Các máy móc điện – điện tử trên thị trường Việt Nam của chúng ta hiện nay thường áp dụng ở mức điện áp 220V. Thế nhưng, sẽ có lần các bạn vấp phải những món đồ có căn nguyên từ Mỹ hoặc Nhật đòi hỏi áp dụng điện áp 110V và để áp dụng tại lưới điện tại VIệt Nam, chúng ta cần phải có có bộ chuyển điện áp từ 220V xuống 110V. Ngoài ra, đối với một số bạn thường đi ngoại quốc thì có khả năng cao sẽ quen thuộc với sự không thống nhất về điện áp của lưới điện dân dụng giữa các nước.
Vậy đâu là lí lẽ của sự khác biệt này? Chúng ta hãy cùng tìm kiếm câu trả lời qua bài viết dưới đây nhé!
Tình hình áp dụng điện áp giữa các dân tộc trên thế giới
Như các bạn thấy trong bản đồ giỏi hơn, tiêu chuẩn áp dụng dòng điện xoay chiều có sự không thống nhất giữa các nước trên thế giới. Thông thường, điện áp từ 220-240V được hưởng rộng rãi nhất với phần đông các dân tộc bao gồm châu Âu, mọng nước Á Châu, châu Phi và dĩ nhiên trong đó có Việt Nam chúng ta. Tiếp theo là điện áp 100-127V được hưởng rộng rãi tại toàn bộ lãnh thổ Bắc Mĩ, một số nước Nam Mỹ, Nhật Bản và Đài Loan.
Ngoài ra, một tham số khác cũng đáng chú ý là tần số của dòng dòng điện xoay chiều (Viết tắt là AC, đơn vị là Hz). Phần lớn các dân tộc đều áp dụng dòng dòng điện xoay chiều có tần số năm0Hz. Một số ít còn lại áp dụng tần số 60Hz. Tiêu chuẩn lưới điện tại Mỹ nói riêng là 120V và 60Hz. Tuy nhiên, điện áp trung bình thực tế tại Mỹ là phạm vi 117V. Điều này khác hẳn với nhiều nơi khác trên thế giới vốn dĩ chủ yếu áp dụng điện áp từ 220 đến 240V.
Câu hỏi đặt ra ở đây là:
- Các tham số về điện áp và tần số dòng điện đã được chọn như thế nào?
- Có những trường hợp ngoại lệ nào không?
Chúng ta sẽ lần lượt trả lời 2 dấu chấm hỏi trên. Đầu tiên, mọi chuyện bắt đầu từ cuộc chiến dòng điện giữa 2 nhà phát minh thiên tài: Nicolas Tesla và Thomas Edison. Nhưng trước tiên, chúng ta hãy tìm hiểu những sự không thống nhất cơ bản giữa điện áp 110V và 220V.
Sự khác nhau giữa điện áp 110V và 220V
Điều đầu tiên cần phải có nói ở đây là cả 2 điện áp đều có khả năng gây nguy hiểm đến tính mạng của nhân loại. Dù vậy điện áp càng cao sẽ có mức độ nguy hiểm càng lớn. Như ta đã biết một trong những tác dụng của dòng điện chính là tác dụng sinh lý. Theo nghiên cứu, điện áp 24V và dòng điện 10mA trở lên có thể gây ra chết người. Chính vì thế, sâu sắc cẩn trọng khi áp dụng điện dù đó là điện áp gì.
Trên mặt lý thuyết, khái niệm điện áp hay hiệu điện thế là chênh lệch điện thế giữa 2 điểm. Hiệu điện thế là công thực hiện được để di chuyển 1 hạt điện tích trong trường tĩnh hiện tượng điện từ điểm này đến điểm khác. Trong hệ thống đo lường bên ngoài, đơn vị của điện áp là Volt (viết tắt là V). Điện áp càng lớn thì sức đẩy các hạt điện tích càng mạnh. Có thể hiểu một cách nôm na rằng nếu so sánh dòng điện như 1 dòng nước thì hiệu điện thế là lực chảy của dòng nước. Nếu chênh lệch mực nước giữa 2 điểm càng cao thì nước chảy càng mạnh.
Về mặt các máy móc áp dụng, nhà sản xuất chế tạo các thiết hợp với từng chuẩn điện áp được hưởng tại những nơi khác nhau. Chủ yếu là 100-120V và 220-240V. Một số phương tiện sức chứa nhỏ thường được sản xuất ở cả 2 mức điện áp 110 và 220V. Những máy móc chứa được lớn như máy làm khô, máy nén,… thường yêu cầu áp dụng mức điện áp 220V.
Về góc cạnh dây dẫn. Một cách cơ bản, dòng dòng điện xoay chiều (AC) được chia thành loại mạch điện 1 pha và 3 pha. Mạch điện 1 pha xoay chiều có hai dây nối với nguồn điện. Tuy nhiên, không giống với mạch điện 1 chiều (DC) có hướng của dòng điện không thay đổi, hướng của cường độ dòng điện trong mạch AC thay đổi nhiều lần mỗi giây tùy theo tần số (ở đây chúng ta đang nói đến 50Hz) của nguồn điện trong mạch. Điện 220V cung cấp cho mỗi hộ gia đình áp dụng là dòng điện xoay chiều 1 pha và có 2 dây: dây pha và dây tính trung hoà (điện đàm và dây nguội).
Tuy nhiên, đường dây phân phối điện mà các bạn thường thấy bên ngoài có thể có 4 dây. 3 vòng cổ cắm điện (dây pha) và cùng chung một dây tính trung hoà (dây nguội). Hệ thống ba pha có 3 dạng sóng là 2/3 pi radian (120 độ, 1/3 chu kỳ) lệch nhau về mặt thời gian.
Về mặt hiệu quả kinh tế, điện áp 110-120V được cho là an toàn hơn tuy nhiên có tổ chức phân phối đắt đỏ hơn do để đảm bảo sức chứa, đòi hỏi tiết diện dây dẫn phải lớn hơn nên chi phí nguyên liệu chế tạo dây sẽ lớn hơn. Bên cạnh đó để tránh hao tổn do điện trở thuần gây ra nên dây dẫn cần áp dụng loại nguyên liệu tinh khiết hơn nên đất tiền hơn (dùng đồng ít bị pha). Ngược lại, điện 240V dễ truyền đạt hơn, hiệu suất cao hơn và có mức hao hụt thấp hơn tuy nhiên kém an toàn hơn.
Thời gian đầu, phần đông các nước đều áp dụng điện áp 110V. Sau đó do nhu cầu áp dụng tăng cao nên thiết yếu phải thay dây dẫn để chịu được dòng cao hơn. Khi đó, một số nước chuyến sang áp dụng điện áp tăng gấp đôi, tức 220V. Hệ thống điện nào càng nhỏ, càng non trẻ thì chi chuyển đổi sẽ không cao và trái lại.
Xét trên góc cạnh kinh tế vĩ mô, điện áp còn là phương tiện để chi phối mậu dịch dân tộc, tránh hàng hóa giá rẻ từ nước này tràn qua nước khác.
Việc lựa chọn áp dụng loại điện áp nào trên phạm vi toàn dân tộc không chỉ dựa trên các yếu tố thuần kỹ thuật mà còn xem xét một số yếu tố khác như quy mô lưới điện, các bức tranh môn lịch sử, chính trị,…
Lịch sử của điện áp và tần số – Mọi chuyện bắt đầu từ 1 cuộc chiến và…
Hệ thống điện 3 pha xoay chiều hiện nay bao gồm việc tạo ra, truyền dẫn và cung cấp được tiến triển từ thế kỷ 19 với công lao của các nhà phát minh vĩ đại Nikola Tesla, Geogre Westinghouse và một số người khác. Thomas Edison tiến triển nên hệ thống điện 1 chiều (DC) với điện áp 110V và tuyên bố rằng hệ thống này an toàn so với dòng dòng điện xoay chiều. Đây chính là lập luận của Edison trong cuộc chiến giữa những người cổ vũ dùng dòng điện xoay chiều và 1 chiều: Cuộc chiến AC vs DC (War of Current).
Lưới điện 1 chiều của Thomas Edison
Hình ảnh nhà phát minh Thomas Edison (1847-1931).
Vào những buổi đầu của hệ thống điện, mô hình điện 1 chiều của Thomas Edison được hưởng tại Mỹ với điện áp 110V. Hệ thống điện 1 chiều 110V được công ty General Electric của Edison cung cấp khắp nước Mỹ cho chiếc bóng điện do chính ông phát minh. Thế nhưng, hệ thống điện 1 chiều sớm bộc lộ nhược điểm của mình là không thể áp dụng trên quy mô lớn để lập nên một lưới điện khổng lồ cấp độ dân tộc.
Tesla đề xuất hệ thống dòng điện xoay chiều
Nhà phát minh, nhà vật lý học, kỹ sư cơ giới và là kỹ sư điện tử Nikola Tesla (1856-1943).
Sau đó, tổ chức điện cung cấp cho các hộ gia đình và vị trí kinh doanh tại Mỹ nhanh chóng được chuyển sang dòng điện xoay chiều. Đây là hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha được tiến triển bởi Nilola Tesla với điện áp 240 V. Đó là một hệ thống gồm ba dòng dòng điện xoay chiều có cùng biên độ, cùng tần số, nhưng lệch nhau về thời gian 1/3 chu kỳ. Dòng ba pha có những ưu điểm mà dòng một pha không có được. Tesla đã tính toán được rằng 60 chu kỳ mỗi giây hay dòng điện có tần số 60Hz là hiệu suất nhiều nhất. Tuy nhiên, vì căn cứ an toàn nên cuối cùng Tesla chấp nhận giảm điện áp xuống còn 120V đề hợp với các máy móc được thiết kế hoạt động dưới điện áp thấp.
Châu Âu chuyển sang tần số dòng điện 50hz
Sau khi bóng điện dây tóc bóng đèn được phổ biến rộng rãi. Vào năm 1899, nhờ vào khả năng chịu được điện áp cao của các bóng điện dây tóc bóng đèn thời bấy giờ, công ty điện lực tại Berlin, Đức Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW) quyết định tăng khả năng phân phối điện của mình bằng cách chuyển sang áp dụng điện áp danh định 220V. Nhờ đó, công ty đã dùng chi phí chuyển đổi máy móc của khách hàng để bù đắp cho chi phí tiếp tục đường vòng cổ cắm điện. Đây trở thành mô hình phân phối điện được nhiều công ty điện lực tại Đức và cả châu Âu lựa chọn. Chính điều này khiến cho hệ thống điện 220V trở nên phổ biến khắp châu Âu.
Hình ảnh 1 nhà máy của công ty điện lực Berliner Elektrizitäts-Werke.
Với sự hỗ trợ của công ty Westinghouse, hệ thống dòng điện xoay chiều của Tesla trở thành tiêu chuẩn tại Mỹ. Trong khi đó, công ty AEG tại Đức bắt đầu sản xuất và vô hình chung độc quyền thị trường cung cấp điện tại châu Âu. Họ quyết định áp dụng dòng điện có tần số năm0Hz thay vì 60hz để hợp với tiêu chuẩn đo lường hệ mét (metric) được áp dụng rộng rãi tại đây.
Thật không may, dòng dòng điện xoay chiều tần số năm0Hz có mức hao hụt lớn nhưng hiệu quả lại không cao bằng tần số 60hz. Nguyên nhân là do máy phát 50Hz có nhịp độ thấp hơn 20% so với máy phát 60Hz. Hệ quả là quá trình truyền đạt dòng điện tại tần số năm0Hz kém hiệu quả hơn từ 10 đến 15%. Thêm vào đó, máy biến áp 50Hz yêu cầu cuộn dây lớn hơn và mô tơ điện 50Hz hoạt động kém hiệu quả hơn 60Hz. Tất cả các yếu tố trên tác động đến việc hao hụt khí lực điện cũng như tạo thành lượng nhiệt lượng vô ích lớn hơn tại tần số thấp.
Châu Âu chuyển sang điện áp 230V
Châu Âu tiếp tục duy trì hệ thống dòng điện xoay chiều 120V cho tới những năm 1950. Sau chiến tranh thế giới thứ 2, châu Âu chuyển sang áp dụng điện 230V nhằm nâng lên hiệu quả truyền đạt điện trong lưới điện. Anh Quốc chẳng những chuyển sang áp dụng điện áp 230V mà còn chuyển từ tần số 60Hz xuống 50Hz. Nguyên nhân của việc toàn châu Âu có thể dễ thực hiện thay đổi chuẩn điện năng chính là một phần nhờ hậu quả của chiến tranh Thế Giới thứ 2. Sau chiến tranh, hầu như toàn bộ các máy móc điện cũng như hệ thống điện ở trước đều bị hủy hoại nặng nề. Chính điều này cho phép xây dựng hệ thống điện với chuẩn hoàn toàn mới mà không cần tốn nhiều chi phí.
Hoa Kỳ vẫn giữ nguyên hệ thống dòng điện xoay chiều ban đầu: 120V, 60Hz
Trong nhiều năm, Hoa Kỳ đã nhiều lần xem xét tới việc chuyển đổi sang hệ thống điện 220V để áp dụng cho các hộ gia đình trên phạm vi cả nước. Tuy nhiên, điều này cần tốn một lượng chi phí khổng lồ để có thể tái xây dựng tổ chức điện dân tộc. Đồng thời, tất cả các máy móc được thiết kế áp dụng điện áp 120V từ trước đến nay phải được thay chỗ hoàn toàn. Đây là 1 điều hầu như bất có thể thực hiện được. Một điểm bất lợi của hệ thống điện tại Mỹ chính là không đủ điện áp tại những điểm kết thúc dòng.
Tuy nhiên với nỗ lực thay chỗ chuẩn điện áp lên 240V, một thỏa hiệp đã được xây dựng tại Mỹ nhằm cung cấp điện áp 240V. Theo đó, điện áp cung cấp tới mỗi gia đình sẽ 240V. Sau đó sẽ được hạ áp xuống 120V để áp dụng các máy móc gia dụng cũ. Một số máy móc gia dụng mới hiện nay như bếp điện hay máy làm khô quần áo tại Mỹ sẽ được thiết kế để áp dụng điện áp tối đa tới 240V.
Vậy là chúng ta đã hiểu được sự không thống nhất giữa các hệ thống điện tại những khu vực cao nhất trên thế giới. Sự khác nhau giữa chuẩn điện áp 110-120V tại Mỹ và 230V tại Châu Âu chủ yếu chính là các yếu tố mang tính chất môn lịch sử. Việc lựa chọn điện áp khác nhau tại mỗi khu vực lớn khởi nguồn từ những buổi đầu điện được phát minh và phổ biến đến mọi người. Sở dĩ châu Âu có thể chuyển sang hệ thống điện 230V cũng nhờ vào những hậu quả của chiến tranh thế giới thứ 2.
Mặt khác, trên khía cạnh môn lịch sử, châu Âu có ảnh hưởng rất lớn đến phần còn lại của thế giới trên khía cạnh khoa học kĩ thuật nói chung và lĩnh vực cấp điện nói riêng. Chính vì lẽ đó nhiều nơi khác trên thế giới đều chịu sự ảnh hưởng lớn bởi chuẩn điện áp 220-240V tùy điều kiện và bức tranh môn lịch sử riêng mỗi nước.
Một số trường hợp ngoại lệ – Những nơi không thể định trước chuẩn điện áp chung
Hình ảnh đập thủy điện tại Brazil.
Tại Brazil, nhiều nơi chủ yếu áp dụng điện áp từ 110V đến 127V. Tuy nhiên, một số khách sạn lại áp dụng điện áp 220V. Thủ đô Brasilia và khu vực đông bắc Brazil áp dụng điện áp 220-240V.
Tại Nhật Bản, người ta áp dụng chung một chuẩn điện áp cho tất cả mọi nơi nhưng với tần số khác nhau giữa các vùng. Đông Nhật Bản bao gồm cả Tokyo áp dụng tần số năm0Hz. Miền tây Nhật Bản bao gồm cả Osaka và Kyoto áp dụng tần số 60Hz.
Bản đồ các công ty điện lực tại Nhật và sự không thống nhất về tần số dòng điện giữa đông và tây.
Nguyên nhân chính là hậu chiến thế giới thứ 2, Nước Anh chịu trách nhiệm giúp tái sinh lại hệ thống điện tại khu vực phía đông Nhật Bản. Còn Mỹ lại chịu trách nhiệm tái thiết hệ thống điện tại khu vực phía Tây quốc gia. Điều đáng nói ở đây là hậu chiến, Anh và tất cả các nước châu Âu đã chuyển sang áp dụng điện áp 240V và tần số năm0Hz, nhưng người Anh lại xây dựng hệ thống điện 100-110V với tần số năm0Hz tại Nhật.
Sự mâu thuẫn trong tần số dòng điện đã gây nhiều trở ngại cho người dân Nhật cũng như du khách đến đây khi rất dễ gây nhầm lẫn khi áp dụng các máy móc điện. Đồng thời điều này cũng tạo thành sự đất tiền khi phải áp dụng thêm các máy móc chuyển đổi dòng điện hoặc gây trở ngại trong quá trình chọn mua máy móc.
Kết
Điện áp và tần số dòng điện xoay chiều có sự không thống nhất lớn giữa nhiều dân tộc trên sắp đặt rộng rãi. Nhiều nơi áp dụng điện áp 230V và tần số năm0Hz. Có khoảng 20% dân tộc trên thế giới áp dụng điện áp 110V và/ hoặc tần số 60Hz cho các hệ thống điện gia dụng. Điện áp 240V và tần số 60Hz có giá trị áp dụng hiệu quả nhất nhưng chỉ một số dân tộc chọn cách áp dụng này.
