چرا از فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز برای سیستم‌های برق استفاده می‌کنیم

یک سیستم قدرت شبکه‌ای از اجزای الکتریکی است که برق را تولید، منتقل و توزیع می‌کند. سیستم قدرت با یک فرکانس خاص عمل می‌کند که تعداد دورهای جریان متناوب (AC) ولتاژ و جریان در هر ثانیه است. فرکانس‌های رایج برای سیستم‌های قدرت ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز هستند که به منطقه جغرافیایی بستگی دارد. اما چرا این فرکانس‌ها و نه دیگران؟ مزایا و معایب فرکانس‌های مختلف چیست؟ و چگونه این فرکانس‌ها استاندارد شدند؟ این مقاله به این سوالات پاسخ خواهد داد و تاریخچه و جنبه‌های فنی فرکانس سیستم قدرت را توضیح خواهد داد.

فرکانس سیستم قدرت چیست؟

فرکانس سیستم قدرت به عنوان نرخ تغییر زاویه فاز جریان یا ولتاژ متناوب تعریف می‌شود. آن را با واحد هرتز (Hz) که برابر با یک دور در ثانیه است، اندازه‌گیری می‌کنند. فرکانس یک سیستم قدرت به سرعت چرخش ژنراتورهایی که ولتاژ متناوب را تولید می‌کنند بستگی دارد. هرچه ژنراتورها سریع‌تر چرخند، فرکانس بالاتر خواهد بود. فرکانس همچنین عملکرد و طراحی انواع دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی که از برق استفاده می‌کنند یا آن را تولید می‌کنند را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چگونه فرکانس‌های ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز ظاهر شدند؟

انتخاب فرکانس ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز برای سیستم‌های قدرت بر اساس هیچ دلیل فنی قوی نیست بلکه بر اساس عوامل تاریخی و اقتصادی است. در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰، وقتی سیستم‌های تجاری برق در حال توسعه بودند، هیچ استانداردسازی فرکانس یا ولتاژ وجود نداشت. مناطق و کشورهای مختلف فرکانس‌های متفاوتی را از ۱۶.۷۵ هرتز تا ۱۳۳.۳۳ هرتز استفاده می‌کردند که به ترجیحات و نیازهای محلی آن‌ها بستگی داشت. برخی از عواملی که در انتخاب فرکانس مؤثر بودند عبارتند از:

• روشنایی: فرکانس‌های پایین باعث لرزش مشهود در لامپ‌های تنگستنی و لامپ‌های قوسی می‌شدند که در آن زمان برای روشنایی استفاده می‌شدند. فرکانس‌های بالاتر لرزش را کاهش داده و کیفیت روشنایی را بهبود می‌بخشیدند.

• ماشین‌های چرخان: فرکانس‌های بالاتر به دستگاه‌های موتور و ژنراتور کوچک‌تر و سبک‌تر اجازه می‌داد که هزینه مواد و حمل و نقل را کاهش دهد. با این حال، فرکانس‌های بالاتر همچنین باعث افزایش ضایعات و گرمایش در ماشین‌های چرخان می‌شدند که کارایی و قابلیت اطمینان را کاهش می‌داد.

• انتقال و تبدیل‌کننده‌ها: فرکانس‌های بالاتر مقاومت خطوط انتقال و تبدیل‌کننده‌ها را افزایش می‌دادند که قابلیت انتقال قدرت را کاهش می‌داد و افت ولتاژ را افزایش می‌داد. فرکانس‌های پایین‌تر امکان انتقال برای فواصل طولانی‌تر و کاهش ضایعات را فراهم می‌کردند.

• اتصال سیستم‌ها: اتصال سیستم‌های قدرت با فرکانس‌های مختلف نیازمند تبدیل‌کننده‌ها یا همزمان‌ساز‌های پیچیده و گران‌قیمت است. داشتن یک فرکانس مشترک تسهیل یکپارچه‌سازی و هماهنگی سیستم را فراهم می‌کرد.

با گسترش و اتصال سیستم‌های قدرت، نیاز به استانداردسازی فرکانس برای کاهش پیچیدگی و افزایش سازگاری احساس شد. با این حال، رقابت بین تولیدکنندگان و مناطق مختلف که می‌خواستند استانداردهای خود را حفظ کنند و مونوپولی خود را حفظ کنند، منجر به تقسیم به دو گروه اصلی شد: یکی که ۵۰ هرتز را به عنوان فرکانس استاندارد انتخاب کرد، عمدتاً در اروپا و آسیا، و دیگری که ۶۰ هرتز را به عنوان فرکانس استاندارد انتخاب کرد، عمدتاً در آمریکای شمالی و بخش‌هایی از آمریکای لاتین. ژاپن استثنا بود که هر دو فرکانس را استفاده می‌کرد: ۵۰ هرتز در شرق ژاپن (شامل توکیو) و ۶۰ هرتز در غرب ژاپن (شامل اوساکا).

مزایا و معایب فرکانس‌های مختلف چیست؟

هیچ مزیت یا معایب واضحی برای استفاده از فرکانس ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز در سیستم‌های قدرت وجود ندارد، زیرا هر دو فرکانس مزایا و معایب خود را دارند که به عوامل مختلف بستگی دارد. برخی از مزایا و معایب عبارتند از:

• قدرت: یک سیستم ۶۰ هرتز ۲۰٪ بیشتر قدرت دارد نسبت به یک سیستم ۵۰ هرتز با ولتاژ و جریان یکسان. این بدان معناست که دستگاه‌ها و موتورهایی که با ۶۰ هرتز کار می‌کنند می‌توانند سریع‌تر حرکت کنند یا خروجی بیشتری تولید کنند نسبت به آنهایی که با ۵۰ هرتز کار می‌کنند. با این حال، این نیز به این معناست که دستگاه‌ها و موتورهایی که با ۶۰ هرتز کار می‌کنند ممکن است نیاز به خنک‌سازی یا محافظت بیشتری داشته باشند نسبت به آنهایی که با ۵۰ هرتز کار می‌کنند.

• حجم: فرکانس بالاتر امکان استفاده از دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی کوچک‌تر و سبک‌تر را فراهم می‌کند، زیرا اندازه هسته‌های مغناطیسی در تبدیل‌کننده‌ها و موتورها را کاهش می‌دهد. این می‌تواند فضایی را صرف کند، مواد و هزینه‌های حمل و نقل را کاهش دهد. با این حال، این نیز به این معناست که دستگاه‌های با فرکانس بالاتر ممکن است دارای قدرت عایق‌بندی کمتر یا ضایعات بیشتری نسبت به دستگاه‌های با فرکانس پایین‌تر باشند.

   

• ضایعات: فرکانس بالاتر ضایعات را در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی افزایش می‌دهد به دلیل اثرات پوستی، جریان‌های تصادفی، هیستریسیس، گرمایش دی الکتریک و غیره. این ضایعات کارایی را کاهش می‌دهند و گرمایش را در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی افزایش می‌دهند. با این حال، این ضایعات می‌توانند با استفاده از روش‌های طراحی مناسب مانند لاک‌پشتی، محافظت، خنک‌سازی و غیره کاهش یابند.

• هماهنگ‌ها: فرکانس بالاتر هماهنگ‌های بیشتری نسبت به فرکانس پایین‌تر تولید می‌کند. هماهنگ‌ها مضرب‌های فرکانس اصلی هستند که می‌توانند تحریف، تداخل، هم‌ریزی و غیره در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی ایجاد کنند. هماهنگ‌ها می‌توانند کیفیت و قابلیت اطمینان قدرت را در سیستم‌های قدرت کاهش دهند. با این حال، هماهنگ‌ها می‌توانند با استفاده از فیلترها، جبران‌کننده‌ها، تبدیل‌کننده‌ها و غیره کاهش یابند.

چگونه فرکانس سیستم قدرت کنترل می‌شود؟

فرکانس سیستم قدرت با تعادل تأمین (تولید) و تقاضا (بار) برق در زمان واقعی کنترل می‌شود. اگر تأمین بیشتر از تقاضا باشد، فرکانس افزایش می‌یابد؛ اگر تقاضا بیشتر از تأمین باشد، فرکانس کاهش می‌یابد. انحراف‌های فرکانس می‌توانند استقرار و امنیت سیستم‌های قدرت را تحت تأثیر قرار دهند، همچنین عملکرد و عملیات دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهند.

برای حفظ فرکانس در حد مجاز (معمولاً ±۰.۵٪ حول مقدار اسمی)، سیستم‌های قدرت از روش‌های مختلفی مانند زیر استفاده می‌کنند:

• اصلاح خطای زمان (TEC): این روش برای تنظیم سرعت ژنراتورها به طور متناوب برای اصلاح هر خطای زمانی تجمعی ناشی از انحراف‌های فرکانس در طول دوره‌های طولانی است. برای مثال، اگر فرکانس در طول مدت زیادی (مثلاً به دلیل بار بالا) کمتر از مقدار اسمی باشد، ژنراتورها کمی سریع‌تر خواهند شد تا زمان از دست رفته را جبران کنند.

• کنترل بار-فرکانس (LFC): این روش برای تنظیم خروجی ژنراتورها به طور خودکار برای مطابقت با هر تغییر در بار در یک منطقه یا منطقه خاص (مثلاً یک ایالت یا یک کشور) است. برای مثال، اگر بار به طور ناگهانی افزایش یابد (مثلاً به دلیل روشن کردن دستگاه‌ها)، ژنراتورها خروجی خود را به ترتیب افزایش می‌دهند تا فرکانس را حفظ کنند.

• نرخ تغییر فرکانس (ROCOF): این روش برای تشخیص هر تغییر ناگهانی یا بزرگ در فرکانس ناشی از اختلالات مانند خطا یا قطعی در سیستم‌های قدرت است. برای مثال، اگر ژنراتور بزرگی به طور ناگهانی (مثلاً به دلیل خطا) خارج شود، ROCOF نشان می‌دهد که چقدر سریعاً فرکانس به دلیل این واقعه تغییر می‌کند.

• صدا قابل شنیدن: این یک نشانه صوتی از هر تغییر در فرکانس ناشی از ارتعاشات مکانیکی در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی مانند تبدیل‌کننده‌ها یا موتورها است. برای مثال، اگر فرکانس کمی افزایش یابد (مثلاً به دلیل بار کم)، برخی دستگاه‌ها ممکن است صدای بلندتری نسبت به حالت عادی تولید کنند.

نتیجه‌گیری

فرکانس سیستم قدرت یک پارامتر مهم است که تولید، انتقال، توزیع و مصرف برق را تحت تأثیر قرار می‌دهد. انتخاب فرکانس ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز برای سیستم‌های قدرت بر اساس دلایل تاریخی و اقتصادی است و نه فنی. هر دو فرکانس مزایا و معایب خود را دارند که به عوامل مختلف مانند قدرت، حجم، ضایعات، هماهنگ‌ها و غیره بستگی دارد. فرکانس سیستم قدرت با روش‌های مختلفی مانند TEC، LFC، ROCOF و صدا قابل شنیدن کنترل می‌شود تا استقرار و قابلیت اطمینان سیستم‌های قدرت و عملکرد و عملیات دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی را تضمین کند.

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