Khí cụ điện – Relay

1. Khái quát chung về Relay

1.1. Mục tiêu

Tìm hiểu và phân loại các Relay thường sử dụng trong công nghiệp.

1.2. Khái niệm

Relay là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đặt được giá trị xác định. Relay là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch động lực.

1.3. Cấu tạo cơ bản của relay

Một relay cơ bản gồm 3 bộ phận chính:

• Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu).
• Cơ cấu trung gian (khối trung gian).
• Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành).

Mỗi một bộ phận đều đảm nhận một vài trò riêng:

• Cơ cấu tiếp thu: Có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian.
• Cơ cấu trung gian: Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành các đại lượng cần thiết cho relay tác động.
• Cơ cấu chấp hành: Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển.

Dưới đây là sơ đồ mình họa kết cấu của một Relay.

Hình 1: Sơ đồ khối kết cấu Relay

• Cơ cấu tiếp thu là cuộn dây.
• Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện.
• Cơ cấu chấp hành là hệ thống nam châm điện.

1.4. Phân loại relay

Để phân loại relay có nhiều cách, có thể dựa vào nguyên lý làm việc, nguyên lý tác động chấp hành, chức năng, vị trí lắp đặt.

Phân loại theo nguyên lý làm việc:

• Relay điện từ: Là relay làm việc theo nguyên lý điện từ.
• Relay điện từ phân cực: Là relay điện từ nhưng có thêm từ thông của nam châm vĩnh cửu tác động thêm trong mạch relay.
• Relay từ điện: Là relay dựa vào sự tác động tương hỗ giữa từ trường của nam châm vĩnh cửu ở phần tĩnh với dòng điện chạy trong cuộn dây phần động của relay.
• Relay điện động: Là relay dựa vào sự tác dụng tương hỗ dòng điện chạy trong cuộn dây này với từ trường dòng điện chạy trong cuộn dây khác.
• Relay cảm ứng: Dựa vào sự tác dụng tương hỗ từ trường cuộn dây tĩnh với dòng điện cảm ứng trong phần động của relay do một từ trường tạo nên.
• Relay nhiệt: Dựa vào sự biến đổi kích thước, thể tích của vật liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ.
• Relay từ bán dẫn: Dựa vào nguyên lý của các phần tử từ, điện từ, bán dẫn.

Phân loại theo nguyên lý tác động của cơ cấu chấp hành

• Relay có tiếp điểm: Loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm.
• Relay không tiếp điểm: Loại này tác động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển.

Phân loại theo chức năng

• Relay bảo vệ.
• Relay điều khiển.
• Relay thời gian.

Phân loại theo vị trí lắp đặt:

• Relay sơ cấp: Loại này được lắp trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ.
• Relay thứ cấp: Loại này được lắp vào mạch thông qua biến áp đo lường hay biến dòng điện.

Phân loại theo nguyên lý xử lý số liệu

• Relay tương tự.
• Relay số.

1.5. Các thông số của relay

Hệ số điều khiển

Với:

• P_dk: Là công suất điều khiển định mức của Relay (chính là công suất định mức của cơ cấu chấp hành).
• P_td: là công suất tác động (chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để relay tác động).

Hệ số trở về

Với:

• I_tv: Là trị số dòng điện trở về, xác định bằng cách sau khi tiếp điểm thường mở đóng hoàn toàn, giảm từ từ dòng khởi động cho đến khi tiếp điểm từ từ mở ra, tại thời điểm đó sẽ đo được I_tv.
• I: Là dòng điện chạy qua relay.

Độ nhạy của relay

          Với:

• I_R: Là dòng điện chạy qua relay khi ngắn mạch.
• I_Kd: Là dòng khởi động.

Chú ý

• K_tv càng nhỏ relay càng chính xác.
• Relay điện từ P_dk là công suất tiếp điểm.
• P_td là công suất cuộn dây nam châm hút.

Thời gian tác động

Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào đến lúc cơ cấu chấp hành làm việc. Với relay điện từ là thời gian cuộn từ được cấp điện áp cho đến khi hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (tiếp điểm thưởng mở) hoặc tiếp điểm mở ra hoàn toàn (tiếp điểm thường đóng).

1.6        Các loại relay thường dùng trong công nghiệp

1.6.1. Relay điện từ

Relay điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc nam châm điện, dùng để đóng ngắt các mạch công suất nhỏ.

Cấu tạo

Hình 2: Cấu  tạo của Relay điện từ

Trong đó: 1 (lỗi thép tĩnh), 2 (cuộn hút), 3 (lõi thép động), 4 (lò xo).

Hình 3: Relay điện từ

Nguyên lý hoạt động

Khi đóng điện cho cuộn hút (2), từ thông do cuộn hút sinh ra móc vòng qua lõi thép tĩnh (1) và lõi động (3) tạo thành 2 cực từ trái dấu ở bề mặt tiếp xúc làm cho lõi thép động (3) bị hút về lõi thép tĩnh. Mô-men do lực hút sinh ra thắng mô-men lực kéo của lò so. Kết quả lõi thép động bị hút chặt vào lõi thép tĩnh. Tiếp điểm (5) đóng lại.

Chú ý

• Công suất điều khiển P_dk từ vài W đến vài kW.
• Công suất tác động P_td từ vài W đến vài kW.

Một số loại relay điện từ:

• Relay dòng điện và điện áp loại T.
• Relay trung gian. Nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu điều khiển. Đặc điểm Relay trung gian có cơ cấu điều chỉnh điện áp tác động có thể tác động khi điện áp tăng giảm trong khoảng ±15% U_đm.
• Relay thời gian điện từ.

1.6.2. Relay phân cực

Relay phân cực là một dạng của relay điện từ có thêm phần từ thông phân cực do nam châm vĩnh cửu tạo nên.

Chuyển động của nắp phụ thuộc vào chiều của dòng điện trong cuộn dây.

Hình 4: Relay phân cực

Nguyên lý hoạt động

Relay phân cực có cấu tạo một phía có khe hở không khí lớn một phía nhỏ hơn.

Khi cho dòng vào cuộn dây nam châm thì tổng lực hút điện từ của cuộn dây và nam châm vĩnh cửu phân cực hai bên không bằng nhau, nắp bị hút về một bên.

Nam châm vĩnh cửu có nhiệm vụ giữ nắp khi ngắt điện cuộn dây. Muốn nắp chuyển động ngược lại thì phải đổi chiều dòng điện để đổi chiều lực hút điện từ.

Loại relay này có ưu điểm là độ nhạy cao kích thước gọn, thời gian tác động nhanh, cho phép thao tác với tần số lớn.

Nhược điểm là công suất tác động tương đối lớn, độ nhạy thấp, hệ số điều khiển thấp.

1.6.3. Relay nhiệt

Relay nhiệt là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải.

Thông số của relay nhiệt:

Bảng 1: Thông số relay nhiệt

Điện áp xoay chiều	500V.
Dòng điện định mức	150A.
Tần số dòng điện	50Hz.
Điện áp một chiều	440V.
Thời gian làm việc	Từ vài giây đến vài phút.

Lưu ý

Relay nhiệt không hoạt động tức thời theo trị dòng điện, vì relay có quan tính nhiệt lớn nên cần thời gian phát nóng.

Hình 5: Relay nhiệt

Nguyên lý hoạt động

Relay nhiệt làm việc dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện và sự khác nhau về giãn nở độ dài của kim loại khi bị đốt nóng.

Phần tử cơ bản của relay nhiệt là phần kim loại kép cấu tạo từ hai tấm kim loại, một tấm có hệ số giãn nở thấp và một tấm có hệ số giãn nở cao.

Khi đốt nóng do dòng I phiến kim loại uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, có thể dùng trực tiếp cho dòng điện qua hoặc dây điện trở bao quanh.

Để độ uốn cong lớn, yêu cầu tấm kim loại có chiều dài lớn và mỏng. Nếu cần lực đẩy lớn, thì chế tạo tấm phiến rộng và dày.

1.6.4. Relay thời gian

Relay thời gian dùng để duy trì thời gian đóng chậm hoặc mở chậm của hệ thống tiếp điểm so với thời điểm đưa tín hiệu tác động vào relay.

Hình 6: Relay thời gian

Phân loại

• Relay thời gian kiểu điện từ.
• Relay thời gian kiểu thủy lực.
• Relay thời gian kiểu đồng hồ.
• Relay thời gian kiểu điện – bán dẫn.

Nguyên lý hoạt động

Ta sẽ xét nguyên lý hoạt động của loại relay thời gian kiểu điện từ.

Trong quá trình đóng hay ngắt cuộn dây relay thì ở trong vòng ngắn mạch sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng, dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra sẽ tạo ra một từ thông chống lại sự biến thiên từ thông do cuộn dây sinh ra. Do đó nó làm cho tốc độ thay đổi của từ thông chậm lại làm thời gian tác động của relay chậm lại.

Thay đổi thời gian tác động bằng cách thay đổi độ căng lò xo, điều chỉnh vít để điều chỉnh chiều rộng khe hở miếng đệm hoặc trị số dòng điện