Dòng điện xoay chiều – AC là gì?

Dòng điện xoay chiều (AC) là dòng điện mà chiều của nó thay đổi định kỳ và cường độ điện liên tục biến thiên theo thời gian, khác với dòng điện một chiều (DC), chỉ chảy theo một hướng duy nhất. 

Dòng điện xoay chiều là dạng điện năng được cung cấp tới các doanh nghiệp và hộ gia đình, và cũng là dạng năng lượng điện mà người tiêu dùng thường sử dụng khi cắm các thiết bị như dụng cụ nhà bếp, tivi, quạt và đèn điện vào ổ cắm. Các chữ viết tắt AC và DC thường được dùng để chỉ “xoay chiều” và “một chiều” tương ứng, ví dụ khi chúng bổ nghĩa cho dòng điện hoặc điện áp.

Lịch sử phát triển của dòng điện xoay chiều AC

Máy phát điện xoay chiều đầu tiên được xây dựng dựa trên các nguyên lý của Michael Faraday là một máy phát điện do thợ chế tạo dụng cụ người Pháp Hippolyte Pixii chế tạo vào năm 1832.

Sau đó, Pixii đã thêm một bộ chổi than vào thiết bị của mình để tạo ra dòng điện một chiều (DC), loại dòng điện phổ biến hơn vào thời điểm đó. Ứng dụng thực tiễn sớm nhất được ghi nhận của dòng điện xoay chiều (AC) là do Guillaume Duchenne, nhà phát minh và phát triển liệu pháp điện (electrotherapy), thực hiện.

• Năm 1855, ông công bố rằng dòng AC vượt trội hơn dòng DC trong việc kích thích co cơ trong liệu pháp điện. Công nghệ dòng điện xoay chiều sau đó được phát triển thêm bởi công ty Ganz Works của Hungary vào những năm 1870, và trong thập niên 1880, bởi Sebastian Ziani de Ferranti, Lucien Gaulard và Galileo Ferraris.
• Năm 1876, kỹ sư người Nga Pavel Yablochkov phát minh ra một hệ thống chiếu sáng, trong đó các bộ cuộn cảm (induction coils) được lắp dọc theo đường dây AC cao áp. Thay vì thay đổi điện áp, các cuộn sơ cấp truyền năng lượng sang cuộn thứ cấp, kết nối với một hoặc nhiều “nến điện” (đèn hồ quang) do chính ông thiết kế, giúp tránh việc một đèn hỏng làm tê liệt toàn bộ mạch.
• Năm 1878, nhà máy Ganz tại Budapest, Hungary, bắt đầu sản xuất thiết bị chiếu sáng điện, và đến năm 1883, đã lắp đặt hơn 50 hệ thống tại Áo-Hung. Các hệ thống AC của họ sử dụng đèn hồ quang, đèn dây tóc, máy phát điện và các thiết bị khác.

Tần số nguồn điện xoay chiều – AC

Tần số của hệ thống điện thay đổi tùy theo quốc gia và đôi khi khác nhau ngay trong cùng một quốc gia; hầu hết điện năng được sản xuất ở tần số 50 Hz hoặc 60 Hz. Một số quốc gia sử dụng kết hợp cả nguồn 50 Hz và 60 Hz.

Tần số thấp

Tần số thấp giúp đơn giản hóa thiết kế động cơ điện, đặc biệt đối với các ứng dụng nâng hạ, nghiền, lăn, cũng như động cơ điện có chổi than (commutator-type) dùng trong các phương tiện như đường sắt. Tuy nhiên, tần số thấp cũng gây ra hiện tượng nhấp nháy rõ rệt ở đèn hồ quang và bóng đèn dây tóc. Sử dụng tần số thấp còn mang lại lợi ích giảm tổn thất truyền tải, vì tổn thất tỉ lệ thuận với tần số.

Tần số cao

Trong các ứng dụng ngoài khơi, quân sự, dệt may, hàng hải, hàng không và vũ trụ, đôi khi sử dụng tần số 400 Hz để giảm khối lượng thiết bị hoặc tăng tốc độ động cơ. Hệ thống máy tính lớn (mainframe) thường được cấp điện bằng 400 Hz hoặc 415 Hz nhằm giảm độ gợn sóng (ripple) đồng thời sử dụng các bộ chuyển đổi AC sang DC nội bộ có kích thước nhỏ hơn.

Ảnh hưởng ở tần số cao

Dòng điện một chiều (DC) chảy đồng đều trên toàn bộ tiết diện của dây dẫn đồng nhất. Ngược lại, dòng điện xoay chiều (AC) ở bất kỳ tần số nào sẽ bị đẩy ra khỏi trung tâm dây, hướng về bề mặt ngoài. Nguyên nhân là dòng AC (kết quả của sự gia tốc của điện tích) tạo ra sóng điện từ, một hiện tượng gọi là bức xạ điện từ.

Hiện tượng dòng điện xoay chiều bị đẩy ra khỏi trung tâm dây dẫn được gọi là hiệu ứng da, và dòng điện một chiều không có hiện tượng này vì DC không tạo ra sóng điện từ.

Ở tần số rất cao, dòng điện gần như không còn chảy bên trong dây, mà chủ yếu chạy trên bề mặt dây, trong một lớp dày bằng vài lần độ sâu da. Độ sâu da là độ dày tại đó mật độ dòng điện giảm 63%. Ngay cả ở các tần số tương đối thấp được dùng cho truyền tải điện (50 Hz – 60 Hz), sự phân bố dòng điện không đồng đều vẫn xảy ra trong các dây dẫn đủ dày.

Kỹ thuật giảm điện trở AC

Ở các tần số thấp đến trung bình, dây dẫn có thể được tạo thành từ nhiều sợi dây nhỏ (stranded wires), mỗi sợi được cách điện với các sợi khác, đồng thời vị trí tương đối của từng sợi được sắp xếp đặc biệt trong bó dây. Dây được chế tạo theo kỹ thuật này gọi là dây Litz.

Biện pháp này giúp giảm bớt hiệu ứng da bằng cách buộc dòng điện phân bố đồng đều hơn trên toàn bộ tiết diện của các sợi dây.

Dây Litz được sử dụng để:

• Chế tạo cuộn cảm chất lượng cao (high-Q inductors).
• Giảm tổn hao trong các dây dẫn linh hoạt mang dòng điện rất cao ở tần số thấp.
• Quấn trong các thiết bị mang dòng điện tần số cao hơn (đến hàng trăm kHz), chẳng hạn như nguồn điện xung (switch-mode power supplies) và máy biến áp tần số radio (RF transformers).

Kỹ thuật giảm tổn hao bức xạ

Như đã nêu ở trên, dòng điện xoay chiều (AC) bao gồm các điện tích chịu sự gia tốc tuần hoàn, điều này gây ra bức xạ sóng điện từ. Năng lượng bị bức xạ ra ngoài sẽ bị mất đi.

Tùy thuộc vào tần số, người ta sử dụng các kỹ thuật khác nhau để giảm thiểu tổn hao do bức xạ.

Cặp dây xoắn

Ở các tần số lên đến khoảng 1 GHz, các dây được xoắn lại thành cặp trong một cáp, gọi là cặp dây xoắn. Cấu trúc này giúp giảm tổn hao do bức xạ điện từ và cảm ứng từ.

Một cặp dây xoắn phải được sử dụng với hệ thống tín hiệu cân bằng, sao cho hai dây dẫn mang dòng điện bằng nhau nhưng ngược chiều. Mỗi dây trong cặp dây xoắn sẽ phát ra tín hiệu, nhưng tín hiệu này bị triệt tiêu hiệu quả bởi dòng điện từ dây kia, dẫn đến hầu như không còn tổn hao do bức xạ.

Cáp đồng trục

Cáp đồng trục thường được sử dụng ở tần số âm thanh trở lên vì tính tiện lợi. Một cáp đồng trục gồm dây dẫn bên trong đặt trong ống dẫn điện bên ngoài, được ngăn cách bằng lớp điện môi.

Dòng điện chạy trên bề mặt của dây dẫn bên trong có giá trị bằng nhưng ngược pha so với dòng điện chạy trên bề mặt bên trong của ống dẫn bên ngoài.

Ống dẫn sóng

Ống dẫn sóng có cấu trúc tương tự cáp đồng trục, đều là các ống dẫn, nhưng khác biệt chính là ống dẫn sóng không có dây dẫn bên trong.

Ống dẫn sóng có thể có tiết diện bất kỳ, nhưng tiết diện chữ nhật là phổ biến nhất. Vì không có dây dẫn bên trong để dẫn dòng điện hồi, ống dẫn sóng không truyền năng lượng bằng dòng điện, mà truyền thông qua trường điện từ được hướng dẫn bên trong ống.

Cáp quang

Cáp quang (Fiber optics)

Ở tần số trên 200 GHz, kích thước ống dẫn sóng trở nên quá nhỏ và tổn hao điện trở trên thành ống dẫn trở nên lớn. Thay vào đó, có thể sử dụng cáp quang, là một dạng ống dẫn sóng điện môi (dielectric waveguide).

Ở những tần số này, khái niệm điện áp và dòng điện không còn áp dụng, vì năng lượng được truyền dưới dạng sóng điện từ hướng dẫn bên trong sợi quang.

Truyền tải thông tin

Dòng điện xoay chiều (AC) được sử dụng để truyền tải thông tin, như trong hệ thống điện thoại và truyền hình cáp. Tín hiệu thông tin được mang trên một dải tần AC rộng.

Tín hiệu điện thoại POTS có tần số khoảng 3 kHz, gần với tần số âm thanh cơ bản (baseband audio).

Truyền hình cáp và các thông tin khác trên cáp có thể dao động ở tần số từ vài chục đến hàng nghìn megahertz.

Các tần số này tương tự với tần số sóng điện từ thường được sử dụng để truyền cùng loại thông tin qua không khí.

Máy biến áp

Sự phát triển của máy biến áp dòng điện xoay chiều (AC transformer) cho phép thay đổi điện áp từ thấp lên cao và ngược lại, nhờ đó tạo điều kiện phát điện và tiêu thụ ở điện áp thấp, đồng thời truyền tải điện đi xa ở điện áp cao, giúp tiết kiệm chi phí dây dẫn và giảm tổn thất năng lượng.

Tại Vương quốc Anh, Sebastian de Ferranti, người đã phát triển các máy phát và máy biến áp AC tại London từ năm 1882, đã thiết kế lại hệ thống AC tại nhà máy điện Grosvenor Gallery vào năm 1886 cho London Electric Supply Corporation (LESCo). Hệ thống này bao gồm máy phát xoay chiều do chính ông thiết kế và máy biến áp lõi mở với kết nối nối tiếp để sử dụng tải, tương tự như thiết kế của Gaulard và Gibbs.

Sự chấp nhận và phát triển hệ thống AC

Hệ thống điện xoay chiều (AC) được phát triển và áp dụng nhanh chóng sau năm 1886. Vào tháng 3 cùng năm, kỹ sư William Stanley của Westinghouse, thiết kế một hệ thống dựa trên máy biến áp Gaulard và Gibbs, đã trình diễn một hệ thống chiếu sáng tại Great Barrington: điện áp 500V từ máy phát Siemens được biến đổi lên 3000 V, sau đó hạ xuống 500 V bằng sáu máy biến áp Westinghouse.

Dựa trên thành công của Stanley, Westinghouse Electric mới tiếp tục phát triển hạ tầng điện AC trên khắp Hoa Kỳ. Sự lan rộng của hệ thống AC do Westinghouse và các đơn vị khác triển khai đã vấp phải sự phản đối vào cuối năm 1887 từ Thomas Edison, người ủng hộ dòng điện một chiều (DC), trong chiến dịch công khai nhằm làm giảm uy tín của AC với lý do nguy hiểm, được gọi là “chiến tranh dòng điện” .

Vào năm 1888, hệ thống AC trở nên khả thi hơn nhờ sự ra đời của động cơ AC thực dụng, một yếu tố mà các hệ thống trước đó còn thiếu. Thiết kế động cơ động cơ cảm ứng được phát minh độc lập bởi Galileo Ferraris và Nikola Tesla (thiết kế của Tesla được cấp phép bởi Westinghouse tại Mỹ). Thiết kế này sau đó được phát triển thêm thành hình thức ba pha hiện đại bởi Mikhail Dolivo-Dobrovolsky và Charles Eugene Lancelot Brown tại Đức, và Jonas Wenström tại Thụy Điển.

Các nhà máy điện AC đầu tiên

Ames Hydroelectric Generating Plant (1890) là một trong những nhà máy thủy điện AC đầu tiên. Điện đơn pha được truyền từ Oregon tại Willamette Falls, khoảng 14 dặm đến trung tâm Portland để chiếu sáng đường phố.

Năm 1891, một hệ thống truyền tải khác được lắp đặt tại Telluride, Colorado. Hệ thống ba pha đầu tiên được thành lập cùng năm tại Frankfurt, Đức. Truyền tải Tivoli–Rome hoàn tất vào năm 1892.

San Antonio Canyon Generator (1892) là nhà máy thủy điện AC đơn pha thương mại thứ ba tại Mỹ, cung cấp điện cho thành phố Pomona, California, cách 14 dặm.

Năm 1893, một hệ thống ba pha 9,5 kV truyền 400 mã lực trong 15 km, đánh dấu ứng dụng thương mại đầu tiên.

Cùng năm, Westinghouse xây dựng hệ thống AC cho Chicago World Exposition. Decker thiết kế nhà máy điện thương mại ba pha đầu tiên tại Mỹ – Mill Creek No.1 Hydroelectric Plant, gần Redlands, California.

Nhà máy Niagara Falls Adams Power Plant với ba máy phát hai pha được đưa vào hoạt động tháng 8/1895, nhưng chỉ kết nối với hệ thống truyền tải từ xa vào năm 1896.

Lý thuyết mạch AC phát triển nhanh chóng từ cuối thế kỷ 19 đến đầu thế kỷ 20. Các đóng góp nổi bật cho cơ sở lý thuyết tính toán AC bao gồm Charles Steinmetz, Oliver Heaviside và nhiều nhà khoa học khác. Việc tính toán trong hệ thống ba pha không cân bằng được đơn giản hóa nhờ phương pháp thành phần đối xứng (symmetrical components) do Charles LeGeyt Fortescue đề xuất năm 1918.