Tại sao có sự khác nhau trong việc sử dụng điện áp 110V và 220V giữa các quốc gia?

Chúng ta sẽ lần lượt trả lời 2 câu 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 khác nhau cơ bản giữa điện áp 110V và 220V.

Sự khác nhau giữa điện áp 110V và 220V

Điều đầu tiên cần phải nói ở đây là cả 2 điện áp đều có khả năng gây nguy hiểm đến tính mạng của con người. 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, hết sức cẩn trọng khi sử 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 điện từ điểm này đến điểm khác. Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị của điện áp là Volt (viết tắt là V). Điện áp càng lớn thì lực 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 mức nước giữa 2 điểm càng cao thì nước chảy càng mạnh.

Về mặt các thiết bị sử dụng, nhà sản xuất chế tạo các thiết phù hợp với từng chuẩn điện áp được sử dụng tại những nơi khác nhau. Chủ yếu là 100-120V và 220-240V. Một số phương tiện công suất nhỏ thường được sản xuất ở cả 2 mức điện áp 110 và 220V. Những thiết bị có công suất lớn như máy sấy, máy nén,... thường yêu cầu sử dụng mức điện áp 220V.

Về khía cạnh dây dẫn. Một cách cơ bản, dòng điện xoay chiều (AC) đươch 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) mà 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 suất của nguồn điện trong mạch. Điện 220V cung cấp cho mỗi hộ gia đình sử dụng là điện xoay chiều 1 pha và có 2 dây: dây pha và dây trung tính (dây nóng và dây nguội).

Tuy nhiên, đường dây phân phối điện mà các bạn thường thấy bên ngoài có thể có 4 dây. 3 dây dẫn điện (dây pha) và cùng chung một dây trung tính (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 mạng lưới phân phối đắt tiền hơn do để đảm bảo công suất, 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 tổn hao do điện trở thuần gây ra nên dây dẫn cần sử dụng loại nguyên liệu tinh khiết hơn nên tốn kém hơn (dùng đồng ít bị pha). Ngược lại, điện 240V dễ truyền tải hơn, hiệu suất cao hơn và có mức hao hụt thấp hơn tuy nhiên kém an toàn hơn.

Thời gian đầu, hầu hết các nước đều sử dụng điện áp 110V. Sau đó do nhu cầu sử dụng tăng cao nên cần thiết phải thay dây dẫn để chịu được dòng cao hơn. Khi đó, một số nước chuyến sang sử 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 ngược lại.

Xét trên khía cạnh kinh tế vĩ mô, điện áp còn là công cụ để điều tiết mậu dịch quốc gia, tránh hàng hóa giá rẻ từ nước này tràn qua nước khác.

Việc lựa chọn sử dụng loại điện áp nào trên phạm vi toàn quốc gia không chỉ dựa trên các yếu tố thuần kỹ thuật mà còn xét đến một số yếu tố khác như quy mô lưới điện, các bối cảnh 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 phát 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 phát triển nên hệ thống điện 1 chiều (DC) với điện áp 110V và tuyên bố rằng hệ thống này an toàn so với dòng điện xoay chiều. Đây chính là lập luận của Edison trong cuộc chiến giữa những người ủng hộ dùng điện xoay chiều và 1 chiều: Cuộc chiến AC vs DC (War of Current)

Lưới điện 1 chiều của Thomas Edison


Vào những buổi đầu của hệ thống điện, mô hình điện 1 chiều của Thomas Edison được sử dụng 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 đèn 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 làm nên một lưới điện khổng lồ cấp độ quốc gia.

Tesla đề xuất hệ thống điện xoay chiều


Sau đó, mạng lưới điện cung cấp cho các hộ gia đình và cơ sở kinh doanh tại Mỹ nhanh chóng được chuyển sang điện xoay chiều. 

Đây là hệ thống điện xoay chiều 3 pha được phát triển bởi Nilola Tesla với điện áp 240 V. Đó là một hệ thống gồm ba 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 cao nhất. 

Tuy nhiên, vì lý do an toàn nên cuối cùng Tesla chấp nhận giảm điện áp xuống còn 120V đề phù hợp với các thiết bị được thiết kế hoạt động dưới điện áp thấp.

Châu Âu chuyển sang tần số dòng điện 50hz

Sau khi bóng đèn dây tóc được phổ biến rộng rãi. Vào năm 1899, nhờ vào khả năng chịu được điện áp cao của các bóng đèn dây tóc 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 thiết bị của khách hàng để bù đắp cho chi phí nâng cấp đường dây dẫn 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 làm cho hệ thống điện 220V trở nên phổ biến khắp châu Âu.


Với sự hỗ trợ của công ty Westinghouse, hệ thống 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 sử dụng dòng điện có tần số 50Hz thay vì 60hz để phù hợp với tiêu chuẩn đo lường hệ mét (metric) được áp dụng rộng rãi tại đây.

Thật không may, dòng điện xoay chiều tần số 50Hz có mức hao hụt lớn nhưng hiệu quả lại không cao bằng tần số 60hz. Nguyên nhân là do máy phát điện 50Hz có tốc độ thấp hơn 20% so với máy phát điện 60Hz. Hệ quả là quá trình truyền tải dòng điện tại tần số 50Hz 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 ảnh hưởng tới việc hao hụt năng lượng điện cũng như tạo nên lượng nhiệt lượng vô ích nhiều hơn tại tần số thấp.

Châu Âu chuyển sang điện áp 230V

Châu Âu tiếp tục duy trì hệ thống điện xoay chiều 120V cho tới những năm 1950. Sau chiến tranh thế giới thứ 2, châu Âu chuyển sang sử dụng điện 230V nhằm nâng cao hiệu quả truyền tải điện trong lưới điện. Anh Quốc chẳng những chuyển sang sử dụng điện áp 230V mà còn chuyển từ tần số 60Hz xuống 50Hz. Nguyên nhân của việc toàn châu Âu có thể dễ dàng 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 thiết bị điện cũng như hệ thống điện trước đó 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 kinh phí.

Hoa Kỳ vẫn giữ nguyên hệ thống 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 mạng lưới điện quốc gia. Đồng thời, tất cả các thiết bị được thiết kế sử dụng điện áp 120V từ trước đến nay phải được thay thế hoàn toàn. Đây là 1 điều hầu như bất khả thi. Một điểm bất lợi của hệ thống điện tại Mỹ chính là không đủ điện áp tại những điểm cuối dòng.

Tuy nhiên với nỗ lực thay thế 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 sử dụng các thiết bị gia dụng cũ. Một số thiết bị gia dụng mới hiện nay như bếp điện hay máy sấy quần áo tại Mỹ sẽ được thiết kế để sử dụng điện áp tối đa tới 240V.


Vậy là chúng ta đã hiểu được sự khác nhau giữa các hệ thống điện tại những khu vực lớn 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 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 phương diện lịch sử, châu Âu có ảnh hưởng rất lớn đến phần còn lại của thế giới trên phương diện khoa học kỹ 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 bối cảnh lịch sử riêng mỗi nước.

Một số trường hợp ngoại lệ - Những nơi không thể định đoạt chuẩn điện áp chung


Tại Brazil, nhiều nơi chủ yếu sử dụng điện áp từ 110V đến 127V. Tuy nhiên, một số khách sạn lại sử dụng điện áp 220V. Thủ đô Brasilia và khu vực đông bắc Brazil sử dụng điện áp 220-240V.

Tại Nhật Bản, người ta sử 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 sử dụng tần số 50Hz. Miền tây Nhật Bản bao gồm cả Osaka và Kyoto sử dụng tần số 60Hz.


Nguyên nhân chính là sau chiến tranh thế giới thứ 2, Nước Anh chịu trách nhiệm giúp tái tạo 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 đất nước. Điều đáng nói ở đây là sau chiến tranh, Anh và tất cả các nước châu Âu đã chuyển sang sử dụng điện áp 240V và tần số 50Hz, nhưng người Anh lại xây dựng hệ thống điện 100-110V với tần số 50Hz tại Nhật.

Sự không thống nhất trong tần số dòng điện đã gây nhiều khó khăn cho người dân Nhật cũng như du khách đến đây khi rất dễ gây nhầm lẫn khi sử dụng các thiết bị điện. Đồng thời điều này cũng tạo nên sự tốn kém khi phải sử dụng thêm các thiết bị chuyển đổi dòng điện hoặc gây khó khăn trong quá trình chọn mua thiết bị.

Kết


Điện áp và tần số điện xoay chiều có sự khác nhau lớn giữa nhiều quốc gia trên khắp thế giới. Nhiều nơi sử dụng điện áp 230V và tần số 50Hz. Có khoảng 20% quốc gia trên thế giới sử 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 sử dụng hiệu quả nhất nhưng chỉ một số quốc gia chọn cách sử dụng này.

Hy vọng, qua bài viết các bạn có thể phần nào lý giải được căn nguyên của sự khác nhau về điện áp sử dụng này. Không chỉ dựa trên những yếu tố kỹ thuật đơn thuần mà còn phụ thuộc vào tình hình lịch sử, chính trị và văn hóa tại mỗi quốc gia hay khu vực khác nhau.