Tìm hiểu và nghiên cứu nội dung kỹ thuật về khởi động từ, khởi động mềm và biến tần

Khởi động từ, khởi động mềm và biến tần được biết đến như là những thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất và bảo vệ động cơ trong quá trình vận hành. 
Khởi động từ thường được sử dụng để bật tắt động cơ điện, giúp điều khiển nguồn điện một cách an toàn và hiệu quả. Khởi động mềm giúp giảm dòng khởi động, bảo vệ động cơ khỏi những cú sốc điện, đồng thời cho phép khởi động và dừng động cơ một cách mượt mà. Biến tần không chỉ điều chỉnh tốc độ và mô men của động cơ mà còn tiết kiệm năng lượng bằng cách điều khiển tần số và điện áp đầu vào.
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu chuyên sâu chức năng và cách thức hoạt động của khởi động từ, khởi động mềm và biến tần để bạn có thể đưa ra lựa chọn mua sản phẩm phù hợp với nhu cầu công việc của bạn!

1. Khởi động từ (Contactor)

Khái niệm của khởi động từ

Khởi động từ (Contactor) đây là một khí cụ điện hạ áp, cực kỳ quan trọng trong các hệ thống điện, có khả năng thực hiện đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực.

Cấu tạo của khởi động từ

Cấu tạo của khởi động từ bao gồm nam châm điện, hệ thống tiếp điểm và hệ thống dập hồ quang, cụ thể:

Nam châm điện: Có 1 lõi thép, 1 lò xo để đẩy lõi nắp dịch chuyển về vị trí ban đầu, cuộn dây để tạo ra lực hút nam châm. Chức năng của nam châm điện là tạo ra một từ trường.

Hệ thống tiếp điểm: Có tiếp điểm chính (tiếp điểm thường hở, đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của khởi động từ ở trong tủ điện làm mạch từ hút lại, có khả năng cho dòng điện lớn đi qua) và tiếp điểm phụ (có 2 trạng thái thường đóng và thường mở, có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A).

Hệ thống dập hồ quang: Do chuyển mạch liên tục, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm dễ bị cháy và hao mòn dần nên cần hệ thống dập hồ quang.

Nguyên lý hoạt động của khởi động từ

Khởi động từ (hay còn gọi là Contactor) hoạt động với nguyên lý cung cấp nguồn điện vào mạch điện, điều khiển bằng giá trị điện áp định mức của công tắc tơ và khởi động. Lúc này dòng điện sẽ đến 2 đầu cuộn dây quấn cố định trên lõi từ, một từ trường được sinh ra, lực từ xuất hiện hút lõi dịch chuyển và hình thành mạch từ kín. 

Khi đó, khởi động từ ở trạng thái hoạt động, các tiếp điểm chính sẽ đóng, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái và duy trì (khi thường hở sẽ đóng lại và khi thường đóng sẽ mở ra).

Khi chúng ta ngắt dòng điện vào mạch, khởi động từ cũng bị ngắt điện theo. Dưới tác dụng của lò xo nén, phần lõi di động trở về vị trí ban đầu. Đồng thời, các tiếp điểm trở sẽ trở về trạng thái thường hở và động cơ lúc này sẽ ngừng hoạt động.

Sơ đồ đấu nối cho khởi động từ 3 pha

MCB: (Miniature Circuit Breaker) là cầu dao tự động dạng tép

: tiếp điểm chính của contactor

: tiếp điểm phụ của contactor

OL: over load relay

: coil-contactor là cuộn dây của contactor

: tiếp điểm thường đóng của relay

Phân loại của khởi động từ

- Theo nguyên lý truyền động: Các loại của khởi động từ được phân thành nhiều kiểu khác nhau ví dụ như: khởi động từ kiểu điện từ, kiểu thủy lực, kiểu hơi ép. Trong đó khởi động từ kiểu điện từ được sử dụng phổ biến hơn cả.

- Theo dạng dòng điện: Loại này sẽ có cả khởi động từ một chiều và khởi động từ xoay chiều.

- Theo kết cấu: Loại khởi động từ dùng ở nơi hạn chế chiều cao và khởi động từ dùng ở nơi hạn chế chiều rộng.

- Theo điện áp: Được chia thành công tắc tơ hạ thế, công tắc tơ trung thế.

- Theo dòng điện định mức: Có các dòng điện nhỏ từ dòng điện nhỏ như: 6A, 9A, 12A, 18A,… hoặc dòng điện lớn như: 600A, 800A, 900A.

- Theo chức năng: Có các kiểu công tắc tơ chuyên dùng cho tụ bù, dùng cho motor, kiểu chống bụi hoặc nước,…

Tác dụng của khởi động từ

Trong công nghiệp tác dụng của khởi động từ thường 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 ổn định cao dễ sửa chữa.

- Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng PLC hoặc relay nhiệt cài đặt thời gian, có thể tự động bật tắt đèn chiếu sáng theo giờ, ngày đã quy định.

- Điều khiển động cơ để motor khởi động trực tiếp hoặc kết hợp với một số relay nhiệt để bảo vệ cho motor khi phải làm việc quá nhiều.

- Điều khiển tụ bù có mục đích đóng hoặc cắt các cấp của tụ bù để phù hợp với tải làm việc.

Ưu điểm của khởi động từ

- Đảm bảo an toàn nhờ có chế độ đóng ngắt từ xa, đồng thời trong những hệ thống độc hại sẽ có lớp vỏ để ngăn chặn hồ quang phóng ra ngoài.

- Thiết kế gọn nhẹ và chắc chắn, có thể lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau và tận dụng tối đa các không gian chật hẹp.

- Giá thành phải chăng, dễ dàng tìm mua trên thị trường nên ai cũng có thể sử dụng.

- Thời gian đóng cắt điện nhanh chóng, hỗ trợ tiết kiệm điện năng tiêu thụ hiệu quả.

- Những tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ của contactor có khả năng chịu ăn mòn cao, chống mài mòn tốt.

- Được dùng rộng rãi trong các khu công nghiệp, nhà máy, xưởng sản xuất,...

Nhược điểm của khởi động từ

- Nhược điểm của phương pháp khởi động từ này chính là dòng điện mở máy khá lớn và nếu quán tính của những dòng tải khá lớn sẽ làm cho dòng điện mở máy kéo dài hơn.

- Đặc biệt nó có thể làm cho những động cơ điện bị phát nóng và các động cơ khởi động không êm, chính điều này sẽ ảnh hưởng đến các lưới điện áp vì thời gian bị giảm áp bị quá lâu. Ngoài ra, khi sử dụng phương pháp này sẽ kéo theo các động cơ phức tạp hơn như vận hành khó hơn, bảo quản phức tạp cho các roto lồng sóc.

2. Relay nhiệt (Thiết bị hỗ trợ của khởi động từ)

Relay nhiệt là gì

Relay nhiệt được hiểu là một thiết bị dùng để bảo vệ các mao mạch điện để tránh gây hư hỏng cho hệ thống điện khi dòng điện bị quá tải, tăng lên đột ngột hay bị rò ra bên ngoài.

Relay nhiệt là một thiết bị điện tử được sử dụng trong các ứng dụng điện để bảo vệ hệ thống khỏi quá tải nhiệt độ. Chúng có chức năng theo dõi nhiệt độ của hệ thống và ngắt điện hoặc tắt hệ thống tự động khi nhiệt độ của hệ thống vượt quá giới hạn được đặt ra. Điều này giúp giảm thiểu nguy cơ hỏa hoạn và sự hư hại cho hệ thống, từ đó đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Cấu tạo của Relay nhiệt

Relay nhiệt được cấu tạo đơn giản với các bộ phận chính gồm:

- Đòn bẩy có trong relay nhiệt.

- Tiếp điểm thường đóng được ký hiệu là NC.

- Tiếp điểm thường mở viết tắt là NO.

- Vít chỉnh ngăn dòng điện tác động.

- Thanh lưỡng kim của relay nhiệt.

- Dây đốt nóng có trong relay nhiệt.

- Cần gạt relay nhiệt.

- Nút phục hồi được kí hiệu là reset.

Nguyên lý hoạt động của Relay nhiệt

Cơ chế hoạt động của relay nhiệt là khi dòng điện quá tải hoặc thiết bị điện hoạt động liên tục sẽ sản sinh ra một nhiệt lượng rất lớn tác động lên thanh kim loại. Điều này sẽ làm relay có hiện tượng bị giãn nở, hở mao mạch và đồng thời ngắt điện để hạn chế mức độ nguy hiểm khi mọi người sử dụng.

Phân loại của Relay nhiệt

Theo pha:
Relay nhiệt 1 pha: Thiết bị relay nhiệt một pha được nhiều hộ gia đình sử dụng cho dòng điện có động cơ 220V để đảm bảo an toàn cho mọi thành viên cũng như hệ thống điện trong nhà. Ngoài ra, dòng sản phẩm này còn có thể giám sát các quá trình hoạt động để ngăn chặn rủi ro có thể xảy ra khi có sự cố chập cháy động cơ bên trong.
Relay nhiệt 3 pha: Dòng sản phẩm 3 pha là một trong những thiết bị điện có công suất lớn nhất từ 3kw, 4kw cho đến 4.5kw. Relay nhiệt 3 pha thường được sử dụng trong công nghiệp để đảm bảo hiệu suất mà dòng điện có thể cung cấp. Ngoài ra, khi gặp sự cố thì relay sẽ có nhiệm vụ tắc nguồn điện lực ra khỏi động cơ để giảm thiểu mọi nguy hiểm.
Theo chân:
Relay 1 chân: Loại relay này thường chỉ có một chân để kết nối nguồn, không phổ biến lắm trong các ứng dụng công nghiệp.
Relay 2 chân: Thường được sử dụng trong các mạch đơn giản, có chức năng đóng hoặc ngắt một mạch điện duy nhất.
Relay 3 chân: Có thể kết nối với một mạch nguồn và một mạch tải, thường dùng để điều khiển một thiết bị.
Relay 4 chân: Loại này cho phép điều khiển nhiều mạch, với khả năng đóng/ngắt đồng thời cho nhiều thiết bị.
Relay 5 chân trở lên: Sử dụng trong các ứng dụng phức tạp, có thể có nhiều chức năng và chế độ hoạt động khác nhau, như relay đa điểm hoặc relay điều khiển tự động.

Ứng dụng của Relay nhiệt

Relay nhiệt là thiết bị quan trọng trong các hệ thống điện lớn, bao gồm các máy móc công nghiệp, hệ thống điều hòa không khí và hệ thống điện nhà ở. Khi nhiệt độ của hệ thống vượt quá giới hạn quy định, relay sẽ phát hiện và tắt nguồn điện đầu vào. Việc tắt nguồn điện này sẽ giúp hệ thống dừng lại và ngăn chặn khỏi bị phá hủy.
Hơn nữa, relay cũng được sử dụng để giảm thiểu nguy cơ gây hỏa hoạn. Trong một số trường hợp, quá tải nhiệt độ có thể dẫn đến môi trường cháy nổ và gây hỏa hoạn. Khi phát hiện tình trạng này, chúng sẽ ngay lập tức tắt nguồn để giảm thiểu nguy cơ gây hỏa hoạn. Nhờ vào chức năng này, relay nhiệt hỗ trợ bảo vệ cho hệ thống điện và an toàn cho người sử dụng.

3. Khởi động mềm (Soft Start)

Khái niệm của khởi động mềm

Khởi động mềm hay còn có tên tiếng Anh là Soft Start là khí cụ điện điện dùng để hỗ trợ quá trình khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha công suất trung bình và lớn. Giúp bảo vệ động cơ khỏi hư hại do dòng khởi động lớn và đột ngột, và tránh sụt áp hệ thống lưới điện làm hư hại các thiết bị điện khác trên cùng lưới và ảnh hưởng về cơ khí.

Công dụng của khởi động mềm

- Khởi động mềm giúp làm giảm đi những ảnh hưởng nhiều cho các thiết bị máy móc, từ đó giúp cho chi phí bảo trì được giảm một cách đáng kể.
- Khi nói đến khởi động mềm thì một trong những công dụng lớn nhất là khả năng điều chỉnh mô men một cách rất chính xác khi cần thiết cho dù ứng dụng là tải hay không.
- Bên cạnh đó, công dụng khá nổi bật của bộ Soft Starter là chức năng dừng mềm, chức năng này thực sự hữu ích khi dừng bơm, nơi xảy ra các hiện tượng búa nước khi dừng trực tiếp như trong khởi động sao, khởi động tam giác và khởi động trực tiếp.
- Chức năng dừng mềm cũng rất hữu ích khi dừng băng tải vận chuyển các vật liệu dễ vỡ, có thể bị hư hỏng khi các vành đai dừng quá nhanh.
- Cho phép động cơ dừng tự do theo quán tính, để ứng phó với tình huống điện áp cấp vào bị ngừng trực tiếp, thì động cơ vẫn có thể tiếp tục dừng lại theo quán tính vòng quay của động cơ, trong khoảng thời gian xác định. 
- Cho phép động cơ dừng mềm, từ đó điện áp của động cơ có thiết bị khởi động mềm sẽ giảm từ từ và trong khoảng từ 1
– 20 giây (tùy thuộc vào yêu cầu)
- Tiết kiệm được nhiều năng lượng hơn khi động cơ vận hành không tải hoặc non tải, bởi khởi động mềm giúp giảm dòng điện áp động cơ tới giá trị U0, từ đó giúp giảm điện áp, giảm dòng điện, giảm chi phí tối đa.

Cấu tạo của khởi động mềm

Cấu tạo của khởi động mềm (Soft Start) bao gồm:
- Bộ phận điều khiển (tùy loại có màn hình và bàn phím hoặc điều khiển bằng vít hay cài đặt bằng vặn biến trở)
- Thyristor hay SCR (Silicon controler rectifier) dùng để điều khiển, đóng ngắt dòng điện
- Tản nhiệt và quạt làm mát
- Vỏ bảo vệ tùy loại theo các tiêu chuẩn bảo vệ do môi trường sử dụng
- Contactor Bypass (tùy theo từng loại khởi động mềm có sẵn hay không có sẵn)
- Bộ phận điều khiển: điều khiển số hoặc cơ khí, các ngõ ra chức năng relay báo trạng thái, điều khiển bảo vệ chống quá nhiệt, quá tải, các cổng kết nối truyền thông Modbus, Profibus, điều khiển thời gian khởi động bằng biến trở hay bằng màn hình