Rơle điện từ: Cấu tạo và nguyên lý

Phần này giới thiệu khái quát về nguyên lý hoạt động của rơle, dựa trên hai nguyên tắc chính: điện từ và cảm ứng. Nguyên tắc điện từ được vận dụng thông qua việc tạo ra từ trường bởi cuộn dây, từ trường này tác động lên lõi sắt từ, tạo ra lực hút hoặc đẩy, điều khiển tiếp điểm đóng hoặc ngắt. Nguyên tắc cảm ứng được sử dụng trong một số loại rơle đặc biệt, tận dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo ra dòng điện hoặc moment quay, từ đó điều khiển hoạt động của rơle. Việc kết hợp linh kiện bán dẫn và vi mạch cũng được đề cập, cho thấy sự phát triển công nghệ trong thiết kế và điều khiển rơle hiện đại. Tóm lại, sự kết hợp giữa nguyên tắc điện từ, cảm ứng và công nghệ bán dẫn/vi xử lý tạo nên đa dạng các loại rơle với chức năng khác nhau.

Tài liệu trình bày nhiều loại rơle khác nhau, bao gồm rơle điện từ, rơle trung gian điện từ, rơle trung gian tác động chậm, rơle tín hiệu, rơle thời gian, rơle cảm ứng, rơle công suất và rơle tổng trở. Mỗi loại rơle được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng cụ thể. Ví dụ, rơle điện từ dựa trên nguyên tắc điện từ đơn giản, trong khi rơle cảm ứng tận dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để hoạt động. Rơle trung gian thường có kích thước lớn hơn, nhiều tiếp điểm hơn so với rơle điện từ thông thường và được dùng làm trung gian điều khiển. Rơle thời gian, rơle tín hiệu, rơle công suất và rơle tổng trở đều có chức năng và đặc điểm kỹ thuật riêng biệt, đáp ứng các yêu cầu điều khiển khác nhau trong các hệ thống điện và tự động hóa. Ứng dụng của từng loại rơle sẽ được phân tích kỹ hơn trong các phần tiếp theo.

Rơle điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản của lực điện từ. Cấu tạo bao gồm một cuộn dây, một lõi sắt từ và một hệ thống tiếp điểm cơ khí. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường, từ trường này làm cho lõi sắt từ bị hút về phía cuộn dây. Lực hút này đủ mạnh sẽ làm đóng hoặc ngắt các tiếp điểm, điều khiển mạch điện. Lò xo được sử dụng để kéo tiếp điểm trở về vị trí ban đầu khi dòng điện ngắt. Tài liệu mô tả chi tiết các thành phần: lõi sắt làm khung, phần động, lò xo và cuộn dây tạo từ thông. Quá trình hút và nhả phụ thuộc vào sự cân bằng giữa lực điện từ và lực đàn hồi của lò xo. Khi lực điện từ lớn hơn lực đàn hồi, rơle đóng; ngược lại, rơle nhả.

Đường đặc tính hút thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua cuộn dây và lực hút sinh ra. Khi dòng điện tăng dần từ 0, lực hút cũng tăng dần cho đến khi đạt đến một giá trị làm cho rơle đóng. Ngược lại, khi dòng điện giảm từ giá trị làm rơle đóng xuống 0, lực hút giảm dần và rơle nhả. Dòng điện cần thiết để rơle hút luôn lớn hơn dòng điện cần thiết để rơle nhả. Tài liệu nhấn mạnh vào việc phân tích đường đặc tính hút để hiểu rõ hơn về hành vi đóng/ngắt của rơle. Hiểu rõ đường đặc tính này giúp thiết kế và lựa chọn rơle phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

Rơle điện từ được phân loại thành hai loại chính: rơle dòng điện và rơle điện áp. Rơle dòng điện thường có cuộn dây với nhiều vòng dây và tiết diện dây dẫn lớn, cho phép dòng điện nhỏ hoạt động. Trạng thái bình thường tiếp điểm thường mở. Khi rơle được kích hoạt bởi dòng điện đủ lớn, tiếp điểm đóng lại. Ngược lại, khi rơle nhả, dòng điện trở về nhỏ hơn dòng điện kích hoạt. Rơle điện áp lại có cuộn dây với nhiều vòng dây nhưng tiết diện dây nhỏ, cần điện áp lớn để hoạt động. Trạng thái bình thường tiếp điểm thường đóng. Khi rơle được kích hoạt bởi điện áp đủ lớn, tiếp điểm mở ra. Điện áp kích hoạt và điện áp trở về tương tự như dòng điện ở rơle dòng điện. Việc chọn loại rơle phụ thuộc vào đặc điểm của mạch điện cần điều khiển.

Văn bản so sánh rơle trung gian với rơle điện từ, nhấn mạnh sự khác biệt về kích thước và số lượng tiếp điểm. Rơle trung gian thường có kích thước lớn hơn, nhiều tiếp điểm hơn rơle điện từ thông thường, cho phép điều khiển nhiều mạch hơn cùng lúc. Điều này làm cho rơle trung gian phù hợp hơn cho các ứng dụng yêu cầu khả năng điều khiển nhiều tải. Sự tương đồng về nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc điện từ vẫn được duy trì, nhưng khả năng điều khiển và khả năng chịu tải của rơle trung gian được nâng cao hơn đáng kể. Rơle trung gian thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển phức tạp, đòi hỏi độ tin cậy cao và khả năng xử lý nhiều tín hiệu cùng một lúc.

Rơle trung gian tác động chậm có cấu tạo tương tự rơle trung gian nhưng có thêm cơ cấu làm chậm quá trình đóng/ngắt tiếp điểm. Cơ cấu này thường bao gồm một lõi sắt được đặt trong một ống đệm. Ống đệm này hoạt động như một vòng ngắn mạch, làm chậm sự thay đổi từ thông trong lõi sắt. Điều này dẫn đến việc làm chậm quá trình hút và nhả của tiếp điểm, tạo ra độ trễ thời gian mong muốn. Độ trễ này phụ thuộc vào khe hở không khí giữa lõi sắt và ống đệm. Khi rơle đang nhả, khe hở lớn, từ thông thay đổi nhanh, thời gian đóng ngắn. Ngược lại, khi rơle hút, khe hở nhỏ, từ thông thay đổi chậm, thời gian nhả dài. Đây là đặc điểm quan trọng giúp rơle trung gian tác động chậm đáp ứng yêu cầu về thời gian trong các hệ thống điều khiển.

Rơle cảm ứng có cấu tạo gồm một mạch từ với khe hở không khí, một đĩa nhôm đặt trong khe hở, một cuộn dây và một lò xo. Trên mạch từ có quấn cuộn dây tạo ra từ trường. Đĩa nhôm được thiết kế để quay quanh một trục, trên trục này có gắn tiếp điểm và lò xo. Nam châm hình chữ U được sử dụng để tạo ra một lực cản, giúp đĩa nhôm không bị dao động mạnh. Sự kết hợp của các thành phần này tạo nên cơ chế hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, từ trường tạo ra sẽ tác động lên đĩa nhôm, gây ra moment làm quay đĩa nhôm. Lò xo sẽ giữ đĩa nhôm ở vị trí ban đầu khi không có dòng điện.

Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, từ thông được tạo ra. Từ thông này tách thành hai thành phần, một phần xuyên qua vòng ngắn mạch trên đĩa nhôm, tạo ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này lại sinh ra từ thông phản tác dụng lên từ trường ban đầu. Tương tác giữa hai từ thông tạo ra moment làm quay đĩa nhôm. Moment này tác động lên đĩa nhôm, làm cho nó quay. Khi moment đủ lớn để thắng lực lò xo, tiếp điểm sẽ đóng hoặc mở, tùy thuộc vào thiết kế của rơle. Thời gian tác động phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm khoảng hở tiếp điểm, lực của lò xo và cường độ dòng điện. Tuy nhiên, do hiện tượng bão hòa từ, moment quay không tăng tuyến tính với dòng điện, nên thời gian tác động không giảm tuyến tính.

Thời gian tác động của rơle cảm ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm khoảng cách khe hở tiếp điểm, lực đàn hồi của lò xo, và cường độ dòng điện. Khoảng cách khe hở và lực lò xo thường được thiết kế cố định, do đó, thời gian tác động chủ yếu phụ thuộc vào cường độ dòng điện. Đường đặc tính thời gian tác động thường có dạng nằm ngang, cho thấy sự không tuyến tính của thời gian tác động đối với cường độ dòng điện. Hiểu rõ các yếu tố này rất quan trọng để lựa chọn và sử dụng rơle cảm ứng một cách hiệu quả. Thiết kế của rơle, bao gồm hình dạng và vật liệu của các bộ phận, cũng có ảnh hưởng đến thời gian tác động.

Rơle công suất hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra moment quay nhờ tương tác giữa hai từ thông: từ thông dòng điện và từ thông điện áp. Khi đặt điện áp U_R vào cuộn dây điện áp, dòng điện I_U sẽ chạy qua cuộn dây này, sinh ra từ thông Φ_U. Tương tự, khi cho dòng điện I_R chạy qua cuộn dây dòng điện, từ thông Φ_I được tạo ra. Tương tác giữa hai từ thông Φ_U và Φ_I ( phụ thuộc góc lệch giữa chúng) tạo ra moment làm quay đĩa nhôm. Moment quay này được tính toán dựa trên công thức M = KΦ_UΦ_Icos(θ), với θ là góc lệch giữa hai từ thông. Góc lệch này ảnh hưởng trực tiếp đến độ lớn của moment quay, xác định hướng nhạy nhất của rơle.

Công thức tính toán moment quay M được trình bày chi tiết, bao gồm các yếu tố ảnh hưởng như góc lệch giữa hai từ thông (Φ_U và Φ_I), cường độ dòng điện và điện áp. Moment quay cực đại đạt được khi góc lệch giữa hai từ thông đạt giá trị tối ưu. Văn bản chỉ ra hướng nhạy nhất của rơle công suất, phụ thuộc vào góc lệch giữa điện áp và dòng điện (φ_U và φ_R). Thông thường, góc lệch này nằm trong khoảng -25^o đến -110^o đối với rơle công suất nhiều pha. Việc hiểu rõ các thông số này giúp lựa chọn và vận hành rơle công suất hiệu quả hơn, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác.

Đường đặc tính thời gian tác động của rơle công suất tương tự như rơle cảm ứng, thể hiện mối quan hệ giữa cường độ dòng điện hoặc điện áp và thời gian tác động. Nếu một trong hai đại lượng U_R hoặc I_R đổi chiều, đĩa nhôm sẽ quay theo chiều ngược lại. Thanh ngang được lò xo giữ luôn áp sát vật cản. Phạm vi tác động của rơle có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi Z_kđ, thông thường điều này được thực hiện bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn dòng điện. Việc điều chỉnh này giúp tối ưu hóa hoạt động của rơle cho từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình hoạt động.