Waarom gebruik ons 50 Hz of 60 Hz frekwensie vir kragstelsels?
'n kragstelsel is 'n netwerk van elektriese komponente wat elektrisiteit genereer, oordra en versprei na eindgebruikers. Die kragstelsel werk op 'n sekere frequentie, wat die aantal siklusse per sekonde van die wisselstroom (AC) spanning en stroom. Die mees algemene frekwensies wat vir kragstelsels gebruik word, is 50 Hz en 60 Hz, afhangende van die streek van die wêreld. Maar hoekom gebruik ons hierdie frekwensies en nie ander nie? Wat is die voor- en nadele van verskillende frekwensies? En hoe het hierdie frekwensies gestandaardiseer? Hierdie artikel sal hierdie vrae beantwoord en die geskiedenis en tegniese aspekte van kragstelsel frekwensies verduidelik.
Wat is Kragstelsel Frekwensie?
Kragstelsel frekwensie word gedefinieer as die tempo van verandering van die fasehoek van die AC spanning of stroom. Dit word gemeet in hertz (Hz), wat gelykstaan aan een siklus per sekonde. Die frekwensie van 'n kragstelsel hang af van die spoed van rotasie van die generatiewe wat die AC spanning produseer. Hoe vinniger die generatiewe roteer, hoe hoër die frekwensie. Die frekwensie beïnvloed ook die prestasie en ontwerp van verskeie elektriese toestelle en toerusting wat elektrisiteit gebruik of produseer.
Hoe het 50 Hz en 60 Hz Frekwensies Ontstaan?
Die keuse van 50 Hz of 60 Hz frekwensie vir kragstelsels is nie gebaseer op enige sterke tegniese rede nie, maar eerder op historiese en ekonomiese faktore. In die laat 19de en vroeë 20ste eeu, toe kommersiële elektriese kragstelsels ontwikkel is, was daar geen standaardisering van frekwensie of spanning nie. Verskillende streke en lande het verskillende frekwensies gebruik, vanaf 16.75 Hz tot 133.33 Hz, afhangende van hul plaaslike voorkeure en behoeftes. Sommige van die faktore wat die keuse van frekwensie beïnvloed het, was:
Verligting: Laer frekwensies het merkbare flikker veroorsaak in glowlamp en booglamp, wat wyd gebruik is vir verligting destyds. Hoër frekwensies het flikker verminder en die verligtingskwaliteit verbeter.
Roterende masjiens: Hoër frekwensies het kleiner en ligter motore en generatiewe moontlik gemaak, wat materiaal- en vervoerskoste verlaag het. Hoër frekwensies het egter ook verliese en verhitting in roterende masjiens verhoog, wat doeltreffendheid en betroubaarheid verminder het.
Oordrag en transformers: Hoër frekwensies het die impedansie van oordragslyne en transformers verhoog, wat die kragoordragvermoë verminder en die spanningsval verhoog het. Laer frekwensies het langer oordragafstande en laer verliese moontlik gemaak.
Stelselverbinding: Verbinding van kragstelsels met verskillende frekwensies vereis komplekse en kostebare omskakelaars of sinkroniseerders. 'n Gemeenskaplike frekwensie het stelselintegrering en -koördinering gefasiliteer.
Gedurende die uitbreiding en verbinding van kragstelsels, was daar 'n behoefte aan standaardisering van frekwensie om kompleksiteit te verminder en verenigbaarheid te verhoog. Daar was egter ook 'n rivaliteit tussen verskillende vervaardigers en streke wat hul eie standaarde en monopolies wil handhaaf. Dit het gelei tot 'n verdeeling tussen twee hoofgroepe: een wat 50 Hz as die standaardfrekwensie aangeneem het, hoofsaaklik in Europa en Asië, en 'n ander wat 60 Hz as die standaardfrekwensie aangeneem het, hoofsaaklik in Noord-Amerika en dele van Latyn-Amerika. Japan was 'n uitsondering wat albei frekwensies gebruik het: 50 Hz in oos-Japan (insluitend Tokio) en 60 Hz in west-Japan (insluitend Osaka).
Wat is die Voor- en Nadele van Verskillende Frekwensies?
Daar is geen duidelike voor- of nadeel om 50 Hz of 60 Hz frekwensie vir kragstelsels te gebruik nie, aangesien beide frekwensies hul pros en kontras het afhangende van verskillende faktore. Sommige van die voor- en nadele is:
Krag: 'n 60 Hz-stelsel het 20% meer krag as 'n 50 Hz-stelsel vir dieselfde spanning en stroom. Dit beteken dat masjiens en motore wat op 60 Hz werk, vinniger kan hardloop of meer uitset kan produseer as dié wat op 50 Hz werk. Dit beteken egter ook dat masjiens en motore wat op 60 Hz werk, meer koeling of beskerming mag benodig as dié wat op 50 Hz werk.
Grootte: 'n Hoër frekwensie maak kleiner en ligter elektriese toestelle en toerusting moontlik, aangesien dit die grootte van magneetkerns in transformers en motore verlaag. Dit kan plek, materiaal en vervoerskoste spaar. Dit beteken egter ook dat hoër-frekwensietoestelle moontlik lagere isolasiekracht of hoër verliese het as laer-frekwensietoestelle.
Verliese: 'n Hoër frekwensie verhoog verliese in elektriese toestelle en toerusting as gevolg van velskil-effekte, omloopstrome, histerese, dielektriese verhitting, ens. Hierdie verliese verminder doeltreffendheid en verhoog verhitting in elektriese toestelle en toerusting. Hierdie verliese kan egter geminimeer word deur die gebruik van gepaste ontwerptechnieke soos laminering, skerming, koeling, ens.
Harmoniese: 'n Hoër frekwensie produseer meer harmoniese as 'n laer frekwensie. Harmoniese is veelvoudes van die fundamentele frekwensie wat vervorming, interferensie, resonansie, ens., in elektriese toestelle en toerusting kan veroorsaak. Harmoniese kan kragkwaliteit en betroubaarheid in kragstelsels verminder. Hierdie harmoniese kan egter geminimeer word deur die gebruik van filters, kompensators, omskakelaars, ens.
Hoe word Kragstelsel Frekwensie Gereguleer?
Kragstelsel frekwensie word gereguleer deur die voorsiening (generasie) en vraag (last) van elektrisiteit in real-time te balanseer. As die voorsiening die vraag oorskry, neem die frekwensie toe; as die vraag die voorsiening oorskry, neem die frekwensie af. Frekwensie-afwykings kan die stabiliteit en veiligheid van kragstelsels, sowel as die prestasie en operasie van elektriese toestelle en toerusting, beïnvloed.
Om frekwensie binne aanvaarbare limiete (gewoonlik ±0,5% rondom die nominale waarde) te handhaaf, gebruik kragstelsels verskeie metodes soos:
Tydfoutkorrigering (TEC): Dit is 'n metode om die spoed van generatiewe periodies aan te pas om vir enige akkumuleerde tydfoute as gevolg van frekwensie-afwykings oor 'n lang periode te korriigeer. Byvoorbeeld, as die frekwensie langer as normaal laer is (bv. as gevolg van hoë last), sal generatiewe slegs 'n bietjie opspoed om die verlore tyd in te haal.
Last-frekwensiekontrole (LFC): Dit is 'n metode om die uitset van generatiewe outomaties aan te pas om enige veranderinge in last binne 'n sekere area of zone (bv. 'n provinsie of 'n land) te bypas. Byvoorbeeld, as die last plotseling toeneem (bv. as gevolg van die inskakeling van toestelle), sal generatiewe hul uitset ooreenkomstig verhoog om frekwensie te handhaaf.
Tempo van verandering van frekwensie (ROCOF): Dit is 'n metode om enige plotselinge of groot veranderinge in frekwensie as gevolg van stoornisse soos fout of onderbreking in kragstelsels te detecteer. Byvoorbeeld, as 'n groot generator onverwags afval (bv. as gevolg van 'n fout), sal ROCOF aandui hoe vinnig die frekwensie as gevolg van hierdie gebeurtenis verander.
Hoorbare geraas: Dit is 'n hoorbare aanduiding van enige veranderinge in frekwensie as gevolg van meganiese vibrasies in elektriese toestelle en toerusting soos transformers of motore. Byvoorbeeld, as die frekwensie slegs 'n bietjie toeneem (bv. as gevolg van lae last), kan sommige toestelle 'n hoër-geskuifde klank as normaal produseer.
Gevolgtrekking
Kragstelsel frekwensie is 'n belangrike parameter wat die generasie, oordrag, verspreiding en verbruik van elektrisiteit beïnvloed. Die keuse van 50 Hz of 60 Hz frekwensie vir kragstelsels is gebaseer op historiese en ekonomiese redes eerder as tegniese. Beide frekwensies het hul voor- en nadele afhangende van verskillende faktore soos krag, grootte, verliese, harmoniese, ens. Kragstelsel frekwensie word gereguleer deur verskeie metodes soos TEC, LFC, ROCOF, en hoorbare geraas om die stabiliteit en betroubaarheid van kragstelsels, sowel as die prestasie en operasie van elektriese toestelle en toerusting, te verseker.
Verklaring: Respek vir die oorspronklike, goeie artikels is waard om gedeel te word, as daar inbreuk is maak asb. kontak vir verwydering.
