I- Cấu tạo và nguyên lý làm việc của contactor

1- Contactor là gì?

Contactor (Công tắc tơ) hay còn gọi là Khởi động từ là khí cụ điện hạ áp, thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực. Contactor là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện. Nhờ có contactor ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng,… thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.

Thao tác đóng ngắt của contactor có thể thực hiện nhờ cơ cấu điện từ, cơ cấu khí động hoặc cơ cấu thủy lực. Nhưng thông dụng nhất là các loại contactor điện từ. Trong bài viết này sẽ chỉ đề cập đến contactor đóng ngắt theo cơ chế điện từ.

2- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Contactor

Contactor bao gồm 3 bộ phận chính:
 
     *  Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm;  Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu.
    *  Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mòn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang.
    *  Hệ thống tiếp điểm: gồm có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ
Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua. Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của contactor trong tủ điện làm mạch từ hút lại.
Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở.
 
Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong contactor ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này mở ra khi contactor ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường mở.
Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của Contactor.
Nguyên lý hoạt động của contactor như sau: Khi cấp nguồn trong mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của Contactor vào hai đầu cuộn dây quấn trên phần lõi từ đã được cố định trước đó thì lực từ sinh ra sẽ hút phần lõi từ di động và hình thành mạch từ kín (lúc này lực từ sẽ lớn hơn phản lực của lò xo). Contactor bắt đầu trạng thái hoạt động.
 
Nhờ bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (khi thường đóng sẽ mở ra và khi thường hở sẽ đóng lại), trạng thái này sẽ được duy trì. Khi nguồn điện ngưng cấp cho cuộn dây thì contactor ở trạng thái nghỉ và các tiếp điểm lại trở về trạng thái ban đầu.

3- Thông số cơ bản của Contactor

  • Dòng điện định mức: Là dòng điện chảy qua hệ thống tiếp điểm chính của contactor khi đóng mạch điện phụ tải. Với giá trị này của dòng điện, mạch dẫn điện chính của contactor không bị phát nóng quá giới hạn cho phép.
  • Điện áp định mức: Là điện áp đặt trên hai cực của mạch dẫn điện chính của contactor.
  • Khả năng đóng của contactor: Được đánh giá bằng giá trị dòng điện mà contactor có thể đóng thành công. Thường thì giá trị này bằng từ 1 đến 7 lần giá trị dòng điện định mức.
  • Khả năng ngắt của contactor: Được đánh giá bằng giá trị dòng điện ngắt, mà ở giá trị đó, contactor có thể tác động ngắt thành công khỏi mạch điện. Thường giá trị này bằng từ 1 đến 10 lần dòng điện định mức.
  • Độ bền cơ: Là số lần đóng ngắt khi không có dòng điện chảy qua hệ thống tiếp điểm của contactor. Vượt quá số lần đóng ngắt đó, các tiếp điểm xem như bị hư hỏng, không còn sử dụng được nữa. Các loại contactor thường có độ bền cơ từ 5 triệu đến 10 triệu lần đóng ngắt.
  • Độ bền điện: Là số lần đóng ngắt dòng điện định mức. Contactor loại thường có độ bền điện vào khoảng 200.000 đến 1 triệu lần đóng ngắt.

4- Phân loại Contactor

  • Có nhiều cách phân loại contactor:
  • Theo nguyên lý truyền động: Ta có contactor kiểu điện từ, kiểu hơi ép, kiểu thủy lực,… Thường thì ta gặp contactor kiểu điện từ. 
  • Theo dạng dòng điện: Contactor điện một chiều và contactor điện xoay chiều.
  • Theo kết cấu: Người ta phân contactor dùng ở nơi hạn chế chiều cao (như bảng điện ở gầm xe) và ở nơi hạn chế chiều rộng (ví dụ buồng tàu điện).
  • Theo dòng điện định mức: Contactor 9A, 12A, 18A,…. 800A hoặc lớn hơn.
  • Theo số cực: Contactor 1 pha, 2 pha, 3 pha, 4 pha. Phổ biến nhất là contactor 3 pha.
  • Theo cấp điện áp: Contactor trung thế, contactor hạ thế.
  • Theo điện áp cuộn hút: Cuộn hút xoay chiều 220VAC, 380VAC,… cuộn hút 1 chiều 24VDC, 48VDC,…
  • Theo chức năng chuyên dụng: Một số hãng chế tạo contactor chuyên dụng cho một ứng dụng đặc thù ví dụ contactor chuyên dùng cho tụ bù của hãng Schneider,…

5 – Ưu điểm của Contactor

Kích thước nhỏ gọn có thể tận dụng khoảng không gian hẹp để lắp đặt và thao tác mà cầu dao không thực hiện được. Điều khiển đóng cắt từ xa có vỏ ngăn hồ quang phóng ra bên ngoài nên an toàn tuyệt đối cho người thao tác với hệ thống điện, thời gian đóng cắt nhanh, độ bền cao, hoạt động ổn định,… vì những ưu điểm trên contactor được sử dụng rộng rãi để điều khiển đóng cắt trong mạch điện hạ áp đặc biệt sử dụng nhiều trong các nhà máy công nghiệp.

6 – Ứng dụng của Contactor

Contactor là thiết bị điều khiển để đóng ngắt nguồn cấp cho thiết bị do đó được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống điện.
Trong công nghiệp Contactor được sử dụng để điều khiển vận hành các động cơ hay thiết bị điện để an toàn khi vận hành. Đây là một giải pháp tự động hóa bằng phương pháp cơ điện. Phương pháp này không xử lý những quá trình phức tạp nhưng nó đơn giản và có độ ổn định cao, dễ sửa chữa.
Contactor  là thiết bị được sử dụng nhiều trong công nghiệp và cả dân dụng:
  • Contactor điều khiển động cơ: cấp nguồn cho động cơ khởi động trực tiếp. Contactor được dùng kết hợp với Rơ le nhiệt để bảo vệ quá tải cho động cơ.
  • Contactor khởi động sao – tam giác: thay đổi chế độ hoạt động của động cơ từ sơ đồ hình sao khi khởi động sang sơ đồ tam giác khi động cơ đã vận hành ổn định, mục đích để giảm dòng khởi động.
  • Contactor điều khiển tụ bù: đóng ngắt các tụ bù vào lưới điện để bù công suất phản kháng. Contactor được dùng trong hệ thống bù tự động được điều khiển bằng bộ điều khiển tụ bù đảm bảo đóng cắt các cấp tụ phù hợp với tải.
  • Contactor điều khiển đèn chiếu sáng: có thể điều khiển contactor bằng rơ le thời gian hoặc PLC để đóng cắt điện cấp cho đèn chiếu sáng để bật/tắt đèn theo giờ quy định.

7- Cách chọn Contactor

Lựa chọn contactor cho động cơ:
 
Để lựa chọn Contactor phù hợp cho động cơ ta phải dựa vào những thông số cơ bản như Uđm, P , Cosphi
–  Iđm = Itt x 2
–  Iccb = Iđm x 2
–  Ict   = (1.2 – 1.5) x Iđm
Ta tính toán trong ví dụ cụ thể như sau:
Tải động cơ 3P, 380V, 3KW, tính toán dòng định mức theo công thức như sau:
Iđm = P / (1.73 x 380 x 0.85) ở đây hệ số cosphi là 0.85.
Ta tính được: Iđm = 3000 / (1.73 x 380 x 0.85) = 5.4 A
Ict = (1.2 – 1.4) Iđm.
Ta tính được: Ict = 1.4 x 5.4 = 7.56A
Nên chọn Contactor có dòng lớn hơn dòng tính toán.
Có thể chọn contactor 9A của LS (MC-9b), Mitsubishi (S-T10),…
Chọn contactor cho động cơ phải lưu ý đến điện áp cuộn hút và tiếp điểm phụ.
 
Lựa chọn contactor cho tụ bù:
 
Để lựa chọn Contactor phù hợp cho tụ bù ta phải dựa vào dòng điện định mức của tụ bù.
Ví dụ tụ 3 pha 415V 50kVAr có dòng định mức 69.6A.
Chọn contactor lớn hơn từ 1.2 lần dòng định mức của tụ = 6.9.6A x 1.2 = 83.52A.
Có thể chọn contactor 85A của LS (MC-85a), 100A của Mitsubishi (S-T100),…
Chọn contactor dòng cao thì tốt hơn nhưng chi phí sẽ cao hơn, kích thước lớn hơn sẽ mất nhiều không gian lắp đặt.
Ngoài ra phải lưu ý điện áp cuộn hút, Contactor dùng cho tụ bù có thể dùng 2 loại cuộn hút 220VAC hoặc 380VAC, dùng nhiều nhất là loại Contactor cuộn hút 220VAC.

II – Cấu tạo và nguyên lý làm việc của rơ le nhiệt

1- Rơ le nhiệt là gì? 

Rơ le nhiệt (hay còn gọi là Relay nhiệt) là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải, thường dùng kèm với Contactor (Khởi động từ). Rơ le nhiệt có chức năng tự động đóng cắt tiếp điểm nhờ sự co dãn vì nhiệt của các thanh kim loại.

2- Cấu tạo rơ le nhiệt

Chú thích:
 
1. Đòn bẩy 
2. Tiếp điểm thường đóng (NC)
3. Tiếp điểm thường mở (NO)
4. Vít chỉnh dòng điện tác động
5. Thanh lưỡng kim
6. Dây đốt nóng
7. Cần gạt
8. Nút phục hồi (Reset)
ví dụ :  Cấu tạo rơ le nhiệt của hãng ABB
Rơ le nhiệt gồm có 1 tiếp điểm NC (tiếp điểm thường đóng) và 1 tiếp điểm NO (tiếp điểm thường mở).
– Tiếp điểm NC: khi quá tải tiếp điểm NC sẽ mở, tiếp điểm NC được mắc nối tiếp với mạch điều khiển (cuộn hút contactor).
– Tiếp điểm NO: khi quá tải tiếp điểm NO sẽ đóng, thường dùng để kết nối với đèn hay còi báo động khi có sự cố xảy ra.

3- Nguyên lý làm việc của rơ le nhiệt

 
Phần tử cơ bản của rơ le nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ hai tấm kim loại, một tấm hệ số giãn nở bé (thường dùng invar có 36% Ni, 64% Fe) một tấm hệ số giãn nở lớn (thường là đồng thau hay thép crôm – niken, như đồng thau giãn nở gấp 20 lần invar). Hai phiến ghép lại với nhau thành một tấm bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn.
 
Khi đốt nóng do dòng điện, phiến kim loại kép uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, có thể dùng trực tiếp cho dòng điện qua hoặc dây điện trở bao quanh. Để độ uốn cong lớn yêu cầu phiến kim loại phải có chiều dài lớn và mỏng. Nếu cần lực đẩy mạnh thì chế tạo tấm phiến rộng, dày và ngắn.
 

4- Cách chọn rơ le nhiệt

Rơ le nhiệt dùng để bảo vệ quá tải cho động cơ, do đó khi chọn rơ le nhiệt cần phải chọn loại phù hợp với động cơ thì mới có tác dụng bảo vệ. Nhiều trường hợp người dùng chọn rơ le nhiệt theo dòng của contactor hoặc aptomat là không đúng dẫn tới động cơ bị cháy khi quá tải.
 
Ví dụ: động cơ 3 pha 380V 15kW có dải hoạt động 22-34A. Nếu chọn rơ le nhiệt của hãng Mitsubishi thì chọn TH-T50 35A (30-40A). Trong khi đó có thể chọn contactor và aptomat từ 40A hoặc cao hơn.
 
Chúc các bạn thành công!
 
Bạn gặp khó khăn trong tính toán thiết kế hệ thống điện .Hãy đăng ký học thử miễn phí 01 buổi cùng các chuyên gia của chúng tôi. Chúng tôi sẽ giúp bạn
Hãy chia sẻ, nếu bạn cảm thấy bài viết có ích cho bạn bè !