Een AC- of DC-magneetventielspoel kiezen

Solenoïden zijn elektromechanische apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische energie. Er zijn twee hoofdtypen solenoïden: AC-magneetschakelaars en DC-magneetschakelaars. AC-magneetschakelaars worden aangedreven door wisselstroom (AC), terwijl DC-magneetschakelaars worden aangedreven door gelijkstroom (DC). Dit artikel vergelijkt de verschillen en ontwerpoverwegingen tussen AC- en DC-magneetspoelen voor een toepassing.

Werkingsprincipe van magneet

Magneetventielen zijn de belangrijkste onderdelen die worden gebruikt om de stroming van vloeistoffen en gassen te regelen. Solenoïden zijn elektromechanische apparaten die elektrische wissel- of gelijkstroomenergie omzetten in lineaire beweging. Ze bestaan meestal uit een spiraalvormige spoel die concentrisch rond een beweegbare cilinder is gewikkeld, het anker genoemd, gemaakt van een ferromagnetisch materiaal zoals ijzer of staal. De meeste magneetventielen hebben een vervangbare spoel en kunnen gebruikt worden met spoelen met verschillende spanningen.  

Wanneer er stroom door de spoel vloeit, genereert dit een magnetisch veld in de spoel dat het anker naar het midden van de solenoïde trekt volgens dezelfde basisprincipes als gewone elektromagneten. Aangezien het anker naar het midden van de elektromagneet wordt getrokken, ongeacht de polariteit van de stroom, is er een tegenkracht nodig om het anker terug te brengen in de startpositie wanneer de spoel niet bekrachtigd is. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een veermechanisme. Onder ideale omstandigheden moet de kracht die door de elektromagneet wordt gegenereerd groter zijn dan de gecombineerde krachten van de veer, de hydraulische druk en wrijving om de elektromagneet in werking te stellen.

Door het armatuur op te tillen, wordt een kleine poort in de klep geopend waardoor de media kan stromen. Het debiet door de klep kan worden geregeld door de spoel van stroom te voorzien of spanningsloos te maken. Hoewel er verschillende types magneetventielen zijn die verschillen in hun mechanische constructie , blijft het basisidee van een elektromagnetische actuator die werkt op een stuurvlak hetzelfde in alle types magneetventielen.

De polariteit van de elektrische contacten is niet belangrijk bij AC- en DC-magneetventielen. Bij magneetventielen op wisselstroom is dit misschien voor de hand liggend omdat de stroom toch twee keer per periode van polariteit wisselt. Bij DC-magneetventielen is de redenering dat de stroom die door de spoel gaat een elektromagneet creëert die een aantrekkingskracht uitoefent op het anker. Wanneer er stroom door de spoel wordt gestuurd, zal het anker altijd naar de spoel toe worden getrokken, ongeacht het contact en de stroompolariteit.

Verschillen tussen AC- en DC-solenoïden

Op het meest basale niveau is de werking van DC-solenoïden relatief eenvoudig - de solenoïde kan bekrachtigd zijn, waardoor de magnetische kracht die door de solenoïde wordt gegenereerd de veerweerstand overwint en het anker naar het midden van de spoel beweegt, of gedeactiveerd zijn, waardoor de veerkracht het anker terugduwt naar de uitgangspositie.

Bij AC-solenoïden is de werkingstheorie iets gecompliceerder. AC-stroom kan worden benaderd met een sinusvormige golfvorm. Als gevolg hiervan heeft de stroom twee keer per periode een nuldoorgang, wat betekent dat de stroom die op dat moment door de spoel loopt gelijk is aan nul.

Aangezien de magnetische kracht die door de solenoïde wordt opgewekt recht evenredig is met de stroom die door de spoel van de solenoïde vloeit, zal de veerkracht de kracht die door de solenoïde wordt opgewekt gedurende een korte periode overwinnen, tweemaal per periode. Dit is een probleem dat zich manifesteert als een trilling van het anker, wat een zoemend geluid produceert en spanning kan veroorzaken op de onderdelen van het magneetventiel. Om dit probleem te vermijden, wordt een eenvoudige geleidende ring, een schaduwring genoemd, in de buurt van de spoel rond het anker geïnstalleerd. De schaduwring is meestal gemaakt van koper. De functie van een schaduwring is om magnetische veldenergie op te slaan en weer af te geven met een faseverschil van 90 graden.

Het effect van een schaduwring is dat terwijl het magnetische veld dat door de primaire spoel wordt gegenereerd naar nul afneemt, het magnetische veld dat door de schaduwring wordt gegenereerd piekt, waardoor het gat in de magnetische veldamplitude tijdens nuldoorgangen effectief wordt opgevuld, waardoor de trillingen worden geëlimineerd. De meeste magneetventielen die met verschillende spoelspanningen kunnen worden gebruikt, hebben een ingebouwde schaduwring.

Als er zich vuil rond het anker verzamelt, kan het effect van de schaduwring beperkt zijn en is er een andere oplossing nodig. Een voorbeeld van een andere oplossing is het gebruik van een elektronisch circuit dat de magneetstroom filtert, zodat er geen nuldoorgangen zijn. Dit circuit kan worden ingebouwd in de spoel van het magneetventiel zelf of het kan extern worden gebouwd. Het wordt meestal geïmplementeerd met gelijkrichterdioden en een filtercondensator in een topologie met volledige-golfgelijkrichter.

AC-spoelen gebruiken met gelijkstroom en omgekeerd

In sommige gevallen kunnen spoelen die geschikt zijn voor wisselstroom gebruikt worden met gelijkstroomvoedingen en omgekeerd. Er zijn echter enkele beperkingen waar je rekening mee moet houden.

Het gebruik van een spoel die geschikt is voor wisselstroom met een gelijkstroomvoeding is mogelijk, maar de spanning (en de stroom) moet worden beperkt, anders kan de elektromagneet doorbranden. De reden hiervoor is dat spoelen bij wisselstroom een inductieve reactantie hebben die optelt bij de elektrische weerstand van de spoel. Als gevolg hiervan is de impedantie van een spoel meerdere malen hoger in het AC-regime dan in het DC-regime. Als we bijvoorbeeld een magneetventiel met een nominale spanning van 24 VAC gebruiken met een voeding van 24 V DC, dan is de kans groot dat de magneet beschadigd raakt omdat de effectieve stroom door de magneet veel hoger is bij gelijkspanning.

Helaas is er geen vaste factor voor het reduceren van de voedingsspanning. De effectieve stroom moet gemeten worden in wisselstroom regime, en die stroom moet ook als doel gesteld worden voor gelijkstroom regime. Enkele manieren om dat doel te bereiken zijn het verlagen van de voedingsspanning of het gebruik van een stroombegrenzende weerstand.

Het gebruik van een spoel die geschikt is voor gelijkstroom met een wisselstroomvoeding brengt het risico van trillingen met zich mee, omdat gelijkstroommagneetventielen mogelijk geen schaduwring of gelijkrichtcircuit bevatten. Deze trillingen kunnen de elektromagneet beschadigen door de onderdelen na verloop van tijd te belasten, en ze kunnen bijdragen aan het geluidsniveau in de kamer. Dit kan worden omzeild door een extern volledige-golfgelijkrichterschakeling met een capacitief filter te gebruiken.

Een ander probleem is dat de effectieve stroom in dit geval meerdere malen lager zal zijn en de magnetische kracht die door de spoel wordt opgewekt mogelijk niet groot genoeg is om het anker uit zijn rustpositie te bewegen. Een oplossing zou zijn om een grotere spanning te gebruiken zodat de effectieve stroom overeenkomt met de nominale stroom van de elektromagneet.

Overwegingen bij het ontwerp van magneetventielen AC vs DC

Wanneer een magneetventiel van de OFF-stand naar de ON-stand gaat, moet het magneetventiel in het ideale geval eerst meer kracht genereren om de veerspanning te overwinnen in combinatie met de hydraulische druk die tegen het ventiel werkt. Zodra er stroming is, nemen de hydraulische krachten die op het klepmechanisme werken af en kan de elektromagneet de gegenereerde kracht verlagen om het stroomverbruik en de verwarming te verminderen.

AC-magneetschakelaars volgen dit ideale gedrag beter dan DC-magneetschakelaars. Bij DC-solenoïden stijgt de stroom asymptotisch naar een bepaalde waarde, afhankelijk van de weerstand van de spoel. Dit vertaalt zich in een lagere initiële stroom (en lagere initiële kracht die leidt tot een langzamere klepopening). Zodra de klep open is, blijft de stroomopname op een constante waarde die groter is dan nodig om de klep open te houden. Als gevolg hiervan verspillen DC-solenoïden zonder extern circuit een aanzienlijke hoeveelheid stroom in geopende toestand.

Voor wisselstroomcircuits wordt de impedantie van een spoel berekend met de volgende formule:

In de bovenstaande formule is Z de impedantie, R de elektrische weerstand van de spoel, j een constante gelijk aan de vierkantswortel van -1 die in deze vergelijking de fase 90 graden verschuift, f de frequentie en L de inductie van de spoel. In het begin is de luchtspleet groot en als gevolg daarvan is de spoelinductie klein, wat leidt tot een kleinere impedantie en een grotere stroom door de elektromagneet. Grotere stroom staat gelijk aan grotere magnetische kracht op het anker.

Naarmate de klep opent, wordt de luchtspleet kleiner en kleiner en neemt de impedantie van de spoel snel toe, waardoor de stroom door de spoel afneemt. Minder stroom door de spoel resulteert in minder stroomverbruik en warmteverspilling. Hierdoor genereren AC-solenoïden een initiële stroompiek, waardoor de klep sneller en krachtiger opent. Zodra de klep open is, daalt de stroom, waardoor het stroomverbruik daalt.

Hoewel AC-solenoïden inherent energiezuiniger zijn, hebben ze ook een aantal nadelen. Een daarvan is vermogensverlies door wervelstromen die ontstaan door elektromagnetische inductie in het anker. Een ander nadeel is het risico op trillingen, dat kan worden beperkt door goed ontworpen magneetventielen te gebruiken die gebruikmaken van geschikte schaduwringen. Bovendien zijn moderne besturingssystemen vaak eenvoudiger te interfacen met DC-uitgangen, zodat het gebruik van AC-magneetschakelaars met deze systemen omslachtiger kan zijn en het gebruik van extra relais vereist.

DC-solenoïden kunnen efficiënter worden gemaakt door externe circuits te gebruiken die de spoelstroom zo kunnen vormen dat er een initiële stroompiek nodig is om de klep te openen. Zodra de klep opent, kan de stroom worden verlaagd naar een onderhoudsstroomniveau, dat net genoeg is om de klep betrouwbaar open te houden door het anker tegen de veerspanning in te trekken.

Deze externe schakelingen kunnen zo eenvoudig zijn als het in serie schakelen van de spoel met een parallelle verbinding van een weerstand en een condensator. In een dergelijk circuit zorgt het opladen van de condensator via de spoel voor een initiële piek in de spoelstroom. Nadat de condensator is opgeladen, laat de stroombegrenzende weerstand alle stroom door. Het nadeel van zo'n simplistische benadering is dat een deel van het vermogen wordt verspild aan het verwarmen van de stroombegrenzende weerstand.

Er zijn veel complexere benaderingen met geschakelde voedingen die een programmeerbare stroom aan de spoel leveren. Deze voedingen kunnen werken met zowel AC als DC magneetventielen en voedingen. Ze zorgen voor een goede openingspiek van de klep en een lager energieverbruik terwijl de klep open is, wat resulteert in een betere energie-efficiëntie, minder verwarming en een langere levensduur van het magneetventiel.