Kiezen tussen een wissel- en gelijkstroomspoel voor een magneetventiel

Werkingsprincipes van magneetventielen

De solenoïde is het belangrijkste gedeelte van een magneetventiel, waarmee men de stroom van vloeistoffen en gassen kan besturen. Solenoïdes zijn elektromagnetische apparaten die een wissel- of gelijkstroomenergie omzetten in een lineaire beweging. Ze bestaan meestal uit een spoel die concentrisch om een statische cilinder is gewonden, die de armatuur genoemd wordt en gemaakt is van een ferromagnetisch materiaal zoals ijzer of staal. De meeste magneetventielen hebben een vervangbare spoel en kunnen met verschillende spoelen voor verschillende spanningen gebruikt worden.

Als er een stroom door een spoel loopt, wordt er een magnetisch veld in de spoel gecreëerd die de plunjer aantrekt en naar het midden van de solenoïde beweegt. Hierbij wordt gebruik gemaakt van dezelfde basisprincipes als van gewone elektromagneten. Omdat de plunjer naar het midden van de magneetschakelaar getrokken wordt ongeacht de polariteit van de stroom, en de solenoïde maar in een richting een kracht op de plunjer kan uitoefenen, is een tegenovergestelde kracht nodig om de plunjer weer terug te laten keren naar zijn oorspronkelijke positie zodra de spoel spanningsloos gemaakt wordt. Dit wordt bereikt door een veer. Onder ideale omstandigheden moet, om de solenoïde aan te sturen, een kracht gecreëerd worden die groter is dan de samengestelde krachten van de veer, de hydraulische druk op het ventiel en de wrijving.

Door de plunjer omhoog te bewegen wordt er een klein poortje in het ventiel geopend waardoor het medium door het ventiel kan stromen. Het ventiel opent of sluit door respectievelijk de spoel onder spanning te zetten en weer spanningsloos te maken. Er zijn verscheidene types magneetventielen die verschillen in mechanische constructie, maar het basisprincipe van het gebruik een solenoïde is hetzelfde voor alle magneetventielen.

De polariteit van de elektrische aansluitingen is niet belangrijk bij wissel- en gelijkstroommagneetventielen. Met wisselstroommagneetventielen is dit misschien logisch omdat de stroom continue van polariteit wisselt. Maar bij gelijkstroommagneetventielen speelt de polariteit ook geen rol voor de werking van het ventiel, omdat de stroom die door de spoel loopt een elektromagnetisch veld creëert waardoor een aantrekkende kracht op de plunjer werkt. Dit magnetische veld wordt in beide gevallen gecreëerd, ongeacht in welke richting de stroom loopt, oftewel ongeacht de polariteit. Wanneer de spoel onder spanning wordt gezet zal de plunjer dus altijd naar het midden van de spoel getrokken worden.

Verschillen tussen wissel- en gelijkstroomspoelen

Het basisprincipe van gelijkstroomsolenoïdes is relatief eenvoudig: Als de solenoïde onder spanning wordt gezet, wordt er een magnetisch veld gecreëerd waarvan de kracht op de plunjer werkt en de tegenwerkende kracht van de veer en vloeistofdruk overwint en vervolgens de plunjer naar het midden van de spoel beweegt. Wanneer de solenoïde spanningsloos gemaakt wordt, wordt de plunjer door de kracht van de veer weer teruggeduwd naar zijn beginpositie.

Bij wisselstroomsolenoïdes is de theorie iets gecompliceerder. Een wisselstroom kan voorgesteld worden door een sinusvormige golfbeweging. Hieruit volgt dat de stroom twee keer per periode de nullijn passeert. Dit betekent dat de stroom op dat moment gelijk is aan nul.

Omdat de magnetische kracht die door de solenoïde gegenereerd wordt in directe verhouding staat tot de sinusvormige stroom die door de spoel loopt, zal de kracht van de veer 2 keer per sinusperiode groter zijn dan de magnetische kracht. Hierdoor ontstaat vibratie van de plunjer, wat een gonzend geluid produceert en een belasting vormt voor de onderdelen van het magneetventiel. Om dit te voorkomen wordt een simpele conductiering, ook wel ‘shading ring’ genoemd, in de buurt van de spoel rond de plunjer geïnstalleerd. De conductiering wordt meestal gemaakt van koper. Deze conductiering heeft als functie om de magnetische energie op te slaan en met een faseverschuiving van 90 graden weer vrij te geven.

Het effect van een conductiering is dat de nul-doorgangen van het magnetisch veld van de spoel worden gecompenseerd door de amplitudes van de conductiering. Daardoor is het resulterende magnetisch veld vlakker en zijn de amplitudes frequenter en minder hoog. Hierdoor worden de vibraties geëlimineerd of verminderd. De meeste magneetventielen hebben een ingebouwde conductiering en kunnen daardoor gebruikt worden voor verschillende spoelspanningen.

Als de plunjer vuil wordt kan het effect van de conductiering verminderd worden en is er een andere oplossing nodig. Een voorbeeld van zo’n andere oplossing is het gebruik van een elektronisch circuit dat de spoelstroom filtert en er geen nul-doorgangen meer zijn. Dit circuit kan geïntegreerd zijn in de magneetspoel zelf of kan extern toegepast worden. Zo’n filter bestaat meestal uit gelijkrichters en een filtrerende condensator.

Het gebruik van wisselstroomspoelen met gelijkstroom en omgekeerd

In sommige gevallen kan men spoelen die ontworpen zijn voor wisselstroom gebruiken met gelijkstroom en omgekeerd. Er zijn echter beperkingen om rekening mee te houden.

Het is in principe mogelijk om een wisselstroomspoel te gebruiken met gelijkstroom, maar de spanning en de stroom moeten gelimiteerd worden omdat anders de spoel kan doorbranden. De reden is dat een spoel gevoed door wisselstroom een inductieve reactantie heeft die wordt toegevoegd aan de elektrische weerstand van een spoel. Hierdoor is bij wisselstroom de impedantie van een spoel enige malen hoger dan bij gelijkstroom. Wanneer een 24 volt wisselspanningmagneetventiel gebruikt wordt met 24 volt gelijkspanning, zal de spoel waarschijnlijk beschadigen. Dit komt doordat de effectieve stroom bij gelijkspanning veel hoger is vanwege de lagere impedantie.

Helaas is er geen vaste factor voor het verminderen van het voltage. Om te weten te komen welke stroom- en spanningswaarden toelaatbaar zijn moet eerst de effectieve stroom opgemeten worden met wisselstroom. De gelijkspanning moet vervolgens verlaagd worden tot dezelfde stroom bereikt wordt als de effectieve stroom bij wisselspanning. Een andere mogelijkheid is om de stroom te verlagen door een weerstand in serie te schakelen.

Sommige gelijkstroom magneetventielen kunnen gaan vibreren als ze met wisselstroom gebruikt worden. Dit komt doordat gelijkstroommagneetventielen soms geen conductiering of gelijkrichter hebben. Deze vibraties veroorzaken een vervelend geluid en kunnen bovendien het magneetventiel beschadigen vanwege de langdurige overbelasting van verschillende onderdelen. Dit probleem kan opgelost worden door een externe dubbelzijdige gelijkrichter met een capacitief filter te gebruiken.

Een ander probleem is dat in dit geval de effectieve stroom beduidend lager is en de magnetische kracht die door de stroom gecreëerd wordt daardoor niet sterk genoeg is om de plunjer van z’n plaats te krijgen. Het ventiel blijft dus dicht. Een oplossing voor dit probleem is om een hogere spanning te gebruiken. Deze spanning moet zo hoog zijn dat de effectieve stroom gelijk is aan de gespecificeerde stroom voor de desbetreffende spoel.

Wisselstroom- versus gelijkstroommagneetventielen - overwegingen met betrekking tot het ontwerp

In het ideale geval creëert de solenoïde meer kracht op het moment van het onder spanning zetten waarna de kracht vermindert op het moment dat het ventiel is geopend. De grotere kracht bij de opening is nodig om de veerkracht, plus de resulterende kracht van de vloeistof, te overwinnen. Zodra het ventiel open is en de vloeistofstroom op gang is gekomen, verminderen deze door het medium uitgeoefende krachten die op het afsluitende klepje of de plunjer in het ventiel werken. De solenoïde kan dan de kracht verminderen om daardoor het stroomverbruik en de verhitting van componenten te verminderen.

Wisselstroommagneetventielen komen dichter bij deze ideale werking dan gelijkstroommagneetventielen. Bij het onder spanning zetten van gelijkstroommagneetventielen verhoogt de stroom zich asymptotisch tot een bepaalde waarde die afhangt van de spoelweerstand. Met andere woorden: een gelijkstroommagneetventiel heeft een lagere initiële stroom en dus een lagere initiële kracht waardoor een langzamere ventielopening veroorzaakt wordt. Bij een geopend ventiel, blijft het stroomverbruik constant wat meer is dan op dat moment nodig is om het ventiel geopend te houden. Het resultaat is dat gelijkstroommagneetventielen, zonder dat ze gebruik maken van externe electronica, een aanzienlijk stroomverbruik hebben in de openstand.

Voor wisselstroomschakelingen kan de impedantie van een spoel berekend worden met de volgende formule:

• Z is de impedantie,
• R is de elektrische weerstand van de spoel,
• j is een contante gelijk aan de wortel van -1 wat in deze formule het effect heeft van een 90 graden faseverschuiving,
• f is de frequentie,
• L is de inductie van de spoel

Als de plunjer omhoog gaat en zich verder binnen de wikkelingen van de spoel bevindt wordt de inductie groter. Dit leidt weer tot een grotere impedantie en een kleinere stroom door de spoel van het magneetventiel. De kleinere stroom betekent een kleinere magnetische kracht die op de plunjer werkt. Hierdoor hebben wisselstroommagneetventielen een initiële stroompiek, wat een snellere opening mogelijk maakt. Zodra echter het ventiel open is daalt de stroom aanzienlijk wat het stroomverbruik reduceert. 

Hoewel wisselstroommagneetventielen vanwege hun ontwerp energiezuinig zijn, hebben ze ook hun nadelen. Een van deze nadelen is het verlies van kracht door wervelstromen. Deze wervelstromen, in het Engels ‘Eddy currents’ genoemd, worden gevormd door elektromagnetische inductie in de armatuur. Een ander nadeel is het risico van vibraties, die voorkomen kunnen worden door het juiste ontwerp magneetventiel te kiezen. Een magneetventiel met een conductiering voorkomt dergelijke vibraties, zoals eerder in dit artikel uitgelegd. Bij aansturing van een PLC kan gelijkspanning handiger zijn, omdat deze meestal gelijkspanning outputsignalen hebben. Bij wisselstroommagneetventielen zijn er in dit gevalextra relais nodig.

Het is goed mogelijk om gelijkstroommagneetventielen efficiënter te maken door externe circuits die de spoelstroom zo kunnen aanpassen dat er een initiële stroompiek is om het ventiel te openen. Wanneer het ventiel geopend is, kan de stroom gereduceerd worden tot een lager niveau, wat net genoeg is om het ventiel betrouwbaar open te houden.

Deze externe circuits kunnen vrij eenvoudig samengesteld worden door bijvoorbeeld de spoel in serie te schakelen met een parallel geschakelde weerstand en condensator. In zo’n circuit wordt een initiële stroompiek gecreëerd doordat de spoel de condensator laadt. Nadat de condensator geladen is loopt de stroom door de stroomlimiterende weerstand. Een nadeel van zo’n eenvoudige oplossing is dat een deel van de energie in de weerstand verloren gaat.

Er zijn vele andere en veel gecompliceerdere oplossingen. Dit kunnen bijvoorbeeld spanningsregelaars zijn die aan de spoel een programmeerbare stroom leveren. Dergelijke spanningsregelaars kunnen zowel met wissel- als met gelijkstroom werken. Zij verzorgen een goede openingspiek en verminderd stroomverbruik terwijl het ventiel open is, wat voor een beter stroomverbruik, minder energieverlies door verhitting van onderdelen en een verlengde gebruiksduur zorgt.