Trong lĩnh vực điều khiển và bảo vệ hệ thống điện, công tắc và rơle đóng vai trò vô cùng quan trọng. Chúng không chỉ giúp điều khiển hoạt động của các thiết bị điện mà còn bảo vệ chúng khỏi các tình huống nguy hiểm như quá tải, quá dòng, hoặc sự biến động của điện áp. Dưới đây là một số loại công tắc và rơle thường được sử dụng trong các hệ thống này.

Rơle trung gian được sử dụng trong mạch điều khiển, mạch bảo vệ và kiểm soát. Chúng thường có công suất nhỏ, chỉ tải dòng điện không quá 5A. Rơle này thường có nhiều tiếp điểm thường mở (NO) và tiếp điểm thường đóng (NC). Rơle trung gian có hai loại chính:

• Rơle một chiều: Sử dụng nguồn điện một chiều với nhiều cấp điện áp, và trên cuộn dây có ghi giá trị điện trở của cuộn dây (từ vài trăm đến vài ngàn ohm).
• Rơle xoay chiều: Sử dụng nguồn điện xoay chiều, cũng có nhiều cấp điện áp khác nhau.

Rơle bảo vệ có chức năng bảo vệ mạch điện, thiết bị điện, và động cơ khỏi các tình huống nguy hiểm như quá tải, quá dòng, và sự biến động của điện áp. Rơle bảo vệ thường được thiết kế kèm theo rơle điện từ chính. Có ba loại rơle bảo vệ chính:

Vận hành dựa trên sự biến thiên của dòng điện. Cuộn dây được thiết kế ít vòng nhưng dây có kích thước lớn. Từ lực do cuộn dây tạo ra thay đổi lớn theo cường độ dòng điện đi qua, có tác dụng mở hoặc đóng tiếp điểm, hoặc mở chốt gài làm bật cần hãm CB.

Vận hành dựa trên điện áp cấp cho mạch tiêu thụ. Loại rơle này có cuộn dây gồm nhiều vòng với cỡ dây nhỏ, tùy theo cấp điện áp sử dụng. Nếu được thiết kế để tránh sự sụt áp, rơle sẽ chỉ hoạt động khi điện áp nguồn ở trong giới hạn cho phép. Nếu thiết kế để tránh điện áp cao quá mức, khi điện áp tăng, cuộn dây sẽ tạo ra lực đủ mạnh để mở chốt gài, cắt đứt dòng điện nguồn đến mạch chính.

Vận hành dựa trên cơ chế giãn nở nhiệt của lá lưỡng kim. Rơle nhiệt được thiết kế dẫn dòng điện qua lá lưỡng kim trực tiếp hoặc gián tiếp, tùy theo cường độ dòng điện và yêu cầu công việc. Loại rơle nhiệt với lá lưỡng kim trực tiếp dẫn điện và trực tiếp ngắt mạch.

Rơle tốc độ, còn được gọi là công tắc ly tâm, sử dụng lực ly tâm để đóng hoặc mở tiếp điểm, ổn định tốc độ quay của động cơ, hoặc hoạt động như một công tắc tự động ngắt mạch pha đề sau khi động cơ một pha khởi động.

Rơle tốc độ bao gồm hệ thống cơ khí gắn chặt trên trục quay của động cơ và bộ công tắc lắp cố định ở nắp vỏ máy.

Khi động cơ được khởi động, tốc độ quay tăng dần, lực ly tâm xuất hiện tác động lên hai miếng sắt, nhưng chưa đủ mạnh để thắng lực cản của lò xo. Khi tốc độ quay của động cơ gần đạt định mức, lực ly tâm lớn hơn lực cản của lò xo, kéo miếng phíp cách điện lùi ra xa, giải phóng lực ép tiếp điểm động. Tiếp điểm này trở nên tự do và làm hở mạch, cắt đứt dòng điện đến mạch pha đề.

Khi động cơ ngừng hoạt động, tốc độ quay giảm xuống, lò xo kéo hệ thống trở về vị trí ban đầu, miếng phíp lại đẩy tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm cố định, mạch cuộn đề kín để sẵn sàng cho lần khởi động tiếp theo.

Rơ-le kiểm soát là khí cụ điện có nhiệm vụ kiểm soát dòng nước giải nhiệt chảy trong ống hoặc kiểm tra đường ống dầu bôi trơn cho máy móc. Rơ-le này hoạt động nhờ tác động của lưu chất gây áp suất, đóng mạch công tắc điện khi có sự lưu thông của lưu chất trong ống. Rơ-le kiểm soát thường có áp suất tác động thấp.

Khi động cơ bơm đang hoạt động, nếu ống bị nghẹt hoặc van đóng khiến lưu chất không thể di chuyển, rơ-le áp suất sẽ mở mạch, ngắt điện động cơ ngay lập tức để tránh hư hỏng.

Rơ-le áp suất kiểm soát sự tăng và giảm áp suất của lưu chất hoặc khí nén trong ống, tác động thay đổi trạng thái của tiếp điểm điện. Đối với động cơ công suất nhỏ, rơ-le áp suất được thiết kế với các tiếp điểm lớn, dẫn điện trực tiếp cho động cơ 1 pha hoặc 3 pha.

Khi áp suất chất lỏng trong hệ thống gia tăng, nó tạo áp lực lên màng tiếp xúc, ép lò xo chính cho đến khi đủ sức thắng lò xo và đẩy cần bật lên, làm hở mạch tiếp điểm điện. Khi áp suất chất lỏng giảm, lò xo chính đẩy màng tiếp xúc lùi lại, cần đi xuống và bị khóa chặt bởi chốt chặn, tiếp điểm đóng lại. Lực giữ chốt chặn này được tăng cường nhờ lò xo và được điều chỉnh bằng đai ốc.

Việc điều chỉnh áp suất làm hở mạch được thực hiện bằng núm điều chỉnh lò xo chính. Rơ-le áp suất được sử dụng trong hệ thống truyền tải lưu chất (nước, dầu,…) và hệ thống bơm khí nén.

Van điện từ (solenoid) được sử dụng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả tự động hóa. Nguyên lý hoạt động của van điện từ là ứng dụng từ lực của dòng điện. Khi cuộn dây có điện, từ lực được tạo ra sẽ hút phần ứng (nòng sắt) lên, làm cho van mở và cho phép lưu chất hoặc khí nén lưu thông. Khi cuộn dây bị ngắt điện, từ lực biến mất, lò xo sẽ đẩy phần ứng trở về vị trí ban đầu, đóng kín van lại và ngăn chặn sự lưu thông trong ống.

Van điện từ được thiết kế dưới nhiều dạng để làm van lưu chất, khí nén,… và sử dụng nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều với nhiều cấp điện áp khác nhau.

Rơ-le thời gian là loại khí cụ điện được điều khiển bởi mạch điện, có tác dụng làm chậm quá trình đóng mở các tiếp điểm của rơ-le.

Thông thường, rơ-le thời gian chỉ được lắp đặt trong mạch điều khiển nên không phải chịu tải dòng điện lớn. Tùy theo cấu tạo, có thể phân loại rơ-le thời gian như sau:

• Rơ-le thời gian cơ khí.
• Rơ-le thời gian điều khiển bằng động cơ.
• Rơ-le thời gian loại pít-tông.
• Rơ-le thời gian điều khiển bằng mạch điện tử.

Bộ phận chủ yếu của rơle thời gian cơ khí là bộ nén lò xo lá, vận hành hệ thống bánh răng giảm tốc khi bạn lên dây cót lò xo lá (dây thiều) để tích trữ năng lượng.

Khi rơle hoạt động, trục cam sẽ xoay từ từ để đóng hoặc mở các tiếp điểm điện một cách chậm rãi. Nhờ vào cam điều khiển, quá trình chuyển mạch tuần hoàn theo chu kỳ đóng, mở có thể được thực hiện trong thời gian rơle vận hành (Hình 3-18).

Loại rơle này cho phép làm trễ thời điểm xảy ra sự kiện khoảng vài giờ và thường được sử dụng trong mạch điều khiển quạt, máy giặt, …

Loại rơle này bao gồm một động cơ điện nhỏ vận hành hệ thống bánh răng giảm tốc kết hợp với cuộn dây hút các tiếp điểm (Hình 3-19).

Khi được cấp điện, cuộn dây của rơle tạo ra lực hút các tiếp điểm. Tuy nhiên, các tiếp điểm chưa hoạt động được vì bị chốt chặn ngăn cản. Đồng thời, dòng điện đi qua tiếp điểm thường đóng sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ điện hoạt động, khiến hệ thống bánh răng chuyển động và làm trục tác động quay từ từ. Khi cần cam gạt mở chốt chặn, các tiếp điểm thời gian sẽ lập tức hoạt động và tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra đồng thời, cắt đứt nguồn điện làm động cơ ngừng hoạt động.

Tiếp điểm 1-3 ở vị trí đóng mạch ngay khi cuộn dây rơle có điện. Thời gian tác động chậm của loại rơle này có thể từ 0,1 giây đến vài giờ.

Loại rơ-le thời gian này (Hình 3-20) có cấu tạo gồm cuộn dây, lõi sắt liên kết với pít-tông và tiếp điểm thủy ngân.

Khi rơle được cấp điện, cuộn dây tạo ra lực hút lõi sắt, làm đóng tiếp điểm trong bầu chứa thủy ngân, đồng thời cắt dòng điện đi qua cuộn dây. Dù lực hút của cuộn dây không còn, lõi sắt chưa thể trở về vị trí ban đầu do sự cản trở của không khí trong xi-lanh. Pít-tông từ từ đẩy không khí ra khỏi xi-lanh cho đến khi bầu chứa thủy ngân nghiêng về vị trí ngắt mạch ban đầu.

Loại rơ-le này có thời gian trì hoãn khoảng vài chục phút và hiện nay được sản xuất rất gọn và chính xác.

Cơ cấu của loại rơ-le này gồm hệ thống tiếp điểm điều khiển bằng mạch điện tử và mạch thời gian.

Mạch điện trên Hình 3-21 trình bày nguyên lý làm việc của mạch trễ thời gian đơn giản như sau:

Khi cấp điện vào chấu 2-7, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu bằng diode D4 và giảm áp qua R đến giá trị rất thấp. TR1 hoạt động, dẫn dòng điện nạp vào tụ C = 100 µF. Các transistor TR2, TR3, TR4 không dẫn điện. Khi tụ được nạp đầy đến 7,4V, D2 dẫn điện làm các transistor TR2, TR3 và TR4 chuyển sang trạng thái dẫn, dòng điện truyền qua cuộn dây rơ-le RLY tạo ra lực hút làm đóng tiếp điểm 1-3 và nhả tiếp điểm 1-4. Thời gian trễ đóng/ngắt của rơ-le tùy thuộc vào biến trở 25K, vì t = R.C. Sự điều chỉnh biến trở này sẽ làm thay đổi thời gian trễ đóng/mở các tiếp điểm. Núm xoay bên ngoài biến trở có chia vạch thời gian.

Rơ-le thời gian dùng mạch điện tử rất chính xác và có thể được thiết kế từ 1/10 giây đến hàng trăm giờ. Hình 3-22 trình bày sơ đồ mắc nối mạch ra các chân của rơ-le thời gian điện tử.

Loại rơ-le này thường có các tiếp điểm:

• 1 tiếp điểm thời gian loại 3 chấu (1NO, 1NC) và 1 tiếp điểm tức thời loại 3 chấu (1NO, 1NC).
• 2 tiếp điểm thời gian loại 3 chấu (2NO, 2NC).
• 1 tiếp điểm thời gian loại 3 chấu (1NO, 1NC).

Loại rơ-le này được sử dụng phổ biến trong các mạch điều khiển, có tác động chậm hoạt động từ 0,1 giây đến 30 giờ. Hình 3-23 trình bày loại rơ-le thời gian mạch điện tử SRS-H, có đặc điểm nhỏ gọn, chính xác cao và dễ lắp đặt trong mạch điều khiển tự động khởi động Y-A cho động cơ 3 pha. Rơ-le này có thể làm chậm hoạt động từ 0,1 giây đến 30 phút.

Đây cũng là rơ-le thời gian điện tử, nhưng phải có tác động START thì mạch điện tử mới cho phép các tiếp điểm vận hành theo thời gian. Dưới tác động RESET, mạch điện tử sẽ trở về trạng thái ban đầu.

Loại rơ-le này thường được lắp trong các mạch vận hành tự động, do mạch chính điều khiển bằng xung dương hoặc âm đưa đến ngõ GATE. Thang điều chỉnh thời gian có thể từ 0,1 giây đến hàng trăm giờ. Trong mạch có các cặp tiếp điểm thời gian và tiếp điểm thường, tùy theo nhà sản xuất.