Contactor là gì?

Contactor là một loại rơ-le điện (thiết bị đóng ngắt được điều khiển bằng điện) có khả năng chịu dòng điện và điện áp lớn – tức là được thiết kế để vận hành trong các hệ thống điện công suất cao.

Thông thường, thuật ngữ “contactor” được dùng để chỉ các thiết bị có khả năng đóng/ngắt dòng điện từ 15 ampe trở lên, hoặc hoạt động trong các mạch điện có công suất từ vài kilowatt trở lên.

Trong thực tế, contactor được sử dụng phổ biến để điều khiển các tải điện công nghiệp như:

• Động cơ điện, thông qua các bộ khởi động động cơ tổ hợp (combination motor starters)
• Hệ thống chiếu sáng
• Thiết bị sưởi
• Tụ bù công suất (capacitor banks)
• Thiết bị bay hơi nhiệt

Cũng như nhiều phụ tải điện khác

Về kích thước, contactor có thể rất nhỏ gọn – đủ để cầm bằng một tay – nhưng cũng có loại lớn với kích thước tới gần 1 mét mỗi cạnh, tùy thuộc vào công suất tải mà chúng phải điều khiển.

Sự khác biệt giữa các thiết bị điện khác?

Các loại rơ-le khác

Contactor có dòng điện, điện áp và công suất định mức cao hơn so với các loại rơ-le khác. Do đó, contactor thường được sử dụng để đóng cắt những tải có dòng điện hoặc điện áp cao hơn; trong khi đó, các loại rơ-le khác chủ yếu được dùng để đóng cắt tải có dòng điện hoặc điện áp thấp hơn.

Không giống như các rơ-le thông thường, contactor được thiết kế để kết nối trực tiếp với các thiết bị tải dòng lớn.

Máy ngắt điện

Không giống như máy ngắt điện, contactor không được thiết kế để ngắt dòng ngắn mạch.

Dải hoạt động của contactor có thể từ những loại có khả năng ngắt dòng chỉ vài ampe đến hàng ngàn ampe, và làm việc trong khoảng điện áp từ 24 VDC đến hàng kilovolt. Tuy nhiên, các mức này không đủ lớn để có thể ngắt dòng ngắn mạch một cách an toàn.

Cấu trúc

Một contactor bao gồm ba thành phần chính:

• Các tiếp điểm là phần dẫn dòng điện trong contactor. Thành phần này bao gồm tiếp điểm công suất, tiếp điểm phụ và lò xo tiếp điểm.
• Nam châm điện (hoặc “cuộn dây”) tạo ra lực tác động để đóng các tiếp điểm. Vỏ thiết bị là bộ khung chứa các tiếp điểm và nam châm điện.
• Bộ phận dập hồ quang từ sử dụng các cuộn dây dập hồ quang để kéo dài và điều hướng hồ quang điện.

Nguyên Lí hoạt động

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây nam châm điện, một từ trường sẽ được tạo ra, từ trường này hút lõi chuyển động (moving core) của contactor.

Ban đầu, cuộn dây nam châm điện tiêu thụ dòng điện lớn hơn, cho đến khi độ tự cảm của nó tăng lên do lõi kim loại đi vào bên trong cuộn dây.

Tiếp điểm động (moving contact) được đẩy bởi chuyển động của lõi sắt; lực hút từ trường tạo ra bởi nam châm điện sẽ giữ tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ép chặt lại với nhau.

Khi cuộn dây bị mất điện (de-energized), trọng lực hoặc lò xo hồi vị sẽ đưa lõi nam châm điện trở về vị trí ban đầu, làm mở các tiếp điểm ra.

Đối với các contactor sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC), một phần nhỏ của lõi được quấn thêm cuộn dây tạo từ lệch pha (shading coil). Cuộn này có tác dụng làm trễ nhẹ từ thông trong lõi sắt, giúp duy trì lực hút ổn định và giảm hiện tượng rung lõi khi qua điểm không của dòng điện xoay chiều.

Dập hồ quang

Nếu không có biện pháp bảo vệ tiếp điểm thích hợp, sự xuất hiện của hồ quang điện khi đóng/ngắt dòng điện sẽ gây ra sự suy giảm nghiêm trọng cho tiếp điểm, dẫn đến hư hỏng nặng theo thời gian.

Hồ quang điện xảy ra giữa hai điểm tiếp xúc (điện cực) khi chuyển trạng thái từ đóng sang mở (gây ra hồ quang ngắt – break arc) hoặc từ mở sang đóng (gây ra hồ quang đóng – make arc). Trong đó, hồ quang ngắt thường có năng lượng lớn hơn và do đó cũng gây hư hại nặng hơn cho tiếp điểm.

Ví dụ, một contactor được lựa chọn và lắp đặt đúng cách thường có tuổi thọ từ 10.000 đến 100.000 lần đóng/ngắt khi vận hành có tải (có dòng điện chạy qua). Trong khi đó, tuổi thọ cơ khí (khi không đóng cắt dòng điện) của cùng thiết bị đó có thể vượt quá 20 triệu lần hoạt động, cho thấy hồ quang điện là yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ bền thiết bị.

Xếp hạng

Contactor được định mức dựa trên các thông số kỹ thuật sau:

• Dòng điện tải định mức cho mỗi cực (pole)
• Dòng điện chịu đựng sự cố tối đa
• Chu kỳ làm việc (duty cycle)
• Tuổi thọ thiết kế
• Điện áp làm việc
• Điện áp cuộn dây điều khiển

Hạng mục sử dụng IEC

Xếp hạng dòng điện của công tắc tơ phụ thuộc vào hạng mục sử dụng. Ví dụ về các hạng mục IEC trong tiêu chuẩn 60947 được mô tả như sau:

• AC-1 – Tải không cảm ứng hoặc cảm ứng nhẹ, lò điện trở
• AC-2 – Khởi động động cơ vành trượt: khởi động, ngắt
• AC-3 – Khởi động động cơ lồng sóc và chỉ ngắt sau khi động cơ đạt tốc độ tối đa. (Khóa dòng rotor (LRA), Ngắt dòng toàn tải (FLA))
• AC-4 – Khởi động động cơ lồng sóc với chế độ hoạt động nhích và ngắt. Khởi động/Dừng nhanh. (Khởi động và ngắt LRA)

Rơ le và khối tiếp điểm phụ được xếp hạng theo IEC 60947-5-1:

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

NEMA

• Tiếp điểm NEMA dành cho động cơ điện áp thấp (dưới 1.000 vôn) được định mức theo kích thước NEMA, trong đó nêu định mức dòng điện liên tục tối đa và định mức theo mã lực cho động cơ cảm ứng được gắn kèm.
• Kích cỡ contactor tiêu chuẩn theo NEMA được ký hiệu từ 00, 0, 1, 2, 3 đến 9.

Ứng dụng

• Điều khiển hệ thống chiếu sáng (Lighting control): Contactor thường được sử dụng để điều khiển tập trung các hệ thống chiếu sáng quy mô lớn, chẳng hạn như tòa nhà văn phòng hoặc trung tâm thương mại.
• Khởi động từ (Magnetic starter): Khởi động từ là thiết bị chuyên dùng để cấp nguồn cho động cơ điện. Nó bao gồm một contactor như thành phần chính, đồng thời tích hợp thêm chức năng ngắt nguồn, bảo vệ thấp áp, và bảo vệ quá tải.
• Contactor chân không (Vacuum contactor): Đây là loại contactor sử dụng các tiếp điểm được bao kín trong bình chân không nhằm mục đích dập hồ quang hiệu quả. Việc dập hồ quang trong môi trường chân không giúp cho các tiếp điểm có thể được thiết kế nhỏ gọn hơn, tiết kiệm không gian hơn so với loại contactor dập hồ quang bằng không khí khi đóng cắt dòng cao.
• Rơ-le thủy ngân (Mercury relay): Còn gọi là rơ-le dịch chuyển thủy ngân hoặc contactor thủy ngân, đây là loại rơ-le sử dụng thủy ngân kim loại ở dạng lỏng, được chứa trong một hộp kín cách điện, đóng vai trò như phần tử đóng/ngắt mạch chính.
• Rơ-le thủy ngân dạng ướt (Mercury-wetted relay): Đây là một dạng rơ-le, thường là rơ-le dạng lá (reed relay), trong đó các tiếp điểm được làm ướt bằng thủy ngân để cải thiện khả năng đóng cắt tín hiệu. Tuy nhiên, các rơ-le loại này không được coi là contactor vì chúng không được thiết kế để làm việc với dòng điện trên 15 ampe.
• Sạc xe điện (EV Charging): Để đáp ứng việc sạc ở cả mức điện áp 400 V và 800 V DC, xe Tesla Cybertruck sử dụng loại contactor Double-Pole Double-Throw (DPDT) – tức contactor hai cực hai chiều.
• Vận hành bằng trục cam (Camshaft operation): Khi một loạt các contactor cần được vận hành theo trình tự cố định, việc này có thể được thực hiện thông qua trục cam thay vì dùng các cuộn hút điện từ riêng biệt. Đây là phương pháp điều khiển cơ khí trong các ứng dụng tự động hóa đặc thù.

Contactor là gì không chỉ là câu hỏi về mặt khái niệm mà còn là yếu tố then chốt trong việc vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả của các hệ thống điện công nghiệp, tự động hóa và năng lượng hiện đại. Việc lựa chọn và sử dụng Contactor chất lượng cao giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, giảm thiểu rủi ro sự cố, đồng thời nâng cao hiệu suất vận hành cho doanh nghiệp.