Chọn cuộn dây van điện từ AC hoặc DC

Nguyên tắc làm việc điện từ

Solenoids là thành phần quan trọng nhất được sử dụng trong van điện từ để kiểm soát dòng chảy của chất lỏng và khí. Solenoids là thiết bị cơ điện chuyển đổi năng lượng điện AC hoặc DC thành chuyển động tuyến tính. Chúng thường bao gồm một cuộn dây xoắn ốc quấn đồng tâm xung quanh một hình trụ di động, được gọi là phần ứng, được làm từ vật liệu sắt từ như sắt hoặc thép. Hầu hết các van điện từ đều có một cuộn dây có thể thay thế được và có thể được sử dụng với các cuộn dây có điện áp khác nhau.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường bên trong cuộn dây, từ trường này sẽ hút phần ứng về phía tâm của cuộn dây điện từ bằng cách sử dụng các nguyên tắc cơ bản giống như nam châm điện thông thường. Vì phần ứng được kéo về phía tâm của cuộn dây điện từ bất kể cực tính của dòng điện, nên cần có một lực đối lập để đưa phần ứng trở lại vị trí ban đầu khi cuộn dây không được cấp điện. Điều này đạt được bằng cách sử dụng cơ chế lò xo. Trong điều kiện lý tưởng, để khởi động nam châm điện, lực do nam châm điện tạo ra phải lớn hơn tổng lực của lò xo, áp suất thủy lực cũng như ma sát.

Bằng cách nâng phần ứng, một cổng nhỏ trong van được mở ra cho phép dòng chảy của phương tiện. Dòng chảy qua van có thể được kiểm soát bằng cách cung cấp năng lượng hoặc khử năng lượng cho cuộn dây. Mặc dù có một số loại van điện từ khác nhau về cấu trúc cơ học của chúng , nhưng ý tưởng cơ bản về bộ truyền động điện từ hoạt động trên bề mặt điều khiển vẫn giống nhau trong tất cả các loại van điện từ.

Cực của các tiếp điểm điện không quan trọng với van điện từ AC và DC. Với van điện từ AC, điều này có thể rõ ràng vì dù sao thì dòng điện cũng chuyển đổi cực tính hai lần mỗi chu kỳ. Với van điện từ DC, lý do là dòng điện đi qua cuộn dây tạo ra một nam châm điện tạo ra lực hút lên phần ứng. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, phần ứng sẽ luôn bị kéo về phía cuộn dây, bất kể tiếp điểm và cực tính của dòng điện.

Sự khác biệt giữa điện từ AC và DC

Ở mức cơ bản nhất, hoạt động của nam châm điện một chiều tương đối đơn giản – nam châm điện có thể được cấp điện, cho phép lực từ do nam châm điện tạo ra vượt qua lực cản của lò xo và di chuyển phần ứng về phía tâm của cuộn dây, hoặc không được cấp điện, cho phép lực của lò xo để đẩy phần ứng trở lại vị trí ban đầu.

Với solenoids AC, lý thuyết hoạt động phức tạp hơn một chút. Dòng điện xoay chiều có thể được tính gần đúng bằng cách sử dụng dạng sóng hình sin. Kết quả là, hai lần mỗi chu kỳ dòng điện có điểm giao nhau bằng không, nghĩa là dòng điện chạy qua cuộn dây tại thời điểm đó bằng không.

Vì lực từ do cuộn dây điện từ tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua cuộn dây điện từ, nên lực lò xo sẽ ​​thắng lực do cuộn dây điện từ tạo ra trong một khoảng thời gian ngắn, hai lần mỗi khoảng thời gian. Đây là một vấn đề biểu hiện như sự rung động của phần ứng, tạo ra âm thanh vo ve và có thể gây căng thẳng cho các bộ phận của van điện từ. Để tránh vấn đề này, một vòng dẫn điện đơn giản, được gọi là vòng chắn sáng, được lắp gần cuộn dây xung quanh phần ứng. Vòng che nắng thường được làm từ đồng. Chức năng của vòng chắn sáng là lưu trữ năng lượng từ trường và giải phóng nó với độ lệch pha 90 độ.

Tác dụng của vòng chắn sáng là trong khi từ trường do cuộn sơ cấp tạo ra giảm dần về 0, thì từ trường do vòng chắn sáng tạo ra đạt đỉnh, lấp đầy hiệu quả khoảng trống về biên độ từ trường trong các giao điểm bằng 0, loại bỏ rung động. Hầu hết các van điện từ có thể được sử dụng với các điện áp cuộn dây khác nhau đều có vòng chắn sáng tích hợp.

Nếu bụi bẩn tích tụ xung quanh phần ứng, tác dụng của vòng chắn sáng có thể bị hạn chế và cần có giải pháp khác. Một ví dụ về giải pháp khác là sử dụng một mạch điện tử lọc dòng điện từ để không có điểm giao nhau bằng 0. Mạch này có thể được nhúng vào chính cuộn dây van điện từ hoặc nó có thể được chế tạo bên ngoài. Nó thường được thực hiện bằng cách sử dụng điốt chỉnh lưu và tụ lọc trong cấu trúc liên kết chỉnh lưu toàn sóng.

Sử dụng cuộn dây AC với dòng DC và ngược lại

Trong một số trường hợp, cuộn dây định mức cho dòng điện xoay chiều có thể được sử dụng với nguồn điện một chiều và ngược lại. Tuy nhiên, có một số hạn chế cần ghi nhớ.

Có thể sử dụng cuộn dây được định mức cho dòng điện xoay chiều với nguồn điện một chiều, nhưng điện áp (và dòng điện) phải được giới hạn nếu không cuộn điện từ có thể bị cháy. Lý do cho điều này là trong chế độ AC, các cuộn dây có điện kháng cảm ứng cộng với điện trở suất của cuộn dây. Kết quả là, trở kháng của cuộn dây ở chế độ AC cao hơn nhiều lần so với ở chế độ DC. Ví dụ: sử dụng van điện từ định mức 24 VAC với nguồn điện 24 V DC rất có thể sẽ làm hỏng cuộn điện từ vì dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn điện từ sẽ cao hơn nhiều với điện áp DC.

Thật không may, không có hệ số cố định để giảm điện áp nguồn điện. Dòng điện hiệu dụng phải được đo ở chế độ AC và dòng điện đó cũng nên được đặt làm mục tiêu cho chế độ DC. Một số cách để đạt được mục tiêu đó là giảm điện áp cung cấp hoặc sử dụng điện trở giới hạn dòng điện.

Sử dụng cuộn dây được định mức cho dòng điện một chiều với nguồn điện xoay chiều, sẽ gây ra nguy cơ rung do van điện từ một chiều có thể không chứa vòng chắn sáng hoặc mạch chỉnh lưu. Những rung động này có thể làm hỏng cuộn điện từ bằng cách tạo áp lực cho các bộ phận theo thời gian và chúng có thể góp phần gây ra mức độ tiếng ồn trong phòng. Điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng mạch chỉnh lưu toàn sóng bên ngoài với bộ lọc điện dung.

Một vấn đề khác là dòng điện hiệu dụng sẽ thấp hơn nhiều lần trong trường hợp này và lực từ do cuộn dây tạo ra có thể không đủ lớn để di chuyển phần ứng khỏi vị trí nghỉ của nó. Một giải pháp sẽ là sử dụng điện áp lớn hơn để dòng điện hiệu dụng phù hợp với dòng điện định mức của cuộn dây điện từ.

Cân nhắc thiết kế điện từ AC so với DC

Lý tưởng nhất là khi một van điện từ chuyển từ trạng thái TẮT sang BẬT, ban đầu van điện từ sẽ tạo ra nhiều lực hơn để vượt qua sức căng của lò xo kết hợp với áp suất thủy lực tác động lên van. Sau khi dòng chảy được thiết lập, các lực thủy lực tác động lên cơ chế van sẽ giảm và cuộn điện từ có thể giảm lực được tạo ra để giảm mức tiêu thụ điện năng và sưởi ấm.

Cuộn dây điện từ AC tuân theo hành vi lý tưởng này chặt chẽ hơn so với cuộn dây điện từ DC. Trong cuộn dây điện từ DC, khi bật cuộn dây điện từ, dòng điện sẽ tăng tiệm cận đến một giá trị nhất định tùy thuộc vào điện trở suất của cuộn dây. Điều này có nghĩa là dòng điện ban đầu thấp hơn (và lực ban đầu thấp hơn dẫn đến việc mở van chậm hơn). Khi van mở, dòng điện rút ra vẫn ở một giá trị không đổi lớn hơn mức cần thiết để giữ cho van mở. Do đó, các cuộn dây điện từ DC không có bất kỳ mạch bên ngoài nào sẽ lãng phí một lượng điện năng đáng kể ở trạng thái mở.

Đối với mạch điện xoay chiều, trở kháng của cuộn dây được tính theo công thức sau:

Z=R + j2πfL

Trong công thức trên Z là trở kháng, R là điện trở của cuộn dây, j là hằng số bằng căn bậc hai của -1 mà trong phương trình này có tác dụng lệch pha 90 độ, f là tần số và L là độ tự cảm của cuộn dây. Lúc đầu, khe hở không khí lớn và kết quả là độ tự cảm của cuộn dây nhỏ, dẫn đến trở kháng nhỏ hơn và dòng điện qua cuộn dây điện từ lớn hơn. Dòng điện lớn hơn tương đương với lực từ cao hơn trên phần ứng.

Khi van mở ra, khe hở không khí ngày càng nhỏ lại và trở kháng của cuộn dây tăng nhanh làm giảm dòng điện qua cuộn dây. Giảm dòng điện qua cuộn dây dẫn đến giảm tiêu thụ điện năng và giảm lãng phí nhiệt. Do đó, cuộn dây điện từ AC tạo ra dòng điện tăng đột biến ban đầu, cho phép mở van nhanh hơn, mạnh hơn. Ngay khi van mở, dòng điện giảm xuống, làm giảm mức tiêu thụ điện năng.

Mặc dù cuộn dây điện từ AC vốn đã tiết kiệm năng lượng hơn, nhưng chúng có một số nhược điểm có thể xảy ra. Một trong số đó là tổn thất điện năng do dòng điện xoáy hình thành do cảm ứng điện từ trong phần ứng. Một nhược điểm khác là nguy cơ rung động, có thể giảm thiểu bằng cách sử dụng các van điện từ được thiết kế tốt sử dụng các vòng chắn sáng thích hợp. Ngoài ra, các hệ thống điều khiển hiện đại có xu hướng cung cấp khả năng giao tiếp dễ dàng hơn với đầu ra DC, do đó, việc sử dụng cuộn dây điện từ AC với các hệ thống này có thể cồng kềnh hơn và yêu cầu sử dụng thêm rơle.

Các cuộn dây điện từ DC có thể được thực hiện hiệu quả hơn bằng cách sử dụng các mạch bên ngoài có thể định hình dòng điện cuộn dây theo cách cần có một dòng điện tăng đột biến ban đầu để mở van. Sau khi van mở, dòng điện có thể giảm xuống mức dòng duy trì, mức này vừa đủ để giữ cho van mở một cách đáng tin cậy bằng cách kéo phần ứng chống lại lực căng của lò xo.

Các mạch bên ngoài này có thể đơn giản như kết nối cuộn dây nối tiếp với kết nối song song của điện trở và tụ điện. Trong một mạch như vậy, việc sạc tụ điện qua cuộn dây sẽ tạo ra một dòng điện cuộn dây ban đầu tăng đột biến. Sau khi tụ điện được tích điện, điện trở giới hạn dòng điện sẽ vượt qua tất cả dòng điện. Nhược điểm của cách tiếp cận đơn giản như vậy là một số năng lượng bị lãng phí khi làm nóng điện trở giới hạn dòng điện.

Có nhiều cách tiếp cận phức tạp hơn liên quan đến nguồn điện được chuyển mạch cung cấp dòng điện có thể lập trình cho cuộn dây. Những bộ nguồn này có thể hoạt động với cả van điện từ AC và DC và bộ nguồn. Chúng đảm bảo độ mở của van tốt và giảm mức tiêu thụ điện năng trong khi van đang mở, dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn, ít tỏa nhiệt hơn và kéo dài tuổi thọ của van điện từ.