Có lẽ khái niệm về tần số đã rất quen thuộc với chúng ta trong cuộc sống hằng ngày. Các khái niệm đại loại như tần số của dòng điện là 50Hz hoặc 60Hz, tần số dao động của các nút nhạc, tần số nhịp tim, tần số bộ đàm taxi…Vậy bạn biết thế nào là tần số chưa? Hoặc các khái niệm của liên quan đến tần số như số vòng quay trên 1 phút ( rpm ), bước sóng, chu kỳ và mỗi liên hệ giữa chúng.
Tại sao bạn cần biết các kiến thức liên quan đến tần số nhất là các thiết bị điện hiện nay đang dùng tần số bao nhiêu? Có bao nhiêu chuẩn chung cho tần số…Hôm nay mình sẽ chia sẽ tới các bạn toàn tập về tần số với hi vọng mang lại cho bạn những kiến thức bạn đang cần bổ sung.
1. Tần số là gì?
Tần số là số lần lặp lại của một hiện tượng trên một đơn vị thời gian. Để tính tần số, ta chọn một khoảng thời gian rồi đếm số lần xuất hiện của hiện tượng trong thời gian ấy, rồi chia số này cho khoảng thời gian đã chọn.
f = 1/T (t=thời gian)
Như vậy đơn vị đo tần số là nghịch đảo đơn vị đo thời gian. Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị này là Hz đặt tên theo nhà vật lý Đức, Heinrich Rudolf Hertz. 1 Hz cho biết tần số lặp lại của sự việc đúng bằng 1 lần trong mỗi giây.
1Hz = 1/T
Nhớ nhất là năm học vật lý 12, các khái niệm về tần số gắn liền trong các bài sóng giao thua, sóng dừng, sóng ngang…Trong chuyển động sóng, tần số là số lần quan sát thấy đỉnh sóng tại một điểm trong một đơn vị thời gian. Tần số sóng âm trong âm nhạc còn được đặc trưng bởi nốt nhạc. Và tai người chúng ta có thể nghe được âm thanh có tần số từ 16 đến 20 Hz.
f = v/bước sóng
Tần số dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt đời thường ở Việt Nam là 50 Hz, trong khi ở các nước phát triển và Bắc Mỹ là 60 Hz. Quả lắc đồng hồ chính là một ví dụ dễ thấy cho tần số. Nếu quả lắc đi từ trái sang phải rồi từ phải về trái bằng 1s thì tần số là 1Hz.
( Nguồn: Wikipedia)
2. Tần số 50Hz có ý nghĩa là gì?
Tần số 50 Hz tức là cứ mỗi 1/50 giây thì một hiện tượng quay trở về trạng thái trước đó. Khi tần số càng lớn thì số lần lặp lại của hiện tượng càng nhanh và các thiết bị dùng cho tần số lớn phải đảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như chất lượng. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn ở phần dưới.
3. Tần số 60Hz có nghĩa là gì?
Tương tự như tần số 50 Hec thì tần số 60Hz là cứ 1/60s thì một hiện tượng trở về trạng thái trước đó. Chúng ta sẽ so sánh 2 tần số này ở phần dưới nhé.
Trong hầu hết các thiết bị điện hiện nay tại Việt Nam thì trên mỗi hướng dẫn đều ghi tần số sữ dụng phù hợp đó là 50 hoặc 60Hz. Có nhiều thiết bị ghi từ 50Hz-60Hz. Sự khác nhau giữa 2 chuẩn này là gì, chúng ta ham khảo tiếp.
4. Sự khác nhau giữa tần số 50Hz và 60Hz trong dòng điện xoay chiều.
Tần số 50Hz hay 60 Hz mỗi một dải tần đều có những ưu và nhược điểm của nó, tùy theo quan điểm của từng quốc gia mà người ta áp dụng. Theo mình dải tần từ 50Hz-60Hz là tần số phù hợp bởi vì:
Tần số này vừa phải so với tốc độ quay của máy phát và số đôi cực, tần số này nếu tăng nhiều thì sẽ làm tăng tổn hao bậc cao và trong vật liệu tư, nhưng nếu giảm xuống nhiều thì các thiết bị chiếu sáng như đèn huỳnh quang sẽ rung vì thế tần số chỉ nằm trong khoảng 50, 60 hz. Từ xuất phát ban đầu như thế nên dải tần này được sử dụng cho đến nay. Việc chọn 50Hz hoặc 60 Hz mà không phải 51, 52… là chỉ để tròn số.
Tuy nhiên có hai vấn đề chính khác nhau giữa tần số 50 Hz và 60 Hz đó là:
Vấn đề bảo vệ
Với mạng 60Hz thì rơle bảo vệ và các thiết bị đóng cắt phải có thời gian nhanh hơn là thiết bị ở mạng 50Hz, Cụ thể như sau: Với mạng 50Hz máy cắt hiện nay có thể cắt được ở 1.5 cycle (30ms), nhưng ở mạng 60Hz thì cũng 1.5 cycle (25ms). Vậy với một hệ thống phối hợp bảo vệ thì ở mạng 60Hz có thời gian yêu cầu nhanh hơn hệ thống 50Hz
Khả năng truyền tải
Ở mạng 60Hz cũng trong 1s thì giá trị dòng điện hiệu dụng (RMS ) lớn hơn giá trị hiệu dụng dòng điện ở 50Hz, do vậy cùng hai động cơ giống nhau về kết cấu mọi cái, nhưng tần số làm việc khác nhau thì động cơ 60Hz có mômen đầu trục lớn hơn 50Hz.
5. Tại sao Việt Nam dùng tần số 50Hz.
Mình theo CNXH ở các nước Đông Âu nên dùng tần số 50Hz. Tần số 60Hz ở Mỹ và Nhật, chế tạo thiết bị với tần số 60Hz thì tốn kém vật liệu điện hơn. Chỉ sau này mới theo Liên Xô. Thí dụ khoảng trước 1975, trong miền Nam sử dụng điện gia dụng 208V/127V, trung áp 15kV, 35 kV, cao áp 66kV, 220 kV.
Sau mới thay đổi dần dần, mạng 208/127 nâng cấp lên thành mạng 380/220V. Mạng 66kV nâng cấp lên thành mạng 110 kV. Sau năm 75, rất nhiều nơi trong miền Nam vẫn theo tiêu chuẩn Pháp hoặc Mỹ, chứ không theo tiêu chuẩn Nga. Chẳng hạn độ rung vẫn tính theo mil hoặc inch/s, chứ không dùng μ m hoặc mm/s. Áp suất vẫn tính theo PSIG chứ không dùng bar hay kg/cm2. Phim chụp hình vẫn theo thang đo ASA chứ không theo thang DIN… Tuy nhiên tần số thì vẫn là 50Hz chứ không phải 60 Hz, vì vẫn phải kế thừa hệ thống ðiện cũ của Pháp để lại. Miền Bắc theo Liên Xô, nhưng vẫn phải kế thừa cái của Pháp để lại.
Trên thế giới hiện nay đa số các nước vẫn dùng lưới điện 50Hz, nên việc nhập khẩu hay xuất khẩu các thiết bị điện ở trong nước gặp thuận lợi hơn, bởi các thiết bị điện hoạt động đúng tần số là 1 yêu cầu kĩ thuật quan trọng.
+ Tần số lớn hơn đòi hỏi cách điện của thiết bị cao hơn, tốn chi phí cho cách điện nhiều hơn.
+ Các thiết bị như động cơ, MBA.. sẽ nhỏ gọn hơn nhưng vật liệu dẫn từ trong đó phải tốt hơn, giá thành thiết bị sẽ đắt hơn. Do đó, lưới điện hoạt động tần số cao chỉ phù hợp với một số nước phát triển.
Dùng 60Hz thì có lợi hơn, nhưng cũng có một số khó khăn đó là:
+ Đối với động cơ và máy phát:
*** Động cơ và máy phát phải chạy nhanh hơn. Vì thế thiết kế sẽ đắt tiền hơn do phải tính toán lực ly tâm cao hơn, lực ma sát cao hơn.
+ Đối với đường dây truyền tải và phân phối:
*** Trở kháng (Zr) đường dây sẽ tăng hơn 20%, nên sụt áp sẽ cao hơn. Dung kháng ( Zc ) đường dây giảm 20%, nên ảnh hưởng lên lưới điện sẽ mạnh mẽ hơn. Hiệu ứng bề mặt tăng lên, nên yêu cầu thiết diện dây cũng phải lớn hơn.
+ Đối với máy biến áp:
*** Sự cân đối giữa đồng và thép sẽ khác đi. Giảm được thép, giảm được khối lượng đồng nhưng không giảm được diện tích cửa sổ. Vì thế tổng trở máy biến áp sẽ thay đổi. Từ thông tản tăng lên. Hệ 60 Hz sẽ tiết kiểm được một ít vật tư nguyên liệu chi khế tạo các thiết bị điện, nhưng sẽ bị tổn thất ðiện áp trên đường dây nhiều hơn. Lý do khi f tăng thì XL cũng tăng theo. Tổn thất trên đường dây sẽ tăng.
*** Các động cơ 60Hx sẽ phải chạy với tốc độ cao hơn nếu chạy 50 Hz. Do đó hệ thống cơ khí phải thiết kế tốt hơn, đắt tiền hơn.
Mình thấy còn một ưu nhược của hai hệ tần số này. Ngoài việc khác nhau về chế tạo thiết bị thì điện áo 220 50HZ tiết kiệm điện trong truyền tải điện năng hơn. Điện áp càng cao thì sụt giảm càng thấp. Tần số 50hZ và 60hZ mỗi cái có một ưu điểm. Thực ra cả hai đều có ưu nhược điểm riêng cả. Ngoài việc tần số và điện áp thì ngày xưa 220v 50 Hz còn đi kèm theo hệ thống điện có tiếp địa ( tiết kiệm dây trung tính) hệ thống 110v 60Hz thường không sử dụng tiếp địa. xét về mặt an toàn. Mặc dù độ nguy hiểm về điện là ở dòng điện nhưng chúng ta thường quy về áp. Hệ thống điện 110v 60 Hz thì an toàn hơn về điện áp và trong một số trường hợp an toàn hơn cả về sự cố chạm fa vì khi đó chạm 1fa nửa không bị tác động vì chúng ta đứng dưới đất mát của hệ thống điện lại không nối đất. Nhưng nhược điểm của nó là nếu fa sảy ra đứt tình trạng đó các thiết bị bảo vệ không tác động vì không sảy ra ngắn mạch đẫn đến hiên tượng không dc xử lý ngay.
Còn với 220v 50Hz có nguy hiểm hơn về điện áp. Hệ thống này sẽ nguy hiểm hơn khi chạm phải 1fa lửa nhưng bù lại nó lại có khả năng làm cho thiết bị bảo vệ tác động vì 1fa lửa chạm đất sẽ sảy ra ngắn mạch =>thiết bị bảo vệ tác động. Nếu chạm vào hai fa thì rất nguy hiểm. Khi dùng các thiết bị điện nhìn phích cắm có chút khác nhau 3 chân và 2 chân. Cần lưu ý nếu hệ thống điện đã có tiếp địa cho vỏ tốt việc nối vỏ vào chân mát là tốt nhất. Với hệ thống không tiếp địa thì bắt buộc phải dùng chân mát này vì nó tương đương với tiếp địa.
Trước đây các nước trên thế giới dùng 110V, Sau này khi nhu cầu sử dụng của dân tăng lên thì dòng điện bắt đầu tăng quá mức. Phải thay dây dẫn để chịu đựng dòng cao. Khi đó, một số nước chuyển sang sử dụng điện áp tăng gấp đôi, tức là 220V. Hệ thống điện nào càng nhỏ thì chi phí đổi sẽ không cao. Còn hệ thống nào quá lớn, chi phí đổi sẽ rất cao.
Mỹ ngày xưa đã đầu tư khá lớn về hệ thống điện hạ thế nên chưa muốn đổi. Hình như hiện giờ chỉ còn Mỹ là còn dùng điện 110V. Yếu tố chính trị là nguyên nhân mà mỗi nước lại có các lại sử dụng điện áp khác nhau , ngay cả ở điện trung thế và cao thế cũng có sự khác nhau giữa các nước.
Tần số phụ thuộc vào việc điều chỉnh Turbine thủy lực, chứ không có chuyện quay chậm do turbine cùi đâu nhé hôm nay ngồi tìm hiểu về turbine thì thấy quan trọng nhất một số phương trình becnuni và euler, ai thích tìm hiểu thêm về cái này thì đọc thủy khí động lực ứng dụng (cơ học chất lưu) và turbine thủy lực sẽ có cái nhìn tổng quan hơn.
Như trên đã nói chính là tần số nhỏ tổn hao lớn và hiệu suất kém khi sử dụng cho động cơ. Nó có cái lợi là trọng lượng động cơ nhỏ hơn nhưng tốc độ lại quá nhanh nên nguy hiểm cho người sử dụng. Muốn chạy ở tốc độ thấp phải quấn nhiều cực nên lợi không bằng hại. Vì vậy mà bên Mỹ phải chuyển xuống tần số 60HZ lúc đó tốc độ tối đa của động cơ chỉ gần bằng 3600rpm. Bên châu Âu sử dụng tần số 50HZ nên tốc độ tối đa của động cơ chỉ gần bằng 3000rpm. Ngoại trừ trên máy bay hay trên tên lửa, các cưa máy cầm tay là còn sử dụng tần số 400HZ để kích thước nhỏ gọn.
Còn vấn đề tại sao chọn 50hz hay 60hz thì chỉ là khi nghiên cứu người ta tối ưu hóa thôi, tại sao không dùng 55 thì hơi buồn cười vì ai chẳng thích dùng những con số lẻ cả, số chẵn dễ tính toán và thiết kế máy móc chả lẽ lại dùng 51 hay 52 sao :))
Vậy bạn đã biết vì sao mà trên các thiết bị sử dụng điện của Việt Nam hoặc được nhập khẩu ở nước ngoài đều ghi tần số là 50Hz rồi phải không? Trong cuộc sống việc am hiểu về tần số giúp ích rất nhiều và hầu như mọi công nghệ đều có sự góp mặt của tần số. Trong đó có đầu ghi hình camera và các thiết bị camera quan sát khác.
Hi vọng bài viết này mang lại cho bạn các khái niệm về tần số, các kiến thức này trên internet đã có sẵn và mình chỉ tổng hợp lại mong các cho thêm nhận xét để bài viết được hoàn thiện hơn.
Xin cảm ơn!
