Защо използваме честота от 50 Hz или 60 Hz за електрическите системи?

Електрическата система е мрежа от електрически компоненти, които генерират, предават и разпространяват електричество до крайните потребители. Електрическата система работи при определена честота, която е броят на циклите в секунда на променливия ток (AC) напряжение и ток. Най-общи честоти, използвани за електрическите системи, са 50 Hz и 60 Hz, в зависимост от региона на света. Но защо използваме именно тези честоти, а не други? Какви са преимуществата и недостатъците на различните честоти? И как станаха стандартизираните честоти? Тази статия ще отговори на тези въпроси и ще обясни историята и техническите аспекти на честотата на електрическата система.

Какво е честотата на електрическата система?

Честотата на електрическата система се дефинира като скоростта на промяна на фазовия ъгъл на AC напрежението или тока. Измерва се в херца (Hz), което е равно на един цикъл в секунда. Честотата на електрическата система зависи от скоростта на въртене на генераторите, които произвеждат AC напрежението. По-бързо въртят генераторите, по-висока е честотата. Честотата влияе и върху производителността и дизайна на различни електрически устройства и оборудване, които използват или произвеждат електричество.

Как се появили честотите 50 Hz и 60 Hz?

Изборът на 50 Hz или 60 Hz честота за електрическите системи не е основан на никакви силни технически причини, а по-скоро на исторически и икономически фактори. В края на 19-ти и началото на 20-ти век, когато комерсиалните електрически системи се развиваха, нямаше стандартизация на честотата или напрежението. Различни региони и страни използваха различни честоти, вариращи от 16.75 Hz до 133.33 Hz, в зависимост от местните предпочитания и нужди. Някои от факторите, които влияеха на избора на честотата, бяха:

• Осветление: Ниските честоти причиняваха забележимо трептене в луминесцентните лампи и дъговите лампи, които широко се използваха за осветление по това време. По-високите честоти намаляваха трептенето и подобряваха качеството на осветлението.

• Въртящи се машини: По-високите честоти позволяваха по-малки и по-леки мотори и генератори, което намаляваше материалните и транспортните разходи. Обачно, по-високите честоти увеличаваха загубите и нагряването във въртящите се машини, което намаляваше ефективността и надеждността.

• Предаване и трансформатори: По-високите честоти увеличаваха импеданса на предавателните линии и трансформаторите, което намаляваше капацитета за предаване на мощност и увеличаваше падането на напрежението. Ниските честоти позволяваха по-дълги дистанции за предаване и по-ниски загуби.

• Свързване на системи: Свързването на електрически системи с различни честоти изисква сложни и скъпи конвертори или синхронизатори. Обща честота облекчава интеграцията и координацията на системите.

Когато електрическите системи се разширяваха и свързваха, възникна необходимост от стандартизация на честотата, за да се намали сложността и да се увеличи съвместимостта. Обачно, имаше и съперничество между различни производители и региони, които искаха да запазят собствените си стандарти и монополи. Това доведе до разделение между две основни групи: едната, която прие 50 Hz като стандартна честота, главно в Европа и Азия, и друга, която прие 60 Hz като стандартна честота, главно в Северна Америка и части от Латинска Америка. Япония беше изключение, използвайки и двете честоти: 50 Hz в източна Япония (включително Токио) и 60 Hz в западна Япония (включително Осака).

Какви са преимуществата и недостатъците на различните честоти?

Няма ясни преимущества или недостатъци от използването на 50 Hz или 60 Hz честота за електрическите системи, тъй като и двете честоти имат своите плюсове и минуси, в зависимост от различни фактори. Някои от преимуществата и недостатъците са:

• Мощност: 60 Hz система има 20% повече мощност от 50 Hz система при същото напрежение и ток. Това означава, че машините и моторите, работещи на 60 Hz, могат да работят по-бързо или да произвеждат повече изход, отколкото тези, работещи на 50 Hz. Обачно, това означава, че машините и моторите, работещи на 60 Hz, може да изискват повече охлаждане или защита, отколкото тези, работещи на 50 Hz.

• Размер: По-висока честота позволява по-малки и по-леки електрически устройства и оборудване, тъй като намалява размера на магнитните ядра в трансформаторите и моторите. Това може да спести пространство, материали и транспортни разходи. Обачно, това означава, че устройствата с по-висока честота може да имат по-ниска изолационна сила или по-високи загуби, отколкото устройствата с по-ниска честота.

   

• Загуби: По-висока честота увеличава загубите в електрическите устройства и оборудване поради кожен ефект, завихрения, хистерезис, диелектрично нагряване и т.н. Тези загуби намаляват ефективността и увеличават нагряването в електрическите устройства и оборудване. Обачно, тези загуби могат да бъдат минимизирани чрез използване на правилни методи на проектиране, такива като ламиниране, защита, охлаждане и т.н.

• Хармоники: По-висока честота произвежда повече хармоники, отколкото по-ниска честота. Хармониките са кратни на основната честота, които могат да причинят искажение, интерференция, резонанс и т.н. в електрическите устройства и оборудване. Хармониките могат да намалят качеството и надеждността на електрическите системи. Обачно, хармониките могат да бъдат намалени чрез използване на филтри, компенсатори, конвертори и т.н.

Как се контролира честотата на електрическата система?

Честотата на електрическата система се контролира чрез балансиране на предлагането (генерирането) и потреблението (нагрузката) на електричество в реално време. Ако предлагането надхвърли потреблението, честотата се увеличава; ако потреблението надхвърли предлагането, честотата се намалява. Отклоненията в честотата могат да повлияят на стабилността и сигурността на електрическите системи, както и на производителността и функционирането на електрическите устройства и оборудване.

За да се поддържа честотата в приемливи граници (обикновено ±0.5% около номиналната стойност), електрическите системи използват различни методи, такива като:

• Корекция на временна грешка (TEC): Това е метод за периодично коригиране на скоростта на генераторите, за да се коригира всяка натрупана временна грешка, породена от отклонения в честотата през дълъг период. Например, ако честотата е под номиналната за дълго време (например, поради висока нагрузка), генераторите ще ускорят малко, за да компенсират загубеното време.

• Контрол на нагрузка-честота (LFC): Това е метод за автоматично коригиране на изхода на генераторите, за да се съответства на всяки промени в нагрузката в определена зона (например, държава или област). Например, ако нагрузката се увеличи внезапно (например, поради включване на прибори), генераторите ще увеличат своя изход, за да се поддържа честотата.

• Темп на промяна на честотата (ROCOF): Това е метод за откриване на всякакви внезапни или големи промени в честотата, породени от смущения, такива като дефекти или прекъсвания в електрическите системи. Например, ако голям генератор изведнъж спре (например, поради дефект), ROCOF ще покаже колко бързо се променя честотата поради това събитие.

• Аудибилна шумозащита: Това е аудибилно указание за всяка промяна в честотата, породена от механични вибрации в електрическите устройства и оборудване, такива като трансформатори или мотори. Например, ако честотата се увеличи леко (например, поради ниска нагрузка), някои устройства може да произвеждат по-високочестотен звук от нормалния.

Заключение

Честотата на електрическата система е важен параметър, който влияе върху генерирането, предаването, разпределението и потребителството на електричество. Изборът на 50 Hz или 60 Hz честота за електрическите системи е основан на исторически и икономически причини, а не на технически. И двете честоти имат свои преимущества и недостатъци, в зависимост от различни фактори, такива като мощност, размер, загуби, хармоники и т.н. Честотата на електрическата система се контролира чрез различни методи, такива като TEC, LFC, ROCOF и аудибилна шумозащита, за да се гарантира стабилността и надеждността на електрическите системи, както и производителността и функционирането на електрическите устройства и оборудване.

Изявление: Почитайте оригинала, добри статии са стойни за споделяне, ако има нарушение на правата, моля се свържете за изтриване.