Cuộn dây van điện từ AC và DC: cấu tạo, khác biệt, cách chọn

Cuộn dây van điện từ (coil) là bộ phận biến tín hiệu điện thành lực hút cơ học để mở hoặc đóng van. Cuộn dây có hai họ chính là AC và DC, khác nhau ở dòng khởi động, vòng chống rung, tiếng ồn, lực hút và cách chết hỏng. Chọn sai loại hoặc sai điện áp là nguyên nhân phổ biến khiến van điện từ nóng, kêu hoặc cháy cuộn.

Bài này đi từ cấu tạo cuộn dây van điện từ, cơ chế của coil AC và DC, cấp cách điện, dung sai điện áp, đầu nối DIN 43650 đến cách đọc nhãn, đo kiểm bằng đồng hồ vạn năng và chọn điện áp theo tủ điện hoặc PLC. Các số liệu phụ thuộc hãng được ghi là tham khảo; cần đối chiếu catalogue của hãng van đang dùng.

Cấu tạo cuộn dây van điện từ

Một cuộn dây van điện từ không chứa phần chuyển động. Nó là cuộn dây quấn quanh khung, bọc kín trong vỏ cách điện và lồng ngoài ống dẫn lõi của thân van. Lõi từ (plunger) nằm trong ống dẫn, còn cuộn dây nằm ngoài, nên có thể tháo coil mà không phải xả áp đường ống.

Dây đồng emay và khung cuộn

Trong cuộn dây van điện từ, dây quấn là dây đồng phủ lớp sơn cách điện emay (enamel). Lớp emay mỏng vài chục micromet cho phép quấn hàng nghìn vòng sát nhau mà không chập giữa các vòng. Số vòng và tiết diện dây quyết định điện trở, tức quyết định dòng điện và công suất ở điện áp định mức.

Với cùng kích thước, cuộn dây van điện từ có điện áp định mức càng cao thì dây càng mảnh và số vòng càng nhiều. Vì vậy cuộn dây van điện từ 220V AC có điện trở lớn hơn nhiều so với coil 24V DC, và dây của nó dễ đứt hơn khi bị rung hoặc quá nhiệt. Khung cuộn bằng nhựa kỹ thuật chịu nhiệt giữ hình dạng cuộn và cách điện dây với ống dẫn lõi.

Vỏ bọc: đúc epoxy hoặc quấn băng

Vỏ cuộn dây van điện từ có hai kiểu. Loại đúc nhựa epoxy (hoặc nhựa nhiệt rắn) bao kín toàn bộ cuộn dây, chống ẩm và rung tốt, tản nhiệt đều, thường đạt IP65 khi lắp đúng gioăng. Loại quấn băng cách điện bên trong vỏ nhựa hoặc vỏ kim loại rẻ hơn, nhưng ẩm có thể thấm vào khe giữa vỏ và cuộn.

Với môi trường ẩm, có hơi nước hoặc rửa bằng tia nước, nên chọn coil đúc kín. Tháo coil ra khỏi vỏ để sửa không có ý nghĩa thực tế: giá coil thấp hơn nhiều so với chi phí thời gian, và cuộn quấn lại thủ công khó đạt cùng độ cách điện.

Ống dẫn lõi, lõi từ và lò xo

Ống dẫn lõi (armature tube) làm bằng inox không từ tính, vừa dẫn hướng lõi từ vừa cách ly lưu chất khỏi cuộn dây. Từ trường xuyên qua thành ống mỏng này để hút lõi. Phía trong là lõi từ bằng thép từ mềm, lò xo hồi và vòng chống rung (với coil AC).

Cuộn dây van điện từ chỉ tạo lực; việc mở van còn phụ thuộc kiểu van tác động trực tiếp hay gián tiếp. Khi cuộn dây van điện từ được cấp điện nhưng lõi không hút, thủ phạm thường là ống dẫn lõi bị kẹt cặn hoặc điện áp thấp, không nhất thiết là cuộn dây hỏng.

Nguyên lý tạo lực hút của cuộn dây

Khi cuộn dây van điện từ có điện, dòng chạy qua các vòng dây tạo từ trường, từ trường từ hóa lõi và hút lõi vào tâm cuộn. Lực hút tỉ lệ thuận với bình phương số ampe-vòng (dòng điện nhân số vòng) và tăng rất nhanh khi khe hở giữa lõi và đế từ thu hẹp. Cơ sở vật lý này có trong tài liệu về nguyên lý solenoid theo Wikipedia.

Cuộn dây van điện từ phải giúp lõi thắng ba lực cản: lực lò xo, trọng lượng lõi và lực do áp suất lưu chất tác dụng lên lỗ van (với van tác động trực tiếp). Khi lực hút tại vị trí ban đầu, lúc khe hở lớn nhất, nhỏ hơn tổng lực cản, van không mở dù coil đã có điện. Đây là lý do điện áp thấp hơn định mức làm van mở không hết, dù cuộn dây vẫn còn nguyên.

Cuộn dây van điện từ AC: dòng khởi động, vòng chống rung và nguy cơ cháy

Cuộn dây van điện từ AC (110V, 220V, 24V AC) làm việc với dòng xoay chiều. Dòng điện qua cuộn dây chịu tác động của tổng trở Z, gồm điện trở dây R và cảm kháng XL = 2πfL. Cảm kháng phụ thuộc điện cảm L, mà L lại phụ thuộc khe hở từ.

Vì sao coil AC có dòng khởi động lớn

Ở cuộn dây van điện từ AC, khi lõi chưa hút, khe hở không khí lớn, điện cảm L nhỏ, cảm kháng nhỏ và dòng điện lớn. Dòng khởi động (inrush) này thường gấp 2–5 lần dòng giữ (tham khảo, theo catalogue của hãng). Khi lõi hút vào, khe hở khép kín, L tăng mạnh, cảm kháng tăng và dòng tụt xuống mức giữ. Dòng khởi động lớn cho lực hút đầu mạnh, giúp coil AC thắng lò xo và áp suất ngay từ lúc đóng điện.

Vòng chống rung (shading ring)

Dòng 50 Hz đi qua điểm 0 hai lần mỗi chu kỳ, tức 100 lần mỗi giây, và tại các điểm đó lực hút tụt về 0. Nếu không có gì giữ, lò xo đẩy lõi ra rồi lõi lại bị hút vào, tạo rung đập 100 Hz. Giải pháp là vòng đồng ngắn mạch (shading ring) đặt quanh một phần mặt cực.

Dòng cảm ứng trong vòng đồng tạo ra từ thông lệch pha với từ thông chính. Khi từ thông chính về 0, từ thông qua phần mặt cực có vòng vẫn khác 0 và giữ lõi áp sát. Nhờ vậy lực hút tổng không về 0. Vòng nứt, long hoặc mặt cực bám bẩn, gỉ làm mất hiệu lực này, và van phát ra tiếng rè 100 Hz. Nguyên nhân và cách xử lý nằm trong bài về van điện từ bị kêu.

Cuộn dây AC cháy khi lõi kẹt

Điểm yếu lớn nhất của cuộn dây van điện từ AC nằm ở chính cơ chế dòng khởi động. Nếu lõi kẹt do cặn, gỉ, lò xo gãy hoặc áp suất quá cao so với MOPD, lõi không hút hết. Khe hở vẫn lớn, cảm kháng vẫn nhỏ và dòng khởi động duy trì mãi. Nhiệt tỏa ra theo I²R vượt khả năng tản, và lớp emay cháy chỉ sau vài phút đến vài chục phút (tùy kích thước coil).

Quy tắc rút ra: không cấp điện cho coil AC khi đã tháo khỏi ống dẫn lõi, vì không có lõi sắt thì điện cảm rất nhỏ và dòng vọt lên cao. Khi van không mở, cần ngắt điện trước rồi tìm nguyên nhân cơ khí. Chi tiết hiện tượng nhiệt có trong bài van điện từ bị nóng.

Tiếng kêu, nhiệt và lực hút của coil AC

• Tiếng kêu: có tiếng ù nhẹ ở coil AC là bình thường vì từ thông xoay chiều rung lõi và lá thép; tiếng rè to hoặc đập mạnh báo hỏng vòng chống rung, lõi bẩn hoặc điện áp thấp.
• Nhiệt: coil AC chạy liên tục nóng hơn coil DC cùng kích thước vì có thêm tổn hao dòng xoáy và từ trễ; bề mặt 60–90 °C ở ED 100 % là bình thường (tham khảo).
• Lực hút: lực hút đầu lớn nhờ dòng khởi động, nên coil AC thường cho MOPD cao hơn coil DC cùng cỡ ở cùng kích thước van (theo catalogue của hãng).

Cuộn dây van điện từ DC: dòng không đổi, êm và ít sốc

Cuộn dây van điện từ DC (12V DC, 24V DC) làm việc với dòng một chiều. Dòng chỉ phụ thuộc điện trở theo định luật Ohm: I = U/R. Từ thông không đổi nên không có điểm 0 và không cần vòng chống rung. Coil DC vì thế êm, không gây rung 100 Hz.

Ví dụ tính nhanh: cuộn dây van điện từ 24V DC công suất 8 W (tham khảo) có dòng I = P/U ≈ 0,33 A và điện trở R = U²/P = 72 Ω. Dòng này chỉ tăng đến giá trị ổn định, không có xung khởi động nhiều lần dòng giữ như coil AC.

Vì sao coil DC khó cháy khi lõi kẹt

Với cuộn dây van điện từ DC, khe hở từ không ảnh hưởng đến dòng điện. Lõi kẹt hay hút hết thì dòng vẫn bằng U/R. Nhiệt tỏa ra không tăng thêm khi lõi kẹt, nên coil DC chịu được tình huống này tốt hơn coil AC. Đổi lại, coil DC không có đỉnh dòng khởi động.

Với cùng kích thước, lực hút thường nhỏ hơn AC nên MOPD có thể thấp hơn (theo catalogue); một số hãng dùng mạch giữ dòng thấp hoặc chỉnh lưu để giảm nhiệt.

Thời gian đáp ứng và điện áp cảm ứng khi ngắt

Khi đóng điện, dòng qua cuộn dây DC tăng dần theo hằng số thời gian τ = L/R, nên lực hút xây dựng chậm hơn so với dòng khởi động tức thời của coil AC. Chênh lệch nằm ở mức vài mili giây đến vài chục mili giây (tham khảo), thường chấp nhận được với van thông thường nhưng cần tính trong ứng dụng dosing hoặc chu kỳ ngắn.

Mặt khác, khi ngắt điện cuộn dây van điện từ DC, năng lượng ½LI² tích trong cuộn dây phải thoát đi, và nó sinh điện áp cảm ứng ngược e = −L·di/dt có thể lên hàng trăm vôn, đủ phá transistor đầu ra của PLC hoặc làm mòn tiếp điểm rơ-le. Để triệt tiêu, cần lắp diode dập (flyback diode) song song coil, sẽ nói ở phần chọn điện áp.

Bảng so sánh cuộn dây AC và DC

Cấp cách điện F, H và chu kỳ làm việc ED

Cấp cách điện của cuộn dây van điện từ là nhiệt độ tối đa mà hệ cách điện chịu được. Class F là 155 °C và Class H là 180 °C. Đây là giới hạn của lớp emay, khung và nhựa bọc, không liên quan đến nhiệt độ lưu chất chạy trong van.

Nhiệt độ cuộn dây van điện từ bằng nhiệt độ môi trường cộng độ tăng nhiệt do công suất tỏa ra, cộng nhiệt truyền từ thân van khi lưu chất nóng. Với hơi nước hoặc lưu chất nóng, dùng coil Class H để còn dư biên độ nhiệt. Cuộn dây van điện từ chạy liên tục (ED 100 %) có bề mặt 60–90 °C là bình thường (tham khảo); nóng đến mức không chạm tay quá vài giây hoặc có mùi khét là bất thường.

ED (Einschaltdauer) là tỷ lệ thời gian có điện trong một chu kỳ. Coil ED 100 % có thể cấp điện liên tục; coil ED thấp hơn (thường ghi ED 40 % hay ED 25 % trên loại công suất lớn) chỉ cho phép đóng điện ngắn rồi phải nghỉ để nguội. Với van thường mở chạy đóng phần lớn thời gian, coil luôn có điện và phải là loại ED 100 %.

Dung sai điện áp ±10 % và hệ quả khi lệch áp

Với cuộn dây van điện từ, hầu hết nhà sản xuất cho phép điện áp thực tế lệch ±10 % so với định mức. Cuộn dây van điện từ 220V AC làm việc trong khoảng 198–242 V; coil 24V DC trong khoảng 21,6–26,4 V. Ngoài khoảng này coil hoạt động ngoài vùng bảo đảm.

• Điện áp thấp: lực hút giảm nhanh, vì lực tỉ lệ với bình phương ampe-vòng. Van mở không hết, lõi bị rung (coil AC) hoặc không hút khi áp cao. Sụt áp trên dây dẫn dài, nguồn 24V DC yếu hoặc nhiều van đóng cùng lúc là nguyên nhân thường gặp.
• Điện áp cao: dòng tăng tỉ lệ và công suất tăng theo bình phương điện áp, coil nóng hơn mức thiết kế, tuổi thọ cách điện giảm. Cấp 220V AC vào coil 24V AC hoặc 24V DC gây cháy gần như tức thời.
• Sai dạng dòng điện: cấp DC vào coil AC làm coil cháy, vì khi không có thành phần cảm kháng của dòng xoay chiều, dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở dây nhỏ.

Thực hành tốt: đo điện áp ngay tại đầu coil lúc van đang đóng điện, không đo ở nguồn tủ điện. Nếu điện áp tại coil nằm ngoài ±10 %, xử lý dây dẫn và nguồn trước khi nghi ngờ van.

Đầu nối DIN 43650 và cấp bảo vệ IP65

Cuộn dây van điện từ công nghiệp thường dùng đầu nối cắm theo chuẩn DIN 43650 (EN 175301-803) với các Form A, B, C khác nhau về kích thước khoảng cách chân. Form A là kiểu phổ biến cho coil van công nghiệp tiêu chuẩn. Cần chọn đúng Form cho coil và phích cắm đi kèm.

Phích cắm có ba chân cấp điện: hai chân cho tín hiệu, một chân nối đất (PE). Phích cắm có thể tích hợp đèn LED báo nguồn, diode dập hoặc varistor bảo vệ, tùy loại. Cuộn dây van điện từ đạt IP65 khi gioăng giữa phích cắm và coil còn nguyên và vít giữ được siết đúng lực. Gioăng lão hóa hoặc quên lắp gioăng làm nước đi vào và gây chập.

Khi đi dây ngoài trời, quay đầu cáp hướng xuống để nước không chảy dọc cáp vào phích; dùng gland (đầu siết cáp) đúng đường kính cáp. Môi trường ngâm nước cần coil IP67 hoặc IP68 chuyên dụng chứ không dùng coil IP65.

Cách đọc nhãn cuộn dây van điện từ

Nhãn ghi trên vỏ cuộn dây van điện từ cho biết đủ thông tin để chọn coil thay thế. Các thông số cần đọc theo thứ tự:

Cuộn dây van điện từ thay thế phải khớp đường kính lỗ lắp lên ống dẫn lõi. Hai cuộn dây van điện từ cùng điện áp nhưng khác công suất hoặc khác chiều cao có thể không hút đủ lực ở MOPD yêu cầu. Quy trình đổi coil nằm trong bài hướng dẫn thay thế cuộn coil.

Các mã coil điện áp thường dùng có bài riêng: cuộn coil 220V AC cho nguồn lưới 1 pha và cuộn coil 24V DC cho tủ điều khiển PLC.

Đo kiểm cuộn dây bằng đồng hồ vạn năng

Đồng hồ vạn năng đủ để kiểm tra nhanh một cuộn dây van điện từ nghi hỏng. Thực hiện theo thứ tự sau, luôn ngắt điện trước khi tháo phích cắm:

1. Ngắt điện, tháo phích cắm khỏi coil, tháo coil khỏi ống dẫn lõi nếu cần đo trực tiếp ở chân coil.
2. Đặt đồng hồ ở thang đo điện trở (Ω), đo giữa hai chân cấp điện của coil.
3. So kết quả với điện trở định mức của hãng. Tham khảo: coil 24V DC thường vài chục Ω, coil 220V AC vài trăm đến vài nghìn Ω. Giá trị chênh nhiều so với mã cùng loại là dấu hiệu cuộn dây suy giảm.
4. Giá trị 0 Ω (hoặc rất thấp) nghĩa là chập vòng; giá trị vô hạn (OL) nghĩa là đứt dây. Cả hai trường hợp đều phải thay coil.
5. Đo điện trở từng chân với chân PE (hoặc vỏ kim loại): phải là vô hạn, nếu có giá trị là coil bị rò ra vỏ.
6. Cấp điện lại khi coil đã lắp trên ống dẫn lõi, đo điện áp tại chân coil để xác nhận nằm trong ±10 %.
7. Kiểm tra từ trường: đặt tua vít thép sát ống dẫn lõi khi có điện; nếu tua vít bị hút, coil còn tạo từ trường. Thao tác này chỉ dùng khi coil đã lắp trên ống dẫn lõi.

Lưu ý: điện trở nguội chỉ cho biết cuộn dây còn liên tục, không phát hiện được chập vài vòng hoặc coil mất lực khi nóng. Nếu điện trở bình thường nhưng van vẫn không mở, hãy kiểm tra lõi kẹt, màng hỏng và điện áp thực tế trước khi thay coil.

Chọn điện áp cuộn dây theo tủ điện và PLC

Điện áp cuộn dây van điện từ nên quyết định theo nguồn sẵn có và yêu cầu an toàn của hệ thống, chứ không theo giá. Quy tắc áp dụng:

• Tủ điều khiển PLC, cảm biến, nguồn 24V DC có sẵn: chọn coil 24V DC. Đây là điện áp thấp, giảm nguy cơ điện giật khi bảo trì ẩm ướt, và chạy êm.
• Máy móc đơn giản, bơm, thiết bị cấp nước điều khiển trực tiếp bằng công tắc, bộ hẹn giờ trên lưới 220V: chọn coil 220V AC, đỡ phải thêm nguồn DC.
• Quãng dây dài (vài chục mét trở lên) ở 24V DC: tính sụt áp trên dây, vì dòng cố định 0,2–0,5 A trên dây tiết diện nhỏ có thể làm điện áp tại coil xuống dưới 21,6 V.
• Ngoài hiện trường có ẩm hoặc nước: ưu tiên 24V DC hoặc 24V AC kèm biến áp cách ly, kết hợp coil IP65 trở lên.

Cách chọn điện áp nằm trong khung quyết định chung của bài lựa chọn van điện từ. Trong cùng một tủ nên dùng ít mức điện áp coil để dễ dự phòng và tránh đấu nhầm; ký hiệu V AC, V DC được giải thích trong bài đơn vị đo điện áp.

Điều khiển coil 24V DC bằng PLC: rơ-le trung gian và diode dập

Ngõ ra transistor của PLC thường chịu được dòng nhỏ (từ vài trăm mA đến 2 A tùy loại, theo catalogue của hãng). Coil 24V DC công suất 8 W cần khoảng 0,33 A, nên cần kiểm tra khả năng tải trước khi nối trực tiếp. Với nhiều van hoặc coil công suất lớn, dùng rơ-le trung gian hoặc contactor nhỏ để cách ly tải.

Diode dập lắp song song hai đầu coil DC, catốt (cực có vạch) về phía dương nguồn. Khi ngắt, dòng cảm ứng tuần hoàn qua diode, điện áp ngược chỉ còn khoảng 0,7 V thay vì hàng trăm vôn. Diode loại 1N4007 hoặc tương đương đủ cho coil 24V DC công suất nhỏ (tham khảo). Nhược điểm: diode làm dòng giảm chậm hơn, nên van đóng trễ vài mili giây đến vài chục mili giây.

Với cuộn dây van điện từ AC được điều khiển qua rơ-le trạng thái rắn hoặc triac, dùng mạch RC (snubber) hoặc varistor (MOV) song song coil để hạn chế xung điện áp và dòng rò gây hiện tượng coil không nhả. Không lắp diode song song coil AC: ở nửa chu kỳ dẫn, diode nối tắt nguồn, gây cháy diode, nhảy cầu chì hoặc hỏng mạch điều khiển.

Thay cuộn dây và các lỗi thường gặp

• Cuộn dây van điện từ nóng bất thường: kiểm tra điện áp, ED, lõi kẹt, nhiệt độ lưu chất.
• Coil kêu rè: kiểm tra vòng chống rung, bụi sắt trên mặt cực, điện áp thấp.
• Van không mở dù coil có điện: đo điện áp tại coil, thử từ trường, kiểm tra chênh áp tối thiểu với van gián tiếp.
• Cuộn dây van điện từ cháy lặp lại sau khi thay: nguyên nhân gốc thường nằm ở thân van (lõi kẹt, ống dẫn lõi biến dạng), điện áp sai hoặc coil sai cấp ED, không phải do coil lỗi sản xuất.

Trước khi đặt cuộn dây van điện từ thay thế, ghi lại điện áp, tần số, công suất, Class, ED, kiểu đầu nối và mã của hãng. Nếu thông tin trên nhãn mờ, đo điện trở và gửi ảnh thân van để đối chiếu mã. Nếu cần tư vấn chọn đúng cuộn dây van điện từ cho model đang dùng, liên hệ Viva qua thông tin sau.

Xem các model van điện từ dùng coil AC 220V và DC 24V, 12V đang có tại Viva.

Câu hỏi thường gặp