Per què utilitzem una freqüència de 50 Hz o 60 Hz en els sistemes elèctrics?

Un sistema elèctric és una xarxa de components elèctrics que generen, transmetten i distribueixen electricitat als usuaris finals. El sistema elèctric opera a una certa freqüència, que és el nombre de cicles per segon de la corrent alternada (CA) tensió i corrent. Les freqüències més comunes utilitzades en els sistemes elèctrics són 50 Hz i 60 Hz, depenent de la regió del món. Però, per què utilitzem aquestes freqüències i no d'altres? Quins són els avantatges i desavantatges de les diferents freqüències? I com es van estandarditzar aquestes freqüències? Aquest article resoldrà aquestes preguntes i explicarà l'història i els aspectes tècnics de la freqüència del sistema elèctric.

Què és la Freqüència del Sistema Elèctric?

La freqüència del sistema elèctric es defineix com la velocitat de canvi de l'angle de fase de la tensió o corrent CA. Es mesura en hertz (Hz), que equival a un cicle per segon. La freqüència d'un sistema elèctric depèn de la velocitat de rotació dels generadors que produeixen la tensió CA. Més ràpidament rotin els generadors, més alta serà la freqüència. La freqüència també afecta el rendiment i el disseny de diversos dispositius i equips elèctrics que utilitzen o produeixen electricitat.

Com Van Emergir les Freqüències de 50 Hz i 60 Hz?

La tria de la freqüència de 50 Hz o 60 Hz per als sistemes elèctrics no es basa en cap raó tècnica forta, sinó més aviat en factors històrics i econòmics. A finals del segle XIX i principis del XX, quan es desenvolupaven els sistemes elèctrics comercials, no hi havia cap estandarització de la freqüència o tensió. Diferents regions i països utilitzaven freqüències diferents, que variaven entre 16,75 Hz i 133,33 Hz, depenent de les preferències i necessitats locals. Alguns dels factors que influïen en la tria de la freqüència eren:

• Il·luminació: Les freqüències baixes causaven parpeig perceptible en les llums incandescent i arc voltaic, que s'utilitzaven ampliament per a l'il·luminació en aquell temps. Les freqüències més altes reduïen el parpeig i milloraven la qualitat de l'il·luminació.

• Màquines giratoris: Les freqüències més altes permetien motors i generadors més petits i lleugers, reduint els costos de material i transport. Tanmateix, les freqüències més altes també augmentaven les pèrdues i el calentament en les màquines giratoris, reduint l'eficiència i la fiabilitat.

• Transmissió i transformadors: Les freqüències més altes augmentaven la impedància de les línies de transmissió i transformadors, reduint la capacitat de transferència de potència i augmentant la caiguda de tensió. Les freqüències més baixes permetien distàncies de transmissió més llargues i pèrdues més baixes.

• Interconnexió del sistema: L'interconnexió de sistemes elèctrics amb freqüències diferents requereix convertidors o sincronitzadors complexos i costosos. Tindre una freqüència comuna facilitava la integració i coordinació del sistema.

A mesura que els sistemes elèctrics es van expandir i interconnectar, va sorgir la necessitat d'estandarditzar la freqüència per reduir la complexitat i augmentar la compatibilitat. No obstant això, també hi havia una rivalitat entre diferents fabricants i regions que volien mantenir els seus propis estàndards i monopols. Això va portar a una divisió entre dos grups majors: un que adoptava 50 Hz com a freqüència estàndard, principalment a Europa i Àsia, i un altre que adoptava 60 Hz com a freqüència estàndard, principalment a Amèrica del Nord i parts d'Amèrica Llatina. Japó va ser una excepció que utilitzava ambdues freqüències: 50 Hz a l'est de Japó (inclosa Tokio) i 60 Hz a l'oest de Japó (inclosa Osaka).

Quins Són els Avantatges i Desavantatges de les Diferents Freqüències?

No hi ha cap avantatge o desavantatge clar en utilitzar la freqüència de 50 Hz o 60 Hz per als sistemes elèctrics, ja que ambdues freqüències tenen els seus pros i cons depenent de diversos factors. Algunes dels avantatges i desavantatges són:

• Potència: Un sistema de 60 Hz té un 20% més de potència que un sistema de 50 Hz per a la mateixa tensió i corrent. Això significa que màquines i motors que funcionen a 60 Hz poden funcionar més ràpidament o produir més sortida que aquells que funcionen a 50 Hz. No obstant això, això també significa que les màquines i motors que funcionen a 60 Hz poden necessitar més refredament o protecció que aquells que funcionen a 50 Hz.

• Mida: Una freqüència més alta permet dispositius i equips elèctrics més petits i lleugers, ja que redueix la mida dels nuclis magnètics en els transformadors i motors. Això pot estalviar espai, material i costos de transport. No obstant això, això també significa que els dispositius de freqüència més alta poden tenir una resistència a l'aislament inferior o pèrdues més altes que els dispositius de freqüència més baixa.

   

• Pèrdues: Una freqüència més alta augmenta les pèrdues en dispositius i equips elèctrics degut a efectes de superfície, corrents induïdes, histerèsis, càlida dielèctrica, etc. Aquestes pèrdues redueixen l'eficiència i augmenten el calentament en dispositius i equips elèctrics. No obstant això, aquestes pèrdues es poden minimitzar utilitzant tècniques de disseny adequades com laminació, blindatge, refredament, etc.

• Armoniques: Una freqüència més alta produeix més armoniques que una freqüència més baixa. Les armoniques són múltiples de la freqüència fonamental que poden causar distorsió, interferència, resonància, etc., en dispositius i equips elèctrics. Les armoniques poden reduir la qualitat i fiabilitat de la potència en els sistemes elèctrics. No obstant això, les armoniques es poden mitigar utilitzant filtres, compensadors, convertidors, etc.

Com Es Controla la Freqüència del Sistema Elèctric?

La freqüència del sistema elèctric es controla equilibrant l'oferta (generació) i la demanda (càrrega) d'electricitat en temps real. Si l'oferta supera la demanda, la freqüència augmenta; si la demanda supera l'oferta, la freqüència disminueix. Les desviacions de freqüència poden afectar la estabilitat i seguretat dels sistemes elèctrics, així com el rendiment i operació dels dispositius i equips elèctrics.

Per mantenir la freqüència dins límits acceptables (normalment ±0,5% al voltant del valor nominal), els sistemes elèctrics utilitzen diversos mètodes com:

• Correcció d'error de temps (CET): Aquest és un mètode per ajustar la velocitat dels generadors periòdicament per corregir qualsevol error de temps acumulat degut a desviacions de freqüència a llarg termini. Per exemple, si la freqüència està per sota del nominal durant molt de temps (p. ex., degut a càrrega elevada), els generadors acceleraran lleugerament per compensar el temps perdut.

• Control de càrrega-freqüència (CCF): Aquest és un mètode per ajustar la sortida dels generadors automàticament per igualar qualsevol canvi de càrrega dins una certa àrea o zona (p. ex., un estat o un país). Per exemple, si la càrrega augmenta bruscament (p. ex., degut a l'encendiment d'aparel·les), els generadors incrementaran la seva sortida en conseqüència per mantenir la freqüència.

• Taxa de canvi de freqüència (TCF): Aquest és un mètode per detectar qualsevol canvi brusc o gran de freqüència degut a pertorbacions com falles o interrupcions en els sistemes elèctrics. Per exemple, si un generador gran es treu de línia inesperadament (p. ex., degut a una falla), la TCF indicarà tan ràpidament com la freqüència està canviant degut a aquest esdeveniment.

• Soroll audible: Aquest és una indicació audible de qualsevol canvi de freqüència degut a vibracions mecàniques en dispositius i equips elèctrics com transformadors o motors. Per exemple, si la freqüència augmenta lleugerament (p. ex., degut a baixa càrrega), alguns dispositius poden produir un so més agut que el normal.

Conclusió

La freqüència del sistema elèctric és un paràmetre important que afecta la generació, transmissió, distribució i consum d'electricitat. La tria de la freqüència de 50 Hz o 60 Hz per als sistemes elèctrics es basa en raons històriques i econòmiques més aviat que tècniques. Ambdues freqüències tenen els seus avantatges i desavantatges depenent de diversos factors com la potència, mida, pèrdues, armoniques, etc. La freqüència del sistema elèctric es controla mitjançant diversos mètodes com CET, CCF, TCF i soroll audible per assegurar la estabilitat i fiabilitat dels sistemes elèctrics, així com el rendiment i operació dels dispositius i equips elèctrics.

Declaració: Respecte l'original, els bons articles meriteixen ser compartits, si hi ha alguna infracció contacteu per eliminar-la.