Cấu tạo MCB gồm những bộ phận nào?

Khi MCB ở trạng thái ON, các bộ phận dẫn điện và tiếp điểm tạo thành đường dẫn dòng liên tục. Nếu xuất hiện quá tải, bộ nhả nhiệt tác động; nếu dòng tăng rất lớn do ngắn mạch, bộ nhả từ có thể tác động gần như tức thời. Cả hai trường hợp đều giải phóng cơ cấu chốt, làm tiếp điểm tách ra và đưa hồ quang vào buồng dập hồ quang.

MCB gồm những bộ phận chính nào?

Một MCB điện cơ thông dụng thường có các bộ phận chính sau:

Ngoài các thành phần này, một số mẫu MCB có thể có cửa sổ chỉ thị trạng thái, cơ cấu hiệu chỉnh, ngàm lắp ray DIN hoặc những chi tiết cơ khí riêng. Đây không phải các bộ phận có hình dạng và cách bố trí giống nhau trên mọi sản phẩm.

Điểm quan trọng là bộ nhả nhiệt và bộ nhả từ không trực tiếp “cắt” dòng điện tại vị trí của chúng. Chúng chủ yếu phát hiện điều kiện bất thường và giải phóng cơ cấu nhả; việc tách mạch thực tế được thực hiện bởi hệ thống tiếp điểm, còn hồ quang sinh ra được xử lý trong buồng dập hồ quang.

Vỏ cách điện và đầu cực tạo nền tảng cho MCB

Vỏ MCB là kết cấu cách điện bao quanh và định vị toàn bộ cơ cấu bên trong. Ngoài nhiệm vụ hạn chế người sử dụng tiếp xúc với phần mang điện, vỏ còn phải giữ khoảng cách giữa các chi tiết dẫn điện, chịu tác động cơ học của cơ cấu đóng cắt và duy trì vị trí chính xác của các bộ phận khi MCB tác động.

Vật liệu vỏ thường là vật liệu cách điện có khả năng chịu nhiệt và hạn chế cháy lan. Loại vật liệu, cấu trúc vỏ và cách ghép các nửa vỏ có thể khác nhau theo thiết kế của từng nhà sản xuất.

Hai đầu cực là nơi dây dẫn được nối vào MCB. Bên trong đầu cực thường có cơ cấu kẹp để tạo tiếp xúc điện và cơ khí ổn định. Từ đầu cực, dòng điện đi qua các phần dẫn điện, bộ phận bảo vệ và hệ thống tiếp điểm trước khi đi ra đầu còn lại. Thứ tự bố trí vật lý của các chi tiết trên đường dòng điện có thể khác nhau giữa các thiết kế nên không nên coi một sơ đồ cắt bổ cụ thể là cấu trúc bắt buộc của mọi MCB.

Về mặt chức năng, vỏ và đầu cực không quyết định thời điểm MCB tác động. Chúng tạo điều kiện để dòng điện được dẫn ổn định và các cơ cấu bảo vệ bên trong làm việc trong một kết cấu cách điện, cơ khí xác định.

Tay gạt, chốt nhả và tiếp điểm thực hiện đóng cắt

Tay gạt là phần người dùng nhìn thấy rõ nhất nhưng chỉ là đầu vào điều khiển của cả một cơ cấu cơ khí. Khi chuyển tay gạt sang ON, hệ thống truyền động ép tiếp điểm động vào tiếp điểm tĩnh và cơ cấu chốt giữ chúng ở trạng thái đóng.

Khi bộ nhả nhiệt hoặc bộ nhả từ phát hiện điều kiện cần ngắt, chốt giữ được giải phóng. Năng lượng tích trong cơ cấu lò xo làm tiếp điểm động tách nhanh khỏi tiếp điểm tĩnh. Việc tách nhanh rất quan trọng vì nếu tiếp điểm rời nhau quá chậm, hồ quang có thể duy trì lâu hơn và làm tăng năng lượng nhiệt tác động lên các chi tiết bên trong.

Nhiều MCB sử dụng nguyên lý trip-free: khi cơ cấu bảo vệ đã ra lệnh nhả, tiếp điểm vẫn phải mở dù tay gạt đang bị giữ ở vị trí ON. Nhờ đó, tay gạt không thể đơn giản vô hiệu hóa cơ chế bảo vệ bằng lực giữ cơ khí.

Bề mặt tiếp điểm phải vừa dẫn điện tốt khi đóng, vừa chịu được nhiệt và xói mòn do hồ quang khi mở. Vì vậy, phần tiếp xúc thường sử dụng vật liệu hoặc hợp kim chuyên dụng thay vì chỉ dựa vào kim loại dẫn điện thông thường. Thành phần vật liệu cụ thể phụ thuộc vào thiết kế MCB.

Thanh lưỡng kim phát hiện quá tải

Bộ nhả nhiệt của MCB thường sử dụng thanh lưỡng kim, được tạo từ hai lớp kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Khi dòng điện chạy qua làm bộ phận này nóng lên, hai lớp giãn nở không giống nhau khiến thanh bị uốn cong.

Ở dòng điện bình thường, độ biến dạng chưa đủ để giải phóng chốt nhả. Khi dòng điện vượt định mức trong một khoảng thời gian đủ dài, nhiệt tích lũy tăng dần, thanh lưỡng kim cong đến mức tác động lên cơ cấu nhả và làm MCB mở tiếp điểm.

Cơ chế này giải thích vì sao bảo vệ quá tải có đặc tính nghịch thời gian: mức quá tải càng lớn thì thanh lưỡng kim nóng càng nhanh và thời gian tác động thường càng ngắn. Một mức quá tải nhỏ có thể cần thời gian tương đối dài mới làm MCB nhảy, trong khi quá tải lớn khiến quá trình diễn ra nhanh hơn.

Bộ nhả nhiệt vì thế không nên được hiểu là cơ cấu phản ứng tức thời với mọi trường hợp dòng vượt định mức. Nó được thiết kế chủ yếu để nhận biết hiệu ứng nhiệt của tình trạng quá tải kéo dài. Nhiệt độ môi trường, trạng thái nóng trước đó của MCB và thiết kế hiệu chỉnh cũng có thể ảnh hưởng đến thời gian tác động thực tế.

Cuộn điện từ phát hiện ngắn mạch

Nếu chỉ dựa vào thanh lưỡng kim, MCB sẽ không đủ nhanh trước những dòng điện rất lớn xuất hiện khi ngắn mạch. Vì vậy, cấu tạo MCB còn có bộ nhả từ điện, thường gồm cuộn dây và lõi hoặc phần ứng chuyển động.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường. Trong điều kiện bình thường, lực điện từ chưa đủ để làm cơ cấu nhả tác động. Khi dòng tăng lên mức rất lớn, từ trường mạnh nhanh chóng hút hoặc đẩy phần ứng, giải phóng chốt và mở hệ thống tiếp điểm.

Khác với bộ nhả nhiệt cần quá trình tích lũy nhiệt, bộ nhả từ có thể phản ứng rất nhanh khi dòng đạt ngưỡng tác động. Hai cơ cấu vì thế bổ sung cho nhau: thanh lưỡng kim xử lý quá tải theo thời gian, còn bộ nhả từ xử lý dòng ngắn mạch lớn.

Ngưỡng tác động tức thời cũng là một phần tạo nên đặc tính đường cong của MCB. Với các loại thông dụng, vùng tác động từ thường nằm khoảng 3–5 lần dòng định mức đối với đường cong B, 5–10 lần đối với C và 10–20 lần đối với D. Các giá trị này cho thấy bộ nhả từ không được thiết kế để tác động chỉ vì dòng vừa vượt nhẹ dòng định mức.

Do đó, việc một MCB không ngắt tức thời ở mức quá tải nhỏ không đồng nghĩa bộ nhả từ bị lỗi. Trong vùng đó, cơ chế bảo vệ nhiệt mới là phần đảm nhiệm việc phát hiện và tác động.

Buồng dập hồ quang hoàn tất quá trình ngắt mạch

Khi tiếp điểm đang mang dòng bị tách ra, dòng điện không nhất thiết biến mất ngay lập tức. Điện trường giữa hai tiếp điểm có thể ion hóa môi trường xung quanh và hình thành hồ quang điện. Hồ quang có nhiệt độ cao, gây xói mòn tiếp điểm và nếu không được kiểm soát có thể duy trì đường dẫn điện dù hai tiếp điểm đã rời nhau.

Buồng dập hồ quang được đặt gần vùng tiếp điểm để xử lý hiện tượng này. Cấu tạo điển hình gồm nhiều tấm kim loại bố trí thành một cụm. Hồ quang được dẫn vào cụm tấm, bị chia thành nhiều đoạn ngắn hơn, đồng thời được kéo dài và làm nguội. Quá trình đó làm tăng điện áp cần thiết để duy trì hồ quang và giúp dòng điện bị triệt tiêu khi điều kiện phù hợp.

Buồng dập hồ quang không phải bộ phận phát hiện quá tải hay ngắn mạch. Nó chỉ bắt đầu thực hiện vai trò chính sau khi cơ cấu bảo vệ đã làm tiếp điểm mở. Đây là một điểm dễ nhầm khi quan sát cấu tạo MCB: phát hiện sự cố, mở tiếp điểm và dập hồ quang là ba nhiệm vụ liên tiếp nhưng do các bộ phận khác nhau đảm nhiệm.

Toàn bộ chuỗi hoạt động có thể hiểu ngắn gọn như sau: dòng bất thường được bộ nhả nhiệt hoặc bộ nhả từ nhận biết → chốt nhả được giải phóng → tiếp điểm tách ra → hồ quang xuất hiện → buồng dập hồ quang làm suy giảm và dập hồ quang → mạch điện được cách ly.

Cấu tạo MCB là sự phối hợp giữa vỏ và đầu cực, cơ cấu đóng cắt, hệ thống tiếp điểm, bộ nhả nhiệt, bộ nhả từ và buồng dập hồ quang. Trong đó, thanh lưỡng kim đảm nhiệm bảo vệ quá tải theo hiệu ứng nhiệt, cuộn điện từ phản ứng với dòng ngắn mạch lớn, cơ cấu nhả làm tách tiếp điểm và buồng dập hồ quang giúp quá trình ngắt dòng diễn ra an toàn. Cách bố trí chi tiết có thể khác nhau giữa các dòng sản phẩm, nhưng các chức năng cốt lõi này tạo nên nguyên lý hoạt động chung của MCB điện cơ.