Warum verwenden wir für Stromsysteme eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz?

Ein Stromnetz ist ein Netzwerk aus elektrischen Komponenten, das Strom erzeugt, überträgt und an Endverbraucher verteilt. Das Stromnetz arbeitet mit einer bestimmten Frequenz, die die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde des Wechselstroms (AC) Spannung und Strom angibt. Die gebräuchlichsten Frequenzen für Stromnetze sind 50 Hz und 60 Hz, abhängig von der Region der Welt. Aber warum verwenden wir diese Frequenzen und nicht andere? Was sind die Vorteile und Nachteile verschiedener Frequenzen? Und wie wurden diese Frequenzen standardisiert? Dieser Artikel wird diese Fragen beantworten und die Geschichte und technischen Aspekte der Netzfrequenz erklären.

Was ist die Netzfrequenz?

Die Netzfrequenz ist definiert als die Änderungsrate des Phasenwinkels der Wechselstromspannung oder -stromstärke. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen, was gleichbedeutend mit einer Schwingung pro Sekunde ist. Die Frequenz eines Stromnetzes hängt von der Drehgeschwindigkeit der Generatoren ab, die den Wechselstrom erzeugen. Je schneller die Generatoren rotieren, desto höher ist die Frequenz. Die Frequenz beeinflusst auch die Leistungsfähigkeit und den Entwurf verschiedener elektrischer Geräte und Ausrüstungen, die Strom verwenden oder erzeugen.

Wie entstanden die Frequenzen 50 Hz und 60 Hz?

Die Wahl der Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz für Stromnetze basiert nicht auf starken technischen Gründen, sondern vielmehr auf historischen und wirtschaftlichen Faktoren. Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts, als kommerzielle Stromversorgungssysteme entwickelt wurden, gab es keine Standardisierung von Frequenz oder Spannung. Verschiedene Regionen und Länder verwendeten unterschiedliche Frequenzen, die zwischen 16,75 Hz und 133,33 Hz variierten, abhängig von ihren lokalen Präferenzen und Bedürfnissen. Einige der Faktoren, die die Wahl der Frequenz beeinflussten, waren:

• Beleuchtung: Niedrigere Frequenzen verursachten sichtbares Flackern in Glühlampen und Bogenlampen, die damals weit verbreitet zur Beleuchtung verwendet wurden. Höhere Frequenzen reduzierten das Flackern und verbesserten die Beleuchtungsqualität.

• Rotierende Maschinen: Höhere Frequenzen ermöglichten kleinere und leichtere Motoren und Generatoren, was Material- und Transportkosten senkte. Allerdings erhöhten höhere Frequenzen auch Verluste und Erwärmung in rotierenden Maschinen, was Effizienz und Zuverlässigkeit verringerte.

• Übertragung und Transformator: Höhere Frequenzen erhöhten den Widerstand von Übertragungsleitungen und Transformator, was die Leistungsübertragungskapazität verringerte und den Spannungsabfall erhöhte. Niedrigere Frequenzen ermöglichten längere Übertragungswege und geringere Verluste.

• Systemverbund: Der Verbund von Stromnetzen mit verschiedenen Frequenzen erfordert komplexe und kostspielige Konverter oder Synchronisierer. Eine gemeinsame Frequenz erleichterte die Systemintegration und -koordination.

Als die Stromnetze expandierten und miteinander verbunden wurden, bestand ein Bedarf an der Standardisierung der Frequenz, um die Komplexität zu reduzieren und die Kompatibilität zu erhöhen. Es gab jedoch auch Rivalitäten zwischen verschiedenen Herstellern und Regionen, die ihre eigenen Standards und Monopole aufrechterhalten wollten. Dies führte zu einer Aufspaltung in zwei große Gruppen: eine, die 50 Hz als Standardfrequenz annahm, hauptsächlich in Europa und Asien, und eine andere, die 60 Hz als Standardfrequenz annahm, hauptsächlich in Nordamerika und Teilen Lateinamerikas. Japan war eine Ausnahme, die beide Frequenzen verwendete: 50 Hz im östlichen Japan (einschließlich Tokio) und 60 Hz im westlichen Japan (einschließlich Osaka).

Welche Vorteile und Nachteile haben verschiedene Frequenzen?

Es gibt keinen klaren Vorteil oder Nachteil bei der Verwendung von 50 Hz oder 60 Hz für Stromnetze, da beide Frequenzen je nach verschiedenen Faktoren ihre Vor- und Nachteile haben. Einige der Vorteile und Nachteile sind:

• Leistung: Ein 60-Hz-System hat 20% mehr Leistung als ein 50-Hz-System bei gleicher Spannung und Stromstärke. Das bedeutet, dass Maschinen und Motoren, die mit 60 Hz laufen, schneller laufen oder mehr Leistung erzeugen können als solche, die mit 50 Hz laufen. Allerdings bedeutet dies auch, dass Maschinen und Motoren, die mit 60 Hz laufen, möglicherweise mehr Kühlung oder Schutz benötigen als solche, die mit 50 Hz laufen.

• Größe: Eine höhere Frequenz ermöglicht kleinere und leichtere elektrische Geräte und Ausrüstungen, da sie die Größe der magnetischen Kerne in Transformator und Motoren reduziert. Dies kann Platz, Material und Transportkosten sparen. Allerdings bedeutet dies auch, dass Geräte mit höherer Frequenz möglicherweise eine geringere Isolationsstärke oder höhere Verluste haben als Geräte mit niedrigerer Frequenz.

   

• Verluste: Eine höhere Frequenz erhöht die Verluste in elektrischen Geräten und Ausrüstungen aufgrund von Hauteffekt, Wirbelströmen, Hysteresis, diel