Contactor

Trong thử nghiệm bán dẫn, contactor cũng có thể chỉ socket (giắc cắm) chuyên dụng để kết nối thiết bị thử nghiệm.

Trong công nghiệp, contactor là một thiết bị cho phép hai dòng chảy tương tác, chẳng hạn như không khí và chất lỏng. Tham khảo contactor khí-lỏng.

Contactor là một loại công tắc điện dùng để điều khiển thiết bị điện bằng cách mở hoặc đóng mạch, tương tự như relay nhưng với dòng điện lớn hơn. Nó hoạt động dựa trên lực từ điện từ, kéo cơ để di chuyển các tiếp điểm và điều khiển mạch điện. Contactor được điều khiển bởi một mạch điện có năng lượng thấp hơn nhiều so với mạch điện chính.

Contactor có nhiều kiểu dáng, công suất và tính năng khác nhau. Không giống như máy cắt, contactor không được thiết kế để cắt ngắn mạch. Contactor có khả năng hoạt động từ dòng cắt vài Ampe đến hàng ngàn Ampe và từ 24 VDC đến kilovôn. Kích thước của contactor dao động từ các thiết bị nhỏ có thể điều khiển bằng một tay đến các thiết bị lớn có kích thước khoảng một mét.

Contactor được dùng để điều khiển động cơ điện, chiếu sáng, hệ thống sưởi, tụ điện, máy sấy nhiệt và nhiều loại tải khác. Trong công nghiệp, contactor thường được áp dụng cho hệ thống điều khiển tải, bơm và quạt, cũng như trong điều khiển tủ điện. Nó có thể được điều khiển thủ công hoặc tự động qua tín hiệu từ các thiết bị tự động hóa.

Cấu tạo

Một contactor gồm ba thành phần chính: tiếp điểm, nam châm điện và vỏ bọc. Tiếp điểm là bộ phận dẫn dòng điện và bao gồm tiếp điểm lực, tiếp điểm phụ, cùng các lò xo. Nam châm điện (hoặc 'cuộn dây') tạo lực để đóng tiếp điểm. Vỏ bọc, làm từ vật liệu cách điện như Bakelite, Nylon 6, hoặc nhựa chịu nhiệt, bảo vệ tiếp điểm và nam châm điện, đồng thời bảo vệ con người khỏi tiếp xúc trực tiếp với các tiếp điểm. Các contactor khung-hở còn có lớp vỏ bổ sung để chống bụi, dầu, chất dễ cháy nổ và thời tiết.

Bộ phận triệt từ sử dụng các cuộn dây triệt từ để kéo dài và dập tắt hồ quang điện, đặc biệt hiệu quả trong các mạch DC. Hồ quang AC có chu kỳ nhỏ, dễ dập tắt hơn, trong khi hồ quang DC với dòng liên tục lớn yêu cầu kéo dài hồ quang hơn để dập tắt. Bộ phận triệt từ trong contactor Albright (như hình trên) có khả năng xử lý dòng điện lên đến 1.500 A, gấp đôi khả năng đánh thủng so với mức 600 A.

Đôi khi, mạch tiết kiệm được sử dụng để giảm lượng điện cần thiết để giữ contactor đóng. Một tiếp điểm phụ giảm dòng điện qua cuộn dây khi contactor đã đóng. Công suất cần thiết để đóng contactor ban đầu thường lớn hơn so với công suất cần thiết để duy trì trạng thái đóng. Mạch tiết kiệm có thể tiết kiệm đáng kể năng lượng và giữ cho cuộn dây mát. Mạch này thường được lắp trên cuộn dây của contactor DC và các contactor AC có dòng lớn.

Contactor cơ bản có một đầu vào cuộn dây, có thể là AC hoặc DC tùy thuộc vào thiết kế. Cuộn dây này có thể sử dụng cùng điện áp với động cơ mà contactor điều khiển hoặc được điều khiển bằng điện áp thấp hơn phù hợp với PLC và thiết bị điều khiển điện áp nhỏ. Một số contactor có cuộn dây nối trực tiếp với mạch lực, dùng để điều khiển tăng tốc tự động, giữ cho các giai đoạn kháng không bị cắt cho đến khi động cơ hiện tại giảm xuống.

Nguyên lý hoạt động

Khác với rơle đa dụng, contactor được thiết kế để kết nối trực tiếp với các thiết bị phụ tải lớn. Rơle thường có công suất thấp và được thiết kế cho các ứng dụng thường đóng hoặc thường mở. Các thiết bị chuyển mạch trên 15 Ampe hoặc mạch điện có công suất lớn thường gọi là contactor. Hầu hết contactor có tiếp điểm thường mở ('dạng A') và được trang bị các tính năng để điều khiển và dập tắt hồ quang trong các dòng mạch lớn, như động cơ.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây nam châm điện, nó tạo ra một từ trường hút lõi di động của contactor. Ban đầu, cuộn dây nam châm điện cần nhiều dòng hơn để hoạt động, nhưng khi lõi kim loại vào trong cuộn dây, điện cảm tăng lên. Lực từ nam châm giữ các tiếp điểm di động và cố định. Khi mất điện, trọng lực hoặc lò xo sẽ kéo lõi nam châm về vị trí ban đầu và mở các tiếp điểm.

Đối với contactor AC, một phần lõi được quấn quanh bằng một cuộn chắn để làm chậm từ trường trong lõi. Điều này giúp trung hòa lực kéo luân phiên và ngăn lõi phát ra tiếng ù ù với tần số gấp đôi tần số lưới điện.

Do hiện tượng hồ quang điện và tác động khi các tiếp điểm đóng hoặc mở, contactor được thiết kế để thực hiện các thao tác mở và đóng nhanh chóng. Thường có cơ cấu điểm tới hạn bên trong để đảm bảo contactor hoạt động nhanh chóng.

Việc đóng mở nhanh chóng có thể dẫn đến hiện tượng tiếp điểm giả dò, gây ra chu kỳ đóng mở không mong muốn. Một giải pháp là sử dụng tiếp điểm chân xòe để giảm thiểu hiện tượng tiếp điểm bị nảy lên; hai tiếp điểm thiết kế để đóng đồng thời nhưng trở lại vào thời điểm khác nhau, giúp mạch điện không bị ngắt trong thời gian ngắn và gây hồ quang điện.

Một biến thể nhẹ với nhiều tiếp điểm được thiết kế để gài vào nhanh chóng. Tiếp điểm đầu tiên thực hiện kết nối, và tiếp điểm cuối cùng chịu đựng sự hao mòn lớn nhất, tạo ra kết nối điện trở cao và có thể gây quá nhiệt trong contactor. Tuy nhiên, điều này bảo vệ các tiếp điểm chính khỏi hồ quang điện, và một điện trở tiếp xúc thấp được thiết lập sau đó trong một phần nghìn giây.

Một cách khác để kéo dài tuổi thọ của contactor là sử dụng cơ chế quét tiếp điểm, trong đó các tiếp điểm sẽ di chuyển qua nhau sau khi tiếp xúc ban đầu để loại bỏ các vết bẩn còn sót lại.

Dập hồ quang

Khi không có bảo vệ tiếp điểm đầy đủ, hồ quang điện có thể gây ra sự suy giảm nghiêm trọng ở các tiếp điểm, dẫn đến thiệt hại đáng kể. Hồ quang điện xuất hiện giữa hai điểm tiếp xúc khi chúng chuyển từ trạng thái đóng sang mở hoặc ngược lại. Hồ quang ngắt thường mạnh hơn và gây ra sự phá hủy lớn hơn.

Nhiệt độ cực cao do hồ quang điện tạo ra có thể làm mòn hoặc đốt cháy kim loại tiếp điểm. Nhiệt độ này, lên đến hàng chục nghìn độ C, làm phân hủy các phân tử khí xung quanh, tạo ra khí ozone, carbon monoxide, và các hợp chất khác. Hồ quang dần dần làm hỏng kim loại tiếp điểm và thải ra hạt vào không khí. Do đó, tuổi thọ của contactor có thể giảm xuống từ 10.000 đến 100.000 chu kỳ hoạt động, so với hàng triệu chu kỳ hoạt động không có điện.

Phần lớn contactor điều khiển động cơ hạ áp (dưới 600 volt) là các contactor khí, nơi không khí xung quanh tiếp điểm giúp dập tắt hồ quang khi mạch điện bị ngắt. Contactors cho động cơ AC trung áp hiện đại thường sử dụng công nghệ chân không. Contactors cao áp (trên 1000 volt) có thể sử dụng chân không hoặc khí trơ để bảo vệ tiếp điểm. Contactors cao áp (trên 600 volt) vẫn sử dụng không khí bên trong máng dập hồ quang đặc biệt để triệt tiêu năng lượng hồ quang. Các thiết bị cơ khí điện cao áp có thể được bảo vệ bởi cầu dao khí nén, giúp thổi dập hồ quang điện khi cần thiết.

Xếp loại

Contactor được đánh giá dựa trên nhiều yếu tố như dòng điện tải thiết kế cho mỗi tiếp điểm, khả năng chịu dòng sự cố tối đa, chu kỳ làm việc, tuổi thọ thiết kế mong muốn, điện áp và điện áp cuộn dây. Một contactor dùng cho động cơ có thể được thiết kế cho các nhiệm vụ khởi động dòng lớn trên các động cơ lớn, trong khi contactor 'mục đích cụ thể' lại phù hợp cho các ứng dụng như khởi động động cơ nén khí của điều hòa không khí. Bắc Mỹ và châu Âu có những cách phân loại khác nhau, với Bắc Mỹ chú trọng vào tính đơn giản của ứng dụng, trong khi châu Âu chú trọng đến thiết kế phù hợp với vòng đời dự kiến của các ứng dụng.

Phân loại theo IEC

Đánh giá hiện tại của contactor phụ thuộc vào loại ứng dụng. Ví dụ về phân loại theo IEC trong tiêu chuẩn 60947 được mô tả như sau:

• AC-1 - Dành cho các tải không cảm ứng hoặc cảm ứng nhẹ, như lò điện trở.
• AC-2 - Khởi động động cơ vành trượt: khởi động và ngắt nguồn.
• AC-3 - Khởi động động cơ lồng sóc và ngắt nguồn chỉ sau khi động cơ đạt tốc độ yêu cầu (Khóa Dòng Rotor (LRA), Ngắt dòng đầy tải (FLA)).
• AC-4 - Khởi động động cơ lồng sóc với các phương pháp khởi động inching và plugging. Khởi động/Dừng nhanh (Tạo và ngắt khóa dòng rotor).

Rơ le và các khối tiếp điểm phụ được đánh giá theo tiêu chuẩn IEC 60947-5-1.

• AC-15 - Điều khiển các tải điện từ (>72 VA).
• DC-13 - Điều khiển nam châm điện.

NEMA

Các contactor NEMA (Hiệp hội các nhà sản xuất điện quốc gia của Mỹ) cho động cơ hạ áp (dưới 1000 vôn) được phân loại theo kích thước NEMA, bao gồm một chỉ số dòng điện liên tục tối đa và một phân loại theo mã lực cho các động cơ không đồng bộ. Kích thước contactor theo tiêu chuẩn NEMA được chỉ định bằng các số 00, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Phân loại mã lực (công suất) dựa trên điện áp, đặc tính của động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn và chu kỳ làm việc theo tiêu chuẩn NEMA ICS2. Các chu kỳ làm việc đặc biệt hoặc động cơ chuyên dụng có thể yêu cầu kích thước starter NEMA khác với phân loại thông thường. Tài liệu của nhà sản xuất được sử dụng để hướng dẫn lựa chọn cho các tải không phải động cơ, ví dụ như chiếu sáng dây tóc hoặc tụ bù công suất. Các contactor cho động cơ trung thế (trên 1000 vôn) được phân loại theo điện áp và khả năng dòng điện.

Các tiếp điểm phụ của contactor được sử dụng trong các mạch điều khiển và được xếp loại theo các tiêu chuẩn NEMA cho nhiệm vụ mạch điều khiển cần thiết. Thông thường, các tiếp điểm này không được sử dụng trong mạch động cơ. Mã phân loại bao gồm một chữ cái và một số ba chữ số, trong đó chữ cái chỉ định dòng điện của tiếp điểm và loại dòng điện (AC hoặc DC), còn số ba chữ số chỉ định giá trị điện áp thiết kế tối đa.

Ứng dụng

Điều khiển chiếu sáng

Contactor thường được sử dụng để điều khiển tập trung trong các hệ thống chiếu sáng lớn, như tòa nhà văn phòng hoặc trung tâm bán lẻ. Để giảm tiêu thụ điện năng trong cuộn dây contactor, người ta sử dụng loại contactor có hai cuộn dây. Một cuộn dây, khi được cấp điện, sẽ đóng các điểm tiếp của mạch chính và giữ trạng thái đóng này bằng cơ cấu cơ khí; cuộn dây còn lại sẽ mở các tiếp điểm này khi cần.

Khởi động từ

Khởi động từ là thiết bị dùng để cấp điện cho động cơ điện. Nó bao gồm một contactor chính và các thành phần bảo vệ như bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ thiếu áp, và bảo vệ quá tải.

Contactor chân không

Contactor chân không sử dụng một môi trường chân không để bao bọc các tiếp điểm và dập hồ quang. Điều này cho phép tiếp điểm nhỏ hơn nhiều và tiết kiệm không gian so với các tiếp điểm ngắt bằng không khí ở dòng điện cao hơn. Với việc bao bọc tiếp điểm, các contactor chân không được sử dụng phổ biến trong các môi trường có bụi bẩn, như trong khai thác mỏ.

Contactor chân không chỉ thích hợp cho hệ thống AC. Hồ quang điện trong AC khi cắt các tiếp điểm sẽ tự tắt tại điểm zero của sóng điện áp, với chân không ngăn chặn sự tái phát của hồ quang qua các tiếp điểm mở. Do đó, contactor chân không rất hiệu quả trong việc phá vỡ hồ quang và thường được sử dụng khi cần đóng cắt nhanh chóng, với thời gian nghỉ tối đa theo chu kỳ sóng AC. Ví dụ, với nguồn điện 60 Hz (chuẩn Mỹ), nguồn điện sẽ được ngắt trong khoảng 1/120 giây hoặc 0,008333 giây.

Rơ le thủy ngân

Rơle thủy ngân, còn được biết đến với tên gọi rơle chuyển thủy ngân hay contactor thủy ngân, là loại rơle sử dụng thủy ngân lỏng trong một khoang kín cách điện để thực hiện chức năng đóng cắt.

Rơle thấm thủy ngân

Rơle thấm thủy ngân là một loại rơle, thường là rơle lưỡi gà, trong đó các tiếp điểm được thấm (tẩm) thủy ngân. Những rơle này không được xem là contactor vì chúng không được thiết kế để chịu dòng điện lớn hơn 15 ampe.