Contactor là gì? Cấu tạo, nguyên lý và cách lựa chọn cho động cơ & tủ MCC

1. Contactor là gì? Cấu tạo, nguyên lý và cách lựa chọn

Contactor là thiết bị đóng cắt điện từ được sử dụng để đóng và cắt mạch điện bằng tín hiệu điều khiển, đặc biệt phù hợp với các tải cần thao tác thường xuyên như động cơ bơm, máy khuấy, quạt, máy thổi khí, bộ gia nhiệt và nhiều thiết bị công nghiệp khác.

Trong tủ MCC của một trạm xử lý nước thải, contactor thường xuất hiện trong nhánh động cơ theo cấu trúc:

Nguồn → MCCB/MPCB → contactor → relay quá tải → động cơ

Trong cấu hình này, contactor đảm nhiệm việc đóng và cắt mạch động lực trong quá trình vận hành. Nó không thay thế MCCB trong bảo vệ ngắn mạch và cũng không thay thế relay quá tải trong bảo vệ quá tải động cơ.

Đây là điểm quan trọng nhất khi tiếp cận contactor: contactor là thiết bị đóng cắt vận hành, không phải CB bảo vệ ngắn mạch.

Ở Việt Nam, TCVN 6592-4-1:2009 về contactor và bộ khởi động động cơ kiểu điện cơ tương đương IEC 60947-4-1:2002. Ở cấp quốc tế, IEC 60947-4-1:2023 là phiên bản mới hơn của tiêu chuẩn về contactor điện cơ và bộ khởi động động cơ. Khi thiết kế dự án cụ thể cần kiểm tra bộ tiêu chuẩn được áp dụng trong hồ sơ và phiên bản hiện hành tại thời điểm thiết kế.

2. Contactor thực sự làm nhiệm vụ gì?

Bản chất của contactor là sử dụng một mạch điều khiển để tác động đến một mạch tải có công suất lớn hơn.

Ví dụ PLC cần điều khiển một bơm nước thải. Đầu ra PLC không cấp trực tiếp nguồn ba pha cho động cơ. Thay vào đó, tín hiệu điều khiển tác động đến cuộn hút của contactor:

PLC/relay điều khiển → cuộn hút contactor → tiếp điểm chính đóng → động cơ được cấp điện

Khi lệnh chạy bị loại bỏ:

Cuộn hút mất điện → contactor nhả → tiếp điểm chính mở → động cơ mất điện

Nhờ đó, hệ thống tách được hai phần có chức năng khác nhau:

• Mạch động lực: mang dòng điện cấp cho tải.
• Mạch điều khiển: quyết định khi nào contactor được phép đóng hoặc phải nhả.

Lệnh điều khiển contactor có thể đến từ nút nhấn, công tắc Local/Remote, relay trung gian, PLC hoặc chuỗi liên động công nghệ và bảo vệ.

Trong một trạm xử lý nước thải, PLC có thể phát lệnh chạy bơm theo mức nước. Nhưng contactor không "biết" mức nước cao hay thấp. Nó chỉ thực hiện trạng thái đóng hoặc mở theo tín hiệu điều khiển nhận được.

3. Cấu tạo của contactor

Một contactor điện từ điển hình gồm hệ thống điện từ, hệ thống tiếp điểm, cơ cấu hồi vị và hệ thống dập hồ quang. Ngoài ra có thể có các tiếp điểm phụ và phụ kiện phục vụ điều khiển.

3.1. Cuộn hút và mạch từ

Hệ thống điện từ tạo ra lực cơ học để đóng contactor.

Hai đầu cuộn hút thường được ký hiệu:

A1 – A2

Khi đặt đúng điện áp lên cuộn hút, dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường trong mạch từ. Lực điện từ kéo phần ứng chuyển động về phía lõi từ cố định.

Chuyển động này được truyền tới hệ thống tiếp điểm.

Có thể biểu diễn chuỗi biến đổi:

Điện áp điều khiển → dòng cuộn hút → từ trường → lực điện từ → chuyển động phần ứng → thay đổi trạng thái tiếp điểm

Khi ngắt nguồn cuộn hút, lực điện từ giảm và lò xo hồi vị đưa cơ cấu trở về trạng thái ban đầu.

3.2. Tiếp điểm chính

Tiếp điểm chính là phần tử trực tiếp mang dòng tải.

Với contactor ba cực dùng cho động cơ ba pha, ba đường dẫn thường được ký hiệu tương ứng:

L1 → T1

L2 → T2

L3 → T3

Khi contactor đóng, ba tiếp điểm chính đóng gần như đồng thời và nối động cơ với nguồn thông qua các thiết bị còn lại của nhánh động lực.

Tiếp điểm chính phải chịu được không chỉ dòng vận hành mà còn ứng suất khi đóng và cắt tải. Đặc tính của tải vì vậy ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và tuổi thọ điện của contactor.

3.3. Tiếp điểm phụ

Tiếp điểm phụ làm việc trong mạch điều khiển, không phải đường cấp nguồn chính cho động cơ.

Hai trạng thái phổ biến là:

• NO – thường mở.
• NC – thường đóng.

Tiếp điểm phụ được sử dụng để tự duy trì, liên động, báo trạng thái, tạo logic điều khiển hoặc đưa tín hiệu về PLC.

Ví dụ, tiếp điểm phụ NO của contactor có thể đưa về một DI của PLC để phản ánh trạng thái của contactor theo cấu hình mạch.

Tuy nhiên cần phân biệt:

Contactor đã đóng ≠ động cơ chắc chắn đang quay.

Tiếp điểm phụ chỉ phản ánh trạng thái liên quan đến cơ cấu contactor. Muốn xác nhận động cơ thực sự vận hành có thể cần tín hiệu khác từ VFD, relay bảo vệ, công tắc dòng, cảm biến tốc độ hoặc thiết bị giám sát phù hợp.

3.4. Hệ thống dập hồ quang

Khi contactor đang mang dòng và tiếp điểm tách ra, dòng điện không biến mất ngay khi hai bề mặt tiếp điểm bắt đầu rời nhau. Điện trường giữa chúng có thể duy trì hồ quang điện trong một khoảng thời gian.

Hồ quang làm tăng nhiệt độ và gây xói mòn bề mặt tiếp điểm. Nếu năng lượng hồ quang vượt quá khả năng thiết kế, tiếp điểm có thể hư hỏng nhanh hoặc thậm chí bị dính.

Vì vậy contactor phải có cấu trúc dập hồ quang phù hợp với loại dòng điện, điện áp và nhiệm vụ đóng cắt của thiết bị.

Đây cũng là lý do không thể đánh giá contactor chỉ bằng dòng định mức.

4. Nguyên lý hoạt động của contactor

4.1. Khi cuộn hút chưa có điện

Ở trạng thái nghỉ, lò xo giữ phần ứng ở vị trí ban đầu.

Với cấu hình contactor thông thường:

• Tiếp điểm chính mở.
• Tiếp điểm phụ NO mở.
• Tiếp điểm phụ NC đóng.

Động cơ chưa được nối với nguồn qua contactor.

4.2. Khi cấp điện cho cuộn hút

Khi điện áp phù hợp được đặt vào A1–A2, cuộn hút tạo từ trường.

Lực điện từ kéo phần ứng và làm hệ thống tiếp điểm chuyển trạng thái:

• Tiếp điểm chính đóng.
• Tiếp điểm phụ NO đóng.
• Tiếp điểm phụ NC mở.

Mạch động lực được thiết lập và tải có thể nhận nguồn.

4.3. Khi cuộn hút mất điện

Khi nguồn điều khiển bị loại bỏ, lực điện từ giảm. Lò xo hồi vị đưa phần ứng về trạng thái nghỉ.

Tiếp điểm chính mở và tải được ngắt khỏi nguồn qua contactor.

Cơ chế này cho phép contactor thao tác nhiều lần bằng tín hiệu điện mà không cần người vận hành trực tiếp đóng cắt mạch động lực.

5. Điện áp cuộn hút và điện áp tải là hai thông số khác nhau

Đây là một trong những lỗi nhận thức phổ biến khi mới làm quen với tủ điện.

Giả sử contactor đóng cắt động cơ:

3 pha – 400 V AC

không có nghĩa cuộn hút contactor cũng sử dụng 400 V AC.

Mạch động lực và mạch điều khiển là hai hệ chức năng khác nhau. Cuộn hút có thể được chế tạo cho 24 VDC, 24 VAC, 110 VAC, 220–230 VAC hoặc mức điện áp khác tùy model.

Do đó khi lựa chọn contactor phải kiểm tra riêng:

• Mạch động lực: \(U_e\), \(I_e\), cấp sử dụng và khả năng đóng cắt tải.
• Mạch điều khiển: điện áp, loại AC/DC và đặc tính của cuộn hút.

Một contactor đúng công suất động cơ nhưng sai mã cuộn hút vẫn là lựa chọn sai.

Trong hệ thống điều khiển hiện đại, 24 VDC được sử dụng rộng rãi cho PLC và thiết bị điều khiển, nhưng không được mặc định mọi contactor đều phải sử dụng cuộn 24 VDC. Điện áp điều khiển phải được xác định từ kiến trúc hệ thống và thông số thiết bị.

6. Vì sao contactor AC có thể phát tiếng ù?

Ở contactor sử dụng cuộn hút AC, từ thông biến thiên theo nguồn xoay chiều. Kết cấu mạch từ được thiết kế để duy trì lực hút đủ ổn định trong chu kỳ điện áp.

Tiếng ù nhẹ có thể xuất hiện trong một số contactor AC, nhưng rung hoặc kêu bất thường kéo dài cần được kiểm tra.

Nguyên nhân có thể liên quan đến:

• Điện áp cuộn hút thấp hoặc không ổn định.
• Sai điện áp cuộn hút.
• Phần ứng không hút hết hành trình.
• Bề mặt mạch từ bẩn.
• Cơ cấu chuyển động bị cản.
• Contactor bị mòn hoặc hư hỏng.

Nếu phần ứng không được hút hoàn toàn, tình trạng nhiệt của cuộn dây có thể trở nên bất lợi. Vì vậy contactor rung mạnh hoặc kêu bất thường không nên được xem đơn thuần là đặc tính bình thường của thiết bị.

7. Contactor khác relay trung gian như thế nào?

Contactor và relay trung gian đều có thể sử dụng cuộn điện từ để điều khiển tiếp điểm, nhưng mục đích thiết kế khác nhau.

Không nên thay contactor bằng relay trung gian chỉ vì dòng định mức ghi trên tiếp điểm relay lớn hơn dòng làm việc dự kiến.

Khả năng đóng cắt phụ thuộc vào loại tải, không chỉ dòng ổn định.

8. Contactor khác MCCB như thế nào?

MCCB và contactor có thể cùng xuất hiện trong một nhánh động cơ nhưng thực hiện hai nhiệm vụ khác nhau.

MCCB thực hiện chức năng đóng cắt và bảo vệ theo đặc tính của CB, đặc biệt liên quan đến quá dòng và ngắn mạch.

Contactor thực hiện đóng cắt thường xuyên tải theo lệnh điều khiển.

Một nhánh động cơ điển hình có thể là:

MCCB → contactor → relay quá tải → động cơ

Không nên sử dụng contactor thay CB, cũng không nên xem MCCB và contactor là hai thiết bị có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

9. Cấp sử dụng quyết định khả năng đóng cắt của contactor

Một trong những thông số quan trọng nhất khi chọn contactor là cấp sử dụng (utilization category).

Hai contactor có cùng dòng ghi trên thiết bị không nhất thiết có khả năng điều khiển cùng một tải.

Lý do nằm ở điều kiện điện khi đóng và cắt.

Tải điện trở, động cơ đang chạy ổn định và động cơ bị đảo chiều hoặc nhấp động tạo ra những điều kiện đóng cắt khác nhau.

9.1. AC-1

AC-1 được sử dụng cho nhóm tải AC không cảm hoặc cảm kháng nhỏ theo định nghĩa của tiêu chuẩn.

Điều cần nhớ trong thực hành là:

Không lấy dòng AC-1 để lựa chọn contactor cho động cơ nếu ứng dụng động cơ thuộc cấp sử dụng khác.

Thông số AC-1 trên catalogue có thể lớn hơn đáng kể dòng mà cùng contactor được phép sử dụng trong ứng dụng động cơ.

9.2. AC-3 và AC-3e

AC-3 là cấp sử dụng quan trọng đối với động cơ không đồng bộ lồng sóc trong chế độ khởi động và cắt động cơ khi đang chạy theo điều kiện được tiêu chuẩn xác định.

IEC 60947-4-1:2023 cũng có các nội dung liên quan đến AC-3e.

Với các tải như bơm, máy khuấy và một số quạt vận hành theo chế độ chạy/dừng thông thường, dữ liệu AC-3/AC-3e thường là nhóm thông số cần kiểm tra tùy ứng dụng và thiết bị.

9.3. AC-4

AC-4 liên quan đến các chế độ điều khiển động cơ khắc nghiệt hơn như đảo chiều, hãm ngược hoặc nhấp động theo các điều kiện được tiêu chuẩn quy định.

Trong các trường hợp này, contactor phải đóng hoặc cắt khi điều kiện dòng điện và trạng thái động cơ khắc nghiệt hơn chế độ chạy/dừng thông thường.

Do đó một contactor phù hợp với AC-3 không thể mặc nhiên được xem là có cùng khả năng tải trong AC-4.

Bảng trên chỉ thể hiện bản chất ứng dụng. Việc lựa chọn cuối cùng phải sử dụng dữ liệu của model contactor và điều kiện làm việc cụ thể.

10. Cách lựa chọn contactor cho động cơ

Quy tắc:

\(I_{contactor} > I_{motor}\)

chỉ là một kiểm tra sơ bộ, không phải phương pháp lựa chọn hoàn chỉnh.

Một contactor cho động cơ phải được xác định đồng thời theo dòng tải, điện áp, cấp sử dụng, phương thức vận hành, tần suất đóng cắt và khả năng phối hợp với các thiết bị bảo vệ.

10.1. Xác định dữ liệu động cơ

Trước hết cần xác định:

• Điện áp định mức.
• Số pha.
• Công suất.
• Dòng định mức.
• Hiệu suất.
• Hệ số công suất.
• Phương thức khởi động.
• Chế độ vận hành.
• Yêu cầu đảo chiều hoặc nhấp động nếu có.

Nếu chỉ biết công suất cơ đầu ra \(P_2\), dòng của động cơ ba pha có thể ước tính:

Trong đó:

• \(I\): dòng điện dây [A].
• \(P_2\): công suất cơ đầu ra [W].
• \(U\): điện áp dây [V].
• \(\eta\): hiệu suất động cơ.
• \(\cos\varphi\): hệ số công suất.

Công thức này phù hợp để kiểm tra hoặc ước tính khi các đại lượng đầu vào đã biết. Khi chọn thiết bị thực tế, nên ưu tiên dòng định mức trên nhãn động cơ hoặc dữ liệu chính thức của nhà sản xuất.

10.2. Xác định cấp sử dụng

Đây là bước không nên bỏ qua.

Nếu tải là động cơ chạy/dừng thông thường, cần tra dữ liệu contactor theo cấp sử dụng tương ứng thay vì lấy dòng AC-1.

Nếu động cơ phải đảo chiều, hãm ngược hoặc nhấp động thường xuyên, điều kiện lựa chọn sẽ khác.

Do đó:

Dòng động cơ giống nhau không có nghĩa contactor cần chọn giống nhau.

10.3. Kiểm tra điện áp làm việc

Contactor phải phù hợp với điện áp của mạch động lực.

Cần kiểm tra \(U_e\) và dữ liệu \(I_e\) hoặc công suất động cơ tương ứng tại điện áp đó.

Không nên ghi chung chung:

"Contactor dùng cho động cơ 15 kW"

mà thiếu điều kiện điện áp và cấp sử dụng.

Cùng một contactor có thể được nhà sản xuất công bố các mức công suất động cơ khác nhau ở các điện áp khác nhau.

10.4. Chọn điện áp cuộn hút

Sau khi phần động lực phù hợp, phải chọn đúng cuộn hút.

Cần xác định:

• Điện áp điều khiển.
• AC hay DC.
• Tần số nếu sử dụng AC.
• Dải điện áp làm việc.
• Đặc tính tiêu thụ của cuộn hút.
• Khả năng điều khiển của PLC hoặc relay phía trước.

Nếu PLC sử dụng \(\mathrm{DO}\) 24 VDC và contactor có cuộn hút 24 VDC, vẫn không nên mặc định PLC có thể điều khiển trực tiếp. Phải kiểm tra dòng và đặc tính đóng cắt cho phép của đầu ra PLC so với đặc tính cuộn hút.

10.5. Kiểm tra tần suất đóng cắt

Tuổi thọ contactor phụ thuộc đáng kể vào số lần thao tác và điều kiện đóng cắt.

Một bơm chạy liên tục, khởi động vài lần mỗi ngày khác với một cơ cấu đóng/cắt liên tục.

Mỗi lần thao tác gây ứng suất lên:

• Tiếp điểm.
• Hệ thống dập hồ quang.
• Cơ cấu điện từ.
• Lò xo và bộ truyền động.

Do đó, nếu ứng dụng có tần suất đóng cắt cao, phải kiểm tra tuổi thọ điện và tuổi thọ cơ theo dữ liệu của nhà sản xuất.

11. Không nên chọn contactor bằng một hệ số nhân dòng cố định

Trong thực tế có thể gặp quy tắc:

Chọn contactor bằng 1,2–1,5 lần dòng động cơ.

Quy tắc dạng này có thể dùng như kinh nghiệm kiểm tra sơ bộ trong một số trường hợp, nhưng không nên được coi là phương pháp thiết kế chính thức.

Lý do là khả năng làm việc của contactor phụ thuộc vào:

• Cấp sử dụng.
• Điện áp.
• Dòng tải.
• Công suất động cơ.
• Số lần thao tác.
• Chế độ đóng/cắt.
• Điều kiện môi trường.

Hai động cơ cùng dòng định mức nhưng một động cơ chỉ chạy/dừng vài lần mỗi ngày, trong khi động cơ còn lại phải đảo chiều liên tục, sẽ tạo ra yêu cầu khác nhau đối với contactor.

Phương pháp đáng tin cậy hơn là:

Dữ liệu tải → cấp sử dụng → điện áp → bảng lựa chọn của nhà sản xuất → kiểm tra chế độ vận hành

thay vì:

Dòng động cơ × hệ số kinh nghiệm → contactor

12. Phối hợp MCCB, contactor và relay quá tải

Trong nhánh khởi động trực tiếp, ba thiết bị thường tạo thành một hệ:

MCCB → contactor → relay quá tải → động cơ

Mỗi thiết bị có vai trò riêng.

MCCB chịu trách nhiệm bảo vệ theo chức năng và đặc tính của nó, đặc biệt đối với sự cố ngắn mạch.

Contactor thực hiện đóng cắt vận hành.

Relay quá tải giám sát tình trạng quá tải động cơ theo nguyên lý và cài đặt của relay.

Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện có thể lớn hơn rất nhiều dòng vận hành của động cơ. Contactor không được lựa chọn với giả thiết rằng nó sẽ tự cắt dòng sự cố như MCCB.

Vì vậy câu hỏi đúng không chỉ là:

MCCB bao nhiêu A? Contactor bao nhiêu A? Relay quá tải bao nhiêu A?

mà phải là:

Tổ hợp MCCB/MPCB + contactor + relay quá tải có được phối hợp phù hợp với động cơ và mức dòng ngắn mạch tại vị trí lắp đặt hay không?

13. Phối hợp loại 1 và loại 2

Khi xem bảng phối hợp bộ khởi động động cơ của nhà sản xuất, thường gặp phối hợp loại 1 và loại 2.

Khái niệm này liên quan đến trạng thái được chấp nhận của contactor hoặc bộ khởi động sau khi chịu sự cố ngắn mạch trong tổ hợp với thiết bị bảo vệ ngắn mạch.

Về ý nghĩa thiết kế, phối hợp loại 2 đặt yêu cầu cao hơn đối với khả năng tiếp tục sử dụng của bộ khởi động sau thử nghiệm ngắn mạch so với loại 1, trong các điều kiện và giới hạn được tiêu chuẩn quy định.

Không nên tự xác định loại phối hợp chỉ bằng cách so sánh:

• Dòng MCCB.
• Dòng contactor.
• Dòng relay quá tải.

Phải sử dụng tổ hợp thiết bị cụ thể và bảng phối hợp được nhà sản xuất công bố cho mức dòng ngắn mạch, điện áp và điều kiện tương ứng.

Nội dung này nên được phân tích riêng trong bài lựa chọn MCCB, contactor và relay quá tải cho động cơ.

14. Contactor trong mạch khởi động trực tiếp DOL

Khởi động trực tiếp (Direct-On-Line – DOL) là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của contactor.

Mạch động lực:

Nguồn → MCCB → contactor KM → relay quá tải OL → động cơ M

Mạch điều khiển truyền thống có thể tổ chức theo nguyên lý:

STOP NC → OL NC → START NO → cuộn KM

Một tiếp điểm phụ NO của KM được mắc song song với START để tạo mạch tự duy trì.

Khi nhấn START, cuộn KM có điện. Contactor đóng và tiếp điểm phụ KM đồng thời đóng. Khi người vận hành nhả START, dòng vẫn đi qua tiếp điểm tự duy trì KM để giữ cuộn hút.

Khi nhấn STOP hoặc relay quá tải tác động, mạch cuộn hút bị mở. Contactor nhả và động cơ dừng.

Đây là ví dụ điển hình cho việc mạch điều khiển quyết định trạng thái của contactor, còn contactor trực tiếp thao tác mạch động lực.

15. Contactor trong mạch đảo chiều và sao – tam giác

Mạch đảo chiều thường sử dụng hai contactor để thay đổi thứ tự pha cấp cho động cơ.

Yêu cầu quan trọng là hai contactor thuận và nghịch không được phép đóng đồng thời.

Thiết kế thường sử dụng:

• Liên động điện bằng tiếp điểm phụ NC.
• Liên động cơ khí giữa hai contactor.

Nếu chỉ dựa vào logic PLC mà bỏ toàn bộ liên động phần cứng trong một ứng dụng yêu cầu ngăn đóng đồng thời, lỗi đầu ra hoặc lỗi logic có thể tạo ra trạng thái không mong muốn. Kiến trúc liên động phải được xác định theo yêu cầu của máy và đánh giá an toàn tương ứng.

Mạch sao – tam giác thường sử dụng ba contactor:

• Contactor chính.
• Contactor sao.
• Contactor tam giác.

Trình tự đóng cắt và liên động giữa contactor sao – tam giác phải được thiết kế chính xác.

Dòng qua từng contactor trong mạch sao – tam giác phụ thuộc vị trí của contactor trong sơ đồ. Vì vậy không nên đơn giản chọn cả ba contactor bằng cùng một giá trị dựa trên dòng động cơ.

Phần tính toán này thuộc chuyên đề khởi động sao – tam giác và không nên mở rộng trong bài hiện tại.

16. Contactor có cần thiết khi sử dụng biến tần?

Cấu trúc nhánh sử dụng biến tần (variable frequency drive – VFD) khác đáng kể nhánh DOL.

Một nhánh điển hình có thể có dạng:

Nguồn → thiết bị bảo vệ → VFD → động cơ

Không nên mặc định phải đặt:

VFD → contactor → động cơ

và dùng contactor đó để RUN/STOP động cơ như mạch DOL.

VFD điều khiển điện áp và tần số đầu ra bằng các phần tử bán dẫn công suất. Việc đóng hoặc cắt contactor phía đầu ra trong khi VFD đang hoạt động có thể không phù hợp với thiết kế của biến tần.

Nếu cần contactor phía đầu vào hoặc đầu ra để phục vụ cách ly, bypass, chức năng an toàn hoặc yêu cầu công nghệ, trình tự điều khiển phải được thiết kế theo hướng dẫn của nhà sản xuất VFD.

Do đó không nên sao chép cấu hình của DOL sang nhánh VFD một cách máy móc.

17. Điều khiển contactor bằng PLC

Trong hệ thống tự động hóa, PLC thường tác động đến contactor thông qua \(\mathrm{DO}\).

Có hai cấu trúc thường gặp:

PLC \(\mathrm{DO}\) → cuộn contactor

hoặc:

PLC \(\mathrm{DO}\) → relay trung gian → cuộn contactor

Không có cấu hình nào luôn đúng cho mọi hệ thống.

Nếu PLC điều khiển trực tiếp, cần kiểm tra khả năng của đầu ra PLC đối với đặc tính cuộn hút, bao gồm dòng và đặc tính chuyển mạch.

Sử dụng relay trung gian có thể hữu ích khi cần:

• Cách ly chức năng.
• Chuyển đổi điện áp.
• Tăng số lượng tiếp điểm.
• Giảm ảnh hưởng của tải cuộn hút lên module I/O.
• Thuận tiện thay thế và bảo trì.

Với cuộn hút DC, khi ngắt dòng qua cuộn dây có thể xuất hiện điện áp quá độ do năng lượng tích trữ trong điện cảm. Giải pháp triệt xung phải phù hợp với cuộn hút và mạch điều khiển.

Tuy nhiên, phần tử triệt xung cũng có thể ảnh hưởng đến thời gian nhả của contactor. Vì vậy không nên tự ý lắp diode hoặc phần tử chống xung mà không kiểm tra cấu hình của nhà sản xuất và yêu cầu động học của mạch.

18. Ứng dụng contactor trong hệ thống xử lý nước thải

18.1. Bơm

Bơm tốc độ cố định sử dụng DOL là ứng dụng điển hình.

PLC có thể phát lệnh dựa trên mức:

Cảm biến mức → PLC → contactor → động cơ bơm

Tuy nhiên trong thực tế giữa PLC và contactor còn có thể tồn tại relay trung gian, selector Local/Remote, E-stop, relay quá tải và các liên động khác.

Đối với bơm chìm, ngoài quá tải còn có thể có các tín hiệu riêng như nhiệt độ cuộn dây hoặc phát hiện nước xâm nhập tùy cấu tạo động cơ.

Các tín hiệu này thuộc hệ bảo vệ tổng thể chứ không phải chức năng nội tại của contactor.

18.2. Máy khuấy

Máy khuấy tốc độ cố định thường có thể sử dụng contactor nếu điều kiện khởi động và tải phù hợp.

Nếu máy khuấy cần thay đổi tốc độ theo công nghệ, VFD có thể phù hợp hơn.

18.3. Máy thổi khí

Máy thổi khí có thể sử dụng các phương pháp khởi động và điều khiển khác nhau tùy công suất, loại máy và yêu cầu công nghệ.

Trong hệ thống điều khiển \(\mathrm{DO}\), nếu cần thay đổi lưu lượng khí liên tục thì VFD thường đóng vai trò điều chỉnh tốc độ. Khi đó contactor không còn đảm nhiệm chức năng RUN/STOP đầu ra giống mạch DOL.

Điều này cho thấy việc chọn contactor phải bắt đầu từ chức năng của tải và phương pháp điều khiển, không chỉ từ công suất động cơ.

19. Các thông số cần đọc khi chọn contactor

Trên catalogue hoặc dữ liệu kỹ thuật, cần quan tâm ít nhất:

• Điện áp làm việc danh định \(U_e\).
• Dòng làm việc danh định \(I_e\).
• Cấp sử dụng.
• Công suất động cơ tại điện áp tương ứng.
• Điện áp cuộn hút.
• Loại AC/DC của cuộn hút.
• Số cực.
• Tiếp điểm phụ NO/NC.
• Tuổi thọ điện.
• Tuổi thọ cơ.
• Tần suất thao tác nếu được công bố.
• Điều kiện nhiệt độ và lắp đặt.
• Dữ liệu phối hợp với thiết bị bảo vệ ngắn mạch.

Không nên nhìn thấy:

32 A

trên một contactor rồi kết luận rằng thiết bị có thể điều khiển mọi tải dưới 32 A.

Cần trả lời tiếp:

32 A ở cấp sử dụng nào, điện áp nào và điều kiện nào?

20. Các lỗi thường gặp khi lựa chọn và sử dụng contactor

20.1. Chọn theo dòng AC-1 cho động cơ

Đây là lỗi cần tránh.

Khả năng của contactor với tải AC-1 không thể sử dụng trực tiếp để kết luận khả năng điều khiển động cơ thuộc AC-3/AC-3e hoặc AC-4.

20.2. Chỉ so sánh dòng contactor với dòng động cơ

Dòng tải là điều kiện cần nhưng chưa đủ.

Phải kiểm tra thêm điện áp, cấp sử dụng, chế độ đóng cắt, tuổi thọ và phối hợp bảo vệ.

20.3. Chọn sai cuộn hút

Hai contactor có phần động lực giống nhau có thể mang mã cuộn hút khác nhau.

Chọn sai điện áp hoặc loại AC/DC có thể khiến contactor không hoạt động đúng hoặc hư hỏng.

20.4. Dùng contactor thay CB

Contactor không phải thiết bị bảo vệ ngắn mạch độc lập. Hệ thống cần thiết bị bảo vệ phù hợp.

20.5. Tăng contactor nhưng không kiểm tra relay và MCCB

MCCB, contactor và relay quá tải là các phần tử có chức năng khác nhau. Thay đổi một phần tử không tự động làm cả tổ hợp trở nên phù hợp.

20.6. Bỏ qua số lần đóng cắt

Một contactor đủ dòng nhưng phải thao tác quá nhiều so với nhiệm vụ thiết kế có thể không đạt tuổi thọ mong muốn.

20.7. Dùng contactor đầu ra VFD để chạy/dừng thường xuyên

Không nên áp dụng cấu trúc DOL cho đầu ra VFD nếu nhà sản xuất không cho phép và trình tự điều khiển không được thiết kế phù hợp.

21. Quy trình lựa chọn contactor thực tế

Đối với một nhánh động cơ, có thể thực hiện theo trình tự:

• Xác định loại tải.
• Xác định điện áp.
• Lấy dòng định mức thực tế của động cơ.
• Xác định phương pháp khởi động.
• Xác định chế độ vận hành.
• Xác định cấp sử dụng.
• Xác định tần suất đóng cắt.
• Chọn contactor theo dữ liệu nhà sản xuất.
• Chọn đúng điện áp cuộn hút.
• Xác định số tiếp điểm phụ cần thiết.
• Kiểm tra giao diện với PLC hoặc relay trung gian.
• Chọn relay quá tải.
• Chọn thiết bị bảo vệ ngắn mạch.
• Kiểm tra tổ hợp phối hợp.
• Kiểm tra điều kiện nhiệt và lắp đặt.
• Xác nhận lại toàn bộ theo catalogue đúng model.

Tư duy lựa chọn nên là:

Động cơ → phương thức khởi động → chế độ vận hành → cấp sử dụng → contactor → phối hợp bảo vệ

thay vì:

Công suất động cơ → contactor lớn hơn một cấp

22. Ví dụ về tư duy lựa chọn contactor cho bơm

Giả sử cần thiết kế nhánh DOL cho một bơm nước thải ba pha.

Không nên bắt đầu bằng câu:

"Bơm 15 kW dùng contactor bao nhiêu A?"

Trước hết phải xác định điện áp, dòng định mức của động cơ và chế độ vận hành.

Tiếp theo xác định bơm có thực sự sử dụng DOL hay không.

Nếu là DOL với chế độ chạy/dừng thông thường, tra contactor theo cấp sử dụng tương ứng tại đúng điện áp hệ thống. Không lấy dòng AC-1 để lựa chọn.

Sau đó kiểm tra:

• Điện áp cuộn hút.
• Số tiếp điểm phụ.
• Relay quá tải.
• MCCB/MPCB.
• Điều khiển trực tiếp từ PLC hay qua relay trung gian.
• Mức phối hợp ngắn mạch của tổ hợp.

Nếu bơm sử dụng VFD, bài toán thay đổi và không còn lựa chọn contactor theo cấu trúc DOL một cách trực tiếp.

Như vậy, 15 kW chỉ là một dữ liệu đầu vào, không phải thông tin đủ để chọn contactor hoàn chỉnh.

23. Checklist lựa chọn contactor

Trước khi chốt contactor cho tủ MCC, nên kiểm tra:

• Đúng điện áp mạch động lực.
• Đúng dòng tải.
• Đúng cấp sử dụng.
• Đúng công suất động cơ tại điện áp tương ứng.
• Đúng điện áp cuộn hút.
• Đúng AC/DC của cuộn hút.
• Đủ tiếp điểm phụ.
• Phù hợp tần suất thao tác.
• Phù hợp chế độ chạy/dừng, đảo chiều hoặc nhấp động.
• Relay quá tải phù hợp.
• MCCB/MPCB phía trước phù hợp.
• Tổ hợp phối hợp ngắn mạch đã được kiểm tra.
• PLC hoặc relay điều khiển đáp ứng đặc tính cuộn hút.
• Giải pháp triệt xung phù hợp nếu cần.
• Nhiệt độ và điều kiện lắp đặt nằm trong giới hạn thiết bị.
• Catalogue sử dụng đúng model và đúng phiên bản.

Nếu chưa xác định cấp sử dụng, chưa nên coi việc lựa chọn contactor cho động cơ là hoàn tất.

24. Tiêu chuẩn liên quan

TCVN 6592-4-1:2009 – Thiết bị đóng cắt và điều khiển hạ áp – Phần 4-1: Côngtắctơ và bộ khởi động động cơ – Côngtắctơ và bộ khởi động động cơ kiểu điện-cơ là tiêu chuẩn Việt Nam tương đương IEC 60947-4-1:2002.

Ở cấp quốc tế, IEC 60947-4-1:2023 là phiên bản mới hơn về contactor điện cơ, bộ khởi động động cơ và các thiết bị liên quan thuộc phạm vi tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn áp dụng cho các thiết bị có mạch chính dự kiến kết nối vào mạch có điện áp danh định không vượt quá 1.000 V AC hoặc 1.500 V DC.

Đối với thiết bị mạch điều khiển và phần tử đóng cắt điện cơ phục vụ điều khiển, báo hiệu và liên động, IEC 60947-5-1:2024 là tiêu chuẩn liên quan cần tham khảo.

Khi lập hồ sơ thiết kế thực tế tại Việt Nam cần xác định rõ bộ tiêu chuẩn được dự án áp dụng, yêu cầu của chủ đầu tư và các quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành tại thời điểm thiết kế. Không nên mặc định phiên bản IEC mới nhất tự động thay thế TCVN đang được viện dẫn trong hồ sơ dự án.

25. Kết luận

Contactor là thiết bị đóng cắt vận hành quan trọng trong mạch động cơ. Cuộn hút và mạch từ biến tín hiệu điều khiển thành chuyển động cơ khí, từ đó đóng hoặc mở các tiếp điểm chính mang dòng tải.

Trong thiết kế thực tế, ba nguyên tắc quan trọng nhất là:

• Không sử dụng contactor như thiết bị bảo vệ ngắn mạch.
• Không chọn contactor chỉ theo một giá trị dòng điện hoặc hệ số nhân dòng động cơ.
• Phải lựa chọn theo đúng điện áp, cấp sử dụng, chế độ vận hành và tổ hợp phối hợp với thiết bị bảo vệ.

Đối với kỹ sư môi trường, hiểu được contactor là bước quan trọng để đọc đúng mạch MCC: PLC quyết định lệnh điều khiển, contactor thực hiện đóng cắt, relay quá tải bảo vệ động cơ trước quá tải và MCCB/MPCB đảm nhiệm các chức năng bảo vệ tương ứng của nhánh.