Enerģiju taupošu solenoīdu spoļu pareizās jaudas izvēle

Elektromagnētiskā vārsta spole darbojas karsti. Vadības paneļa siltuma slodze ir lielāka, nekā paredzēts siltuma aprēķinā. Jūsu PLC izejas karte vienlaicīgas vārsta iedarbināšanas laikā ieslēdzas pārslodzes aizsardzība. Vai arī - pretēja problēma - jūsu nesen noteiktā zemas jaudas spole nespēj droši pārvietot vārsta spoles pie zemākā barošanas sprieguma diapazona. Katram no šiem kļūmes veidiem ir viens un tas pats pamatcēlonis: solenoīda spoles jauda tika izvēlēta pēc ieraduma, pēc kataloga noklusējuma vai no iepriekšējā projekta, nevis aprēķināta, ņemot vērā faktiskās lietojuma prasības. Šajā rokasgrāmatā ir sniegta pilnīga sistēma, lai pareizi izvēlētos spoles jaudu, līdzsvarojot vilkšanas spēku, turēšanas jaudu, siltuma izkliedi, vadības sistēmas savietojamību un enerģijas izmaksas vienā saskaņotā specifikāciju lēmumā. 🎯

Elektromagnētiskās spoles jaudas izvēlei ir jāsaskaņo divas atšķirīgas jaudas prasības: ievilkšanas jauda - jauda, kas nepieciešama, lai radītu pietiekamu magnētisko spēku vārsta spoles pārvietošanai no miera stāvokļa pret atsperes un berzes spēkiem, un noturēšanas jauda - samazināta jauda, kas nepieciešama, lai uzturētu spoles novirzīto stāvokli tikai pret atsperes atgriešanās spēku. Energoefektīvās spoles izmanto elektroniskās jaudas samazināšanas shēmas, lai ievilkšanas laikā pievadītu pilnu jaudu un pēc tam automātiski samazinātu jaudu līdz noturēšanas jaudai, samazinot stacionāro jaudas patēriņu par 50-85%, salīdzinot ar parastajām fiksētas jaudas spolēm.

Piemēram, Ingrīda Hofmane (Ingrid Hoffmann), elektrokonstrukciju inženiere kādā darbgaldu ražotājā Štutgartē, Vācijā. Viņas apstrādes centra vadības panelī bija 48 solenoīda vārsti, visi ar parastajām 11 W spolēm - rūpnīcas standarta iepriekšējās paaudzes darbgaldu. Viņas termiskā analīze parādīja, ka paneļa siltuma slodze, ko rada tikai spoles izkliedēšana, ir 528 W, un tāpēc bija nepieciešams liela izmēra paneļa gaisa kondicionieris. Spoles revīzija atklāja, ka 38 no 48 vārstiem vairāk nekā 80% no cikla laika pavadīja ieslēgtā un noturētā stāvoklī. Šo 38 spoļu nomaiņa ar 11 W ieslēgšanas/ 1,5 W noturēšanas enerģiju taupošām spuldzēm samazināja paneļa siltuma slodzi no 528 W līdz 147 W - samazinājums 72%. Samazinot gaisa kondicioniera jaudu, tika ietaupīti 340 eiro gadā tikai dzesēšanas enerģijas rēķinā, un spoles modernizācijas izmaksas atmaksājās 14 mēnešu laikā. 🔧

Saturs

• Kāda ir solenoīda vilkšanas spēka un turēšanas spēka prasību fizikālā pamatinformācija?
• Kā darbojas enerģiju taupošās spoles shēmas un kādi jaudas koeficienti ir pieejami?
• Kā aprēķināt pareizo ievilkšanas un noturēšanas jaudu jūsu lietojumam?
• Kā vadības sistēmas savietojamība un elektriskā vide ietekmē spoles jaudas izvēli?

Kāda ir solenoīda vilkšanas spēka un turēšanas spēka prasību fizikālā pamatinformācija?

Pareizas jaudas izvēles pamatā ir izpratne par to, kāpēc ievilkšanai un turēšanai ir nepieciešams atšķirīgs jaudas līmenis - un kāpēc šī atšķirība ir tik liela. Fizikas likumsakarības ir vienkāršas un tieši nosaka specifikācijas skaitļus. ⚙️

Solenoīda spolei ir jārada pietiekams magnētiskais spēks, lai pārvarētu vārsta spoles statisko berzi, atsperes iepriekšēju slodzi un spiediena starpības spēku ievilkšanas laikā - kopējais spēks, kas ir 3 līdz 8 reizes lielāks nekā atsperes atgriešanās spēks, kas jāpārvar turēšanas laikā. Šī spēka attiecība ir fizikālais pamats lielajam jaudas samazinājumam, ko energotaupošās spoles sasniedz turēšanas režīmā.

Magnētiskā spēka vienādojums

Solenoīda radītais spēks ir:

$F_{mag} = \frac{B^2 \times A_{core}}{2 \times \mu_0} = \frac{\mu_0 \times N^2 \times I^2 \times A_{core}}{2 \times g^2}$

Kur:

• $F_{mag}$ = magnētiskais spēks (N)
• $B$ = magnētiskā indukcijas blīvums¹ (T)
• $A_{kodols}$ = magnētiskā kodola šķērsgriezuma laukums (m²)
• $\mu_0$ = brīvas telpas caurlaidība² (4π × 10-⁷ H/m)
• $N$ = spoles vijumu skaits
• $I$ = spoles strāva (A)
• $g$ = gaisa sprauga starp armatūru un serdi (m)

Kritiskā sakarība ir apgrieztā kvadrātiskā atkarība no gaisa spraugas. $g$. Kad armatūra atrodas maksimālajā attālumā no serdes (ievilkšanas stāvoklī), gaisa sprauga ir liela un magnētiskais spēks ir minimāls. Armatūrai virzoties uz serdes pusi (spoles pārvietošanās), gaisa sprauga samazinās un magnētiskais spēks ievērojami palielinās, sasniedzot maksimumu, kad armatūra ir pilnībā novietota (turēšanas stāvoklis).

Gaisa spraugas efekts: Kāpēc turēšanai nepieciešams mazāk enerģijas

Ieliešanas pozīcijā (maksimālā gaisa sprauga $g_{max}$):

$F_{pull-in} \propto \frac{I^2}{g_{max}^2}$

Turēšanas pozīcijā (minimālā gaisa sprauga $g_{min}$ ≈ 0, armatūra atrodas):

$F_{turēšana} \propto \frac{I^2}{g_{min}^2}$

Tā kā $g_{min} \ll g_{max}$, magnētiskais spēks turēšanas pozīcijā ir ievērojami lielāks nekā ievilkšanas pozīcijā pie tās pašas strāvas. Tas nozīmē, ka, tiklīdz spole ir pārvietota un armatūra ir ieslēgta, strāvu (un līdz ar to arī jaudu) var ievērojami samazināt, vienlaikus radot vairāk nekā pietiekamu spēku, lai noturētu spole pret atsperes atgriešanās spēku.

Tipiskam rūpnieciskam solenoīda vārstam:

• Gaisa sprauga pie ievilkšanas: $g_{max}$ ≈ 3-6 mm
• Gaisa sprauga pie turēšanas: $g_{min}$ ≈ 0,05-0,2 mm (nemagnētiskās starplikas dēļ)
• Spēka attiecība (turēšana/ievilkšana pie vienādas strāvas): 225-14,400×

Šī milzīgā spēka attiecība nozīmē, ka turēšanas strāvu var samazināt līdz 10-30% no ievilkšanas strāvas, vienlaikus saglabājot pietiekamu turēšanas spēku - fiziskais pamats 85-90% jaudas samazinājumam turēšanas stāvoklī. 🔒

Trīs spēki, kas jāpārvar Pull-In laikā

Spēks 1: atsperes priekšspriegums ($F_{spring}$)

Monostabila vārsta atgriezes atspere ir saspiesta nobīdītā stāvoklī un izstiepta miera stāvoklī. Atsperes spēks ievilkšanas brīdī ir iepriekšējas noslogošanas spēks - spēks, kas nepieciešams, lai sāktu saspiest atsperi:

$F_{ atspere,ievilkšana} = k_{ atspere} \reiz x_{priekšslodze}$

Tipiskās vērtības: 5-25 N standarta rūpniecisko vārstu spoles.

Spēks 2: statiskā berze ($F_{berze}$)

Spolam jāpārtrauc statiskā berze ar vārsta atveri, pirms tas sāk kustēties. Statiskā berze ir ievērojami lielāka nekā kinētiskā berze - pārrāvuma spēks var būt 2-4 reizes lielāks par darba berzes spēku:

$F_{trīsība} = \mu_{statiskais} \reiz F_{normāls}$

Šis ir spēka komponents, kas ir visjutīgākais pret piesārņojumu, blīvējuma uzbriešanu un temperatūru, un tas ir galvenais iemesls, kāpēc prasības attiecībā uz vilkšanas spēku palielinās, kad vārsti noveco.

Spēks 3: spiediena starpības spēks ($F_{spiediens}$)

Ventiļos, kuros padeves spiediens iedarbojas uz nelīdzsvarotu spoles laukumu, spiediena starpība rada spēku, kas atkarībā no vārsta konstrukcijas vai nu veicina spoles kustību, vai darbojas pretēji tai:

$F_{spiediens} = \Delta P \reiz A_{nelīdzsvarots}$

Līdzsvarotas spoles konstrukcijām (lielākajai daļai mūsdienu rūpniecisko vārstu), $F_{spiediens}$ ≈ 0. Nesabalansētām konstrukcijām šis spēks var būt ievērojams pie augsta padeves spiediena.

Kopējais nepieciešamais ievilkšanas spēks

$F_{ievilkšana,kopējais} = F_{ atspere,ievilkšana} + F_{treniņa} + F_{spiediens} + SF_{marža}$

Kur $SF_{maržā}$ ir drošības koeficients 1,5-2,0×, lai ņemtu vērā sprieguma svārstības, temperatūras ietekmi un komponentu novecošanos.

Kopējais nepieciešamais turēšanas spēks

Turēšanas pozīcijā statiskā berze ir novērsta (spole kustas), atsperes spēks ir maksimāli saspiests un gaisa sprauga ir minimāla:

$F_{turēšanas,nepieciešamais} = F_{ atspere,max} = k_{ atspere} \reiz (x_{priekšslodze} + x_{takts})$

Tā kā $F_{turēšana,nepieciešams} \ll F_{ievilkšana, kopā}$ un magnētiskais spēks pie minimālās gaisa spraugas ir ievērojami lielāks uz vienu strāvas vienību, turēšanas strāvu var samazināt līdz 10-30% ievilkšanas strāvas. ⚠️

Kā darbojas enerģiju taupošās spoles shēmas un kādi jaudas koeficienti ir pieejami?

Fizikas likumsakarības nosaka, ka turēšanai ir nepieciešama daudz mazāka jauda nekā ievilkšanai. Energoefektīvās spoles shēmas šo samazinājumu īsteno elektroniski, un, lai izvēlētos pareizo tipu jūsu vadības sistēmai un lietojumam, ir svarīgi saprast, kā tās darbojas. 🔍

Energoefektīvās spoles izmanto vienu no trim elektronisko ķēžu pieejām - maksimuma un noturēšanas ķēdes, PWM (impulsa platuma modulācija)³ reducēšana vai uz taisngrieža maiņstrāvas pārveidošana no maiņstrāvas uz līdzstrāvu - lai ievilkšanas fāzē (parasti 20-100 ms) pievadītu pilnu jaudu un pēc tam automātiski samazinātu jaudu uz atlikušo strāvas padeves laiku līdz noturēšanas jaudai. Samazināšanas koeficients ir no 3:1 līdz 10:1 atkarībā no shēmas konstrukcijas un vārsta tipa.

[Attēls ar pīķa un aizturēšanas strāvas viļņu formu]

1. shēmas tips: maksimums un aizturēšana (elektroniskā jaudas samazināšana)

Visizplatītākā enerģiju taupošā līdzstrāvas solenoīdu spoles konstrukcija:

1. Ievilkšanas fāze: Pilns līdzstrāvas spriegums tiek pielikts spolei - plūst pilna strāva, radot maksimālo magnētisko spēku.
2. Pāreja: Iekšējais taimeris vai strāvas sensora ķēde konstatē enkurstieņa sēšanos (strāvas kritums, palielinoties induktivitātei, kad aizveras gaisa sprauga).
3. Uzturēšanas fāze: Iekšējā elektronika samazina spriegumu uz spoles (parasti ar PWM vai virknes pretestības pārslēgšanu) - strāva samazinās līdz noturēšanas līmenim.

Pārejas laiks: vai nu fiksēts taimeris (parasti 50-150 ms pēc ieslēgšanas), vai adaptīva strāvas noteikšana (nosaka armatūras sēdvietas strāvas signatūru). Strāvas noteikšana ir uzticamāka sprieguma un temperatūras svārstību gadījumā.

Pieejamie jaudas koeficienti:

• 11 W ievilkšana / 3 W turēšana (3,7:1 attiecība) - standarta enerģijas taupīšana
• 11 W ievilkšana / 1,5 W noturēšana (7,3:1 attiecība) - augsta efektivitāte
• 6W ievilkšana / 1W noturēšana (6:1 attiecība) - zemas jaudas sērija
• 4W ievilkšana / 0,5W noturēšana (8:1 attiecība) - īpaši zemas jaudas sērija

2. shēmas tips: PWM turēšanas samazināšana

Līdzīgi kā pīķa un turēšanas režīmā, bet izmanto impulsa platuma modulāciju, lai precīzāk kontrolētu turēšanas strāvu:

1. Ievilkšanas fāze: 100% darba cikls - pilna pievadītā jauda
2. Uzturēšanas fāze: Samazināts darba cikls (parasti 10-30%) - vidējā strāva samazināta proporcionāli

PWM shēmas nodrošina precīzāku turēšanas strāvas kontroli un labāku siltuma pārvaldību nekā vienkāršas sprieguma samazināšanas shēmas. Tās ir ieteicamākais risinājums lietojumiem ar lielu ciklu, kur pāreja starp ievilkšanu un turēšanu notiek bieži.

3. shēmas tips: maiņstrāvas solenoīdi ar taisngriezi un kondensatoru

Ar maiņstrāvu darbināmās sistēmās enerģijas taupīšanas spolēs izmanto iztaisngrieža-kondensatora ķēdi:

1. Ievilkšanas fāze: Kondensators nodrošina lielu sākotnējo strāvas uzrāvienu, lai nodrošinātu ievilkšanas spēku.
2. Uzturēšanas fāze: Kondensators izlādēts; līdzstrāvas noturēšanas strāva no iztaisnotās maiņstrāvas samazinātā līmenī.

Šī konstrukcija ir raksturīga maiņstrāvas solenoīdiem un nodrošina papildu priekšrocību, jo novērš parastajiem maiņstrāvas solenoīdiem raksturīgo maiņstrāvas svārstību un vibrāciju, jo turēšanas strāva ir līdzstrāva, nevis maiņstrāva.

Enerģijas taupīšanas spoļu veidi: Salīdzinājums:

Ķēdes tips	Sprieguma tips	Ievilkšanas ilgums	Turēšanas samazināšana	Labākais pieteikums
Maksimuma un noturēšanas (taimeris)	DC	Fiksēta 50-150 ms	70-85%	Standarta rūpniecība
Maksimuma un aizturēšanas (strāvas sensors)	DC	Adaptīvs	70-85%	Mainīga spiediena sistēmas
PWM turēšana	DC	Fiksēts vai adaptīvs	75-90%	Augsta cikla, precizitāte
Taisngriezis-kondensators	AC	Fiksēts (kondensatora izlāde)	60-75%	Maiņstrāvas sistēmas, trokšņu samazināšana
Parastie fiksētie	Līdzstrāvas vai maiņstrāvas	N/A (nav samazinājuma)	0%	Atsauces bāzes līnija

Jaudas samazināšanas ietekme: Sistēmas līmeņa aprēķins

Ingrīdas 48 vārstu panelim Štutgartē:

Pirms (parastās 11 W spoles):
$P_{total,holding} = 48 \times 11W = 528W \text{ continuous}$

Pēc (11 W ievilkšana / 1,5 W turēšana, nomainīti 38 vārsti):

Ievilkšanas laikā (vidēji 80 ms uz ciklu, 1 cikls 5 sekundēs = 1,6% darba cikls):
$P_{pull-in,contribution} = 38 \times 11W \times 0,016 = 6,7W$

turēšanas laikā (98,4% darba cikls):
$P_{turēšana, ieguldījums} = 38 \reiz 1,5 W \reiz 0,984 = 56,1 W$

Atlikušie 10 parastie tinumi:
$P_{konvencionālais} = 10 \reiz 11W = 110W$

Kopā pēc: 6,7 + 56,1 + 110 = 172,8 W (pret 528 W pirms - 67% samazinājums) ✅

Kā aprēķināt pareizo ievilkšanas un noturēšanas jaudu jūsu lietojumam?

Lai izvēlētos pareizo jaudu, ir jāpārbauda, vai gan vilkšanas spēks, gan turēšanas spēks ir pietiekams visos ekspluatācijas apstākļos, tostarp minimālajā barošanas spriegumā, maksimālajā darba temperatūrā un visnelabvēlīgākajā vārsta novecošanās gadījumā. 💪

Pareiza ievilkšanas jauda ir minimālā jauda, kas rada pietiekamu magnētisko spēku, lai pārvietotu vārsta spolei pie minimālā paredzamā barošanas sprieguma un maksimālās paredzamās darba temperatūras, ar drošības koeficientu vismaz 1,5×. Pareiza noturēšanas jauda ir minimālā jauda, kas notur vārsta spolei nobīdītā stāvoklī pie minimālā sprieguma un maksimālās temperatūras, ar drošības koeficientu vismaz 2×.

1. solis: Minimālā barošanas sprieguma noteikšana

Barošanas spriegums spoles spailēs vienmēr ir zemāks par nominālo barošanas spriegumu, jo:

• Kabeļa sprieguma kritums: $\Delta V_{kabeļa} = I_{spoles} \reiz R_{kabeļa}$
• PLC izejas sprieguma kritums: Parasti 1-3V tranzistoru izejām
• Barošanas sprieguma pielaide: Rūpnieciskie 24 V līdzstrāvas avoti parasti ir ±10% (21,6-26,4 V).

Minimālā spoles sprieguma aprēķins:

$V_{spoils,min} = V_{piegāde,min} - \Delta V_{kabeļa} - \Delta V_{PLC izejas}$

$V_{spoil,min} = (24 \reiz 0,9) - (I_{spoil} \reiz R_{kabeļa}) - 2V$

24 V līdzstrāvas 24 V sistēmai ar 50 m kabeļa garumu (0,5 mm² vads, R = 0,036 Ω/m × 2 = 3,6 Ω kopā):

$\Delta V_{kabeļa} = 0,46A \times 3,6\Omega = 1,66V$

$V_{spoil,min} = 21,6 - 1,66 - 2 = 17,9 V$

Tas ir 74,6% no nominālā 24 V sprieguma - ievērojams samazinājums, kas jāņem vērā, aprēķinot vilkšanas spēku.

2. solis: Aprēķiniet vilkšanas spēku pie minimālā sprieguma

Magnētiskā spēka skala mainās atkarībā no strāvas kvadrāta, bet strāva lineāri mainās atkarībā no sprieguma (rezistīvai spolei):

$F_{pull-in,min} = F_{pull-in,nominālais} \times \left(\frac{V_{coil,min}}{V_{rated}}\right)^2$

$F_{pull-in,min} = F_{pull-in,nominālais} \times \left(\frac{17,9}{24}\right)^2 = F_{pull-in,rated} \times 0,557$

Pie minimālā sprieguma vilkšanas spēks ir tikai 55,7% no nominālā vilkšanas spēka. Tāpēc drošības koeficientam attiecībā uz pievilkšanas spēku jābūt vismaz 1,5 × un tāpēc mazjaudas spoles nespēj droši pārvietot vārstus zemākajā sprieguma diapazona daļā.

3. solis: temperatūras ietekmes uz spoles pretestību ņemšana vērā

Vara spoles pretestība palielinās līdz ar temperatūru:

$R_T = R_{20°C} \reiz [1 + \alfa_{Cu} \reiz (T - 20°C)]$

Kur $\alpha_{Cu}$ = 0,00393 /°C vara.

80°C darba temperatūrā (parasti siltā vadības panelī):

$R_{80°C} = R_{20°C} \times [1 + 0,00393 \times (80 - 20)] = R_{20°C} \times 1,236$

Spoles pretestība palielinās 23,6% pie 80°C - strāva samazinās par tādu pašu proporciju, un vilkšanas spēks samazinās par strāvas attiecības kvadrātu:

$F_{pull-in,80°C} = F_{pull-in,20°C} \times \left(\frac{1}{1.236}\right)^2 = F_{pull-in,20°C} \times 0,655$

Kombinētais visnelabvēlīgākais ievilkšanas spēks (minimālais spriegums + maksimālā temperatūra):

$F_{pull-in,worst} = F_{pull-in,rated} \times 0,557 \times 0,655 = F_{pull-in,rated} \times 0,365$

Sliktākajos apstākļos vilkšanas spēks ir tikai 36,5% no nominālā spēka. Šādos apstākļos sabojājas spole, kuras nominālais vilkšanas spēks ir tikai 1,5 reizes lielāks par nepieciešamo spoles pārbīdes spēku. Jāizvēlas spole, kuras nominālais pievilkšanas spēks ir vismaz:

$F_{spoles,nominālais} \geq \frac{F_{spool,nepieciešamā}}}{0,365} = 2,74 reizes F_{spool,nepieciešamā}$

Tāpēc ražotāji norāda minimālo darba spriegumu (parasti 85% no nominālā) un maksimālo apkārtējās vides temperatūru - šīs robežas nosaka drošas darbības robežu. ⚠️

4. solis: Pārbaudiet, vai turēšanas jauda ir pietiekama

Turēšanas spēka pārbaude notiek pēc tās pašas metodes, bet ar labvēlīgu gaisa spraugas ģeometriju:

$F_{turēšana,min} = F_{turēšana,nominālā} \reiz \left(\frac{V_{spoil,min}}{V_{rated}}}\right)^2 \reiz \frac{1}{1.236}}$

Tā kā turēšanas spēks pie minimālās gaisa spraugas ir ievērojami lielāks uz vienu strāvas vienību nekā ievilkšanas spēks, pat pie visnelabvēlīgākā sprieguma un temperatūras turēšanas spēks parasti ir 5-15 × lielāks par nepieciešamo atsperes atgriešanās spēku. Tāpēc ar standarta enerģiju taupošām spoļu konstrukcijām ir viegli sasniegt 2× turēšanas jaudas drošības koeficientu.

Jaudas izvēles atsauces tabula

Vārstu korpusa izmērs	Spoles pārslēgšanas spēks	Minimālā ievelkamā jauda (24 VDC)	Ieteicamā spole	Turēšanas jauda
ISO 1 (G1/8)	4-6 N	3.5W	6W ievelkamais	1.0W
ISO 1 (G1/8)	6-10 N	5.5W	8W ievelkamais	1.5W
ISO 2 (G1/4)	8-14 N	7.5W	11W ievelkamais	1.5W
ISO 2 (G1/4)	12-20 N	10W	15W ievelkamais	2.5W
ISO 3 (G3/8)	18-28 N	14W	20W ievelkamais	3.0W
ISO 3 (G3/8)	25-40 N	20W	28W ievelkamais	4.5W
ISO 4 (G1/2)	35-55 N	28W	40W ievelkamais	6.0W

Stāsts no lauka

Vēlos iepazīstināt ar Marko Ferretti (Marco Ferretti), tehniskās apkopes inženieri pudeļu pildīšanas rūpnīcā Veronā, Itālijā. Viņa ražošanas līnijā sešās uzpildes stacijās tika izmantoti 120 solenoīda vārsti, visiem tiem bija parastās 8 W fiksētās spoles ar 24 V līdzstrāvu. Vasaras karstuma viļņa laikā apkārtējās vides temperatūra vārstu korpusos sasniedza 72°C, un viņš sāka novērot 14 no 120 vārstiem pārtrauktu vārstu maiņas kļūmes.

Viņa pētījumā tika konstatēts, ka 72°C temperatūrā spoles pretestība bija palielinājusies par 20%, samazinot vilkšanas strāvu un spēku līdz punktam, kad drošības rezerve bija izsmelta. 14 neveiksmīgie vārsti bija ar visgarākajiem kabeļu posmiem, kur sprieguma kritums pastiprināja temperatūras ietekmi.

Tā vietā, lai vienkārši nomainītu neizdevušās spoles pret identiskām, Marco modernizēja visu līniju ar 11 W ievelkamām / 1,5 W turēšanas enerģiju taupošām spuldzēm. Lielāka ievilkšanas jauda atjaunoja drošības rezervi paaugstinātā temperatūrā. Samazinātā noturēšanas jauda samazināja spoles siltuma izkliedi par 78%, kas savukārt samazināja korpusa temperatūru par 8°C, vēl vairāk uzlabojot drošības rezervi. Vārstu nobīdes samazinājās līdz nullei, un samazinātā siltuma slodze novērsa vajadzību pēc papildu dzesēšanas ventilatoriem, kurus viņš bija plānojis uzstādīt, ietaupot 2800 eiro aparatūras iegādei. 🎉

Kā vadības sistēmas savietojamība un elektriskā vide ietekmē spoles jaudas izvēli?

Spoles jauda nepastāv izolēti - tā mijiedarbojas ar PLC izejas kartes strāvas jaudu, vadības paneļa siltuma budžetu, kabeļu izmēriem un elektriskā trokšņa vidi tādā veidā, ka nepareizi projektētā elektrosistēmā pareizi izmērīta spole var radīt kļūmi. 📋

Vadības sistēmas savietojamībai ir jāpārbauda, vai PLC izejas karte var nodrošināt visu vienlaicīgi pieslēgto spoļu maksimālo ievilkšanas strāvu, nepārsniedzot tās nominālo izejas strāvu, vai kabeļu izmēri ir piemēroti ievilkšanas strāvai bez pārmērīga sprieguma krituma un vai enerģijas taupīšanas spoļu pārslēgšanas pārejas procesi ir savietojami ar vadības sistēmas trokšņu noturību.

PLC izejas kartes strāvas jauda

PLC tranzistoru izejas kartes⁴ ir divi strāvas rādītāji, kuriem abiem jābūt izpildītiem:

Katra kanāla strāvas nominālais lielums: Maksimālā nepārtrauktā strāva uz izejas kanālu - parasti 0,5 A, 1,0 A vai 2,0 A atkarībā no kartes tipa.

Vienas grupas strāvas stiprums: Maksimālais kopējais strāvas stiprums kanālu grupai, kam ir kopīga strāvas kopne - parasti 4-8 A 8 kanālu grupai.

Ievilkšanas strāvas aprēķins:

$I_{pull-in} = \frac{P_{pull-in}}}{V_{spoil}} = \frac{11W}{24V} = 0,458A$

Standarta 11 W ievilkšanas spolei pie 24 V līdzstrāvas sprieguma ievilkšanas strāva ir 0,458 A - 0,5 A uz kanālu nomināla robežās, bet tikai nedaudz. Ja sprieguma kritums samazina spoles spriegumu līdz 21 V, ievilkšanas strāva palielinās:

$I_{pull-in,21V} = \frac{P_{pull-in}}}{V_{spoil,actual}}} = \frac{11W}{21V} = 0,524A$

Tas pārsniedz 0,5 A uz kanālu - specifikāciju pārkāpums, kas laika gaitā izraisa PLC izejas kartes bojājumus. Vienmēr aprēķiniet ievilkšanas strāvu pie minimālā paredzamā spoles sprieguma, nevis nominālā sprieguma.

Grupas strāvas aprēķins:

Ja mašīnas cikla laikā vienlaicīgi tiek ieslēgti 6 vārsti 8 kanālu grupā:

$I_{grupa,maksimums} = 6 \times 0,524A = 3,14A$

Pret grupas vērtējumu 4A - pieņemama rezerve. Bet, ja vienlaicīgi ieslēdzas 8 vārsti:

$I_{grupa,maksimums} = 8 \times 0,524A = 4,19A$

Tas pārsniedz 4 A grupas nominālo vērtību - kļūmes stāvoklis, kas iedarbina izejas kartes iekšējo aizsardzību. Lai novērstu vienlaicīgu visu grupas vārstu ievilkšanu, PLC programmā sadaliet strāvas padeves secību vai norādiet zemākas ievilkšanas jaudas spoles, lai samazinātu maksimālo strāvu.

Kabeļu izmēra noteikšana energotaupīgām spolēm

Kabeļu izmēriem jābūt pielāgotiem ievilkšanas strāvai, nevis turēšanas strāvai - ievilkšanas strāva ir 3-7 reizes lielāka nekā turēšanas strāva:

Spoles tips	Ievilkšanas strāva (24 VDC)	Turēšanas strāva (24 VDC)	Minimālais kabeļa izmērs
4W / 0,5W	0,167A / 0,021A	0.021A	0,5 mm²
6 W / 1,0 W	0,250A / 0,042A	0.042A	0,5 mm²
8 W / 1,5 W	0,333A / 0,063A	0.063A	0,5 mm²
11 W / 1,5 W	0,458A / 0,063A	0.063A	0,75 mm²
15 W / 2,5 W	0,625A / 0,104A	0.104A	0,75 mm²
20 W / 3,0 W	0,833A / 0,125A	0.125A	1,0 mm²
28 W / 4,5 W	1,167A / 0,188A	0.188A	1,5 mm²

Sprieguma krituma pārbaude:

$\Delta V_{kabeļa} = I_{ievilkšana} \times R_{kabeļa} = I_{ievilkšana} \ reizes \frac{2 \ reizes L_{kabeļa} \ reizes \rho_{Cu}}{A_{cable}}$

Kur $\rho_{Cu}$ = 0,0175 Ω-mm²/m. 30 m kabeļa garumam ar 0,75 mm² vadu, kas pārvadā 0,458 A:

$\Delta V = 0,458 \times \frac{2 \times 30 \times 0,0175}{0,75} = 0,458 \times 1,4 = 0,64V$

Pieņemams - spoles spriegums pie minimālā barošanas sprieguma (21,6 V) mīnus kabeļa kritums (0,64 V) mīnus PLC izejas kritums (1,5 V) = 19,5 V, kas ir 81% nominālais 24 V - atbilstoši 85% minimālā darba sprieguma specifikācijai vairumam standarta spoļu.

Ja kabeļu garums pārsniedz 50 m, pārejiet uz 1,0 mm² vai 1,5 mm² kabeļiem, lai saglabātu pietiekamu spoles spriegumu.

Elektriskā trokšņa apsvērumi enerģijas taupīšanas spoles

Energoefektīvās spoles satur iekšējo elektroniku, kas, pārejot no ievilkšanas uz turēšanas režīmu, rada pārslēgšanās pārejas procesus. Šie pārejošie procesi var radīt problēmas vadības sistēmās, kas jutīgas pret troksni:

vadīts troksnis: PWM pārslēgšana turēšanas fāzē rada augstfrekvences strāvas pulsācijas uz 24 V līdzstrāvas barošanas sliedes. Lai slāpētu šo pulsāciju, uzstādiet 100 µF elektrolītisko kondensatoru pāri 24 V līdzstrāvas padeves sliedēm pie vārsta spaiļu kārbas.

induktīvs atsitiens⁵: Kad spole ir atvienota no sprieguma, sabrūkot magnētiskajam laukam, rodas sprieguma kāpums (induktīvs atsitiens), kas var sabojāt PLC izejas tranzistorus. Enerģiju taupošas spoles ar iekšējām slāpēšanas diodēm (TVS vai Zenera) ierobežo šo lēcienu līdz drošam līmenim - vienmēr norādiet spoles ar iekšējo slāpēšanu vai uzstādiet ārējās slāpēšanas diodes PLC izejas spailēs.

Izslēgšanas specifikācija:

$V_{supresija} \leq V_{PLC izeja,max} - V_{piegādes}$

24 V līdzstrāvas maiņstrāvas sistēmai ar PLC izeju, kuras maksimālais nominālais spriegums ir 36 V: $V_{supresija} \leq 36 - 24 = 12V$ - norādiet TVS diodes ar skavas spriegumu ≤ 36 V.

Vadības paneļa siltuma budžeta aprēķins

Aprēķinot siltuma budžetu, tiek noteikts, vai paneļa dzesēšanas sistēma var tikt galā ar spoles siltuma slodzi:

$T_{panelis} = T_{ambient} + \frac{P_{kopējais,izkliedētais}}}{K_{termiskais} \reiz A_{panelis}}$

Kur $K_{termiskais}$ ir paneļa siltumvadītspējas koeficients (parasti 5,5 W/m²-°C standarta tērauda korpusiem ar dabisko konvekciju).

Ingridas panelim (600 × 800 mm korpuss, $A_{panelis}$ = 1.44 m²):

Pirms jaunināšanas:
$T_{panelis} = 25°C + \frac{528W}{5,5 reizes 1,44} = 25 + 66,7 = 91,7°C$

Tas pārsniedz maksimālo paneļa temperatūru lielākajai daļai elektronisko komponentu (parasti 55-70 °C), kas izskaidro, kāpēc bija nepieciešams gaisa kondicionieris.

Pēc atjaunināšanas:
$T_{panelis} = 25°C + \frac{172,8W}{5,5 reizes 1,44} = 25 + 21,8 = 46,8°C$

Zem piespiedu dzesēšanas sliekšņa - gaisa kondicionieris vairs nav nepieciešams. ✅

Bepto enerģijas taupīšanas solenoīda spole: Produktu un cenu atsauce

Spoles tips	Spriegums	Pull-In W	Holding W	Samazināšana	Savienotājs	OEM cena	Bepto cena
Standarta fiksētais	24 V LĪDZSTRĀVAS	6W	6W	0%	DIN 43650A	$12 - $22	$7 - $13
Standarta fiksētais	24 V LĪDZSTRĀVAS	11W	11W	0%	DIN 43650A	$14 - $25	$9 - $15
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	6W	1.0W	83%	DIN 43650A	$22 - $40	$13 - $24
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	11W	1.5W	86%	DIN 43650A	$28 - $50	$17 - $31
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	15W	2.5W	83%	DIN 43650A	$35 - $62	$21 - $38
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	20W	3.0W	85%	DIN 43650A	$42 - $75	$26 - $46
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	28W	4.5W	84%	DIN 43650A	$52 - $92	$32 - $56
Enerģijas taupīšana	110VAC	11W	1.5W	86%	DIN 43650A	$32 - $58	$20 - $35
Enerģijas taupīšana	220 V MAIŅSTRĀVAS SPRIEGUMS	11W	1.5W	86%	DIN 43650A	$32 - $58	$20 - $35
Enerģijas taupīšana	24 V LĪDZSTRĀVAS	11W	1.5W	86%	M12 × 1	$35 - $62	$21 - $38

Visām Bepto enerģijas taupīšanas spolēm ir iekšējās TVS slāpēšanas diodes, IP65 klases savienotāja korpuss un UL/CE sertifikāts. Visiem modeļiem standarta aprīkojumā ir strāvas sensora adaptīva ievilkšanas laika noteikšana (nevis fiksēts taimeris), kas nodrošina uzticamu darbību neatkarīgi no barošanas sprieguma un temperatūras svārstībām. Pasūtījuma izpildes laiks 3-7 darba dienas. ✅

Energoefektīvu spoļu modernizācijas rentabilitātes aprēķinu sistēma

$T_{atmaksa,mēneši} = \frac{C_{spoil,jauninājums} \ reizes N_{vārsti}}}{(P_{ietaupījums,W} \ reizes H_{gadā} \ reizes C_{enerģija}) / 1000}$

Kur:

• $C_{spoles,jauninājums}$ = papildu izmaksas uz vienu spole salīdzinājumā ar parasto (Bepto: $8-$16 uz spole)
• $N_{vārsti}$ = modernizēto vārstu skaits
• $P_{saving,W}$ = enerģijas ietaupījums uz vienu spoli gaidīšanas režīmā (W)
• $H_{gada}$ = gada darba stundas
• $C_{enerģija}$ = enerģijas izmaksas ($/kWh)

Piemērs: 20 vārsti, 11W→1,5W, 6000 stundu/gadā, $0,12/kWh:

$T_{atmaksa} = \frac{12 \reiz 20}{(9,5W \reiz 6000 \reiz 0,12) / 1000} = \frac{240}{6,84} = 35 \text{ mēneši}$

Ieskaitot paneļu dzesēšanas enerģijas ietaupījumu (parasti 1,5-2 reizes lielāks nekā spirāles enerģijas ietaupījums dzesēšanas sistēmas efektivitātes dēļ), atmaksāšanās periods samazinās līdz 14-18 mēnešiem - atbilstoši Ingridas pieredzei Štutgartē.

Secinājums

Solenoīda spoles jaudas izvēle nav kataloga noklusējuma lēmums - tas ir aprēķins, kurā jāpārbauda vilkšanas spēka pietiekamība pie minimālā sprieguma un maksimālās temperatūras, turēšanas spēka pietiekamība ar samazinātu jaudu, PLC izejas kartes strāvas saderība, kabeļa sprieguma kritums un paneļa siltuma budžets. Energoefektīvās spoles ar 83-86% turēšanas spēka samazinājumu ir pareizā specifikācija jebkuram vārstam, kas vairāk nekā 20% no cikla laika pavada zem sprieguma turēšanas stāvoklī - kas raksturo lielāko daļu rūpniecisko pneimatisko vārstu. Aprēķiniet ievilkšanas jaudu, kas nepieciešama jūsu visnelabvēlīgākajiem elektrības apstākļiem, norādiet turēšanas jaudu, kas nodrošina paneļa siltuma budžetu noteiktajās robežās, un, izmantojot Bepto, saņemiet strāvas sensoru adaptīvās enerģijas taupīšanas spoles ar iekšējo slāpēšanu savā uzņēmumā 3-7 darba dienās par cenām, kas nodrošina atmaksāšanos mēnešos, nevis gados. 🏆

Biežāk uzdotie jautājumi par enerģijas taupīšanas solenoīda spoļu pareizās jaudas izvēli

1. Uzziniet vairāk par magnētiskā indukcijas blīvuma principiem un to, kā tas nosaka rūpniecisko solenoīdu radīto spēku. ↩

2. Piekļūstiet tehniskajai atsaucei par brīvas telpas caurlaidību un tās nozīmi magnētiskā lauka intensitātes aprēķināšanā. ↩

3. Izpētiet, kā PWM (impulsa platuma modulācija) tiek izmantota, lai efektīvi kontrolētu enerģijas padevi mūsdienu elektroniskajās shēmās. ↩

4. Visaptverošs ceļvedis, lai izprastu PLC tranzistoru izejas kartes un ar tām saistītos katra kanāla un grupas strāvas ierobežojumus. ↩

5. Izpratne par induktīvā atsitiena fenomenu un nepieciešamajiem aizsardzības pasākumiem, lai aizsargātu jutīgu vadības elektroniku. ↩