Khởi động từ là gì? Cấu tạo, ứng dụng và nguyên lý hoạt động

Khởi động từ, hay còn gọi là contactor, là một thiết bị điện không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển động cơ và các tải điện công suất lớn. Bài viết sẽ cùng bạn tìm hiểu về khởi động từ, từ định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các thông số kỹ thuật quan trọng, đến cách lựa chọn và ứng dụng khởi động từ trong thực tế.

1. Khởi động từ là gì

Khởi động từ thường được gọi là công tắc tơ hay contactor, là một loại khí cụ điện hạ áp có chức năng chính là đóng và ngắt mạch điện động lực (mạch điện cung cấp nguồn cho các thiết bị công suất lớn) một cách thường xuyên và an toàn.

Vai trò của contactor là rất quan trọng trong các hệ thống điện, cho phép điều khiển các thiết bị tiêu thụ điện công suất lớn như: Động cơ điện, tụ bù, hệ thống chiếu sáng công suất lớn,… Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông qua nút nhấn, mạch điều khiển tự động hoặc hệ thống điều khiển từ xa

2. Cấu tạo của khởi động từ

2.1. Nam châm điện

Bao gồm:

• Cuộn dây (Coil): Tạo ra lực từ trường khi có dòng điện chạy qua.
• Lõi thép (Core): Gồm hai phần là lõi thép cố định và lõi thép di động được hút về phía lõi thép cố định khi cuộn dây được cấp điện.
• Lò xo (Spring): Đẩy lõi thép di động trở về vị trí ban đầu khi cuộn dây không được cấp điện.

Chức năng: Tạo ra lực hút điện từ để đóng các tiếp điểm của contactor khi cuộn dây được cấp điện.

2.2. Hệ thống tiếp điểm

• Tiếp điểm chính: Thường là tiếp điểm thường hở và chỉ đóng lại khi contactor được cấp điện. Có khả năng chịu dòng điện lớn (dòng điện của tải), cho phép dòng điện lớn đi qua tải khi contactor đóng.
• Tiếp điểm phụ: Có cả tiếp điểm thường đóng và tiếp điểm thường hở, chịu dòng điện nhỏ và được sử dụng trong mạch điều khiển để báo trạng thái của contactor, thực hiện các chức năng logic và điều khiển các thiết bị khác.

2.3. Hệ thống dập hồ quang

Khi các tiếp điểm đóng hoặc mở, đặc biệt là khi ngắt dòng điện lớn, hồ quang điện (electrical arc) có thể xuất hiện giữa các tiếp điểm. Hồ quang này có nhiệt độ rất cao, có thể làm hỏng tiếp điểm. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này là sử dụng các vật liệu chịu nhiệt, chia nhỏ hồ quang, kéo dài và làm nguội hồ quang.

Chức năng của hệ thống dập tắt hồ quang điện một cách nhanh chóng và an toàn là để:

• Bảo vệ các tiếp điểm khỏi bị cháy, mòn.
• Kéo dài tuổi thọ của contactor.
• Đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

3. Các thông số cơ bản quan trọng của khởi động từ

Để đảm bảo contactor phù hợp với ứng dụng và hoạt động an toàn, hiệu quả, khi lựa chọn và sử dụng contactor, cần xem xét các thông số kỹ thuật sau đây:

• Số cực: Đây là số lượng tiếp điểm chính (tiếp điểm đóng cắt dòng điện cho tải) của contactor. Có các số cực phổ biến là: 1P (1 cực), 2P (2 cực), 3P (3 cực), 4P (4 cực).
• Điện áp điều khiển: Là điện áp định mức cần cấp cho cuộn dây của contactor để nó hoạt động. Ví dụ như điện áp một chiều (DC): 12VDC, 24VDC, 48VDC,… hoặc điện áp xoay chiều (AC): 24VAC, 110VAC, 120VAC,…
• Dòng điện định mức: Là dòng điện lớn nhất mà contactor có thể đóng cắt liên tục trong điều kiện làm việc bình thường mà không bị quá nhiệt hoặc hư hỏng. Các giá trị thông dụng là: 6A, 9A, 12A, 18A, 25A, 32A,…
• Điện áp định mức: Là điện áp lớn nhất mà các tiếp điểm của contactor có thể đóng/ngắt một cách an toàn, thường là 230V, 400V, 690V,
• Công suất động cơ định mức: Là mức công suất lớn nhất của động cơ mà contactor có thể điều khiển, thường được tính bằng kW hoặc HP (horsepower).

4. Nguyên lý hoạt động của khởi động từ

Khởi động từ hoạt động dựa trên nguyên lý chung như sau:

Trạng thái ban đầu: Khi chưa có tác động, contactor ở trạng thái nghỉ (tiếp điểm chính hở, động cơ không hoạt động).

Khởi động:

• Nhấn nút START: Dòng điện chạy qua cuộn dây (K) của contactor, tạo ra lực từ trường.
• Lực từ trường hút lõi thép di động, làm đóng các tiếp điểm chính (K) của contactor (cấp điện cho động cơ) và đóng tiếp điểm phụ thường hở (K) (duy trì mạch điều khiển).
• Động cơ bắt đầu hoạt động.
• Khi nhả nút START, contactor vẫn duy trì trạng thái đóng nhờ tiếp điểm phụ thường hở (K) đã đóng trước đó.

Dừng:

• Nhấn nút STOP: Ngắt dòng điện qua cuộn dây (K).
• Lực từ trường mất, lò xo đẩy lõi thép di động về vị trí ban đầu, làm mở các tiếp điểm chính (K) và tiếp điểm phụ (K).
• Động cơ dừng hoạt động.

Bảo vệ quá tải:

• Khi động cơ bị quá tải (dòng điện vượt quá giá trị định mức), rơ le nhiệt (OL) sẽ tác động.
• Tiếp điểm thường đóng (OL) của rơ le nhiệt trong mạch điều khiển sẽ mở ra, ngắt dòng điện qua cuộn dây (K) của contactor.
• Contactor nhả, ngắt nguồn điện cấp cho động cơ, bảo vệ động cơ khỏi bị hư hỏng.

5. Phân loại khởi động từ

• Theo nguyên lý truyền động: Khởi động từ kiểu điện từ, khởi động từ kiểu hơi ép, khởi động từ kiểu thủy lực
• Theo dòng điện: Khởi động từ AC, khởi động từ DC
• Theo điện áp cuộn hút: Từ 220V, 380V, 24V,…
• Theo số cực: Khởi động từ 1 pha (1 cực, 2 cực), khởi động từ 3 pha (3 cực, 4 cực)
• Theo khả năng bảo vệ: Khởi động từ không bảo vệ, khởi động từ có bảo vệ
• Theo chức năng: Khởi động từ thông thường, khởi động từ có khóa liên động

6. Ưu và nhược điểm của khởi động từ

6.1. Ưu điểm

•  Khởi động từ có khả năng đóng/ngắt các mạch điện có dòng điện và điện áp lớn hơn nhiều so với rơ le thông thường.
• Điều khiển từ xa: Có thể điều khiển khởi động từ từ xa thông qua các nút nhấn, công tắc, bộ điều khiển PLC, hoặc các thiết bị điều khiển khác.
• An toàn: Giảm thiểu nguy cơ hồ quang điện và các sự cố điện khác khi đóng/ngắt mạch điện có tải lớn.
• Độ bền cao: Khởi động từ có tuổi thọ cơ và tuổi thọ điện cao, có thể hoạt động hàng triệu lần đóng/ngắt.
• Bảo vệ quá tải (với loại có tích hợp rơ le nhiệt): Một số khởi động từ được tích hợp sẵn rơ le nhiệt để bảo vệ động cơ khỏi bị quá tải.

6.2. Nhược điểm

• Gây ra tiếng ồn: Khi đóng/ngắt mạch điện, khởi động từ có thể tạo ra tiếng ồn do sự va chạm của các tiếp điểm.
• Cần thay thế các tiếp điểm khi bị hao mòn: Sau một thời gian sử dụng, các tiếp điểm của khởi động từ có thể bị mòn, cháy, hoặc hư hỏng do hồ quang điện và cần phải được thay thế.
• Tiêu thụ điện năng ở cuộn hút: Cuộn dây của nam châm điện tiêu thụ một lượng điện năng nhất định để duy trì trạng thái đóng của khởi động từ.
• Kích thước lớn hơn rơ le: Khởi động từ thường có kích thước lớn hơn so với rơ le, chiếm nhiều không gian hơn trong tủ điện.

7. Ứng dụng phổ biến của khởi động từ

• Khởi động động cơ điện: Đây là ứng dụng phổ biến nhất của khởi động từ. Khởi động từ được sử dụng để đóng/ngắt nguồn điện cho động cơ điện, giúp khởi động, dừng, và đảo chiều động cơ một cách an toàn và hiệu quả.
• Máy bơm và máy nén khí: Khởi động từ được sử dụng để điều khiển hoạt động của máy bơm nước, máy bơm hóa chất, máy nén khí,…
• Thiết bị công nghiệp: Khởi động từ được sử dụng để điều khiển các thiết bị công nghiệp khác như máy cắt, máy hàn, máy ép, lò nung, quạt công nghiệp,…
• Ứng dụng trong điều khiển tự động: Khởi động từ là một phần quan trọng của các hệ thống điều khiển tự động, cho phép điều khiển các thiết bị từ xa, theo chương trình, hoặc theo tín hiệu từ các cảm biến.
• Hệ thống chiếu sáng: Khởi động từ được sử dụng để bật/tắt các hệ thống chiếu sáng công suất lớn, chẳng hạn như đèn đường, đèn sân vận động, đèn nhà xưởng,…
• Hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning): Khởi động từ được sử dụng để điều khiển các thiết bị trong hệ thống HVAC như máy nén, quạt, van,…
• Tủ ATS (Automatic Transfer Switch): Khởi động từ được sử dụng trong tủ ATS để chuyển đổi nguồn điện tự động giữa nguồn điện lưới và nguồn điện dự phòng (máy phát điện).
• Tụ bù (Capacitor bank): Khởi động từ được sử dụng để đóng/ngắt các tụ bù trong hệ thống bù công suất phản kháng, giúp cải thiện hệ số công suất (power factor) của lưới điện.
• Ngoài các ứng dụng trên, khởi động từ còn được sử dụng trong nhiều thiết bị và hệ thống khác như: Thang máy, cầu trục, hệ thống băng tải.

8. Cách chọn khởi động từ phù hợp

8.1. Tính toán dòng điện định mức

• Xác định dòng điện làm việc của tải (ví dụ: động cơ, máy bơm,…).
• Chọn khởi động từ có dòng điện định mức (rated current) lớn hơn hoặc bằng dòng điện làm việc của tải. Nên chọn lớn hơn khoảng 20-25% để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của khởi động từ.
• Ví dụ: Nếu động cơ có dòng điện làm việc là 10A, bạn nên chọn khởi động từ có dòng điện định mức từ 12A đến 15A.

8.2. Chọn điện áp cuộn hút

• Xác định điện áp của mạch điều khiển (control circuit) mà bạn sẽ sử dụng để điều khiển khởi động từ.
• Chọn khởi động từ có điện áp cuộn hút (coil voltage) phù hợp với điện áp của mạch điều khiển. Ví dụ: 24V DC, 220V AC, 380V AC,…

8.3. Chọn loại khởi động từ

• Loại tải:
  • AC: Cho tải xoay chiều (ví dụ: động cơ không đồng bộ).
  • DC: Cho tải một chiều (ví dụ: động cơ DC, nam châm điện).
• Số pha:
  • 1 pha: Cho tải 1 pha.
  • 3 pha: Cho tải 3 pha.
• Có/không có bảo vệ:
  • Có bảo vệ: Tích hợp rơ le nhiệt để bảo vệ quá tải.
  • Không có bảo vệ: Cần lắp thêm rơ le nhiệt bên ngoài.

8.4. Các yếu tố khác

• Tần số đóng cắt: Nếu tải cần đóng/ngắt thường xuyên, hãy chọn khởi động từ có tần số đóng cắt cao.
• Tuổi thọ: Chọn khởi động từ có tuổi thọ cơ và tuổi thọ điện phù hợp với yêu cầu sử dụng.
• Môi trường làm việc: Nếu khởi động từ sẽ hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm cao, bụi bẩn, hóa chất,…), hãy chọn loại có cấp bảo vệ (IP) phù hợp.
• Kích thước: Chọn khởi động từ có kích thước phù hợp với không gian lắp đặt trong tủ điện.
• Thương hiệu: Ưu tiên chọn khởi động từ của các thương hiệu uy tín để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy.

9. Sự khác biệt giữa khởi động từ và rơ le

10. Top 3 khởi động từ (contactor) chất lượng tại Thanh Thiên Phú

10.1. CR3 Magnetic Contactor 1 SD-Q11-DC24V

CR3 Magnetic Contactor 1 SD-Q11-DC24V là một contactor (khởi động từ) loại nhỏ gọn, được thiết kế để đóng cắt mạch điện động lực trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Sản phẩm này nổi bật với độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt. Nó thích hợp để điều khiển các tải điện như động cơ, hệ thống chiếu sáng và các thiết bị khác.

10.2. 3RT2037-3AP00 Power contactor Siemens

3RT2037-3AP00 là contactor công suất (power contactor) thuộc dòng SIRIUS 3RT2 của Siemens, được thiết kế để đóng cắt và điều khiển động cơ điện và các tải điện công suất lớn khác trong các ứng dụng công nghiệp. Đây là sản phẩm chất lượng cao và bền bỉ, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế khắt khe.

Các đặc điểm nổi bật của mẫu khởi động từ này là có thiết kế nhỏ gọn, chắc chắn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt trong tủ điện. Đồng thời độ bền cơ khí và điện cao, khả năng chịu quá tải tốt nên đảm bảo độ an toàn cao với các tiêu chuẩn an toàn quốc tế.

10.3. 3RT1483-6AP36 Power contactor Siemens

3RT1483-6AP36 là một contactor công suất được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi khả năng đóng cắt dòng điện lớn và độ tin cậy cao. Đây là một contactor 3 cực, phù hợp cho việc điều khiển động cơ, tải điện trở và các tải công nghiệp nặng khác.

Thiết bị nổi bật với khả năng đóng cắt dòng điện lớn nên phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng như điều khiển động cơ công suất lớn, máy bơm, máy nén,… Không chỉ vậy, thiết bị còn có thiết kế chắc chắn, vật liệu chất lượng cao, đảm bảo hoạt động bền bỉ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Xem thêm:

• Cảm biến từ là gì? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng
• Encoder là gì? Nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng Encoder
• Tìm hiểu về mạch khởi động sao tam giác trong ngành điện công nghiệp

Tóm lại, khởi động từ (contactor) là một thiết bị đóng cắt mạch điện quan trọng, đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển và bảo vệ động cơ cũng như các tải điện công suất lớn. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào về thiết bị và cần được tư chọn mua sản phẩm, hãy liên hệ với Thanh Thiên Phú qua hotline được được hỗ trợ nhanh nhất nhé!