Γιατί Χρησιμοποιούμε 50 Hz ή 60 Hz Συχνότητα για τα Συστήματα Ρεύματος;
Ένα σύστημα ενέργειας είναι μια δικτύωση ηλεκτρικών συστατικών που παράγουν, μεταφέρουν και διανέμουν ηλεκτρική ενέργεια σε τελικούς χρήστες. Το σύστημα ενέργειας λειτουργεί σε συγκεκριμένη συχνότητα, η οποία είναι το αριθμός των κύκλων ανά δευτερόλεπτο του εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) τάσης και ρεύματος. Οι πιο συνηθισμένες συχνότητες που χρησιμοποιούνται για συστήματα ενέργειας είναι 50 Hz και 60 Hz, ανάλογα με την περιοχή του κόσμου. Αλλά γιατί χρησιμοποιούμε αυτές τις συχνότητες και όχι άλλες; Ποια είναι τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα διαφορετικών συχνοτήτων; Και πώς οι συχνότητες αυτές έγιναν πρότυπες; Αυτό το άρθρο θα απαντήσει σε αυτές τις ερωτήσεις και θα εξηγήσει την ιστορία και τις τεχνικές πτυχές της συχνότητας του συστήματος ενέργειας.
Τι είναι η Συχνότητα Συστήματος Ενέργειας?
Η συχνότητα συστήματος ενέργειας ορίζεται ως το ρυθμό αλλαγής της φάσης της AC τάσης ή ρεύματος. Μετρείται σε Χερτζ (Hz), το οποίο είναι ίσο με έναν κύκλο ανά δευτερόλεπτο. Η συχνότητα ενός συστήματος ενέργειας εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής των γεννήτριων που παράγουν την AC τάση. Όσο πιο γρήγορα περιστρέφονται οι γεννήτριες, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα. Η συχνότητα επηρεάζει επίσης την απόδοση και το σχεδιασμό διάφορων ηλεκτρικών συσκευών και εξοπλισμών που χρησιμοποιούν ή παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Πώς Εμάνησαν οι Συχνότητες 50 Hz και 60 Hz;
Η επιλογή συχνότητας 50 Hz ή 60 Hz για συστήματα ενέργειας δεν βασίζεται σε κανένα ισχυρό τεχνικό λόγο, αλλά μάλλον σε ιστορικούς και οικονομικούς παράγοντες. Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα, όταν αναπτύσσονταν εμπορικά ηλεκτρικά συστήματα ενέργειας, δεν υπήρχε πρότυποι συχνότητας ή τάσης. Διαφορετικές περιοχές και χώρες χρησιμοποίησαν διαφορετικές συχνότητες, από 16.75 Hz έως 133.33 Hz, ανάλογα με τις τοπικές προτιμήσεις και ανάγκες. Μερικοί από τους παράγοντες που επηρέασαν την επιλογή της συχνότητας ήταν:
Φωτισμός: Πιο χαμηλές συχνότητες προκάλεσαν παρατηρητές ταλαντώσεις σε λαμπτήρες συρρίκνωσης και λαμπτήρες τόξου, οι οποίοι χρησιμοποιούνταν ευρέως για φωτισμό εκείνη την εποχή. Πιο υψηλές συχνότητες μείωσαν τις ταλαντώσεις και βελτίωσαν την ποιότητα φωτισμού.
Περιστρεφόμενες μηχανές: Πιο υψηλές συχνότητες επέτρεψαν μικρότερα και ελαφρύτερα μοτέρ και γεννήτριες, οι οποίες μείωσαν το κόστος υλικών και μεταφοράς. Ωστόσο, οι πιο υψηλές συχνότητες αύξησαν επίσης τις απώλειες και τη θέρμανση στις περιστρεφόμενες μηχανές, οι οποίες μείωσαν την απόδοση και την αξιοπιστία.
Μεταφορά και τρανσφορματόρες: Πιο υψηλές συχνότητες αύξησαν την αντίσταση των γραμμών μεταφοράς και τρανσφορματόρων, οι οποίες μείωσαν την ικανότητα μεταφοράς ενέργειας και αύξησαν την πτώση τάσης. Πιο χαμηλές συχνότητες επέτρεψαν μεγαλύτερες αποστάσεις μεταφοράς και μικρότερες απώλειες.
Σύνδεση συστημάτων: Η σύνδεση συστημάτων ενέργειας με διαφορετικές συχνότητες απαιτεί περίπλοκους και ακριβούς μετατροπείς ή συγχρονιστές. Η κοινή συχνότητα ευνόησε την ολοκλήρωση και συντονισμό των συστημάτων.
Καθώς τα συστήματα ενέργειας επεκτάθηκαν και συνδέθηκαν, υπήρξε ανάγκη για προτυποποίηση της συχνότητας για να μειωθεί η πολυπλοκότητα και να αυξηθεί η συμβατότητα. Ωστόσο, υπήρξε επίσης ανταγωνισμός μεταξύ διαφορετικών κατασκευαστών και περιοχών που θέλησαν να διατηρήσουν τα δικά τους πρότυπα και μονοπώλια. Αυτό οδήγησε σε διαίρεση μεταξύ δύο μεγάλων ομάδων: μία που ενέκρινε τη 50 Hz ως πρότυπη συχνότητα, κυρίως στην Ευρώπη και την Ασία, και μία που ενέκρινε τη 60 Hz ως πρότυπη συχνότητα, κυρίως στη Βόρεια Αμερική και μέρη της Λατινικής Αμερικής. Η Ιαπωνία ήταν η εξαίρεση που χρησιμοποίησε και τις δύο συχνότητες: 50 Hz στην ανατολική Ιαπωνία (συμπεριλαμβανομένου του Τόκιο) και 60 Hz στη δυτική Ιαπωνία (συμπεριλαμβανομένου του Οσάκα).
Ποια είναι τα Πλεονεκτήματα και τα Μειονεκτήματα Διαφορετικών Συχνοτήτων;
Δεν υπάρχει ξεκάθαρο πλεονέκτημα ή μειονέκτημα στη χρήση συχνότητας 50 Hz ή 60 Hz για συστήματα ενέργειας, καθώς και οι δύο συχνότητες έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους ανάλογα με διάφορους παράγοντες. Μερικά από τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα είναι:
Ενέργεια: Ένα σύστημα 60 Hz έχει 20% περισσότερη ενέργεια από ένα σύστημα 50 Hz για την ίδια τάση και ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανές και τα μοτέρ που λειτουργούν σε 60 Hz μπορούν να λειτουργούν γρηγορότερα ή να παράγουν περισσότερη έξοδο από εκείνα που λειτουργούν σε 50 Hz. Ωστόσο, αυτό σημαίνει επίσης ότι οι μηχανές και τα μοτέρ που λειτουργούν σε 60 Hz μπορεί να χρειάζονται περισσότερη ψύξη ή προστασία από εκείνα που λειτουργούν σε 50 Hz.
Μέγεθος: Μια υψηλότερη συχνότητα επιτρέπει μικρότερες και ελαφρύτερες ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμό, καθώς μειώνει το μέγεθος των μαγνητικών πυρήνων σε τρανσφορματόρες και μοτέρ. Αυτό μπορεί να εξοικονομήσει χώρο, υλικά και έξοδα μεταφοράς. Ωστόσο, αυτό σημαίνει επίσης ότι οι συσκευές με υψηλότερη συχνότητα μπορεί να έχουν χαμηλότερη δύναμη απομόνωσης ή υψηλότερες απώλειες από τις συσκευές με χαμηλότερη συχνότητα.
Απώλειες: Μια υψηλότερη συχνότητα αυξάνει τις απώλειες σε ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμό λόγω επιφανειακών επιδράσεων, εδδυκτικών ρευμάτων, υστέρησης, θερμογέννησης διελεκτρικών, κλπ. Αυτές οι απώλειες μειώνουν την απόδοση και αυξάνουν τη θέρμανση σε ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμό. Ωστόσο, αυτές οι απώλειες μπορούν να ελαχιστοποιηθούν με τη χρήση κατάλληλων τεχνικών σχεδιασμού, όπως το πλήρωμα, το προστατευτικό, η ψύξη, κλπ.
Χαρμονικά: Μια υψηλότερη συχνότητα παράγει περισσότερα χαρμονικά από μια χαμηλότερη συχνότητα. Τα χαρμονικά είναι πολλαπλάσια της βασικής συχνότητας που μπορούν να προκαλέσουν διαστροφή, παρεμπίδευση, συντονία, κλπ., σε ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμό. Τα χαρμονικά μπορούν να μειώσουν την ποιότητα και την αξιοπιστία της ενέργειας στα συστήματα ενέργειας. Ωστόσο, τα χαρμονικά μπορούν να περιοριστούν με τη χρήση φίλτρων, αντισταθμιστών, μετατροπείς, κλπ.
