Tìm hiểu 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, khởi động từ đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và vận hành an toàn cho các động cơ và thiết bị điện. Đây là giải pháp tự động hóa theo phương pháp cơ điện, mang lại sự đơn giản, ổn định cao, và dễ dàng sửa chữa mà không cần đến những quy trình phức tạp.
Hệ thống chiếu sáng tự động: Sử dụng PLC hoặc relay nhiệt có cài đặt thời gian, hệ thống này có thể tự động bật tắt đèn chiếu sáng theo lịch trình ngày và giờ đã thiết lập.
Điều khiển động cơ: Đảm bảo motor khởi động trực tiếp hoặc kết hợp thêm relay nhiệt để bảo vệ motor trong trường hợp làm việc quá tải, giúp tăng độ bền và hiệu suất vận hành.
Điều khiển tụ bù: Tự động đóng hoặc cắt các cấp của tụ bù nhằm điều chỉnh phù hợp với mức tải, tối ưu hiệu suất và bảo vệ hệ thống điện.

Ưu điểm của khởi động từ

An toàn tối ưu: Với chế độ đóng ngắt từ xa, khởi động từ đảm bảo an toàn cho người vận hành, đặc biệt với lớp vỏ bảo vệ ngăn ngừa hồ quang phóng ra ngoài trong các môi trường độc hại.
Thiết kế gọn nhẹ, chắc chắn: Dễ dàng lắp đặt ở mọi vị trí, kể cả không gian chật hẹp, giúp tối ưu hóa không gian trong môi trường làm việc.
Giá cả hợp lý: Với giá thành phải chăng, khởi động từ trở thành lựa chọn dễ tiếp cận và phổ biến trên thị trường.
Tiết kiệm điện năng: Thời gian đóng cắt nhanh chóng giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả, nâng cao hiệu suất vận hành.
Độ bền cao: Các tiếp điểm chính và phụ của contactor có khả năng chống ăn mòn, mài mòn tốt, kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Ứng dụng rộng rãi: Khởi động từ được dùng phổ biến trong các khu công nghiệp, nhà máy, và xưởng sản xuất.

Nhược điểm của khởi động từ

Phương pháp khởi động từ tuy hiệu quả nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý:
Dòng điện mở máy lớn: Dòng tải với quán tính cao khiến dòng điện mở máy kéo dài, điều này có thể gây áp lực lên hệ thống và ảnh hưởng đến hiệu suất.
Động cơ nóng lên: Khi vận hành liên tục, khởi động từ có thể làm các động cơ điện bị nóng lên, khởi động không êm, dẫn đến giảm hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống điện áp do bị giảm áp kéo dài.
Phức tạp trong vận hành và bảo dưỡng: Đối với các động cơ yêu cầu cao như roto lồng sóc, phương pháp này khiến việc vận hành và bảo trì trở nên khó khăn hơn.

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

Điều chỉnh mô men chính xác: Khả năng điều chỉnh mô men một cách chính xác của khởi động mềm đáp ứng hiệu quả ngay cả khi tải nặng hay tải nhẹ, tối ưu hóa hiệu suất cho mọi ứng dụng.
Dừng mềm an toàn: Khởi động mềm hỗ trợ chức năng dừng mềm, đặc biệt hữu ích cho các hệ thống bơm, nơi thường gặp hiện tượng búa nước khi dừng đột ngột bằng phương pháp khởi động sao-tam giác hay trực tiếp.
Bảo vệ vật liệu dễ vỡ: Với chức năng dừng mềm, hệ thống băng tải vận chuyển vật liệu dễ vỡ sẽ được bảo vệ, tránh các sự cố hư hỏng do dừng quá nhanh.
Dừng theo quán tính: Trong trường hợp ngừng điện áp đột ngột, động cơ vẫn có thể dừng theo quán tính vòng quay, giúp duy trì an toàn và ổn định trong khoảng thời gian ngắn.
Điều chỉnh điện áp linh hoạt: Khởi động mềm cho phép động cơ giảm điện áp từ từ trong khoảng 1–20 giây (tùy yêu cầu), giúp quá trình dừng máy diễn ra mượt mà và bảo vệ động cơ tốt hơn.
Tiết kiệm năng lượng: Khi vận hành ở tải thấp, khởi động mềm tự động giảm dòng điện áp đến mức tối ưu, giúp tiết kiệm điện năng và giảm chi phí vận hành.

Cấu tạo của khởi động mềm

Cấu tạo của khởi động mềm (Soft Start) bao gồm:
Bộ phận điều khiển: Tuỳ thuộc vào loại khởi động mềm, phần điều khiển có thể bao gồm màn hình hiển thị và bàn phím hoặc điều chỉnh bằng vít, biến trở. Điều này giúp người dùng dễ dàng cấu hình theo nhu cầu vận hành.
Thyristor hoặc SCR (Silicon Controlled Rectifier): Thành phần quan trọng này thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh và đóng ngắt dòng điện một cách mượt mà, giúp giảm tải đột ngột khi khởi động.
Hệ thống tản nhiệt và quạt làm mát: Đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định bằng cách giảm nhiệt độ, giúp khởi động mềm hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.
Vỏ bảo vệ: Thiết kế đa dạng theo các tiêu chuẩn chống bụi, chống nước tùy theo môi trường sử dụng, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các tác động từ bên ngoài.
Contactor Bypass: Một số khởi động mềm tích hợp sẵn contactor bypass, giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng trong quá trình hoạt động.
Bộ điều khiển chức năng đa dạng: Bao gồm các cổng kết nối như Modbus, Profibus, relay báo trạng thái, bảo vệ chống quá nhiệt, quá tải, cùng khả năng điều chỉnh thời gian khởi động qua biến trở hoặc màn hình, đảm bảo tính linh hoạt và an toàn trong sử dụng.