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

شبکه برق یک شبکه از مولفه‌های الکتریکی است که برق را تولید، منتقل و توزیع می‌کند. این سیستم برق با یک فرکانس خاص عمل می‌کند که تعداد دورهای ثانیه‌ای جریان متناوب (AC) ولتاژ و جریان است. فرکانس‌های معمول برای سیستم‌های برق ۵۰ هرتز و ۶۰ هرتز هستند که به منطقه جغرافیایی بستگی دارد. اما چرا از این فرکانس‌ها استفاده می‌شود و نه فرکانس‌های دیگر؟ 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 برق را توضیح خواهد داد.

فرکانس سیستم برق چیست؟

فرکانس سیستم برق به نرخ تغییر زاویه فاز جریان متناوب (AC) یا ولتاژ تعریف می‌شود. این فرکانس با واحد هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود که برابر با یک دور در ثانیه است. فرکانس یک سیستم برق به سرعت چرخش ژنراتورهایی که ولتاژ AC را تولید می‌کنند بستگی دارد. هرچه ژنراتورها سریع‌تر چرخند، فرکانس بالاتر خواهد بود. فرکانس همچنین عملکرد و طراحی دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی مختلفی که برق مصرف می‌کنند یا 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 برق بر پایه عوامل تاریخی و اقتصادی است و نه دلایل فنی قوی. در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، زمانی که سیستم‌های تجاری برق توسعه یافتند، استانداردسازی فرکانس یا ولتاژ وجود نداشت. مناطق و کشورهای مختلف فرکانس‌های مختلفی را از ۱۶.۷۵ هرتز تا ۱۳۳.۳۳ هرتز استفاده می‌کردند. برخی از عواملی که در انتخاب فرکانس تأثیر گذاشتند عبارتند از:

• روشنایی: فرکانس‌های پایین در لامپ‌های روشنایی خودکار و لامپ‌های آقواعرضه نوسانات قابل مشاهده‌ای ایجاد می‌کردند. فرکانس‌های بالاتر نوسانات را کاهش دادند و کیفیت روشنایی را بهبود بخشیدند.

• ماشین‌های چرخان: فرکانس‌های بالاتر موتورها و ژنراتورهای کوچک‌تر و سبک‌تر را ممکن ساخت که هزینه‌های مواد و حمل و نقل را کاهش داد. با این حال، فرکانس‌های بالاتر همچنین ضرر و گرمایش در ماشین‌های چرخان را افزایش داد که کارایی و قابلیت اطمینان را کاهش داد.

• انتقال و ترانسفورماتورها: فرکانس‌های بالاتر مقاومت خطوط انتقال و ترانسفورماتورها را افزایش داد که توان انتقال را کاهش داد و فولت‌افت را افزایش داد. فرکانس‌های پایین‌تر امکان انتقال فاصله‌های طولانی‌تر و کاهش ضرر را فراهم کرد.

• اتصال سیستم: اتصال سیستم‌های برق با فرکانس‌های مختلف نیازمند تبدیل‌کننده‌ها یا همزمان‌ساز‌های پیچیده و گران‌قیمت است. داشتن یک فرکانس مشترک تسهیل ادغام و هماهنگی سیستم را فراهم کرد.

با گسترش و اتصال سیستم‌های برق، نیاز به استانداردسازی فرکانس برای کاهش پیچیدگی و افزایش سازگاری احساس شد. با این حال، رقابت بین تولیدکنندگان مختلف و مناطقی که می‌خواستند استانداردهای خود را حفظ کنند، منجر به تقسیم بین 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 یک 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؟

استفاده از فرکانس ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز برای سیستم‌های برق مزیت یا معیب واضحی ندارد، زیرا هر دو فرکانس مزایا و معایب خود را بر اساس عوامل مختلف دارند. برخی از مزایا و معایب عبارتند از:

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

• حجم: فرکانس بالاتر امکان ساخت دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی کوچک‌تر و سبک‌تر را فراهم می‌کند، زیرا اندازه هسته‌های مغناطیسی در ترانسفورماتورها و موتورها را کاهش می‌دهد. این می‌تواند فضای ذخیره‌سازی، 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 پایین‌تر یا ضرر بیشتری نسبت به دستگاه‌های با فرکانس پایین‌تر باشند.

   

• ضرر: فرکانس بالاتر ضرر در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی را به دلیل اثرات پوستی، جریان‌های چرخشی، هیستریسیس، گرمایش دی‌الکتریک و غیره افزایش می‌دهد. این ضررها کارایی را کاهش می‌دهند و گرمایش را در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی افزایش می‌دهند. با این حال، این ضررها با استفاده از تکنیک‌های طراحی مناسب مانند لامیناسیون، محافظت و خنک‌سازی می‌توانند کاهش یابند.

• هم‌ریختی: فرکانس بالاتر هم‌ریختی‌های بیشتری نسبت به فرکانس پایین‌تر تولید می‌کند. هم‌ریختی‌ها مضرب‌های فرکانس اساسی هستند که می‌توانند اعوجاج، تداخل، رزونانس و غیره را در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی ایجاد کنند. هم‌ریختی‌ها کیفیت و قابلیت اطمینان سیستم‌های برق را کاهش می‌دهند. با این حال، هم‌ریختی‌ها با استفاده از فیلترها، جبران‌کننده‌ها، تبدیل‌کننده‌ها و غیره می‌توانند کاهش یابند.

چگونه فرکانس سیستم برق کنترل می‌شود؟

فرکانس سیستم برق 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. انحرافات فرکانس می‌توانند پایداری و امنیت سیستم‌های برق را تأثیر بگذارند، همچنین عملکرد و عملیات دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی را نیز تأثیر می‌گذارند.

برای حفظ فرکانس در حدود محدوده مورد قبول (معمولاً ±۰.۵٪ حول مقدار اسمی)، سیستم‌های برق از روش‌های مختلفی مانند زیر استفاده می‌کنند:

• اصلاح خطای زمانی (TEC): این یک روش برای تنظیم سرعت ژنراتورها به صورت دوره‌ای به منظور اصلاح هر خطای تجمعی زمانی ناشی از انحرافات فرکانس در طول یک مدت طولانی است. به عنوان مثال، اگر فرکانس برای مدت طولانی (مثلاً به دلیل بار بالا) کمتر از مقدار اسمی باشد، ژنراتورها به تدریج سرعت خود را افزایش می‌دهند تا زمان از دست رفته را جبران کنند.

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

• نرخ تغییر فرکانس (ROCOF): این یک روش برای تشخیص هر تغییر ناگهانی یا قابل توجه در فرکانس به دلیل اختلالات مانند خطا یا قطعی در سیستم‌های برق است. به عنوان مثال، اگر یک ژنراتور بزرگ به طور ناگهانی (به دلیل یک خطا) خاموش شود، ROCOF نشان می‌دهد که فرکانس چقدر به سرعت به دلیل این واقعه تغییر می‌کند.

• صدا قابل شنیدن: این یک نشانه قابل شنیدن از هر تغییر در فرکانس به دلیل ارتعاشات مکانیکی در دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی مانند ترانسفورماتورها یا موتورها است. به عنوان مثال، اگر فرکانس به طور ناگهانی (به دلیل بار کم) افزایش یابد، برخی دستگاه‌ها ممکن است صدایی با فرکانس بالاتر از حالت عادی تولید کنند.

نتیجه‌گیری

فرکانس سیستم برق یک پارامتر مهم است که بر تولید، انتقال، توزیع و مصرف برق تأثیر می‌گذارد. انتخاب فرکانس ۵۰ هرتز یا ۶۰ هرتز برای سیستم‌های برق بر پایه دلایل تاریخی و اقتصادی است و نه دلایل فنی. هر دو فرکانس مزایا و معایب خود را بر اساس عوامل مختلف مانند توان، حجم، ضرر، هم‌ریختی و غیره دارند. فرکانس سیستم برق با استفاده از روش‌های مختلفی مانند TEC، LFC، ROCOF و صدای قابل شنیدن کنترل می‌شود تا پایداری و قابلیت اطمینان سیستم‌های برق 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.