Van điện từ thường mở và thường đóng: khác nhau và cách chọn

Van điện từ thường mở và thường đóng khác nhau ở trạng thái khi mất điện. Van thường đóng (NC) đóng khi không có điện và mở khi cấp điện cho coil. Van thường mở (NO) mở khi không có điện và đóng khi cấp điện. Từ khác biệt này sinh ra hai khác biệt lớn: hành vi an toàn khi mất nguồn, và lượng điện cùng nhiệt mà coil phải chịu trong quá trình làm việc.

Bài này phân tích van điện từ thường mở và thường đóng theo cơ chế, an toàn, tiêu thụ điện, nhiệt coil, cách nhận biết trên thân van và sơ đồ ISO 1219, rồi chọn theo kịch bản thực tế. Nếu cần nền tảng, hãy đọc bài van điện từ là gì; định nghĩa chung bằng tiếng Anh có tại trang Solenoid valve trên Wikipedia.

Cơ chế của van điện từ thường mở và thường đóng

Trong mọi van điện từ, lực của lò xo tạo ra trạng thái mặc định, còn lực từ của coil đưa van sang trạng thái ngược lại. Thiết kế lò xo và vị trí lỗ van quyết định van thuộc nhóm NC hay NO. Hiểu điều này giúp nhận ra vì sao hai nhóm van có thông số coil và tuổi thọ khác nhau.

Van điện từ thường đóng (NC)

Van điện từ thường đóng có lò xo ép lõi từ xuống bịt lỗ van. Ở van gián tiếp, áp suất lưu chất ở buồng trên màng cũng góp lực ép đóng. Khi cấp điện, từ trường hút lõi lên khỏi lỗ van; van trực tiếp mở ngay, còn van gián tiếp mở nhờ chênh áp qua lỗ pilot.

Khi mất điện, lò xo đẩy lõi về vị trí cũ, van tự đóng. Đây là lý do van điện từ thường mở và thường đóng được dùng khác nhau: NC được dùng làm van ngắt an toàn cho nước cấp, nhiên liệu và gas.

Van điện từ thường mở (NO)

Van điện từ thường mở bố trí lò xo kéo lõi ra xa lỗ van nên lưu chất đi qua tự do. Khi cấp điện, từ trường hút lõi áp vào lỗ van và đóng dòng chảy. Ngắt điện, lò xo đưa lõi về vị trí mở.

Ở nhóm van điện từ thường mở và thường đóng, muốn giữ van NO đóng thì coil phải mang điện liên tục. Điều này tạo ra nhược điểm lớn nhất của NO: coil nóng và tốn điện nếu van đóng phần lớn thời gian. Số model NO cũng ít hơn NC, đặc biệt ở cỡ lớn; cần tra catalogue của hãng.

Bảng so sánh van điện từ thường mở và thường đóng

Bảng dưới đây gom các điểm khác biệt chính của van điện từ thường mở và thường đóng. Số liệu mang tính tham khảo; giá trị cụ thể theo catalogue của hãng.

Hành vi khi mất điện và yêu cầu an toàn

Trước khi so sánh van điện từ thường mở và thường đóng về tiết kiệm điện, hãy xác định trạng thái nào là an toàn cho quá trình khi mất nguồn. Nguyên tắc cơ bản gọi là fail-safe: van tự về trạng thái giảm thiểu rủi ro.

• Cấp nhiên liệu, gas, hóa chất độc hại: chọn NC. Mất điện thì van đóng, ngăn rò và cháy nổ. Với gas cần thêm chứng nhận cho thiết bị đốt theo yêu cầu dự án (ví dụ EN 161, tham khảo).
• Nước làm mát khuôn, máy nén, lò: chọn NO nếu việc mất dòng gây quá nhiệt nghiêm trọng hơn việc nước chảy thừa. Hệ thống phải có cảnh báo khác khi mất điện.
• Xả áp, xả đáy bình khi mất điện: chọn NO để đường xả thông, giảm áp tồn dư, nếu quy trình an toàn cho phép.
• Cấp nước cho thiết bị nhà bếp, máy giặt, tưới tự động: chọn NC để không tràn nước khi mất điện hoặc sự cố bộ điều khiển.

Cần phân biệt: van điện từ thường mở và thường đóng loại thông dụng không phải thiết bị an toàn chức năng có xác nhận SIL. Với yêu cầu ngắt khẩn cấp, hãy dùng loại có chứng nhận và kết hợp van khóa dự phòng.

Tiêu thụ điện và nhiệt coil của van thường mở và thường đóng

Ở van điện từ thường mở và thường đóng, coil chỉ mang điện ở trạng thái ngược với mặc định. Với NC, đó là lúc van mở; với NO, đó là lúc van đóng. Một ví dụ tính toán: coil 24V DC công suất 8 W có dòng khoảng 0,33 A. Mang điện 24 giờ mỗi ngày sẽ tiêu thụ khoảng 0,19 kWh mỗi ngày, tức khoảng 70 kWh mỗi năm cho một van.

Điện năng chưa phải vấn đề chính. Vấn đề là nhiệt. Công suất điện biến thành nhiệt trong cuộn đồng và lõi sắt; hệ cách điện Class F chịu tối đa 155 °C và Class H chịu 180 °C. Đó là nhiệt độ cho phép của hệ cách điện chứ không phải nhiệt độ lưu chất. Coil chạy liên tục (ED 100 %) có bề mặt khoảng 60–90 °C là bình thường (tham khảo); nóng đến mức không chạm tay được vài giây hoặc có mùi khét là bất thường.

Coil AC có thêm vấn đề do dòng khởi động. Khi lõi chưa hút, khe hở từ lớn, cảm kháng nhỏ nên dòng lớn gấp 2–5 lần dòng giữ (tham khảo). Nếu lõi kẹt không hút hết, dòng lớn kéo dài và coil AC cháy nhanh. Coil DC chỉ có dòng I = U/R, không có hiện tượng này. Chi tiết nằm trong bài cuộn dây AC và DC.

Hệ quả cho việc chọn van điện từ thường mở và thường đóng: nếu van phải giữ trạng thái kích hoạt hơn vài giờ mỗi ngày, cần tính tới nhiệt. Có thể chọn coil Class H, coil DC có mạch giảm dòng giữ, hoặc đổi sang loại có trạng thái mặc định trùng với trạng thái làm việc chính. Nếu coil quá nóng, xem bài cuộn coil nóng khi cấp điện liên tục.

Thử vận hành van điện từ thường mở và thường đóng sau lắp đặt

Sau khi lắp, hãy thử van điện từ thường mở và thường đóng ở cả hai trạng thái trước khi bàn giao. Ngắt điện, mở van khóa tay phía trước và quan sát: van NC không được rò qua mặt đóng, van NO phải cho lưu chất đi qua ngay. Sau đó cấp đúng điện áp định mức (dung sai ±10 %) và kiểm tra trạng thái đảo ngược.

Với van gián tiếp, phải thử ở áp suất làm việc thật. Chênh áp dưới khoảng 0,3 bar (tham khảo) khiến van điện từ thường mở và thường đóng loại màng mở không hết hoặc đóng không kín, vì lực nâng và lực ép màng đều đến từ chênh áp qua lỗ cân bằng. Thử ở áp thấp sẽ cho kết luận sai.

Hãy đo dòng bằng ampe kìm ở trạng thái giữ và ghi lại để so sánh với nhãn coil. Dòng cao hơn rõ rệt cho thấy điện áp thấp, lõi bị kẹt hoặc cuộn dây chập vòng. Số đo này là mốc đối chiếu cho các lần bảo trì sau, vì sai lệch của van điện từ thường mở và thường đóng thường lộ ra trước tiên ở dòng điện và nhiệt coil.

Cách nhận biết van điện từ thường mở và thường đóng

Có bốn cách nhận biết van điện từ thường mở và thường đóng, xếp theo độ tin cậy từ cao xuống thấp. Không nên chỉ dựa vào một cách khi van đã lắp trên hệ thống.

Đọc ký hiệu và nhãn trên thân van

Cách nhanh nhất là đọc nhãn in hoặc khắc trên thân và coil. NC hoặc N.C. là Normally Closed (thường đóng). NO hoặc N.O. là Normally Open (thường mở). Tài liệu tiếng Việt có thể ghi «Thường Đóng» hoặc «Thường Mở». Mã model của hãng thường có ký hiệu riêng cho trạng thái, cần tra catalogue.

Đọc sơ đồ ký hiệu theo ISO 1219

Trên sơ đồ khí nén và thủy lực theo ISO 1219, mỗi vị trí của van là một ô vuông. Van 2/2 có hai ô, một ô nối với lò xo và một ô nối với ký hiệu cuộn điện từ. Ô cạnh lò xo cho biết trạng thái khi không có điện.

• Nếu ô cạnh lò xo có hai cửa bị chặn (ký hiệu chữ T cụt), đây là van thường đóng.
• Nếu ô cạnh lò xo có mũi tên thẳng nối hai cửa, đây là van thường mở.
• Với van 3/2 và 5/2, hãy nhìn đường nối trong ô cạnh lò xo để biết cửa nào thông khi mất điện.

Quan sát khi thử điện

Trên bàn thử, cấp điện áp đúng định mức vào coil và nghe tiếng lõi hút. Quan sát lưu chất hoặc khí đi qua khi có điện và khi ngắt điện. Không cấp điện cho coil đã tháo khỏi ống dẫn lõi, nhất là coil AC, vì sẽ cháy trong thời gian ngắn.

Thổi khí vào cổng van

Với van nhỏ tác động trực tiếp, thổi nhẹ vào một cổng khi không có điện: khí thoát ra cổng kia là NO, không thoát là NC. Cách này chỉ đáng tin với van trực tiếp. Van gián tiếp cần chênh áp để mở nên thổi bằng miệng không cho kết luận, và không thổi nếu lưu chất cũ là hóa chất độc.

Chọn van điện từ thường mở và thường đóng theo kịch bản

Khung chọn gồm ba câu hỏi theo thứ tự: trạng thái an toàn khi mất điện, thời gian ở trạng thái mở so với đóng, và tải nhiệt của coil. Bảng dưới đây áp dụng khung này cho các kịch bản cụ thể.

Quy tắc chọn van điện từ thường mở và thường đóng: chọn loại có trạng thái mặc định trùng với trạng thái chiếm nhiều thời gian nhất, trừ khi yêu cầu an toàn buộc phải làm khác. Khi hai yêu cầu xung đột, an toàn được ưu tiên và nhiệt coil được xử lý bằng coil phù hợp.

Van chốt và van 3/2: khi van điện từ thường mở và thường đóng chưa đủ

Van chốt (latching) dùng xung điện ngắn để chuyển trạng thái và giữ nguyên nhờ nam châm vĩnh cửu hoặc cơ cấu cơ khí, nên coil không mang điện khi giữ. Loại này xử lý được trường hợp phải giữ trạng thái kích hoạt hàng chục giờ mà coil không nóng. Đổi lại, khi mất điện van giữ nguyên vị trí cuối thay vì về trạng thái an toàn, nên chỉ dùng khi quy trình cho phép.

Van 3/2 đưa khái niệm NC và NO sang từng cổng. Ở van 3/2 thường đóng, cổng cấp bị chặn và cổng xả thông với cổng làm việc khi không có điện; cấp điện thì ngược lại. Vì vậy trong mạch khí nén, chọn van điện từ thường mở và thường đóng nghĩa là chọn trạng thái của xi lanh khi mất nguồn.

Các sai lầm khi chọn van điện từ thường mở và thường đóng

• Chọn NO vì có sẵn hàng, trong khi van đóng phần lớn thời gian. Hệ quả: coil nóng, giảm tuổi thọ và có thể cháy sau vài tháng.
• Chọn NC cho mạch làm mát quan trọng mà không có cảnh báo khi mất điện. Hệ quả: mất dòng làm mát trong sự cố nguồn.
• Không xét chênh áp với van gián tiếp. Cả NC và NO gián tiếp đều cần chênh áp tối thiểu khoảng 0,3 bar (tham khảo) để chuyển trạng thái; nội dung này có trong bài tác động trực tiếp hay gián tiếp.
• Hoán đổi cụm ống dẫn lõi giữa van NC và NO mà không kiểm tra mã: cụm lõi, lò xo và ống dẫn lõi của hai loại khác nhau, không tự lắp lẫn.
• Đấu nhầm điện áp AC cho coil DC hoặc ngược lại. Hãy đọc nhãn coil trước khi đấu.

Liên hệ với các cách phân loại khác

Trạng thái NC hoặc NO chỉ là một trong chín tiêu chí chung của các cách phân loại van điện từ. Một van cụ thể còn mang các thuộc tính khác như nguyên lý tác động, số cửa, vật liệu và điện áp. Khi đặt hàng, hãy ghi đủ cả bộ thuộc tính. Bài tiêu chí chọn van có danh sách kiểm tra từng bước.

Nếu chưa chắc chắn nên dùng van điện từ thường mở và thường đóng cho mạch nào, gửi cho Viva sơ đồ đường ống, lưu chất, áp suất và điện áp điều khiển để được tư vấn trước khi đặt hàng.

Câu hỏi thường gặp