Miks kasutame võrgusüsteemide jaoks 50 Hz või 60 Hz sagedust

Elektrisüsteem on elektriliste komponentide võrk, mis toodab, edastab ja jagab elektrit lõppkasutajatele. Elektrisüsteem töötab kindlal sagedusel, mis on vahelduvvoolu (VHV) pinge ja voolu tsükli arv sekundis. Kõige levinumad sagedused, mida elektrisüsteemides kasutatakse, on 50 Hz ja 60 Hz, sõltuvalt maailma piirkonnast. Aga miks kasutame neid sagedusi ega mitte teisi? Mis on erinevate sageduste eelised ja puudused? Ja kuidas need sagedused saaksid standardiseeritud? See artikkel vastab nendele küsimustele ja selgitab elektrisüsteemi sageduse ajalugu ja tehnilisi aspekte.

Mis on elektrisüsteemi sagedus?

Elektrisüsteemi sagedus defineeritakse kui VHV pingevoo vaihekulma muutumiskiirus. See mõõdetakse hercides (Hz), mis on võrdne ühe tsükliga sekundis. Elektrisüsteemi sagedus sõltub geneeratorite pöörlemiskiirustest, mis toovad esile VHV pinge. Mida kiiremini geneatorid pöörlevad, seda kõrgem on sagedus. Sagedus mõjutab ka erinevate elektriseadmete ja -varustuse toimimist ja disaini, mis kasutavad või toodavad elektri.

Kuidas ilmnesid 50 Hz ja 60 Hz sagedused?

Valik 50 Hz või 60 Hz sageduseks elektrisüsteemide jaoks ei põhine tugevalt tehnilisel põhjusel, vaid pigem ajaloolistel ja majanduslikel teguritel. Läbi 19. ja alguses 20. sajand, kui arendati kaubanduslike elektrisüsteemide, ei olnud sageduse ega pingega standardiseerimist. Eraldi piirkonnad ja riigid kasutasid erinevaid sagedusi, mis ulatusid 16.75 Hz kuni 133.33 Hz, sõltuvalt nende kohalikest eelistustest ja vajadustest. Mõned faktorid, mis mõjutasid sageduse valikut, olid:

• Valgustus: Madalamad sagedused põhjustasid nähtava vilkuma näolampide ja kaarlampide korral, mis olid laialdaselt kasutusel valgustamiseks selle ajal. Kõrgemad sagedused vähendasid vilkumist ja parandasid valgustuskvaliteeti.

• Pöördlevad seadmed: Kõrgemad sagedused võimaldasid väiksemate ja kehvematute mootorite ja geneatorite kasutamist, mis vähendas materjalikulusid ja transpordikulusid. Siiski suurendasid kõrgemad sagedused ka kahju ja soojenemist pöördlevates seadmistes, mis vähendas tõhusust ja usaldusväärsust.

• Edastamine ja transformatorid: Kõrgemad sagedused suurendasid edastusjoonte ja transformatorite impedantsi, mis vähendas elektriülekande võimet ja suurendas pinge langust. Madalamad sagedused võimaldasid pikemaid edastuskaugusi ja väiksemaid kahjusid.

• Süsteemide ühendamine: Erinevate sagedustega elektrisüsteemide ühendamine nõuab keerulisi ja kulukaid konverteerijaid või sinkroniseerijaid. Ühine sagedus soodustas süsteemide integreerimist ja koordineerimist.

Kui elektrisüsteemid laienesid ja ühendusid, oli vaja sageduse standardiseerimist, et vähendada keerukust ja suurendada ühilduvust. Siiski oli ka konkurentsi erinevate tootjate ja piirkondade vahel, kes tahtsid oma standardeid ja monopoleid säilitada. See viis kahe peamise grupi tekkele: üks, kes võttis vastu 50 Hz kui standard sagedus, peamiselt Euroopas ja Aasias, ja teine, kes võttis vastu 60 Hz kui standard sagedus, peamiselt Põhja-Ameerikas ja osades Lõuna-Ameerikast. Jaapan oli erand, kes kasutas mõlemat sagedust: 50 Hz Ita-Jaapanis (sh Tōkyō) ja 60 Hz Lääne-Jaapanis (sh Ōsaka).

Mis on erinevate sageduste eelised ja puudused?

Pole selget eelist ega puudust kasutada 50 Hz või 60 Hz sagedust elektrisüsteemide jaoks, kuna mõlemad sagedused omavad oma eeliseid ja puudusi, sõltuvalt erinevatest teguritest. Mõned eelised ja puudused on:

• Tõlkevõime: 60 Hz süsteemil on 20% rohkem tõlkevõimu kui 50 Hz süsteemil sama pingega ja vooluga. See tähendab, et 60 Hz süsteemil töötavad masinad ja mootorid võivad töötada kiiremini või tuua rohkem väljundit kui 50 Hz süsteemil. Siiski tähendab see ka, et 60 Hz süsteemil töötavad masinad ja mootorid võivad vajada rohkem jahutust või kaitset kui 50 Hz süsteemil.

• Suurus: Kõrge sagedus võimaldab väiksemate ja kehvematute elektriseadmete ja -varustuse kasutamist, kuna see vähendab transformatorite ja mootorite magnetiliste tuumade suurust. See võib säästa ruumi, materjale ja transpordikulusid. Siiski tähendab see ka, et kõrgema sagedusega seadmed võivad omada madalamat isolatsioonitugevust või suuremaid kahjusid kui madalamate sagedustega seadmed.

   

• Kahjud: Kõrge sagedus suurendab elektriseadmete ja -varustuse kahjusid nahktaguse, vedeliku induktiivse kiiruse, histerese, dielektrilise soojenemise jms tõttu. Need kahjud vähendavad tõhusust ja suurendavad elektriseadmete ja -varustuse soojenemist. Siiski võivad need kahjud minimeerida sobiva disaini abil, nagu laminaatsioon, ekraanimine, jahutus jms.

• Harmonikad: Kõrge sagedus toodab rohkem harmonikaid kui madal sagedus. Harmonikad on perioodiliste funktsioonide kordajad, mis võivad põhjustada distorsiooni, segunsust, resonaantsi jms elektriseadmetes ja -varustuses. Harmonikad võivad vähendada elektrisüsteemide tõlkekvaliteeti ja usaldusväärsust. Siiski võivad harmonikad minimeerida filtreid, kompensaatoreid, konverteerijaid jms abil.

Kuidas kontrollitakse elektrisüsteemi sagedust?

Elektrisüsteemi sagedust kontrollitakse elektri tootmise (geneerimise) ja tarbimise (koormuse) tasakaalu säilitamise kaudu reaalajas. Kui tootmine ületab tarbimist, siis sagedus kasvab; kui tarbimine ületab tootmist, siis sagedus väheneb. Sageduse muutused võivad mõjutada elektrisüsteemide stabiilsust ja turvalisust, samuti erinevate elektriseadmete ja -varustuse toimimist ja operatsioone.

Et säilitada sagedus vastuvõetavates piirides (tavaliselt ±0,5% nimekirjasest väärtusest), kasutavad elektrisüsteemid erinevaid meetodeid, nagu:

• Aja vea korrigeerimine (TEC): See on meetod, mis perioodiliselt korrigeerib geneatorite kiirust, et korrigeerida kogunud aja vea tõttu sageduse muutustes pikema aja jooksul. Näiteks, kui sagedus on alaealne pikema aja jooksul (nt suure läbilaske tõttu), geneatorid kiirenevad natuke, et hüvitada kadunud aeg.

• Koormuse-sageduse reguleerimine (LFC): See on meetod, mis automaatselt korrigeerib geneatorite väljundit, et vastata koormuse muutustele teatud alal või piirkonnas (nt osariigis või riigis). Näiteks, kui koormus järsult suureneb (nt seadmete sisse lülitamise tõttu), geneatorid suurendavad oma väljundit vastavalt, et säilitada sagedus.

• Sageduse muutumise kiirus (ROCOF): See on meetod, mis tuvastab järsud või suured sageduse muutused tõrgete või katkestuste tõttu elektrisüsteemides. Näiteks, kui suur geneator ootamatult väljalülitub (nt tõrke tõttu), ROCOF näitab, kui kiiresti sagedus muutub selle sündmuse tõttu.

• Kuuldaolev müra: See on kuuldav näide sageduse muutustest mehaaniliste vibratsioonide tõttu elektriseadmetes ja -varustuses, nagu transformatorites või mootorites. Näiteks, kui sagedus järsult suureneb (nt madala läbilaske tõttu), võivad mõned seadmed toota kõrgemal helikõrgusel kui tavapäraselt.

Järeldus

Elektrisüsteemi sagedus on oluline parameeter, mis mõjutab elektri tootmist, edastamist, jaotamist ja tarbimist. Valik 50 Hz või 60 Hz sageduseks elektrisüsteemide jaoks põhineb ajaloolistel ja majanduslikel põhjustel, mitte tehnilistel. Mõlemad sagedused omavad oma eeliseid ja puudusi, sõltuvalt erinevatest teguritest, nagu tõlkevõime, suurus, kahjud, harmonikad jms. Elektrisüsteemi sagedust kontrollitakse erinevate meetodite abil, nagu TEC, LFC, ROCOF ja kuuldaolev müra, et tagada elektrisüsteemide stabiilsus ja usaldusväärsus ning elektriseadmete ja -varustuse toimimine ja operatsioon.

Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.