لماذا نستخدم تردداً قدره 50 هرتز أو 60 هرتز لأنظمة الكهرباء؟
نظام الطاقة هو شبكة من المكونات الكهربائية التي تقوم بإنتاج ونقل وتوزيع الكهرباء إلى المستخدمين النهائيين. يعمل نظام الطاقة بتردد معين، وهو عدد الدورات في الثانية للتيار الكهربائي المتناوب (AC) الجهد والتيار. الترددات الأكثر شيوعًا لنظم الطاقة هي 50 هرتز و60 هرتز، حسب المنطقة في العالم. ولكن لماذا نستخدم هذه الترددات وليس غيرها؟ وما هي مزايا وعيوب الترددات المختلفة؟ وكيف أصبحت هذه الترددات موحدة؟ ستجيب هذه المقالة على هذه الأسئلة وتشرح تاريخ وجوانب تقنية تردد نظام الطاقة.
ما هو تردد نظام الطاقة؟
يُعرَف تردد نظام الطاقة بأنه معدل تغير زاوية الطور لجهد التيار الكهربائي المتناوب أو التيار. يتم قياسه بالهرتز (Hz)، وهو يساوي دورة واحدة في الثانية. يعتمد تردد نظام الطاقة على سرعة دوران المولدات التي تنتج جهد التيار المتناوب. كلما كان المولدات أسرع في الدوران، كان التردد أعلى. يؤثر التردد أيضًا على الأداء والتصميم للأجهزة والعتاد الكهربائي المختلفة التي تستعمل أو تنتج الكهرباء.
كيف ظهرت ترددات 50 هرتز و60 هرتز؟
اختيار تردد 50 هرتز أو 60 هرتز لنظم الطاقة ليس مبنيًا على أي سبب تقني قوي بل على عوامل تاريخية واقتصادية. في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، عندما كانت أنظمة الطاقة الكهربائية التجارية قيد التطوير، لم يكن هناك توحيد لتردد أو جهد. استخدمت المناطق والدول المختلفة ترددات مختلفة تتراوح بين 16.75 هرتز و133.33 هرتز، حسب التفضيلات المحلية والحاجات. بعض العوامل التي أثرت على اختيار التردد كانت:
الإضاءة: أدت الترددات المنخفضة إلى ظهور وهج واضح في المصابيح المتوهجة والمصابيح القوسية، والتي كانت شائعة الاستخدام للإضاءة في ذلك الوقت. خففت الترددات العالية من الوهج وتحسين جودة الإضاءة.
الأجهزة الدوارة: سمحت الترددات العالية باستخدام محركات ومولدات أصغر وأخف وزناً، مما قلل من تكاليف المواد والنقل. ومع ذلك، زادت الترددات العالية أيضًا من الخسائر والتسخين في الأجهزة الدوارة، مما قلل من الكفاءة والموثوقية.
النقل والمحولات: زادت الترددات العالية من المقاومة في خطوط النقل والمحولات، مما قلل من قدرة نقل الطاقة وزيادة الانخفاض في الجهد. سمحت الترددات المنخفضة بمسافات نقل أطول وخسائر أقل.
ربط الأنظمة: يتطلب ربط أنظمة الطاقة ذات الترددات المختلفة المحولات أو المزامنات المعقدة والكلفة. ساعد التردد المشترك على تيسير تكامل وتنسيق الأنظمة.
مع توسع أنظمة الطاقة وربطها، ظهرت الحاجة لتوحيد التردد لتقليل التعقيد وزيادة التوافق. ومع ذلك، كان هناك منافسة بين الشركات المصنعة والأقاليم التي أرادت الحفاظ على معاييرها الخاصة وأحاديتها. هذا أدى إلى تقسيم بين مجموعتين رئيسيتين: الأولى التي اعتمدت 50 هرتز كتردد قياسي، أساساً في أوروبا وآسيا، والثانية التي اعتمدت 60 هرتز كتردد قياسي، أساساً في أمريكا الشمالية وأجزاء من أمريكا اللاتينية. كانت اليابان استثناء حيث استخدمت كلا الترددات: 50 هرتز في اليابان الشرقية (بما في ذلك طوكيو) و60 هرتز في اليابان الغربية (بما في ذلك أوساكا).
ما هي مزايا وعيوب الترددات المختلفة؟
لا يوجد ميزة واضحة أو عيب في استخدام تردد 50 هرتز أو 60 هرتز لنظم الطاقة، حيث أن كلا الترددات لها مزايا وعيوب حسب عوامل مختلفة. بعض المزايا والعيوب هي:
الطاقة: نظام 60 هرتز لديه طاقة أكثر بنسبة 20% من نظام 50 هرتز لنفس الجهد والتيار. هذا يعني أن الآلات والمحركات التي تعمل على 60 هرتز يمكن أن تعمل بشكل أسرع أو تنتج المزيد من الإخراج مقارنة بتلك التي تعمل على 50 هرتز. ومع ذلك، هذا يعني أيضًا أن الآلات والمحركات التي تعمل على 60 هرتز قد تحتاج إلى تبريد أو حماية أكبر من تلك التي تعمل على 50 هرتز.
الحجم: يسمح التردد العالي بأجهزة وعتاد كهربائي أصغر وأخف، حيث يقلل من حجم النوى المغناطيسية في المحولات والمحركات. يمكن أن يوفر هذا المساحة والمواد وتكاليف النقل. ومع ذلك، هذا يعني أيضًا أن الأجهزة ذات التردد العالي قد تكون أقل قوة عازلة أو ذات خسائر أعلى من الأجهزة ذات التردد المنخفض.
الخسائر: يزيد التردد العالي من الخسائر في الأجهزة والعتاد الكهربائي بسبب تأثير الجلد، التيار الدوامي، الهستيريزيس، التسخين الدييكتريكي، إلخ. هذه الخسائر تقلل من الكفاءة وتزيد من التسخين في الأجهزة والعتاد الكهربائي. ومع ذلك، يمكن تقليل هذه الخسائر باستخدام تقنيات التصميم المناسبة مثل التلبيد، والدرع، والتبريد، إلخ.
المتناغمات: ينتج التردد العالي المزيد من المتناغمات مقارنة بالتردد المنخفض. المتناغمات هي مضاعفات التردد الأساسي الذي يمكن أن يسبب تشوه، تداخل، تردد، إلخ، في الأجهزة والعتاد الكهربائي. يمكن للمتناغمات أن تقلل من جودة الطاقة والموثوقية في أنظمة الطاقة. ومع ذلك، يمكن تخفيف المتناغمات باستخدام المرشحات، والتعويضات، والمحولات، إلخ.
كيف يتم السيطرة على تردد نظام الطاقة؟
يتم السيطرة على تردد نظام الطاقة عن طريق موازنة التغذية (الإنتاج) والطلب (الحمل) للطاقة في الوقت الفعلي. إذا تجاوزت التغذية الطلب، يزداد التردد؛ وإذا تجاوز الطلب التغذية، ينقص التردد. يمكن أن تؤثر انحرافات التردد على الاستقرار والأمان لأنظمة الطاقة، وكذلك على الأداء والتشغيل للأجهزة والعتاد الكهربائي.
لتوفير التردد ضمن حدود مقبولة (عادة ±0.5% حول القيمة الاسمية)، تستخدم أنظمة الطاقة طرقًا مختلفة مثل:
تصحيح الخطأ الزمني (TEC): هذا هو طريقة لتعديل سرعة المولدات بشكل دوري لتصحيح أي خطأ زمني متراكم بسبب انحرافات التردد على مدى فترة طويلة. على سبيل المثال، إذا كان التردد أقل من القيمة الاسمية لفترة طويلة (مثلًا، بسبب الحمل العالي)، ستسرع المولدات قليلاً لتعويض الوقت الضائع.
تحكم الحمل-التردد (LFC): هذا هو طريقة لتعديل الإخراج المولدات تلقائيًا لموازنة أي تغييرات في الحمل داخل منطقة أو منطقة معينة (مثلًا، دولة أو منطقة). على سبيل المثال، إذا زاد الحمل فجأة (مثلًا، بسبب تشغيل الأجهزة الكهربائية)، سيزيد المولدات من إنتاجهم وفقًا لذلك للحفاظ على التردد.
معدل تغير التردد (ROCOF): هذا هو طريقة لاكتشاف أي تغييرات فجائية أو كبيرة في التردد بسبب الاضطرابات مثل أعطال أو انقطاعات في أنظمة الطاقة. على سبيل المثال، إذا توقف مولد كبير عن العمل بشكل غير متوقع (مثلًا، بسبب عطل)، سيشير ROCOF إلى مدى سرعة تغير التردد بسبب هذا الحدث.
الضوضاء الصوتية: هذا هو مؤشر صوتي لأي تغييرات في التردد بسبب الاهتزازات الميكانيكية في الأجهزة والعتاد الكهربائي مثل المحولات أو المحركات. على سبيل المثال، إذا زاد التردد قليلاً (مثلًا، بسبب الحمل المنخفض)، قد تنتج بعض الأجهزة صوتًا أعلى من المعتاد.
الخاتمة
تردد نظام الطاقة هو معلمة مهمة تؤثر على إنتاج ونقل وتوزيع واستهلاك الكهرباء. اختيار تردد 50 هرتز أو 60 هرتز لنظم الطاقة يستند إلى أسباب تاريخية واقتصادية بدلاً من أسباب تقنية. لكلا الترددات مزايا وعيوب حسب عوامل مختلفة مثل الطاقة والحجم والخسائر والمتناغمات، إلخ. يتم السيطرة على تردد نظام الطاقة بواسطة طرق مختلفة مثل TEC و LFC و ROCOF والضوضاء الصوتية لضمان الاستقرار والموثوقية لأنظمة الطاقة والأداء والتشغيل للأجهزة والعتاد الكهربائي.
بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالته.
