenti quindi a pesi di grande dimensione) possono causare il problema del pendolamento, ovvero continue oscillazioni al di sopra e al di sotto del punto di regolazione richiesto. Al contrario impulsi di breve durata (e quindi equivalenti a piccoli pesi) possono causare tempi di risposta del sistema regolato molto lenti.

Per migliorare l’accuratezza della regolazione e compensare i limiti citati, il regolatore dovrebbe conoscere il tempo di corsa del servomotore da controllare. Sui regolatori comunemente utilizzati, è normalmente possibile impostare questo parametro.

Sono dotati di componenti elettronici integrati, in grado di controllare il movimento del motore in funzione di un particolare segnale di comando, che tipicamente è un valore di tensione variabile tra 0 e 10 Volt. Il valore di tale segnale è “proporzionale” alla corsa effettuata dal servomotore, per cui, un segnale di 0 Volt corrisponde al limite inferiore della corsa (normalmente associato alla chiusura della valvola), così come ad esempio un segnale di 4 Volt corrisponde ad un posizionamento al 40% della corsa e così via.

Spesso, la logica di controllo adottata per questi servomotori viene comunemente chiamata di tipo “posizionale” per via del principio di funzionamento descritto. Rispetto ai servomotori con comando a 3 punti, il regolatore abbinato a quelli proporzionali risulta essere più semplificato: ciò è dovuto al fatto che il segnale di comando contiene già per sua natura l’informazione di posizionamento da comunicare al servomotore, e risulta quindi indipendente dal tempo di corsa di quest’ultimo.

Analogia bilancia / regolazione: comando proporzionale

Volendo riportarsi ancora una volta al paragone equivalente con la bilancia, il servomotore proporzionale è analogo al caso in cui l’operatore disponga di istruzioni di regolazione nelle quali sia indicato il numero di pesi da utilizzare per raggiungere una determinata posizione. In questo modo, in un’unica operazione l’operatore è in grado di portare la bilancia al livello richiesto, a differenza del servomotore con comando a 3 punti, dove abbiamo visto che il controllore necessita continuamente di verificare la posizione raggiunta.

Vantaggi e svantaggi di comandi a 3 punti e proporzionali

Fino ad ora, in questa trattazione, ci siamo soffermati in modo particolare su aspetti strettamente legati alle valvole di regolazione ed alle loro caratteristiche. Da un punto di vista impiantistico invece, vogliamo ora considerare come anche i sistemi più complessi possano sempre essere suddivisi e a loro volta ricondotti a schemi tipici più semplificati, comunemente chiamati circuiti di regolazione.

Negli impianti di riscaldamento e raffrescamento, questi circuiti, sono costituiti dall’insieme di quei componenti (valvole, circolatori, regolatori) che, opportunamente collegati, rendono possibile il controllo della potenza termica emessa.

Negli articoli

individueremo i principali circuiti di regolazione, analizzandone per ciascuno il principio di funzionamento, i relativi vantaggi e svantaggi, e presentando inoltre le più diffuse varianti. Inoltre, per ognuna delle tipologie individuate, saranno presentate alcune delle applicazioni tipiche nel contesto dei sistemi di termoregolazione. Infine, nelle ultime pagine, verranno presentati i metodi di dimensionamento utilizzabili per una corretta scelta delle valvole di regolazione. A seconda della applicazione e quindi della tipologia di circuito di regolazione in cui sono previste, ciascuna procedura di dimensionamento sarà dapprima approfondita in forma analitica e verranno poi mostrati metodi grafici alternativi di semplice utilizzo.