Đơn vị đo điện áp là vôn, ký hiệu V, với 1 V = 1 W/A: một vôn là hiệu điện thế khiến dòng 1 ampe tiêu thụ công suất 1 watt. Trên thiết bị công nghiệp, đơn vị đo điện áp luôn đi kèm loại nguồn: 24 VDC cho mạch điều khiển và cảm biến, 220 VAC cho cuộn coil và động cơ nhỏ, 380 VAC cho động lực ba pha.
Chọn sai điện áp là lỗi gây hỏng thiết bị nhanh nhất, nhẹ thì cuộn coil không hút, nặng thì cháy cuộn. Bài này giải thích điện áp là gì, đơn vị đo điện áp và các bội số của nó, khác biệt một chiều và xoay chiều, các cấp điện áp trong nhà máy, cách chọn điện áp cho van điện và an toàn khi đo.
Điện áp là gì
Điện áp, hay hiệu điện thế, là chênh lệch điện thế giữa hai điểm trong mạch. Về vật lý, đó là công mà điện trường thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích từ điểm này sang điểm kia. Điện áp là nguyên nhân khiến dòng điện chạy, còn dòng điện là kết quả. Đơn vị đo điện áp V cho biết năng lượng mỗi culông điện tích nhận được: nguồn 24 V cấp 24 J cho mỗi culông đi qua tải.
Cách hình dung quen thuộc là so với nước trong ống: điện áp giống chênh áp giữa hai đầu ống, dòng điện giống lưu lượng, điện trở giống độ hẹp của ống. Chênh áp càng lớn thì lưu lượng càng lớn, nhưng đây chỉ là phép so sánh để dễ nhớ. Bạn đã quen với đơn vị đo áp suất như bar, psi, thì nên nhớ rằng áp suất đo lực trên diện tích, còn đơn vị đo điện áp (V = J/C) là năng lượng trên điện tích.
Điện áp, dòng điện và công suất
Theo định luật Ohm, U = I × R: dòng 0,5 A chạy qua điện trở 48 Ω tạo ra điện áp 24 V. Công suất tính bằng P = U × I, nên cùng tải 60 W, dòng ở 24 V là 2,5 A còn ở 220 V chỉ khoảng 0,27 A. Mối liên hệ giữa đơn vị đo điện áp, ampe và watt này giải thích gần như mọi quyết định chọn điện áp ở các phần sau.
Đơn vị đo điện áp: V, mV, kV
Đơn vị đo điện áp trong hệ SI là vôn (V), đặt theo tên Alessandro Volta (1745–1827), người chế tạo pin điện hóa đầu tiên năm 1800. Theo định nghĩa, 1 V = 1 J/C = 1 W/A. Đại lượng thường ký hiệu bằng chữ U (hoặc V trong sơ đồ điện tử), còn đơn vị là chữ V viết hoa vì lấy từ tên riêng.
Tùy độ lớn của tín hiệu, đơn vị đo điện áp được dùng kèm tiền tố SI. Ba mức hay gặp nhất khi làm việc với thiết bị công nghiệp:
- mV (milivôn): 1 mV = 0,001 V. Là thang của tín hiệu cảm biến chưa khuếch đại.
- V (vôn): thang mạch điều khiển, nguồn cấp cảm biến và nguồn dân dụng.
- kV (kilovôn): 1 kV = 1 000 V. Là thang lưới điện trung thế và cao thế.
Ngoài ra còn µV (1 µV = 0,000 001 V) cho tín hiệu rất nhỏ và MV (1 MV = 1 000 000 V) cho đường dây truyền tải cực cao áp. Đổi giữa các đơn vị đo điện áp chỉ là dịch dấu phẩy theo bội 1 000: 24 V = 24 000 mV, 22 kV = 22 000 V.
| Đơn vị | Ký hiệu | Bằng (V) | Thường gặp ở |
|---|---|---|---|
| Microvôn | µV | 0,000 001 | Nhiễu, độ nhạy cảm biến |
| Milivôn | mV | 0,001 | Cặp nhiệt điện, loadcell |
| Vôn | V | 1 | Nguồn điều khiển 24 V, lưới 220/380 V |
| Kilovôn | kV | 1 000 | Lưới trung áp 22 kV, 35 kV |
| Megavôn | MV | 1 000 000 | Thử nghiệm cao áp, truyền tải siêu cao áp |
Đơn vị đo điện áp mV trong cảm biến nhiệt độ
Cặp nhiệt điện cho ra tín hiệu cỡ vài milivôn. Loại K cho khoảng 41 µV mỗi độ, nên ở 100 °C (đầu lạnh 0 °C) tín hiệu là 4,096 mV theo bảng chuẩn IEC 60584-1. Tín hiệu cỡ mV này đòi hỏi bộ chuyển đổi nhạy và cáp bù chuyên dụng, nhiễu cỡ vài trăm µV đã làm lệch vài độ. Bộ chuyển đổi nhận tín hiệu ở đơn vị đo điện áp mV rồi xuất ra 4–20 mA để truyền đi xa. Với cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở như Pt100 thì thay vào đó người ta đo điện trở và quy ra nhiệt độ.
Đơn vị đo điện áp một chiều, xoay chiều và giá trị hiệu dụng
Điện áp một chiều (DC) có chiều và độ lớn không đổi, như pin, ắc quy, nguồn xung 24 VDC. Điện áp xoay chiều (AC) đổi chiều và độ lớn theo thời gian, thường theo hình sin. Lưới điện Việt Nam dùng tần số 50 Hz, nghĩa là điện áp đảo chiều 100 lần mỗi giây. Trên nhãn, đơn vị đo điện áp một chiều ghi là VDC (hoặc V⎓), xoay chiều ghi là VAC (hoặc V~).
Vì điện áp xoay chiều luôn thay đổi, con số ghi trên nhãn là giá trị hiệu dụng (rms): giá trị DC tạo cùng công suất nhiệt trên một điện trở. Với sóng sin, Urms = Upeak / √2, tức Upeak = Urms × 1,414. Do đó 220 VAC hiệu dụng có đỉnh khoảng 311 V, và 380 VAC (giữa hai pha) có đỉnh khoảng 537 V.
Vì sao phải biết giá trị đỉnh
Cách điện, tụ lọc và tiếp điểm chịu theo điện áp đỉnh chứ không theo giá trị hiệu dụng. Tụ lọc đầu vào cho nguồn 220 VAC phải chịu tối thiểu 311 V, nên người ta dùng loại 400 V. Giá trị đỉnh dùng cùng đơn vị đo điện áp nhưng ghi Vp hoặc Vpk, còn đỉnh – đỉnh ghi Vpp: 220 VAC tương ứng khoảng 622 Vpp. Điện áp 380 VAC giữa hai pha tương ứng 220 VAC giữa pha và trung tính, vì 380 / √3 ≈ 220 V.
Cấp điện áp trên thiết bị công nghiệp
Trong nhà máy, điện áp được chọn theo chức năng: mạch tín hiệu dùng điện áp thấp để an toàn và ít nhiễu, mạch động lực dùng điện áp cao để giảm dòng và tiết diện dây. Bảng dưới liệt kê các cấp thường gặp; dưới 1 000 V ghi bằng V, lưới trung áp trở lên dùng đơn vị đo điện áp kV.
| Cấp điện áp | Dùng cho | Ghi chú |
|---|---|---|
| 24 VDC | PLC, cảm biến, van điện từ, relay, đồng hồ điện tử | Cấp điện áp thấp, ít nhiễu, an toàn khi chạm |
| 24 VAC | Cuộn coil điều hòa không khí, van tiết lưu, một số tủ điều khiển cũ | Lấy từ biến áp hạ áp |
| 110 VAC | Thiết bị nhập khẩu từ Mỹ, Nhật (100–120 V) | Cần biến áp, tần số có thể 60 Hz |
| 220 VAC một pha | Cuộn coil, quạt, động cơ nhỏ, nguồn thiết bị | Điện áp pha, 50 Hz |
| 380 / 400 VAC ba pha | Động cơ bơm, máy nén, quạt công suất lớn | Điện áp dây; 380 V ở lưới Việt Nam |
| 22 kV | Lưới trung thế, cấp cho trạm biến áp nhà máy | Phạm vi theo quy định hiện hành |
Theo quy định hiện hành ở Việt Nam, hạ áp là cấp điện áp danh định đến 1 kV, trung áp trên 1 kV đến 35 kV, cao áp trên 35 kV đến 220 kV, siêu cao áp trên 220 kV. Các ngưỡng này tính theo đơn vị đo điện áp kV của điện áp danh định; hãy đối chiếu quy chuẩn kỹ thuật điện đang có hiệu lực khi thiết kế hoặc nghiệm thu.
Nguồn 24 VDC cho cảm biến
Phần lớn thiết bị đo được cấp 24 VDC. Một cảm biến áp suất 4–20 mA hai dây thường chấp nhận nguồn trong khoảng 12 đến 30 VDC (tham khảo, theo catalogue hãng) và phát tín hiệu bằng dòng, nên điện áp nguồn có sụt trên dây dài cũng không làm sai tín hiệu miễn là còn đủ cho thiết bị hoạt động.
Điện áp 220 VAC trên tiếp điểm
Công tắc có tiếp điểm khô khi dùng cho tải 220 VAC phải ghi rõ dòng tiếp điểm ở điện áp đó. Với công tắc áp suất, ví dụ 5 A ở 250 VAC (tham khảo). Cùng tiếp điểm đó khi đóng cắt tải DC sẽ chịu kém hơn nhiều, vì dòng một chiều không có điểm qua không nên hồ quang khó tắt, nên dòng định mức DC phải tra riêng.
Chọn điện áp cho van điện và van điện từ
Mỗi thiết bị cuộn dây hoặc động cơ đều ghi điện áp định mức bằng đơn vị đo điện áp V, và điện áp này là một phần của mã đặt hàng. Hai nhóm phổ biến là cuộn coil van điện từ và mô tơ actuator van điều khiển. Dung sai cho phép thường là ±10 % điện áp danh định (tham khảo, theo catalogue hãng): 24 VDC chạy được trong khoảng 21,6 đến 26,4 V.
Cuộn coil của van điện từ
Với van điện từ, cuộn 24 VDC phổ biến ở hệ có PLC vì an toàn, không bị nhiễu và dễ cấp từ cùng nguồn với cảm biến. Cuộn 220 VAC tiện khi chỉ có nguồn lưới và không muốn thêm bộ nguồn. Cuộn AC có thêm vòng chống rung (shading ring) để lực hút không về 0 mỗi khi điện áp qua không.
Cấp nhầm điện áp (nhầm 24 V với 220 V, hoặc AC với DC) sẽ gây hậu quả khác nhau. Cuộn AC 220 V cấp nhầm nguồn một chiều sẽ cháy: dòng trong cuộn AC bị hạn chế chủ yếu bởi cảm kháng, còn với DC không có cảm kháng, chỉ còn điện trở thuần của dây đồng, vài trăm ôm. Dòng lớn hơn nhiều lần, cuộn nóng lên và cháy sau thời gian ngắn.
Ngược lại, cuộn DC cấp nguồn xoay chiều có tổng trở tăng do cảm kháng, dòng nhỏ đi và không có vòng chống rung, nên lõi rung, kêu và hút yếu hoặc không hút. Cấp 24 VDC cho cuộn 220 VAC thì thường không đủ lực hút để mở van.
Điện áp cấp thấp hơn định mức nhiều thì van mở không hết hoặc không giữ, cao hơn quá mức thì cuộn nóng nhanh. Luôn so với giá trị trên nhãn cuộn, không so với màu hoặc kiểu đầu nối.
Mô tơ actuator của van điều khiển
Với van điều khiển điện, mô tơ actuator có các phiên bản 24 VDC, 24 VAC, 220 VAC hoặc 380 VAC ba pha. Cùng một mô men xoắn đầu ra, điện áp thấp đòi hỏi dòng cao hơn: actuator 60 W dùng 24 V lấy khoảng 2,5 A, còn ở 220 V chỉ khoảng 0,27 A.
Dòng khởi động của mô tơ còn lớn hơn dòng chạy, có thể gấp vài lần (tham khảo). Nếu tiết diện cáp nhỏ và đường dài, điện áp sụt trên dây sẽ làm mô men giảm. Ví dụ 100 m cáp đồng 1,5 mm² có điện trở vòng khoảng 2,3 Ω, dòng 2,5 A gây sụt khoảng 5,8 V, tức khoảng 24 % của nguồn 24 V. Phép tính: R vòng = 2 × 100 m × 0,0175 Ω·mm²/m ÷ 1,5 mm² ≈ 2,33 Ω. Nên chọn dây tiết diện lớn hơn hoặc dùng 220 VAC cho tuyến dài.
So sánh điện áp 220 V và 110 V trong thực tế
Hai mức này cùng đơn vị đo điện áp V nhưng khác nhau ở dòng điện cho cùng công suất. Tải 1 kW cần khoảng 4,5 A ở 220 V nhưng khoảng 9,1 A ở 110 V. Tổn hao nhiệt trên dây tỷ lệ với bình phương dòng (P = I² × R), nên cùng một dây, ở 110 V tổn hao gấp khoảng 4 lần.
Hệ quả khi dùng là cùng công suất, mạng 110 V cần dây to hơn và thiết bị đóng cắt dòng lớn hơn. Về an toàn, điện áp thấp hơn tạo dòng qua cơ thể nhỏ hơn khi chạm điện, nhưng cả hai mức đều đủ gây nguy hiểm đến tính mạng, nên không coi 110 V là an toàn tuyệt đối. Ở Việt Nam, 110 V chủ yếu gặp trên thiết bị nhập từ Mỹ, Nhật, và nên dùng biến áp cách ly thay vì đổi dây nối.
Lưu ý thêm: thiết bị Mỹ thường chạy 60 Hz. Động cơ 60 Hz chạy trên lưới 50 Hz quay chậm hơn khoảng 17 %; nếu giữ nguyên điện áp, từ thông tăng khoảng 20 %, lõi thép dễ bão hòa và động cơ nóng lên. Cần giảm điện áp theo tỉ lệ khoảng 5/6 hoặc chọn thiết bị có nhãn ghi 50/60 Hz.
Đọc đơn vị đo điện áp trên đồng hồ vạn năng
Khi đo, kết quả hiển thị theo đơn vị đo điện áp V hoặc mV, và đồng hồ luôn đặt song song với đoạn mạch cần đo, khác với đo dòng là nối tiếp. Các bước cơ bản:
- Chọn đúng thang: DC (V⎓) hoặc AC (V~), vì đồng hồ đo AC sai nếu để thang DC.
- Cắm que đen vào cổng COM, que đỏ vào cổng V.
- Bắt đầu từ thang lớn nếu chưa biết giá trị, rồi giảm dần để có độ phân giải tốt; đồng hồ tự động chọn thang (auto-range) sẽ tự chuyển giữa các đơn vị đo điện áp mV và V.
- Chạm hai que vào hai điểm cần đo, đọc số sau khi ổn định.
Đồng hồ vạn năng giá rẻ chỉ đúng với sóng sin. Khi đo điện áp sau biến tần hoặc nguồn xung, dạng sóng méo nên cần đồng hồ true RMS.
Cấp CAT của đồng hồ
Theo IEC 61010, đồng hồ được phân hạng CAT I đến CAT IV theo vị trí đo, kèm điện áp tối đa ghi bằng đơn vị đo điện áp V, ví dụ CAT III 600 V (tham khảo). Tủ phân phối và mạch động lực nên dùng đồng hồ CAT III trở lên, đồng hồ không rõ cấp CAT chỉ dùng cho mạch điện tử điện áp thấp. Que đo và cầu chì bên trong cũng phải đạt cấp tương ứng.
An toàn khi làm việc với điện áp cao
Nguy hiểm khi chạm điện phụ thuộc vào dòng đi qua cơ thể và thời gian tiếp xúc, chứ không riêng con số ghi bằng đơn vị đo điện áp. Khi da ẩm hoặc tay có mồ hôi, điện trở người giảm mạnh. Vì vậy cần áp dụng quy trình ngắt điện đầy đủ, theo quy định an toàn điện hiện hành:
- Ngắt nguồn tại aptomat hoặc cầu dao cấp cho thiết bị.
- Khóa và treo biển (lockout – tagout) để không ai đóng điện lại khi đang làm việc.
- Kiểm tra không điện bằng bút thử hoặc đồng hồ đã kiểm chứng trên nguồn đã biết, rồi mới chạm vào dây.
- Nối đất, đoản mạch tại vị trí làm việc với mạch trung thế hoặc mạch có tụ điện tích điện.
- Dùng dụng cụ cách điện và găng đúng cấp điện áp, không làm việc một mình trên mạch động lực.
Tụ trong biến tần và bộ nguồn có thể giữ điện áp nguy hiểm vài phút sau khi ngắt, nên chờ thời gian xả theo nhãn thiết bị. Chi tiết về định nghĩa vôn và các chuẩn tham chiếu có thể tra thêm tại mục Volt trên Wikipedia.
Viva có thể hỗ trợ chọn van điện, van điện từ và thiết bị đo theo điện áp cấp, dòng tiêu thụ và điều kiện lắp đặt, để điện áp ghi trên nhãn khớp với nguồn hiện có. Bạn có thể gửi nhãn thiết bị (ghi rõ đơn vị đo điện áp và loại nguồn AC hay DC) hoặc sơ đồ nguồn, hoặc trao đổi trực tiếp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về đơn vị đo điện áp
Đơn vị đo điện áp là gì và ký hiệu thế nào?
Đơn vị đo điện áp là vôn, ký hiệu V, đặt theo tên nhà vật lý Alessandro Volta. 1 V = 1 W/A = 1 J/C. Đại lượng điện áp thường ký hiệu bằng chữ U (hoặc V trong sơ đồ điện tử). Khi nhỏ hoặc lớn hơn, dùng mV (0,001 V) hoặc kV (1 000 V).
Đơn vị đo điện áp 220 VAC trên nhãn là giá trị đỉnh hay hiệu dụng?
Là giá trị hiệu dụng (rms). Giá trị đỉnh của sóng sin 220 V rms là 220 × √2 ≈ 311 V. Điện áp hiệu dụng cho công suất nhiệt bằng một điện áp DC cùng trị số, nên được dùng để ghi nhãn. Cách điện và tụ lọc phải chọn theo giá trị đỉnh.
Cấp nhầm điện áp một chiều cho cuộn coil 220 VAC thì sao?
Cuộn sẽ nóng và thường cháy sau thời gian ngắn. Ở nguồn AC, dòng bị hạn chế bởi cả cảm kháng và điện trở dây. Với DC không có cảm kháng, chỉ còn điện trở thuần của dây đồng, nên dòng lớn hơn nhiều lần. Luôn kiểm tra cả trị số, đơn vị đo điện áp và loại nguồn (AC hay DC) trên nhãn cuộn.
Khi nào chọn van điện từ 24 VDC thay vì 220 VAC?
Chọn 24 VDC khi tủ điều khiển có PLC và nguồn 24 V, vì an toàn khi chạm, ít nhiễu và đấu nối trực tiếp từ đầu ra PLC qua relay. Chọn 220 VAC khi chỉ có nguồn lưới và khoảng cách dây dài. Dung sai thường ±10 % theo catalogue hãng.
Đo điện áp bằng đồng hồ vạn năng cần lưu ý gì?
Đặt đồng hồ song song với mạch, chọn đúng thang DC hay AC, cắm que đỏ vào cổng V và que đen vào COM. Với tủ điện và mạch động lực dùng đồng hồ có cấp CAT III trở lên theo IEC 61010. Màn hình hiển thị theo đơn vị đo điện áp V hoặc mV tùy thang. Khi đo sau biến tần cần đồng hồ true RMS.
