Công tắc chuyển mạch là gì? Nguyên lý hoạt động, phân loại và cách lựa chọn

Công tắc chuyển mạch có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa 2 nguồn điện khác nhau, rất cần thiết để duy trì nguồn điện liên tục cho các hoạt động sinh hoạt, sản xuất. Vậy công tắc chuyển mạch là gì? Thiết bị này có phải bộ chuyển nguồn tự động (ATS) không? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu trong bài viết sau. 

Công tắc chuyển mạch là gì?

Công tắc chuyển mạch (còn được gọi là công tắc chuyển đổi, tên tiếng Anh là Transfer Switch hoặc Changeover Switch) là thiết bị điện cho phép chuyển đổi dòng điện an toàn giữa 2 hoặc nhiều mạch điện khác nhau, đảm bảo nguồn cho tải được cấp liên tục trong trường hợp mất điện hoặc cần sửa chữa, bảo trì. Ngoài ra, công tắc chuyển mạch cũng cho khả năng tắt/mở các thiết bị điện như quạt, đèn, tivi, máy lạnh, máy tính… 

Mục đích chính của việc sử dụng công tắc chuyển mạch là để hạn chế việc gián đoạn nguồn điện có thể ảnh hưởng đến hoạt động kinh doanh - sản xuất, khả năng vận hành của một số thiết bị nhạy cảm hoặc gây thiệt hại nghiệm trọng trong một số ứng dụng đặc thù như bệnh viện, trung tâm dữ liệu, sân bay, cảng biển.

Ngoài ra, việc lắp đặt công tắc chuyển mạch tại các hệ thống điện từ dân dụng đến công nghiệp và năng lượng tái tạo còn nhằm: 

• Cung cấp nguồn điện liên tục cho thiết bị.
• Ngăn ngừa thiết bị hỏng hóc do mất điện đột ngột. 
• Ngăn chặn hiện tượng cấp điện ngược vào đường dây, gây nguy hiểm cho kỹ thuật viên trong quá trình sửa chữa, bảo trì. 

Cấu tạo của công tắc chuyển mạch

Công tắc chuyển mạch thường được cấu thành từ các bộ phận chính như sau: 

• Thân công tắc: Thường làm bằng nhựa cách điện cao cấp, có tác dụng chứa và bảo vệ các bộ phận bên trong. 
• Núm xoay hoặc gạt: Bộ phận để người dùng tác động làm thay đổi vị trí các tiếp điểm. 
• Tiếp điểm: Gồm 2 loại tiếp điểm chính là tiếp điểm tĩnh (điểm tiếp xúc điện cố định) và tiếp điểm động (di chuyển theo núm xoay để tiếp xúc hoặc tách rời khỏi tiếp điểm tĩnh). Một số loại công tắc còn có thêm tiếp điểm phụ và tiếp điểm mở để hỗ trợ việc đóng ngắt mạch điện. 
• Hệ thống thanh dẫn: Dùng để dẫn dòng điện qua công tắc. 
• Chân đấu dây: Các cực để đấu dây điện vào/ra. 
• Bộ phận phụ trợ: Như buồng dập hồ quang, lò xo và nam châm điện. 

Riêng công tắc chuyển mạch tự động có cấu tạo phức tạp hơn, tương đồng với bộ chuyển nguồn tự động ATS. 

Nguyên lý hoạt động của công tắc chuyển mạch 

Công tắc chuyển mạch hoạt động như cầu nối giữa 2 nguồn điện, trong đó, các tiếp điểm bên trong chịu trách nhiệm thiết lập hoặc ngắt kết nối nhằm đảm bảo chỉ có một nguồn điện cung cấp cho tải tại một thời điểm nhất định.

Quá trình chuyển mạch này diễn ra như sau:

• Trong điều kiện bình thường: Công tắc chuyển mạch sẽ ưu tiên nguồn điện chính (thường là lưới điện) kết nối với tải. 
• Khi có sự cố mất điện: Thiết bị chuyển mạch sẽ phát hiện được sự gián đoạn của nguồn thông qua 2 cách - Một là qua sự can thiệp thủ công của người vận hành và Hai là thông qua cảm biến giám sát bên trong công tắc tự động. 
• Khởi tạo quá trình chuyển giao: Ngay khi xác nhận nguồn điện chính bị mất, thiết bị chuyển mạch bắt đầu quá trình chuyển giao theo các bước - Cách ly nguồn chính - Chuẩn bị kết nối nguồn phụ - Đảm bảo đồng bộ hóa chính xác. 
• Kết nối nguồn phụ: Đối với công tắc thủ công, người vận hành cần dùng tay di chuyển công tắc để thay đổi nguồn điện. Với công tắc tự động, quá trình này được thực hiện hoàn toàn tự động, không cần sự can thiệp của con người. Đa phần công tắc chuyển mạch được thiết lập kết nối với nguồn phụ là máy phát điện. 
• Khôi phục nguồn điện: Khi nguồn điện lưới được khôi phục, công tắc chuyển mạch sẽ ngắt nguồn dự phòng và chuyển nguồn cấp cho tải trở lại nguồn chính. 

Có 2 phương thức chuyển đổi phổ biến được sử dụng trong quá trình chuyển mạch của công tắc loại này, gồm: 

• Chuyển đổi mở: Còn gọi là phương pháp ngắt trước khi kết nối, tức là công tắc sẽ ngắt kết nối với nguồn chính trước khi chuyển sang nguồn phụ. Đây là phương pháp phổ biến và tiết kiệm nhất, thích hợp với hầu hết các ứng dụng dân dụng và thương mại, đảm bảo 2 nguồn điện không được kết nối đồng thời, trong đó sự gián đoạn của nguồn thường diễn ra trong khoảng từ 1-2 phút. 
• Chuyển đổi khép kín: Còn được gọi là cơ chế kết nối trước khi ngắt. Phương pháp này cho khả năng duy trì nguồn điện liên tục trong quá trình chuyển đổi nhưng yêu cầu sự đồng bộ hoàn hảo giữa 2 nguồn để hạn chế các sự cố. So với chuyển đổi mở, chuyển đổi kín phức tạp và tốn kém hơn nhiều nên thường được ứng dụng trong các môi trường yêu cầu cao về tính liền mạch của nguồn điện như bệnh viện, trung tâm dữ liệu, sân bay. 
• Chuyển đổi tĩnh (STS): Phương pháp này sử dụng chất bán dẫn công suất như bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) để chuyển đổi giữa 2 nguồn điện. Do không có bộ phận truyền động cơ học nên quá trình chuyển đổi diễn ra nhanh chóng, trong vòng ¼ chu kỳ của tần số nguồn. Tuy nhiên, phương pháp này khá đắt đỏ nên chỉ phù hợp với một số hệ thống đặc thù. 

Các loại công tắc chuyển mạch

Công tắc chuyển mạch có nhiều cấu hình khác nhau, cho khả năng tương thích với nhiều ứng dụng khác nhau. 

Công tắc chuyển đổi thủ công

Loại công tắc này yêu cầu sự can thiệp thủ công của con người để chuyển đổi giữa 2 nguồn điện, được thực hiện bằng cách sử dụng cần gạt hoặc xoay tay cầm, một số loại sẽ có thêm nút bấm điện tử. 

Công tắc chuyển đổi thủ công thường được lắp đặt cạnh bảng điện chính để thuận tiện cho việc thao tác. Trên thân công tắc được trang bị các chỉ báo trực quan hiển thị nguồn điện hiện tại. Loại này có cơ cấu vận hành cơ học đơn giản nên dễ lắp đặt và tiết kiệm chi phí. 

Ứng dụng phổ biến nhất của công tắc chuyển đổi thủ công là trong hệ thống điện dân dụng, cơ sở thương mại nhỏ hoặc các ứng dụng không yêu cầu cao về tính liên tục của nguồn điện.

Ưu điểm: 

• Chi phí lắp đặt, vận hành thấp. 
• Thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và dễ sửa chữa, bảo trì. 
• Người vận hành chủ động trong việc quyết định khi nào cần chuyển đổi nguồn điện. 

Nhược điểm: 

• Thời gian phản hồi chậm, cần có sự can thiệp của con người khi nguồn chính gặp sự cố. 
• Khởi động nguồn phụ chậm do cần thao tác thủ công. 
• Tiềm ẩn nguy cơ vận hành sai và không có khả năng giám sát tự động. 

Công tắc chuyển đổi tự động

Loại công tắc này có chức năng tương tự bộ chuyển nguồn tự động (ATS). Bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển, cảm biến tiên tiến để giám sát thông số điện áp và tần số của nguồn điện, công tắc chuyển đổi tự động có thể tự động phát hiện sự cố mất điện hoặc sự dao động điện áp và tự quyết định thời điểm chuyển đổi mà không cần sự can thiệp của con người. Thiết bị này được tích hợp bộ hẹn giờ trễ để ngăn ngừa việc chuyển mạch không cần thiết, đồng thời có thể lập trình để hoạt động theo các thông số tùy chỉnh. 

So với công tắc chuyển đổi thủ công, công tắc tự động có tính chính xác và linh hoạt cao hơn nhiều nên phù hợp để sử dụng trong các cơ sở trọng yếu (sân bay, trung tâm dữ liệu, bệnh viện) hoặc các quy trình công nghiệp quan trọng. 

Ưu điểm: 

• Khả năng phản hồi nhanh chóng, thời gian chuyển đổi chỉ mất từ 5-10s sau khi phát hiện sự cố trên nguồn chính. 
• Hoạt động bền bỉ 24/7, ngay cả khi cơ sở không có người vận hành. 
• Hiệu suất hoạt động ổn định, tích hợp nhiều tính năng nâng cao và khả năng giám sát từ xa. 

Nhược điểm: 

• Chi phí đầu tư cao hơn, không phù hợp với các cơ sở nhỏ lẻ. 
• Cài đặt phức tạp và yêu cầu vận hành, bảo trì cũng khắt khe hơn. 
• Nhiều linh kiện điện tử có thể bị hỏng trong quá trình vận hành, yêu cầu chi phí sửa chữa tốn kém. 

Công tắc chuyển đổi lai và thông minh

Một số hệ thống lai yêu cầu công tắc chuyển mạch kết hợp tính năng của 2 loại công tắc thủ công và tự động, cho phép lập trình linh hoạt hơn trong những tình huống khác nhau, đồng thời tính an toàn của hệ thống cũng được nâng cao nhờ cơ chế vận hành kép. 

Trong khi đó, công tắc chuyển mạch thông minh được tích hợp kết nối loT để giám sát và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng điện thoại. Loại này có khả năng chẩn đoán và cảnh báo bảo trì dựa trên các thuật toán thông minh, phù hợp để tích hợp với hệ thống tự động hóa của nhà ở. 

Công tắc chuyển đổi máy phát điện

Đây là loại công tắc được thiết kế chuyên biệt để sử dụng cho máy phát điện như nguồn điện dự phòng bên cạnh nguồn chính là điện lưới. Trong trường hợp mất điện, công tắc chuyển mạch sẽ lập tức chuyển sang nguồn máy phát để cấp cho tải.

Công tắc chuyển mạch từ tính

Công tắc từ tính sử dụng lực từ để điều khiển cơ chế chuyển mạch giữa các tiếp điểm, cho phép chuyển mạch chính xác hơn, thích hợp với các ứng dụng công nghiệp. 

Ứng dụng của công tắc chuyển mạch

Nhờ tính linh hoạt và độ tin cậy cao, công tắc chuyển mạch được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. 

Ứng dụng dân dụng

Trong các hộ gia đình, công tắc chuyển mạch không chỉ được dùng để chuyển đổi giữa nguồn điện lưới và nguồn máy phát, mà còn được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện: 

• Bật/tắt đèn: Công tắc đảo chiều cho phép điều khiển đèn từ 2 vị trí khác nhau, thường lắp ở hành lang hoặc khu vực cầu thang. 
• Điều chỉnh quạt điện: Cho phép người dùng bật/tắt và điều chỉnh tốc độ quạt theo nhu cầu. 
• Điều khiển điều hòa: Công tắc chuyển mạch có thể thay đổi chế độ làm mát, sưởi ấm hoặc điều chỉnh nguồn cấp cho điều hòa trung tâm. 

Ứng dụng thương mại

Trong các doanh nghiệp bán lẻ, dịch vụ, công tắc chuyển mạch giúp giảm thiểu tối đa tình trạng mất điện để: 

• Duy trì khả năng giao dịch tại các điểm bán hàng. 
• Ngăn ngừa các vấn đề về an toàn thực phẩm trong trường hợp mất điện kéo dài. 
• Đảm bảo hệ thống an ninh hoạt động liên tục. 

Đối với các tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại, công tắc chuyển mạch góp phần duy trì nguồn điện liên tục để nâng cao năng suất và bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu. 

• Ngăn ngừa mất dữ liệu tại hệ thống máy tính, máy chủ. 
• Duy trì hệ thống liên lạc nội bộ. 
• Vận hành thang máy liên tục trong các tòa nhà cao tầng. 
• Cung cấp điện cho hệ thống báo động và chiếu sáng khẩn cấp. 

Ứng dụng công nghiệp

Công tắc chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nguồn điện để điều khiển máy móc và tránh làm hư hỏng thiết bị trong các nhà máy, khu công nghiệp, xưởng sản xuất.

• Đảm bảo tính liên tục của dây chuyền sản xuất, hạn chế sự gián đoạn về nguồn gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. 
• Duy trì quy trình tự động hóa và giám sát quan trọng trong các dây chuyền, giảm thiểu sự cố kỹ thuật. 
• Kiểm soát chất lượng sản phẩm trong suốt quá trình biến động điện áp. 
• Bảo vệ thiết bị và con người trong một số trường hợp khẩn cấp. 

Đặc biệt, trong các trung tâm dữ liệu, bệnh viện, cơ sở hạ tầng CNTT, công tắc chuyển mạch là thiết bị không thể thiếu để duy trì các hoạt động cốt lõi (hoạt động điện toán, khám chữa bệnh, vận hành máy bay…), đảm bảo dịch vụ internet, thông tin liên lạc liền mạch và ngăn ngừa tình trạng hệ thống làm mát bị ngắt ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử công suất nhạy cảm. 

Ứng dụng ngành năng lượng tái tạo

Công tắc chuyển mạch là thiết bị không thể thiếu để chuyển đổi giữa nguồn điện lưới và nguồn điện tái tạo, nhằm tối ưu việc sử dụng điện mặt mặt/ điện gió trong khung giờ cao điểm hoặc khi giá điện cao. Đồng thời công tắc loại này cũng giúp kiểm soát dòng điện và ngăn chặn các sự cố điện có thể ảnh hưởng đến cả 2 nguồn. 

Cách lựa chọn công tắc chuyển mạch phù hợp

Việc lựa chọn công tắc chuyển mạch phù hợp với hệ thống yêu cầu cần xem xét nhiều tiêu chí để đảm bảo hiệu suất, tính an toàn và tiết kiệm chi phí. 

Thông số kỹ thuật

Công tắc chuyển mạch cần có công suất và định mức phù hợp để xử lý được tổng tải, bao gồm cả dòng khởi động của các động cơ. 

Ngoài ra, cũng cần cân nhắc các yếu tố như điện áp, cấu hình pha và khả năng tương thích về tần số để đảm bảo sự tương thích giữa lưới điện và máy phát điện. 

Về cấu hình chuyển mạch, số cực (số lượng dây dẫn cần chuyển mạch), thông số tiếp điểm (đảm bảo tiếp điểm chịu được dòng khởi động và tải bình thường) và cơ chế vận hành (gạt, xoay, nút nhấn) là những tiêu chí cần lưu ý khi lựa chọn công tắc. 

Ứng dụng cụ thể

Hãy đảm bảo công tắc chuyển mạch phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có, bao gồm công suất điện chính của tòa nhà và hệ thống dây dẫn, từ đó có phương án lựa chọn loại công tắc phù hợp. 

Đồng thời, hãy kiểm tra kích thước công tắc và kích thước tại khu vực lắp đặt có phù hợp hay không. Với một số ứng dụng yêu cầu khả năng giám sát và điều khiển từ xa, nên ưu tiên lựa chọn công tắc chuyển mạch tự động thay vì thủ công. 

Chứng nhận an toàn

Ưu tiên sử dụng công tắc chuyển mạch của các thương hiệu uy tín, đáp ứng các chứng nhận an toàn như UL, CSA… để đảm bảo an toàn tuyệt đối trong quá trình sử dụng. 

Bên cạnh đó, có thể lựa chọn các loại công tắc được tích hợp khả năng chống sét lan truyền, bảo vệ quá tải hay cơ chế khóa liên động để tăng khả năng bảo vệ tổng thể. 

Ngân sách và yếu tố chi phí

Yếu tố chi phí liên quan đến việc sở hữu công tắc chuyển mạch bao gồm: chi phí mua, lắp đặt, bảo trì, sửa chữa hoặc thay thế trong suốt vòng đời thiết bị. Một thiết bị chuyển mạch phù hợp là phải cân bằng được cả 2 yếu tố: chi phí và chất lượng. 

Câu hỏi thường gặp về công tắc chuyển mạch

Câu hỏi 1: Công tắc chuyển mạch thường có tuổi thọ bao lâu?

Trả lời: Công tắc chuyển mạch nếu được sử dụng đúng cách có thể duy trì tuổi thọ từ 15 - 25 năm. Công tắc thủ công thường có tuổi thọ dài hơn do ít linh kiện điện tử hơn. 

Câu hỏi 2: Công tắc chuyển mạch phát ra tiếng ồn, điều này có bình thường không?

Trả lời: Tiếng ồn phát ra từ công tắc trong quá trình chuyển mạch là bình thường nhưng khi tiếng ồn to quá mức, kết hợp sự xuất hiện của tiếng mài hoặc tia lửa điện, đây là dấu hiệu cho thấy bạn cần kiểm tra công tắc ngay lập tức. 

Câu hỏi 3: Sự khác biệt giữa công tắc chuyển mạch tự động và thủ công là gì?

Trả lời: Sự khác biệt lớn nhất giữa 2 loại công tắc này nằm ở sự can thiệp của con người trong quá trình chuyển mạch. Công tắc chuyển động thủ công cần thao tác thủ công để chuyển nguồn, thay đổi chế độ, trong khi quy trình này tại công tắc tự động được thực hiện hoàn toàn tự động. 

Tiêu chí	Công tắc chuyển đổi thủ công	Công tắc chuyển mạch tự động
Thời gian chuyển mạch	5-15 phút (bao gồm thời gian khởi động máy phát điện)	5-10s sau khi máy phát điện ổn định
Ứng phó trong trường hợp mất điện	Cần người vận hành có mặt để thao tác	Hoạt động tự động 24/7
Thời gian cài đặt	2-4 giờ	6-12 giờ
Yêu cầu bảo trì	Hàng năm	Hàng quý
Độ tin cậy	Cao	Rất cao

Câu hỏi 4: Có thể nâng cấp từ công tắc chuyển mạch thủ công sang tự động được không?

Trả lời: Có. Nhưng việc này yêu cầu phải đấu nối lại dây dẫn khá phức tạp, thậm chí phải thay đổi loại máy phát điện để đảm bảo tính tương thích. 

Công tắc chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tự động. Tuy nhiên, để lựa chọn các loại công tắc chuyển mạch phù hợp, bạn cần xem xét trên các tiêu chí như yêu cầu cụ thể, ứng dụng và ngân sách. Hy vọng những kiến thức chúng tôi đã chia sẻ có thể giúp ích cho bạn trong việc tìm hiểu và chọn lựa công tắc cho hệ thống của mình. 

Các loại công tắc khác, bạn có thể tìm hiểu tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-tu-dien/