Trang chủ » Automation » Relays

Relays

Lý thuyết tổng quan về Rơ le (Relay) dễ hiểu nhất

Đang lái xe, bạn có thể nhìn thấy đèn trên bảng điều khiển của mình nhấp nháy và thậm chí bạn có thể nghe thấy tiếng click, click, click… Thứ gì đang tạo ra âm thanh đó? Chính là một Rơle.
Lý thuyết tổng quan về Rơ le (Relay) dễ hiểu nhất

Vậy Rơle là gì?


Rơle được sử dụng để truyền điện năng đến nhiều đèn tín hiệu rẽ trên xe và khiến những đèn đó BẬT hoặc TẮT để cảnh báo cho những người lái xe khác. Nó cung cấp kết nối điện giữa hai hoặc nhiều điểm, khi áp dụng tín hiệu điều khiển với cuộn điện từ của rơle.

Rơle chuyển trường từ của cuộn dây thành lực cơ học để mở hoặc đóng cơ khí một hoặc nhiều tiếp điểm điện.


Hình minh họa về Rơ le (Relay)

Nói theo cách khác, rơle là một công tắc vận hành bằng điện.

Điện áp và dòng điện được rơle chuyển mạch có thể rất khác so với tín hiệu được sử dụng để kích hoạt hoặc cấp điện cho rơle. Dạng cách điện này và khả năng chuyển mạch nhiều nhóm tiếp điểm bằng một tín hiệu điều khiển của rơle, là những chức năng vô cùng hữu ích trong tự động hóa nhà máy.

Rơle thông dụng, với rất nhiều dạng, là một thiết bị độc lập có giá thành nói chung thấp, thực hiện nhiều chức năng hữu ích trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta cũng như trong nhà máy.

 

Chức năng điều khiển của Rơle trong nhà máy

Trong thế giới Tự động hóa của nhà máy, các thiết bị điều khiển công nghiệp như PLC, bộ hẹn giờ, bộ đếm và thiết bị kiểm soát nhiệt độ vận hành ở điện áp và dòng điện tương đối thấp. Thông thường nhỏ hơn 25 V. Tuy nhiên, khi tín hiệu đầu ra của các thiết bị điều khiển này được kết nối với thiết bị trong nhà máy, thường cần mức điện (điện áp và dòng điện) lớn hơn. Khi một thiết bị điều khiển xuất ra lệnh 24 V để bật động cơ 220 VAC, thông tin điện áp thấp này được chuyển tiếp đến một thiết bị có khả năng chuyển mạch lượng điện lớn hơn này theo lệnh.

Rơle cơ điện có thể thực hiện chức năng này.

Chức năng của Relay
Hình minh họa Chức năng của Relay
 

Ứng dụng của Rơle

Rơle cơ điện thực hiện rất nhiều chức năng. Một số chức năng bao gồm:
- Cách ly các mạch điều khiển khỏi mạch tải hoặc mạch được cấp điện AC khỏi mạch được cấp điện DC.
- Chuyển mạch nhiều dòng điện hoặc điện áp sang các tải khác nhau sử dụng một tín hiệu điều khiển.
- Giám sát các hệ thống an toàn công nghiệp và ngắt điện cho máy móc nếu đảm bảo độ an toàn.
- Sử dụng một vài rơle để cung cấp các chức năng logic đơn giản như ‘AND,’ ‘NOT,’ hoặc ‘OR’ cho điều khiển tuần tự hoặc khóa liên động an toàn.

Ứng dụng của Rơ le Relay trong nhà máy
Hình minh họa Ứng dụng của Rơ le Relay trong nhà máy
 

Cấu trúc của rơle cơ điện

Dạng phổ biến nhất của rơle cơ điện gồm một cuộn dây điện được cuốn trên một lõi sắt từ. Bộ phận này có cả một phần tĩnh được gọi là Ách từ (Yoke)và một phần động được gọi là Phần ứng (Armature).Phần ứng được liên kết cơ học với một tiếp điểm động.

Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường được tạo ra xung quanh cuộn và được lõi tập trung lại Nam châm điện này hút phần ứng động để mở hoặc đóng trực tiếp các tiếp điểm điện.

Khi rơle bị ngắt điện (TẮT) từ trường biến mất và phần ứng, được lò xo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm trở lại vị trí “bình thường” của nó.
 

Các nguyên tắc vận hành quan trọng

Khi vận hành, có 5 bước cơ bản xảy ra khi rơle cơ điện được cấp điện và bị ngắt điện:
- Điện được cung cấp cho cuộn dây tạo ra từ trường.
- Từ trường được chuyển thành lực cơ học bằng cách hút phần ứng.
- Phần ứng động đóng/mở một hoặc nhiều tiếp điểm điện .
- Các tiếp điểm cho phép chuyển mạch điện sang tải như động cơ, bóng đèn, v.v
- Sau khi điện áp cuộn bị loại bỏ, từ trường biến mất, các tiếp điểm tách ra và trở về vị trí “bình thường” của chúng.
- Các tiếp điểm có thể thường đóng hoặc thường mở.

Cấu tạo tiếp điểm của một Relay điển hình
Hình minh họa Cấu tạo tiếp điểm của một Rơ le Relay điển hình

 

Cài chốt và không cài chốt

Rơle có thể là Cài chốt (Lưỡng ổn) hoặc Không chốt (Đơn ổn).

Phần mô tả hoạt động cơ bản của rơle mà chúng tôi đưa ra dựa trên rơle không chốt hay rơle đơn ổn. Rơle không chốt sẽ trở về trạng thái bình thường của nó khi bị ngắt điện trong khi rơle chốt thì không.

Rơ le Relay có cài chốt và không cài chốt
Hình minh họa Rơ le Relay có cài chốt và không có cài chốt
 

Cuộn dây Rơle

Thiết kế của cuộn dây rơle quyết định thông số kỹ thuật đầu vào của rơle.

Rơle được phân loại theo điện áp yêu cầu để cấp điện cho cuộn dây của chúng. Nếu không đủ điện, từ trường của cuộn dây sẽ quá yếu để di chuyển tiếp điểm. Nếu quá điện đầu vào, cuộn dây có thể bị hỏng.

Một số rơle yêu cầu Dòng điện Một chiều được cấp đúng cực và một số rơle có thể sử dụng Dòng điện Xoay chiều hoặc Dòng điện Một chiều không phụ thuộc cực kết nối.

Rơ le với cấu trúc cuộn dây khác nhau
Hình minh họa Rơ le Relay với cấu trúc cuộn dây khác nhau

- Rơle A sẽ hoạt động với Dòng điện Một chiều hoặc Dòng điện Xoay chiều và không yêu cầu đi dây đúng cực để rơle hoạt động.

- Rơle B có một đi-ốt phát sáng để biểu thị khi cuộn dây được cấp điện. Đi-ốt phát sáng được phân cực, bởi vậy mặc dù cuộn dây rơle không có gì đặc biệt, sự có mặt của đi-ốt phát sáng yêu cầu nguồn điện đúng cực để đi-ốt hoạt động.

- Rơle C sử dụng một nam châm vĩnh cửu để hỗ trợ lực điện từ. Cực của cuộn dây tại khe hở hoạt động là Bắc hoặc Nam tùy thuộc vào sự phân cực của cuộn dây. Vì các cực giống nhau thì đẩy và cực khác nhau thì hút, sự phân cực của cuộn dây là cần thiết để tạo ra lực thích hợp để rơle hoạt động.
 

Tiếp điểm Rơle

Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của thiết kế rơle. Tiếp điểm rơle chuyển mạch dòng điện và điện áp cho các loại thiết bị điện hoặc “tải” khác nhau. Thiết kế tiếp điểm và vật liệu làm tiếp điểm là hai vấn đề trọng yếu đối với hiệu suất của rơle.

Tiếp điểm của Rơ le Relay
Hình minh họa tiếp điểm của Rơ le Relay điển hình

Hoạt động của tiếp điểm nhìn có vẻ đơn giản. Chúng mở và đóng!

Tiếp điểm của Relay điển hình

Tuy nhiên, thời gian hoạt động này lại vô cùng quan trọng đối với nhiều ứng dụng và các kỹ sư không những phải dựa vào dữ liệu của nhà sản xuất mà còn phải dựa vào tính nhất quán mà mọi rơle sẽ đạt các thông số kỹ thuật này.

Thời gian vận hành là thời gian từ khi cấp điện cho cuộn dây đến khi tiếp điểm đầu tiên đóng, không bao gồm sự nẩy tiếp điểm.
Thời gian nhả là thời gian cần để tiếp điểm mở sau khi đã ngừng cấp điện cho cuộn dây rơle.

Các thông số kỹ thuật khác bao gồm Điện áp Phải Vận hành  và Điện áp Phải Nhả.  Những thông số kỹ thuật này xác định điện áp tối thiểu cần để đóng tiếp điểm và điện áp tối đa mà tại đó tiếp điểm sẽ mở.

 

Sự ăn mòn tiếp điểm

Tiếp điểm rơle là bộ phận hoạt động nhiều nhất của rơle và dễ bị mòn. Mỗi lần tiếp điểm của rơle được đóng hoặc mở, có sự mài mòn nhất định ảnh hưởng đến hiệu suất của rơle cơ điện theo thời gian.

Tiếp điểm của rơ le Relay bị ăn mọn như thế nào
Hình minh họa Tiếp điểm của một Relay bị ăn mòn


Mòn tiếp điểm là do:

Mài mòn cơ học
Tiếp điểm rơle mở và đóng bằng một lực cơ học. Mặc dù lực này rất nhỏ, theo thời gian, bề mặt tiếp điểm có thể mòn đi do tiếp xúc và cọ xát lặp đi lặp lại. Mài mòn cơ học có thể chịu ảnh hưởng của:
- Vật liệu làm tiếp điểm chống mài mòn
- Vật liệu phủ bề mặt tiếp điểm
- Hình dạng tiếp điểm phù hợp
- Biên dạng chuyển động của tiếp điểm

Dòng điện mạnh

Tiếp điểm của Relay bị ăn mòn do dòng điện mạnh
Hình minh họa Tiếp điểm của Relay bị ăn mòn do dòng diện quá mạnh


Tiếp điểm rơle phải chịu tất cả dòng điện cần để vận hành tải. Diện tích của bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm và loại tải, tất cả đều ảnh hưởng đến lượng nhiệt được tạo ra trong tiếp điểm khi tải được BẬT hoặc TẮT.

Phóng hồ quang điện

Tiếp điểm của Relay bị ăn mòn do bị phóng hồ quang
Hình minh họa Tiếp điểm của Relay bị ăn mòn do bị phóng hồ quang

Tiếp điểm rơle là những mảnh kim loại dẫn điện tiếp xúc với nhau để tạo ra một mạch giống như công tắc.

Khi các tiếp điểm mở, điện trở giữa các tiếp điểm rất cao và không có dòng điện nào giữa chúng. Khi các tiếp điểm được đóng, điện trở tiếp điểm rất thấp.

Tất cả các tiếp điểm rơle đều có một lượng “điện trở tiếp điểm” nhất định khi chúng được đóng và được gọi là “Điện trở khi đóng mạch”. Với rơle mới, điện trở tiếp điểm này sẽ rất thấp, thông thường nhỏ hơn 0,2Ω do các đầu mới và sạch.


Sự ô-xi hoá và ăn mòn
Tiếp điểm rơle có thể tiếp xúc với không khí và có thể bị ôxi hóa và ăn mòn.

Ví dụ: phóng hồ quang tại tiếp điểm rơle có thể, trong điều kiện ẩm, kết hợp khí nitơ và ôxi trong không khí tạo thành axit nitric (HNO3) ăn mòn kim loại. Trong một số môi trường công nghiệp, lưu huỳnh và clo có thể tấn công vật làm liệu tiếp điểm.Tác động tổng thể của việc hư hại bề mặt tiếp điểm là làm tăng điện trở và giảm tính dẫn điện qua tiếp điểm rơle. Ngay cả khi được lưu trữ dài ngày mà không vận hành, điện trở của tiếp điểm có thể tăng tùy thuộc vào điều kiện môi trường.

Bang-vat-lieu-lam-tiep-diem-cho-Relay
Bảng Vật liệu làm tiếp điểm cho Relay


Vật liệu làm tiếp điểm thích hợp tăng cường hiệu suất của Rơle cơ điện.

Lý tưởng là tiếp điểm rơle sẽ có độ dẫn điện cao, bề mặt rất sạch mà không bị ô xi hóa, độ chống mài mòn cao và diện tích bề mặt mang điện hiệu quả. Để đáp ứng được những yêu cầu này, rơle sử dụng nhiều loại vật liệu làm tiếp điểm, chẳng hạn như những loại được liệt kê ở đây. Như bạn có thể thấy, các kim loại quý thường được sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp với các vật liệu khác để nâng cao hiệu suất của tiếp điểm.

Một số tiếp điểm được thiết kế có hình cầu và phần ứng kết nối với tiếp điểm được phép vượt quá vị trí. Điều này dẫn đến việc lau tiếp điểm hoặc làm sạch bề mặt của chính nó và của tiếp điểm liên hợp!Hoạt động cơ học này giúp duy trì điện trở tiếp xúc thấp theo thời gian.

 

Sự nẩy tiếp điểm

Sự nẩy tiếp điểm (còn được gọi là rung) là một đặc điểm phổ biến của cả công tắc và rơle cơ điện.Tiếp điểm rơle thường được làm bằng kim loại đàn hồi bị ép tiếp xúc bằng bộ tác động. Khi các tiếp điểm đập vào nhau, lực xung và lực đàn hồi của chúng tác động với nhau tạo ra sự nẩy (lập bập). Kết quả là một dòng điện có xung nhanh thay vì sự chuyển tiếp trơn tru từ không có điện đến toàn bộ dòng điện. Ảnh hưởng thường không quan trọng trong mạch điện, nhưng gây ra vấn đề trong một số mạch tương tự và logic phản ứng đủ nhanh để dịch sai xung bật-tắt là một luồng dữ liệu.

 

Cấu hình tiếp điểm

Vì rơle là công tắc, thuật ngữ áp dụng cho công tắc cũng được áp dụng cho rơle. Một rơle sẽ chuyển mạch một hoặc nhiều cực, mỗi cực của những tiếp điểm này có thể được đóng mở khi cấp điện cho cuộn bằng một trong ba cách:

Tiếp điểm thường mở (NO) kết nối mạch khi rơle được cấp điện; mạch bị ngắt kết nối khi rơle bị ngắt điện. Tiếp điểm này còn được gọi là tiếp điểm Kiểu A hoặc tiếp điểm “đóng”.

Tiếp điểm thường đóng (NC) ngắt kết nối mạch khi rơle được cấp điện; mạch được kết nối khi rơle bị ngắt điện. Tiếp điểm này còn được gọi là tiếp điểm Kiểu B hoặc tiếp điểm “ngắt”.

Tiếp điểm chuyển đổi (CO) hoặc hai tiếp điểm (DT) kiểm soát hai mạch: một tiếp điểm thường mở và một tiếp điểm thường đóng có một cực chung (xem ảnh). Tiếp điểm này còn được gọi là tiếp điểm Kiểu C hoặc tiếp điểm “chuyển mạch” (“ngắt rồi đóng”). Nếu loại tiếp điểm này sử dụng chức năng ” đóng rồi ngắt ” thì được gọi là tiếp điểm Kiểu D contact.

- Tiếp điểm: SPST, SPDT, SPCO, DPST, DPDT, DPCO

Các cấu hình tiếp điểm của một relay điển hình
Hình minh họa Các loại cấu hình của Tiếp điểm Relay

 

Tải của Rơle

Một “tải” là một thiết bị được cấp điện bởi mạch điện. Việc chọn rơle và hiệu suất của rơle qua thời gian chịu ảnh hưởng của loại tải được kết nối với rơle.

Tải thường được phân loại là yêu cầu năng lượng Dòng điện Xoay chiều hoặc Dòng điện Một chiều và được phân loại chi tiết hơn theo bản chất chủ yếu là Điện, ,Điện dung hoặc Cảm ứng. Mỗi loại tải có những nhu cầu độc nhất với các tiếp điểm rơle. Chọn sai loại rơle hoặc vận hành rơle vượt ra ngoài thông số kỹ thuật cho một loại tải cho trước, có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của rơle.

Dưới đây là các loại tải

Tải điện trở
Một Tải điện trở là một tải mà dòng điện ổn định theo thời gian (mạch Dòng điện Một chiều) và theo pha với điện áp (mạch Dòng điện Xoay chiều).

Một tải thuần điện trở cần cùng một lượng điện để BẬT cũng như lượng điện để duy trì hoạt động.

Đối với thiết bị được cấp điện AC (Dòng điện Xoay chiều), dòng điện và điện áp luôn tăng và giảm cùng nhau, theo bước hoặc “theo pha”

Các ví dụ về tải điện trở bao gồm lò nướng bánh bằng điện, máy pha cà phê hoặc thiết bị nhiệt bằng điện trở công nghiệp.

Ký hiệu tải điện trở của Relay
Hình minh họa Ký hiệu tải điện trở của Relay


Tải cảm ứng
Tải cảm ứng là tải khiến dòng điện trễ ngoài thay đổi về điện áp và đối với mạch Dòng điện Xoay chiều là lệch pha.

Dòng điện trong tải cảm ứng thường đi qua một số dạng cuộn dây. Thuộc tính điện của cuộn dây là kháng lại thay đổi về dòng điện. Tải cảm ứng có thể cần nhiều điện để bắt đầu hoạt động hơn là duy trì hoạt động.

Các ví dụ về tải cảm ứng bao gồm tủ lạnh, quạt điện, động cơ công nghiệp, solenoid và thậm chí là các cuộn dây rơle khác! 

Tải cảm ứng rất nặng cho tiếp điểm rơle! Sức phản Điện động hoặc “phản cảm ứng” phổ biến khi chuyển mạch các tải cảm ứng và gây ra sự phóng hồ quang tiếp điểm đáng kể.

Tải Cảm ứng của Relay
Hình minh họa về Ký hiệu tải cảm cứng của Relay

 

Điều gì gây ra Sức phản Điện động?

Khi cuộn dây được cấp điện, giống như cuộn dây rơle, trường điện từ được tạo ra xung quanh cuộn dây và năng lượng được “lưu trữ” trong trường điện từ này.

Khi cuộn dây bị ngắt điện, trường điện từ này biến mất, cắt qua các vòng của cuộn dây và tạo ra điện áp trong cuộn dây của cực đối lập.

Vì trường biến mất này đi qua rất nhiều vòng dây, mỗi vòng lại thêm điện áp vào tổng. Đối với cuộn dây có nhiều vòng, điện áp này có thể hơn 1000 vôn!

Khi rơle chuyển mạch các tải cảm ứng, sức phản điện động sẽ tạo ra sự mài mòn tiếp điểm đáng kể vì điện áp cao hơn này nhảy vọt qua khoảng cách tiếp điểm khi tiếp điểm mở.

Các vật liệu làm tiếp điểm đặc biệt và kỹ thuật triệt hồ quang được sử dụng để bảo vệ các tiếp điểm rơle chuyển mạch tải cảm ứng.

Sức phản điện động của Relay


Tải Điện dung
Một Tải điện dung là tải khiến dòng điện dẫn đầu các thay đổi về điện áp và đối với mạch Dòng điện Xoay chiều là lệch pha.

Tải điện dung gây ra dòng điện lớn trong vài mili giây đầu tiên sau khi được BẬT. Dòng điện kích từlớn này là một đặc điểm phổ biến của tải điện dung.

Các ví dụ về tải điện dung bao gồm các bộ nguồn có lọc tốt, tụ điện khởi động động cơ, tụ trữ năng lượng, v.v.

Ký hiệu tải điện dung của Relay
Hình minh họa Ký hiệu tải điện dung của Relay


Các thiết bị điện thường có đặc điểm của tất cả ba loại tải này! Tuy nhiên, thông thường một đặc điểm, Điện trở, Cảm ứng hoặc Điện dung sẽ vượt trội hơn. Tiếp điểm rơle sẽ chủ yếu cảm nhận được sự thay đổi điện áp và dòng điện theo loại tải chủ yếu này khi chúng mở và đóng.
 

Bộ phận bảo vệ tiếp điểm

Trong những năm qua, các kỹ sư đã phát minh ra rất nhiều cách để giúp bảo vệ tiếp điểm khỏi sự tăng đột biến dòng điện hoặc sự phóng hồ quang ngoài việc chọn vật liệu làm tiếp điểm phù hợp.

Trong mạch lân cận, năng lượng sẽ gây ra hồ quang được hấp thụ bởi mạch RC cùng với tiếp điểm rơle. Điều này giúp giảm thiểu hồ quang và sự hư hại cho tiếp điểm.

Phải xem xét các chỉ tiêu thiết kế điện nhất định khi chọn điện trở và bộ tụ điện để tối ưu hóa sự bảo vệ.
Điện áp và dòng điện

Điện áp và dòng điện đi qua Relay
Hình minh họa Điện áp và dòng điện qua Relay


Mức dòng điện và điện áp mà rơle có thể chuyển mạch an toàn được biểu thị cả trong bảng và trong biểu đồ.

Biểu đồ Chuyển mạch Tối đa này, dành cho rơle G2R-1-S biểu thị giới hạn của tiếp điểm cho cả Dòng điện Xoay chiều và Dòng điện

Một chiều và tải điện trở cùng với tải cảm ứng.

Mặc dù công suất chuyển mạch dòng điện của rơle này là 10A cho cả tải điện trở và cảm ứng ở Dòng điện Một chiều 10V, chúng ta muốn kiểm tra công suất dòng điện tại Dòng điện Một chiều 24V.

Theo đường màu đỏ từ 24V lên tới đường tải Cảm ứng Dòng điện Một chiều và chuyển sang trái từ điểm giao cắt, chúng ta thấy khả năng tiếp điểm được giảm xuống 7A tại mức điện áp cao hơn này.

Bạn phải luôn tham khảo bản dữ liệu sản phẩm để biết chi tiết về việc cài đặt, sử dụng và các giới hạn điện phù hợp của rơle để đảm bảo an toàn và tuổi thọ hoạt động cao.

 

Độ bền của Rơle

Độ bền của rơle liên quan đến cả loại tải và dòng điện được các tiếp điểm của nó chuyển mạch.

Tại đây, chúng ta có thể xem độ bền của rơle đó tăng đối với:

Tải điện trở
Chuyển mạch điện áp thấp hơn

Chuyển mạch dòng điện thấp hơn

Ví dụ khi chuyển mạch tải điện trở Dòng điện 4A, 30VDC độ bền dự kiến là 350.000 lần vận hành.

Chúng ta cũng có thể thấy rằng độ bền của rơle giảm đối với:

Tải cảm ứng
Điện áp cao hơn

Dòng điện mạnh hơn

Khi cùng một Dòng điện Một chiều 4A, 30VDC vận hành một tải cảm ứng, số lần vận hành dự kiến giảm hơn 50% còn 150.000!

Relay endurance
Hình minh họa Relay endurance
 
(Nguyễn Thảo Trường - ĐienElectric.Com theo electronics-tutorials)
BÀI VIẾT XEM NHIỀU