سیم پیچ شیر برقی

اصول کار شیر برقی

اکثر شیرهای برقی دارای سیم پیچ قابل تعویض هستند و می توان آنها را با سیم پیچ شیر برقی با ولتاژهای مختلف استفاده کرد. سلونوئیدها مهمترین اجزای مورد استفاده در شیرهای برقی برای کنترل جریان مایعات و گازها هستند. سلونوئیدها دستگاه های الکترومکانیکی هستند که انرژی الکتریکی AC یا DC را به حرکت خطی تبدیل می کنند. آنها معمولاً از یک سیم پیچ مارپیچی تشکیل شده اند که به طور متحدالمرکز به دور یک استوانه متحرک به نام آرمیچر پیچیده شده است که از مواد فرومغناطیسی مانند آهن یا فولاد ساخته شده است. 

نمای کلی سیم پیچ شیر برقی AC یا DC

شکل 1: سیم پیچ شیر برقی

هنگامی که جریان از سیم پیچ عبور می کند، یک میدان مغناطیسی در داخل سیم پیچ ایجاد می کند که آرمیچر را با استفاده از همان اصول اولیه مانند آهنرباهای الکتریکی معمولی به سمت مرکز شیر برقی جذب می کند. از آنجایی که آرمیچر بدون توجه به قطبیت جریان به سمت مرکز شیر برقی کشیده می شود، نیروی مخالفی لازم است تا در زمانی که سیم پیچ برق ندارد، آرمیچر را به موقعیت شروع بازگرداند. این با استفاده از مکانیزم فنری به دست می آید. در شرایط ایده آل، برای به کار انداختن شیر برقی، نیروی تولید شده توسط شیر برقی باید از مجموع نیروهای فنر و فشار هیدرولیک و همچنین اصطکاک بیشتر باشد.

پورت دریچه

با بلند کردن آرمیچر، یک پورت کوچک در دریچه باز می شود که جریان رسانه را امکان پذیر می کند. جریان از طریق دریچه را می توان با انرژی دادن یا غیرفعال کردن سیم پیچ کنترل کرد. در حالی که انواع مختلفی از شیرهای برقی وجود دارد که در ساختار مکانیکی آنها متفاوت است، ایده اصلی یک محرک برقی که بر روی سطح کنترل عمل می کند در همه انواع شیر برقی یکسان باقی می ماند.

قطبیت

قطبیت کنتاکت های الکتریکی در شیرهای برقی AC و DC مهم نیست. با دریچه های برقی AC، این ممکن است واضح باشد زیرا جریان به هر حال دو بار قطبیت را در هر دوره تغییر می دهد. در شیرهای برقی DC استدلال این است که جریان عبوری از سیم پیچ یک آهنربای الکتریکی ایجاد می کند که نیروی جذابی بر روی آرمیچر ایجاد می کند. هنگامی که جریان از طریق سیم پیچ اعمال می شود، بدون توجه به قطبیت تماس و جریان، آرمیچر همیشه به سمت سیم پیچ کشیده می شود.

تفاوت شیر ​​برقی AC و DC

در ابتدایی ترین سطح، عملکرد شیر برقی DC نسبتاً ساده است – شیر برقی ممکن است دارای انرژی باشد، که به نیروی مغناطیسی تولید شده توسط شیر برقی اجازه می دهد بر مقاومت فنر غلبه کند و آرمیچر را به سمت مرکز سیم پیچ حرکت دهد، یا بدون انرژی، اجازه دهد. نیروی فنر برای عقب راندن آرمیچر به موقعیت شروع.

با شیر برقی AC، تئوری عملکرد کمی پیچیده تر است. جریان AC را می توان با استفاده از شکل موج سینوسی تقریبی کرد. در نتیجه، دو بار در هر دوره، جریان دارای یک تلاقی صفر است، به این معنی که جریانی که از سیم پیچ در آن نقطه از زمان عبور می کند برابر با صفر است.

نیروی تولید شده

از آنجایی که نیروی مغناطیسی تولید شده توسط شیر برقی نسبت مستقیمی با جریان عبوری از سیم پیچ برقی است، نیروی فنر برای مدت کوتاهی، دو بار در هر دوره، بر نیروی تولید شده توسط شیر برقی غلبه خواهد کرد. این مشکلی است که به صورت لرزش آرمیچر ظاهر می‌شود که صدای زمزمه تولید می‌کند و می‌تواند باعث ایجاد فشار روی اجزای شیر برقی شود. برای جلوگیری از این مشکل، یک حلقه رسانای ساده، به نام حلقه سایه، در نزدیکی سیم پیچ در اطراف آرمیچر نصب می شود. حلقه سایه معمولا از مس ساخته می شود. وظیفه حلقه سایه بان ذخیره انرژی میدان مغناطیسی و آزادسازی آن با اختلاف فاز 90 درجه است.

سپس

اثر حلقه سایه ‌انداز این است که در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم‌پیچ اولیه به سمت صفر کاهش می‌یابد، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط حلقه سایه‌انداز به اوج خود می‌رسد و به طور موثر شکاف دامنه میدان مغناطیسی را در هنگام عبور از صفر پر می‌کند و ارتعاشات را از بین می‌برد. اکثر شیرهای برقی که می توانند با ولتاژهای مختلف سیم پیچ استفاده شوند دارای یک حلقه سایه انداز داخلی هستند.

اگر کثیفی در اطراف آرمیچر جمع شود، اثر حلقه سایه ممکن است محدود شود و راه حل دیگری لازم باشد. نمونه ای از راه حل دیگر استفاده از یک مدار الکترونیکی است که جریان شیر برقی را فیلتر می کند. به طوری که هیچ عبوری از صفر وجود ندارد. این مدار را می توان در خود سیم پیچ شیر برقی تعبیه کرد یا می توان آن را به صورت خارجی ساخت. معمولاً با استفاده از دیودهای یکسو کننده و خازن فیلتر در توپولوژی یکسو کننده تمام موج اجرا می شود.

استفاده از سیم پیچ AC با جریان DC و بالعکس

در برخی موارد، سیم پیچ هایی که برای جریان AC درجه بندی شده اند، می توانند با منابع تغذیه DC و بالعکس استفاده شوند. با این حال، محدودیت هایی وجود دارد که باید در نظر داشت.

استفاده از سیم پیچی که برای جریان متناوب نامگذاری شده با منبع DC امکان پذیر است، اما ولتاژ (و جریان) باید محدود باشد در غیر این صورت ممکن است شیر ​​برقی بسوزد. دلیل این امر این است که در رژیم AC، سیم پیچ ها دارای راکتانس القایی هستند که با مقاومت الکتریکی سیم پیچ جمع می شود. در نتیجه امپدانس یک سیم پیچ در رژیم AC چندین برابر بیشتر از رژیم DC است. به عنوان مثال، استفاده از شیر برقی 24 VAC با منبع تغذیه 24 ولت DC به احتمال زیاد به شیر برقی آسیب می رساند، زیرا جریان موثری که از شیر برقی عبور می کند با ولتاژ DC بسیار بیشتر است.

ولتاژ تغذیه

متاسفانه هیچ عامل ثابتی برای کاهش ولتاژ منبع تغذیه وجود ندارد. جریان موثر باید در رژیم AC اندازه گیری شود و آن جریان باید به عنوان هدف برای رژیم DC نیز تعیین شود. برخی از راه‌ های رسیدن به آن هدف کاهش ولتاژ تغذیه یا استفاده از مقاومت محدود کننده جریان است.

استفاده از سیم پیچی با جریان DC با منبع تغذیه AC، خطر ارتعاشات را به همراه دارد زیرا شیرهای برقی DC ممکن است حاوی حلقه سایه یا مدار یکسو کننده نباشند. این ارتعاشات ممکن است با فشار دادن بر اجزاء در طول زمان به شیر برقی آسیب برساند و می تواند به سطح سر و صدا در اتاق کمک کند. این را می توان با استفاده از یک مدار یکسو کننده تمام موج خارجی با یک فیلتر خازنی حل کرد.

مشکل دیگر این است که:

جریان موثر در این حالت چندین برابر کمتر خواهد بود و نیروی مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ ممکن است به اندازه کافی بزرگ نباشد که آرمیچر را از وضعیت استراحت خود حرکت دهد. راه حل این است که از ولتاژ بزرگتر استفاده کنید تا جریان موثر با جریان نامی شیر برقی مطابقت داشته باشد.

ملاحظات طراحی شیر برقی AC در مقابل DC

در حالت ایده‌آل، زمانی که یک شیر برقی از حالت OFF به حالت ON می‌رود. شیر برقی در ابتدا باید نیروی بیشتری تولید کند. تا بتواند بر کشش فنر همراه با فشار هیدرولیکی که بر روی شیر وارد می‌شود، غلبه کند. پس از برقراری جریان، نیروهای هیدرولیکی وارد بر مکانیزم شیر کاهش می‌یابد و شیر برقی می‌تواند نیروی تولید شده را به منظور کاهش مصرف برق و گرمایش کاهش دهد.

شیر برقی AC این رفتار ایده آل را بیشتر از شیر برقی DC دنبال می کند. در شیر برقی DC، هنگامی که شیر برقی روشن می شود. جریان به طور مجانبی به سمت مقدار معینی بسته به مقاومت سیم پیچ افزایش می یابد. این به معنای جریان اولیه کمتر است (و نیروی اولیه کمتر که منجر به باز شدن آهسته‌تر دریچه می‌شود). هنگامی که دریچه باز می شود، جریان جریان در یک مقدار ثابت باقی می ماند که بزرگتر از مقدار مورد نیاز برای باز نگه داشتن شیر است. در نتیجه، شیر برقی DC بدون هیچ مدار خارجی مقدار قابل توجهی از توان را در حالت باز هدر می دهد.

کارآمدی شیر AC

اگرچه شیر برقی AC ذاتاً در مصرف انرژی کارآمدتر است، اما با برخی از معایب احتمالی همراه است. یکی از آنها افت توان ناشی از جریان های گردابی است که در اثر القای الکترومغناطیسی در آرمیچر ایجاد می شود. اشکال دیگر خطر ارتعاش است که با استفاده از شیرهای برقی مهندسی شده که از حلقه های سایه انداز مناسب استفاده می کنند. می توان آن را کاهش داد. علاوه بر این، سیستم‌های کنترل مدرن تمایل دارند رابط آسان‌تری با خروجی‌های DC فراهم کنند. بنابراین استفاده از شیر برقی AC با این سیستم‌ها می‌تواند دست و پا گیرتر باشد و نیاز به استفاده از رله‌های اضافی دارد.