Proč používáme pro elektrické systémy frekvenci 50 Hz nebo 60 Hz?

Elektrický systém je síť elektrických komponentů, které vyrábějí, přenášejí a distribuují elektrickou energii koncovým uživatelům. Elektrický systém funguje na určité frekvenci, která je počtem cyklů za sekundu střídavého proudu (AC) napětí a proudu. Nejčastější používané frekvence pro elektrické systémy jsou 50 Hz a 60 Hz, podle regionu světa. Ale proč používáme tyto frekvence a ne jiné? Jaké jsou výhody a nevýhody různých frekvencí? A jak se tyto frekvence staly standardizovanými? Tento článek odpoví na tyto otázky a vysvětlí historii a technické aspekty frekvence elektrického systému.

Co je frekvence elektrického systému?

Frekvence elektrického systému je definována jako rychlost změny fáze úhlu střídavého napětí nebo proudu. Měří se v hertzech (Hz), což je rovno jednomu cyklu za sekundu. Frekvence elektrického systému závisí na rychlosti otáčení generátorů, které produkují střídavé napětí. Čím rychleji se generátory točí, tím vyšší je frekvence. Frekvence také ovlivňuje výkon a návrh různých elektrických zařízení a vybavení, které používají nebo produkuje elektrickou energii.

Jak vznikly frekvence 50 Hz a 60 Hz?

Volba frekvence 50 Hz nebo 60 Hz pro elektrické systémy není založena na žádném silném technickém důvodu, ale spíše na historických a ekonomických faktorech. V pozdním 19. a raném 20. století, kdy byly vyvíjeny komerční elektrické systémy, neexistovala standardizace frekvence nebo napětí. Různé oblasti a země používaly různé frekvence od 16,75 Hz do 133,33 Hz, podle místních preferencí a potřeb. Některé faktory, které ovlivnily volbu frekvence, byly:

• Osvětlení: Nižší frekvence způsobovaly znatelné blikání v žárovek a obloukových lampách, které byly v té době široce používány pro osvětlení. Vyšší frekvence snížily blikání a zlepšily kvalitu osvětlení.

• Otáčivé stroje: Vyšší frekvence umožňovaly menší a lehčí motory a generátory, což snížilo náklady na materiál a dopravu. Nicméně, vyšší frekvence také zvyšovaly ztráty a ohřev v otáčivých strojích, což snížilo efektivitu a spolehlivost.

• Přenos a transformátory: Vyšší frekvence zvyšovaly impedanci přenosových linek a transformátorů, což snížilo schopnost přenosu energie a zvýšilo pokles napětí. Nižší frekvence umožňovaly delší vzdálenosti přenosu a nižší ztráty.

• Propojení systémů: Propojení elektrických systémů s různými frekvencemi vyžaduje složité a nákladné převodníky nebo synchronizátory. Společná frekvence usnadnila integraci a koordinaci systémů.

S rozšiřováním a propojováním elektrických systémů vznikla potřeba standardizace frekvence, aby se snížila složitost a zvýšila kompatibilita. Existovala však i rivalita mezi různými výrobci a regiony, kteří chtěli udržet své vlastní standardy a monopol. To vedlo k rozdělení na dvě hlavní skupiny: jedna, která přijala 50 Hz jako standardní frekvenci, především v Evropě a Asii, a druhá, která přijala 60 Hz jako standardní frekvenci, především v Severní Americe a částech Latinské Ameriky. Japonsko bylo výjimkou, která používala obě frekvence: 50 Hz ve východním Japonsku (včetně Tokia) a 60 Hz v západním Japonsku (včetně Osaky).

Jaké jsou výhody a nevýhody různých frekvencí?

Není jasná výhoda nebo nevýhoda použití frekvence 50 Hz nebo 60 Hz pro elektrické systémy, protože obě frekvence mají své výhody a nevýhody podle různých faktorů. Některé výhody a nevýhody jsou:

• Výkon: Systém s 60 Hz má o 20 % větší výkon než systém s 50 Hz pro stejné napětí a proud. To znamená, že stroje a motory běžící na 60 Hz mohou běžet rychleji nebo produkovat více výstupu než ty běžící na 50 Hz. Nicméně, to také znamená, že stroje a motory běžící na 60 Hz mohou potřebovat více chlazení nebo ochrany než ty běžící na 50 Hz.

• Velikost: Vyšší frekvence umožňuje menší a lehčí elektrická zařízení a vybavení, protože snižuje velikost magnetických jáder v transformátorech a motorech. To může ušetřit místo, materiál a náklady na dopravu. Nicméně, to také znamená, že vyšší frekvence zařízení mohou mít nižší izolační sílu nebo vyšší ztráty než nižší frekvence zařízení.

   

• Ztráty: Vyšší frekvence zvyšuje ztráty v elektrických zařízeních a vybavení kvůli povrchovým efektům, indukovaným proudům, hysteréze, dielektrickému ohřevu atd. Tyto ztráty snižují efektivitu a zvyšují ohřev v elektrických zařízeních a vybavení. Nicméně, tyto ztráty lze minimalizovat pomocí vhodných návrhových technik, jako jsou laminace, štítování, chlazení atd.

• Harmonické: Vyšší frekvence produkuje více harmonických než nižší frekvence. Harmonické jsou násobky základní frekvence, které mohou způsobit deformaci, interferenci, rezonanci atd. v elektrických zařízeních a vybavení. Harmonické mohou snížit kvalitu a spolehlivost elektrického systému. Nicméně, harmonické lze minimalizovat pomocí filtrů, kompenzátorů, převodníků atd.

Jak je frekvence elektrického systému řízena?

Frekvence elektrického systému je řízena vyrovnáváním nabídky (generace) a poptávky (zatížení) elektrické energie v reálném čase. Pokud nabídka přesahuje poptávku, frekvence stoupá; pokud poptávka přesahuje nabídku, frekvence klesá. Odchylky frekvence mohou ovlivnit stabilitu a bezpečnost elektrických systémů, stejně jako výkon a provoz elektrických zařízení a vybavení.

Pro udržení frekvence v přijatelných mezích (obvykle ±0,5% kolem nominální hodnoty) elektrické systémy používají různé metody, jako jsou:

• Korekce časové chyby (TEC): Toto je metoda pro periodickou úpravu rychlosti generátorů, aby se opravila jakákoli akumulovaná časová chyba způsobená odchylkami frekvence v dlouhém časovém horizontu. Například, pokud je frekvence po delší dobu pod nominální hodnotou (např. kvůli vysokému zatížení), generátory se mírně zrychlí, aby nahradily ztracený čas.

• Řízení zatížení a frekvence (LFC): Toto je metoda pro automatickou úpravu výkonu generátorů, aby odpovídala jakýmkoli změnám zatížení v určité oblasti nebo zóně (např. stát nebo země). Například, pokud zatížení náhle stoupne (např. kvůli zapnutí spotřebičů), generátory zvýší svůj výkon, aby udržely frekvenci.

• Rychlost změny frekvence (ROCOF): Toto je metoda pro detekci jakýchkoli náhlých nebo velkých změn frekvence způsobených poruchami, jako jsou vadné stav nebo výpadky v elektrických systémech. Například, pokud se velký generátor neočekávaně odpojí (např. kvůli vade), ROCOF ukáže, jak rychle se frekvence mění kvůli tomuto události.

• Slyšitelný šum: Toto je slyšitelný indikátor jakýchkoli změn frekvence způsobených mechanickými vibracemi v elektrických zařízeních a vybavení, jako jsou transformátory nebo motory. Například, pokud frekvence mírně stoupne (např. kvůli nízkému zatížení), některá zařízení mohou vydávat vyšší tón než obvykle.

Závěr

Frekvence elektrického systému je důležitý parametr, který ovlivňuje výrobu, přenos, distribuci a spotřebu elektrické energie. Volba frekvence 50 Hz nebo 60 Hz pro elektrické systémy je založena na historických a ekonomických důvodech, nikoliv technických. Oba frekvence mají své výhody a nevýhody podle různých faktorů, jako jsou výkon, velikost, ztráty, harmonické atd. Frekvence elektrického systému je řízena různými metodami, jako jsou TEC, LFC, ROCOF a slyšitelný šum, aby byla zajištěna stabilita a spolehlivost elektrických systémů a výkon a provoz elektrických zařízení a vybavení.

Prohlášení: Respektujte původ, dobre články jsou hodné sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, kontaktujte nás pro jejich odstranění.