Tại sao điện có tần số 50Hz và 60Hz?

Tại sao tần số nguồn điện ở các nước Châu Âu và Châu Á là 50Hz, trong khi các nước Châu Mỹ sử dụng nguồn điện 60Hz? Cơ bản của tiêu chuẩn là gì? Ưu điểm và nhược điểm của bộ nguồn 50Hz và 60Hz là gì? Ngoài ra, tại sao sân bay và máy bay lại sử dụng tần số 400Hz?

Trong thực tế, không có sự khác biệt lớn giữa tần số 50Hz và 60Hz của điện xoay chiều, chỉ có tốc độ quay của máy phát điện là có sự khác biệt một chút. Chọn 50Hz hoặc 60Hz gần như luôn giống nhau ở một quốc gia ngoại trừ Nhật Bản (Nhật Bản có cả nguồn cung cấp 50Hz và 60Hz).

Tần số điện 50Hz hoặc 60Hz là gì?

Tần số của dòng điện xoay chiều là 50 (60) Hz có nghĩa là dòng điện đổi chiều 50 lần (60 lần) mỗi giây.

Trong hệ thống điện, tần số là một yếu tố cơ bản rất quan trọng của điện xoay chiều và không được xác định một cách tùy tiện. Tưởng chừng như đơn giản nhưng thực chất, đó là một vấn đề phức tạp có liên quan đến nhiều khía cạnh.

Từ nguyên lý, chúng ta nên đề cập đến lý thuyết điện từ cổ điển do Maxwell tìm ra, Hertz đã bổ sung một điểm quan trọng cho lý thuyết Maxwell, định luật cảm ứng điện từ Faraday và máy phát cảm ứng điện từ đầu tiên trên thế giới, kỹ sư người Anh Ward King đã chế tạo ra động cơ điện đầu tiên, chiếc Pixie của Pháp.

Chế tạo máy phát điện, Siemens đã tìm ra nguyên lý máy phát điện, phát minh ra máy phát điện, đây là trường hợp đầu tiên được ứng dụng trong thực tế.

Từ đó, người ta tìm ra và đúc kết thành định lí rằng dòng điện biến thiên tuần hoàn có chiều gọi là dòng điện xoay chiều, thời gian dòng điện biến thiên gọi là chu kì, chu kì thời gian của dòng điện biến thiên trong một giây gọi là tần số, đơn vị là Hertz (để tưởng nhớ công lao đóng góp của nhà vật lý người Đức Heinrich Rudolf Hertz).

Tần số của máy phát điện (hoặc máy biến áp)

Tốc độ vòng quay động cơ của máy phát điện tần số 50Hz là 50Hz x 60s = 3000 vòng/ phút, của tần số 60Hz là 3600 vòng/ phút. Nếu tần số điện là 100Hz thì tốc độ vòng quay của máy phát điện là 6000 vòng / phút. Tốc độ cao như vậy sẽ gây ra rất nhiều khó khăn cho việc chế tạo máy phát điện, đặc biệt tốc độ bề mặt rôto quá nhanh cũng hạn chế công suất sản xuất điện của máy phát điện.

Trong các ứng dụng thực tế, tần số cao sẽ làm tăng điện kháng, suy hao điện từ và tăng công suất phản kháng. Ngoài ra, nếu sử dụng tần số thấp hơn như 30Hz thì hiệu suất máy biến áp quá thấp, không có lợi cho việc biến đổi và truyền tải điện xoay chiều.

Để dễ hình dung, chúng tôi lấy một ví dụ như sau:

Bóng đèn sử dụng điện có tần số 10Hz, tức là cứ 1 giây bóng sẽ tắt 10 lần, mỗi lần tắt đó cách nhau 0.1s. Giữa khoảng thời gian 0.1s này, bóng sẽ sáng dần lên sau đó tối dần do hiệu ứng điện xoay chiều, chúng ta có thể nhìn rõ sự “biến thiên” này bằng mắt thường và chắc chắn không lâu sau đó mắt sẽ có vấn đề hoặc bóng đèn sẽ hỏng. Thế giới không thể vận hành theo cách này.

Hầu hết các nước Châu Á và Châu Âu đều sử dụng tần số 50Hz. Các nước Châu Mỹ sử dụng 60Hz nhưng tất cả đều có quy định độ lệch tần số trong khoảng ± 0,1 ~ 0,3 Hz.

Sự khác biệt về tần số điện ở các quốc gia

Danh sách các tần số chính trên toàn thế giới:

Trường hợp đặc biệt ở sân bay: máy phát điện trên máy bay yêu cầu kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, cách duy nhất để đáp ứng yêu cầu điện năng là tăng tần số, do đó thiết bị điện tương ứng trên máy bay phải là 400 Hz, và nguồn điện liên quan đến máy bay là 400 Hz, quân đội còn sử dụng tần số cao hơn nữa.