Trong hệ thống điện gia đình, có rất nhiều thiết bị điện được sử dụng với các chức năng khác nhau như: đo lường điện năng, đóng – cắt điện, bảo vệ mạch điện, kết nối và truyền dẫn điện năng. Việc hiểu rõ chức năng và thông số kĩ thuật của các thiết bị này giúp chúng ta lựa chọn và sử dụng thiết bị điện một cách an toàn, hiệu quả.

Các thiết bị điện được sử dụng phổ biến trong mạng điện gia đình gồm: công tơ điện, aptomat, cầu dao, ổ cắm, công tắc và dây dẫn điện.

Lưu ý quan trọng: Khi lắp đặt và sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện có công suất lớn (như bếp từ, bình nóng lạnh, điều hoà nhiệt độ) trong mạng điện gia đình, chúng ta cần quan tâm đến việc lựa chọn dây dẫn và thiết bị bảo vệ có thông số kĩ thuật phù hợp.

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Chức năng và thông số kĩ thuật của một số thiết bị điện

a) Công tơ điện

Chức năng:

Công tơ điện là dụng cụ đo lường điện năng tiêu thụ của mạng điện. Mạng điện gia đình thường sử dụng nguồn điện một pha, do vậy công tơ điện cũng sử dụng loại một pha.

Thông số kĩ thuật:

Giải thích thông số dòng điện quá tải:

Ví dụ: Thông số dòng điện được ghi 5(20) A có nghĩa là:

• Dòng điện định mức của công tơ là 5 A
• Dòng điện cho phép quá tải tối đa của công tơ là 20 A (tương đương 400%)

Giải thích cấp chính xác:

b) Cầu dao điện

Chức năng:

Cầu dao điện là thiết bị có chức năng đóng – cắt điện bằng tay. Trong thực tế, người ta thường mắc thêm cầu chì để bảo vệ mạch điện và các thiết bị khi quá tải, ngắn mạch.

Thông số kĩ thuật:

Nguyên lý bảo vệ:

Khi dòng điện chạy qua cầu dao lớn hơn dòng điện định mức sẽ làm dây chảy trong cầu dao nóng lên và đứt, gây hở mạch và ngắt điện, từ đó bảo vệ mạch điện và thiết bị.

c) Aptomat

Chức năng:

Aptomat là thiết bị có chức năng đóng – cắt điện và tự động cắt điện để bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho mạch điện.

Thông số kĩ thuật:

So sánh cầu dao và aptomat:

d) Ổ cắm cố định và ổ cắm kéo dài

Chức năng:

Thông số kĩ thuật:

Ví dụ – Thông số kĩ thuật của ổ cắm điện kéo dài (Bảng 9.1):

e) Công tắc điện

Chức năng:

Công tắc điện có chức năng đóng – cắt điện cho các đồ dùng điện, thiết bị điện công suất nhỏ.

Thông số kĩ thuật:

So sánh công tắc điện và cầu dao điện:

f) Dây dẫn điện

Chức năng:

Cáp điện (dây dẫn điện) có chức năng kết nối các thiết bị trong mạng điện và dẫn điện từ nguồn tới tải tiêu thụ.

Thông số kĩ thuật:

Cách đọc thông số trên vỏ dây dẫn:

Ví dụ: Trên vỏ dây dẫn ghi Cu – 220 V – 1,0 mm² có nghĩa là:

• Cu: Vật liệu lõi dây là đồng (Copper)
• 220 V: Điện áp định mức là 220 V
• 1,0 mm²: Tiết diện dây dẫn là 1,0 mm²

2. Xác định thông số cho các thiết bị điện

a) Công suất tiêu thụ của hệ thống điện gia đình

Các yếu tố cần xét khi tính công suất tiêu thụ:

• Khả năng phát triển thêm nhu cầu sử dụng điện trong gia đình. Ví dụ: sau này lắp thêm điều hoà, bình nóng lạnh…
• Các tải trong hệ thống điện thường không sử dụng đồng thời
• Các tải không làm việc hết công suất định mức

Công thức tính công suất tiêu thụ:

$$P = \sum_{i=1}^{n} P_i$$

Trong đó:

• $P_i$: Công suất tiêu thụ của tải thành phần trong hệ thống điện (W)
• $n$: Số lượng tải trong hệ thống điện

Công thức tính dòng điện đi qua dây dẫn:

Từ công thức: $P = U \times I \times \cos\varphi$

Ta tính được dòng điện đi qua dây dẫn như sau:

$$I = \frac{P}{U \times \cos\varphi}$$

Trong đó:

• $U$: Điện áp lưới điện một pha, có trị số 220 V
• $P$: Công suất tiêu thụ của hệ thống điện (W)
• $\cos\varphi$: Hệ số công suất

Hệ số công suất ($\cos\varphi$):

b) Thông số kĩ thuật của dây dẫn

Thông số kĩ thuật của dây dẫn cần xác định là tiết diện của dây dẫn. Mối liên hệ giữa dòng điện chạy qua dây dẫn và tiết diện của dây dẫn được tính như sau:

Công thức tính tiết diện dây dẫn:

$$S = \frac{I}{J}$$

Trong đó:

• $S$: Tiết diện của dây dẫn (mm²)
• $I$: Dòng điện chạy qua dây dẫn (A)
• $J$: Mật độ dòng điện cho phép (A/mm²)

Mật độ dòng điện cho phép:

• Mật độ dòng điện cho phép phụ thuộc vào loại vật liệu dẫn điện
• Hiện nay, dây dẫn sử dụng trong gia đình có hai loại là lõi đồng và lõi nhôm
• Giá trị mật độ dòng điện cho phép: từ 4 A/mm² đến 8 A/mm²
• Việc lựa chọn giá trị J phụ thuộc vào kinh nghiệm thiết kế, số lượng dây dẫn trong mỗi đường ống, kinh phí đầu tư

Lưu ý: Khi lựa chọn mật độ dòng điện cho phép lớn, có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của dây dẫn cũng như tổn hao công suất do dây dẫn gây ra.

Tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn trên thị trường:

Nguyên tắc chọn dây dẫn: Sau khi xác định được tiết diện S của dây dẫn, ta có thể lựa chọn loại dây dẫn trên thị trường có trị số tiết diện lớn hơn so với giá trị tính toán được.

Ví dụ 1: Một điều hoà có công suất tiêu thụ là 2 000 W, hệ số $\cos\varphi = 0,8$. Thông số dây dẫn cho thiết bị đó như sau:

Giải:

Dòng điện chạy qua dây dẫn là:

$$I = \frac{P}{U \times \cos\varphi} = \frac{2000}{220 \times 0,8} = 11,4 \text{ (A)}$$

Nếu dây dẫn lõi bằng đồng có mật độ dòng điện là 6 A/mm², tiết diện của dây là:

$$S = \frac{I}{J} = \frac{11,4}{6} \approx 1,9 \text{ mm}^2$$

→ Ta có thể lựa chọn dây dẫn lõi đồng có tiết diện 2,0 mm² đang có trên thị trường.

c) Thông số kĩ thuật của thiết bị đóng, cắt, bảo vệ (Aptomat)

Hiện nay, trong hệ thống điện gia đình, aptomat là thiết bị đóng, cắt, bảo vệ được sử dụng phổ biến.

Yêu cầu khi chọn aptomat:

• Thiết bị bảo vệ phải có tác động khi có sự cố ngắn mạch
• Thiết bị bảo vệ phải có tính “chọn lọc”, tức là tác động nhanh, kịp thời, tách phần mạch điện bị sự cố mà không làm ảnh hưởng tới mạng điện chung

Công thức tính dòng điện định mức của aptomat:

$$I_{đm} = I \times h_{at}$$

Trong đó:

• $I$: Dòng điện chạy qua dây dẫn (A)
• $h_{at}$: Hệ số an toàn

Hệ số an toàn ($h_{at}$):

Nguyên tắc chọn aptomat: Lựa chọn aptomat trên thị trường cho các tải thường có giá trị dòng điện định mức lớn hơn giá trị mà ta tính được.

Ví dụ 2: Tính thông số kĩ thuật của aptomat sử dụng cho bình nước nóng có công suất định mức 2 200 W.

Giải:

Bình nước nóng là tải không có động cơ nên hệ số $\cos\varphi = 1,0$; hệ số an toàn $h_{at} = 1,2$.

Dòng điện chạy qua dây dẫn:

$$I = \frac{P}{U \times \cos\varphi} = \frac{2200}{220 \times 1,0} = 10 \text{ (A)}$$

Dòng điện định mức của aptomat cần chọn là:

$$I_{đm} = I \times h_{at} = 10 \times 1,2 = 12 \text{ (A)}$$

→ Chọn aptomat đang có trên thị trường có dòng định mức là 16 A, loại MCB1P/16A hoặc MCCB1P/16A.

Ví dụ 3: Lựa chọn aptomat và dây dẫn cho máy bơm nước có công suất 850 W, hệ số $\cos\varphi = 0,8$.

Giải:

Bước 1: Tính dòng điện chạy qua dây dẫn:

$$I = \frac{P}{U \times \cos\varphi} = \frac{850}{220 \times 0,8} \approx 4,83 \text{ (A)}$$

Bước 2: Chọn dây dẫn bằng đồng với mật độ dòng điện là 6 A/mm², tiết diện của dây là:

$$S = \frac{I}{J} = \frac{4,83}{6} \approx 0,81 \text{ (mm}^2\text{)}$$

→ Ta có thể lựa chọn dây dẫn bằng đồng có tiết diện là 1 mm²

Bước 3: Tính dòng điện định mức của aptomat cho máy bơm nước:

Máy bơm là thiết bị có động cơ nên $h_{at} = 2$

$$I_{đm} = I \times h_{at} = 4,83 \times 2 = 9,66 \text{ (A)}$$

→ Chọn aptomat đang có trên thị trường có dòng định mức là 10 A, loại MCB1P/10A hoặc MCCB1P/10A.

II. Bảng tóm tắt chức năng các thiết bị điện

III. Bảng tóm tắt công thức

Bảng giá trị các hệ số:

IV. Các dạng bài tập thường gặp

Dạng 1: Đọc và giải thích ý nghĩa thông số kĩ thuật trên thiết bị điện

Phương pháp giải:

Dựa vào kiến thức về các thông số kĩ thuật của từng loại thiết bị để giải thích ý nghĩa.

Ví dụ 1: Trên vỏ một dây dẫn điện có ghi: Cu – 220 V – 1,0 mm². Em hãy cho biết ý nghĩa thông tin đó.

Giải:

• Cu: Vật liệu lõi dây là đồng (Copper)
• 220 V: Điện áp định mức của dây dẫn là 220 V
• 1,0 mm²: Tiết diện dây dẫn là 1,0 mm²

Ví dụ 2: Một công tơ điện có thông số kĩ thuật 220 V, 10(40) A, cấp 2. Hãy cho biết ý nghĩa thông số đó.

Giải:

• 220 V: Điện áp định mức của công tơ là 220 V
• 10(40) A: Dòng điện định mức là 10 A, dòng điện quá tải cho phép tối đa là 40 A (tương đương 400%)
• Cấp 2: Cấp chính xác là cấp 2, tức là sai số đo lường không quá ±2%

Dạng 2: So sánh chức năng của các thiết bị điện

Phương pháp giải:

Phân tích điểm giống và khác về chức năng, cách hoạt động của các thiết bị.

Ví dụ: So sánh chức năng của cầu dao và aptomat. Hiện nay thiết bị nào được sử dụng nhiều hơn?

Giải:

→ Hiện nay aptomat được sử dụng nhiều hơn vì tiện lợi, an toàn và không cần thay thế sau mỗi lần ngắt do sự cố.

Dạng 3: Tính công suất tiêu thụ và dòng điện của hệ thống điện gia đình

Phương pháp giải:

Bước 1: Liệt kê các thiết bị điện và công suất của chúng

Bước 2: Tính tổng công suất: $P = \sum P_i$

Bước 3: Xác định hệ số công suất $\cos\varphi$ (0,8 nếu có động cơ, 1,0 nếu không có động cơ)

Bước 4: Tính dòng điện: $I = \dfrac{P}{U \times \cos\varphi}$

Ví dụ: Một phòng có các thiết bị điện sau: 2 bóng đèn LED (mỗi bóng 12 W), 1 quạt trần (65 W), 1 điều hòa (1 500 W). Tính tổng công suất tiêu thụ và dòng điện qua dây dẫn chính của phòng. Biết hệ số $\cos\varphi = 0,85$.

Giải:

Tổng công suất tiêu thụ:

$$P = 2 \times 12 + 65 + 1500 = 1589 \text{ W}$$

Dòng điện qua dây dẫn chính:

$$I = \frac{P}{U \times \cos\varphi} = \frac{1589}{220 \times 0,85} \approx 8,5 \text{ A}$$

Dạng 4: Xác định tiết diện dây dẫn phù hợp

Phương pháp giải:

Bước 1: Tính dòng điện: $I = \dfrac{P}{U \times \cos\varphi}$

Bước 2: Chọn mật độ dòng điện cho phép J (thường chọn 6 A/mm² cho dây đồng)

Bước 3: Tính tiết diện: $S = \dfrac{I}{J}$

Bước 4: Chọn dây có tiết diện lớn hơn giá trị tính được trong danh sách tiêu chuẩn

Ví dụ: Chọn dây dẫn lõi đồng cho bình nóng lạnh có công suất 2 500 W, biết $\cos\varphi = 1,0$ và mật độ dòng điện cho phép là 6 A/mm².

Giải:

Dòng điện chạy qua dây dẫn:

$$I = \frac{2500}{220 \times 1,0} \approx 11,36 \text{ A}$$

Tiết diện dây dẫn:

$$S = \frac{11,36}{6} \approx 1,89 \text{ mm}^2$$

→ Chọn dây dẫn lõi đồng có tiết diện 2,0 mm² hoặc 2,5 mm².

Dạng 5: Chọn aptomat phù hợp cho thiết bị điện

Phương pháp giải:

Bước 1: Tính dòng điện: $I = \dfrac{P}{U \times \cos\varphi}$

Bước 2: Xác định hệ số an toàn $h_{at}$ (1,2 nếu không có động cơ; 2,0 – 2,5 nếu có động cơ)

Bước 3: Tính dòng định mức aptomat: $I_{đm} = I \times h_{at}$

Bước 4: Chọn aptomat có dòng định mức lớn hơn giá trị tính được trong Bảng 9.2

Ví dụ: Chọn aptomat cho tủ lạnh có công suất 150 W, biết $\cos\varphi = 0,8$.

Giải:

Dòng điện chạy qua dây dẫn:

$$I = \frac{150}{220 \times 0,8} \approx 0,85 \text{ A}$$

Tủ lạnh là thiết bị có động cơ nên $h_{at} = 2$

Dòng điện định mức của aptomat:

$$I_{đm} = 0,85 \times 2 = 1,7 \text{ A}$$

→ Chọn aptomat có dòng định mức là 6 A, loại MCB1P/6A hoặc MCCB1P/6A.

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám