Hvorfor bruger vi 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer?

En strømsystem er et netværk af elektriske komponenter, der producerer, transmitterer og distribuerer strøm til slutbrugere. Strømsystemet fungerer på en bestemt frekvens, som er antallet af cyklusser pr. sekund i den alternative strøm (AC) spænding og strøm. De mest almindelige frekvenser, der anvendes i strømsystemer, er 50 Hz og 60 Hz, afhængigt af regionen i verden. Men hvorfor bruger vi disse frekvenser og ikke andre? Hvad er fordele og ulemper ved forskellige frekvenser? Og hvordan blev disse frekvenser standardiseret? Denne artikel vil besvare disse spørgsmål og forklare historien og de tekniske aspekter af strømsystemets frekvens.

Hvad er strømsystemets frekvens?

Strømsystemets frekvens defineres som hastigheden, hvormed fasenvinklen i AC-spændingen eller -strømmen ændres. Den måles i hertz (Hz), som er lig med én cyklus pr. sekund. Frekvensen af et strømsystem afhænger af rotationshastigheden af generatorerne, der producerer AC-spændingen. Jo hurtigere generatorerne roterer, jo højere er frekvensen. Frekvensen påvirker også ydeevnen og designet af forskellige elektriske enheder og udstyr, der bruger eller producerer elektricitet.

Hvordan opstod 50 Hz og 60 Hz frekvenser?

Valget af 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer er ikke baseret på nogen stærke tekniske årsager, men snarere på historiske og økonomiske faktorer. I slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet, da kommercielle elektriske strømsystemer blev udviklet, var der ingen standardisering af frekvens eller spænding. Forskellige regioner og lande brugte forskellige frekvenser, der gik fra 16,75 Hz til 133,33 Hz, afhængigt af deres lokale præferencer og behov. Nogle af de faktorer, der påvirkede valget af frekvens, var:

• Belysning: Lavere frekvenser forårsagede mærkbart blink i glødetråde lamper og bue lamper, som blev bredt anvendt til belysning på det tidspunkt. Højere frekvenser reducerede blink og forbedrede lyskvaliteten.

• Rotationsmaskiner: Højere frekvenser tillod mindre og lettere motore og generatorer, hvilket reducerede materialomkostninger og transportomkostninger. Dog forårsagede højere frekvenser også øget tab og opvarmning i rotationsmaskiner, hvilket reducerede effektiviteten og pålideligheden.

• Transmission og transformatorer: Højere frekvenser øgede impedansen i transmissionsledninger og transformatorer, hvilket reducerede strømoverførselskapaciteten og øgede spændingsfald. Lavere frekvenser tillod længere transmissionsafstande og lavere tab.

• Systeminterkobling: Interkobling af strømsystemer med forskellige frekvenser kræver komplekse og kostbare konvertere eller synkronisatører. At have en fælles frekvens lettede systemintegration og koordinering.

Da strømsystemer udvidede sig og blev interkoblede, var der behov for standardisering af frekvens for at reducere kompleksitet og øge kompatibilitet. Dog var der også rivalisering mellem forskellige producenter og regioner, der ønskede at fastholde deres egne standarder og monopol. Dette førte til en opdeling mellem to store grupper: en, der vedtog 50 Hz som standardfrekvens, primært i Europa og Asien, og en anden, der vedtog 60 Hz som standardfrekvens, primært i Nordamerika og dele af Latinamerika. Japan var en undtagelse, der brugte både frekvenser: 50 Hz i østlige Japan (herunder Tokyo) og 60 Hz i vestlige Japan (herunder Osaka).

Hvad er fordele og ulemper ved forskellige frekvenser?

Der er ingen klare fordele eller ulemper ved at bruge 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer, da begge frekvenser har deres fordele og ulemper afhængigt af forskellige faktorer. Nogle af fordele og ulemper er:

• Effekt: Et 60 Hz-system har 20% mere effekt end et 50 Hz-system for samme spænding og strøm. Dette betyder, at maskiner og motore, der kører på 60 Hz, kan køre hurtigere eller producere mere output end dem, der kører på 50 Hz. Dog betyder dette også, at maskiner og motore, der kører på 60 Hz, muligvis har brug for mere køling eller beskyttelse end dem, der kører på 50 Hz.

• Størrelse: En højere frekvens tillader mindre og lettere elektriske enheder og udstyr, da den reducerer størrelsen af magnetiske kerne i transformatorer og motore. Dette kan spare plads, materiale og transportomkostninger. Dog betyder dette også, at højere frekvensenheder muligvis har lavere isoleringsstyrke eller højere tab end lavere frekvensenheder.

   

• Tab: En højere frekvens øger tab i elektriske enheder og udstyr på grund af skin-effekter, svingningsstrøm, hysteresis, dielektrisk opvarmning osv. Disse tab reducerer effektiviteten og øger opvarmningen i elektriske enheder og udstyr. Dog kan disse tab minimere ved at bruge passende designteknikker som lamination, skjerming, køling osv.

• Harmonier: En højere frekvens producerer flere harmonier end en lavere frekvens. Harmonier er multipler af den fundamentale frekvens, der kan forårsage forvrængning, støj, resonans osv. i elektriske enheder og udstyr. Harmonier kan reducere strømkvalitet og pålidelighed i strømsystemer. Dog kan harmonier mildnes ved at bruge filtre, kompensatorer, konvertere osv.

Hvordan kontrolleres strømsystemets frekvens?

Strømsystemets frekvens kontrolleres ved at balancere forsyningen (produktion) og efterspørgslen (belastning) af elektricitet i realtid. Hvis forsyningen overstiger efterspørgslen, stiger frekvensen; hvis efterspørgslen overstiger forsyningen, falder frekvensen. Frekvensafvigelse kan påvirke stabiliteten og sikkerheden af strømsystemer, samt ydeevnen og drift af elektriske enheder og udstyr.

For at opretholde frekvensen inden for acceptable grænser (normalt ±0,5% omkring nominalværdien) bruger strømsystemer forskellige metoder såsom:

• Tidsfejlkorrektion (TEC): Dette er en metode til at justere hastigheden af generatorer periodisk for at korrigere eventuelle akkumulerede tidsfejl på grund af frekvensafvigelse over en lang periode. For eksempel, hvis frekvensen er under nominal over en lang periode (fx pga. høj belastning), vil generatorer accelerere let for at gøre op med den mistede tid.

• Belastnings-frekvenskontrol (LFC): Dette er en metode til automatisk at justere udbyttet af generatorer for at matche eventuelle ændringer i belastning inden for en bestemt område eller zone (fx en stat eller et land). For eksempel, hvis belastningen pludselig stiger (fx pga. slukning af apparater), vil generatorer øge deres udbytte i overensstemmelse hermed for at opretholde frekvensen.

• Frekvensændringstakt (ROCOF): Dette er en metode til at opdage pludselige eller store ændringer i frekvens på grund af forstyrrelser som fejl eller nedbrud i strømsystemer. For eksempel, hvis en stor generator pludselig stopper uventet (fx pga. en fejl), vil ROCOF indikere, hvor hurtigt frekvensen ændrer sig på grund af dette begivenhed.

• Hørbart støj: Dette er en hørbart indikation af eventuelle ændringer i frekvens på grund af mekaniske vibrationer i elektriske enheder og udstyr som transformatorer eller motore. For eksempel, hvis frekvensen stiger let (fx pga. lav belastning), kan nogle enheder producere en højere tone end normalt.

Konklusion

Strømsystemets frekvens er en vigtig parameter, der påvirker produktion, transmission, distribution og forbrug af elektricitet. Valget af 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer er baseret på historiske og økonomiske årsager snarere end tekniske. Begge frekvenser har deres fordele og ulemper afhængigt af forskellige faktorer som effekt, størrelse, tab, harmonier osv. Strømsystemets frekvens kontrolleres ved hjælp af forskellige metoder som TEC, LFC, ROCOF og hørbart støj for at sikre stabilitet og pålidelighed af strømsystemer samt ydeevne og drift af elektriske enheder og udstyr.

Erklæring: Respektér originalen, godt indhold fortjener at deles, hvis der er overtrædelse af rettigheder kontakt os for sletning.