Miksi käytämme 50 Hz:n tai 60 Hz:n taajuutta sähköjärjestelmissä

Sähköverkko on sähkökomponenttien verkosto, joka tuottaa, siirtää ja jakaa sähköä loppukäyttäjille. Sähköverkko toimii tietyllä frekvenssillä, joka on vaihtosähkövaiheen kierrosten määrä sekunnissa. Yleisimmät sähköverkkoihin käytetyt frekvenssit ovat 50 Hz ja 60 Hz, riippuen maailman alueesta. Mutta miksi käytämme näitä frekvenssejä eivätkä muita? Mikä ovat eri frekvenssien etuja ja haittoja? Ja miten nämä frekvenssit tulevat standardoituiksi? Tämä artikkeli vastaa näihin kysymyksiin ja selittää sähköverkkofrekvenssin historiaa ja teknisiä näkökohtia.

Mikä on sähköverkkofrekvenssi?

Sähköverkkofrekvenssi määritellään vaihtosähkövirran vaihekulman muutosnopeutena. Se mitataan herzissä (Hz), joka on yhtä suuri kuin yksi kierros sekunnissa. Sähköverkon frekvenssi riippuu sähköntuotannon generatoorien pyörimisnopeudesta. Mitä nopeammin generaatot pyörivät, sitä korkeampi on frekvenssi. Frekvenssi vaikuttaa myös erilaisten sähkölaitteiden ja -laitteiston suorituskykyyn ja suunnitteluun, jotka käyttävät tai tuottavat sähköä.

Miten 50 Hz ja 60 Hz frekvenssit syntyivät?

Valinta 50 Hz tai 60 Hz frekvenssiksi sähköverkoille ei perustu vahvoihin teknisiin syihin, vaan historiallisista ja taloudellisista tekijöistä. Loppu-1800-luvulla ja alkua-1900-luvulla, kun kaupalliset sähköverkot kehitettiin, ei ollut standardoitua frekvenssiä tai jännitettä. Eri alueet ja maat käyttivät erilaisia frekvenssejä, jotka ulottuivat 16.75 Hz:stä 133.33 Hz:iin, riippuen paikallisista preferensseistä ja tarpeista. Joitakin tekijöitä, jotka vaikuttivat frekvenssin valintaan, olivat:

• Valaistus: Matalammat frekvenssit aiheuttivat huomattavaa vilkkahtelua hehkulamppuissa ja arkulamppuissa, jotka olivat laajalti käytössä valaistuksessa silloin. Korkeammat frekvenssit vähensivät vilkkahtelua ja paransivat valaistuksen laatua.

• Pyörimiskoneet: Korkeammat frekvenssit mahdollistivat pienemmät ja kevyemmät moottorit ja generaatot, mikä vähensi materiaalikustannuksia ja kuljetuskustannuksia. Korkeammat frekvenssit lisäsivät kuitenkin häviöitä ja lämmitystä pyörimiskoneissa, mikä vähensi tehokkuutta ja luotettavuutta.

• Siirto ja muuntimet: Korkeammat frekvenssit lisäsivät siirtolinjojen ja muuntimien impedanssia, mikä vähensi tehon siirtokykyä ja lisäsi jänniteputouksen. Matalammat frekvenssit mahdollistivat pidemmät siirtomatkat ja pienemmät häviöt.

• Järjestelmän yhteys: Erilaisilla frekvensseillä toimivien sähköverkkojen yhdistäminen edellytti monimutkaisia ja kalliita muunnoksia tai synkronisaattoreita. Yhteinen frekvenssi helpotti järjestelmän integraatiota ja koordinointia.

Kun sähköverkot laajentuivat ja yhdistyivät, oli tarve standardoida frekvenssi, jotta monimutkaisuutta vähennettäisiin ja yhteensopivuutta lisättäisiin. Kuitenkin eri valmistajat ja alueet halusivat ylläpitää omia standardejaan ja monopolia. Tämä johti jakoontumiseen kahteen pääryhmään: yksi, joka otti 50 Hz:n käyttöön pääasiassa Euroopassa ja Aasiassa, ja toinen, joka otti 60 Hz:n käyttöön pääasiassa Pohjois-Amerikassa ja Latinalaisessa Amerikassa. Japani oli poikkeus, jossa käytettiin molempia frekvenssejä: 50 Hz Itä-Japanissa (mukaan lukien Tokio) ja 60 Hz Länsi-Japanissa (mukaan lukien Osaka).

Mikä ovat eri frekvenssien etuja ja haittoja?

Ei ole selvää etua tai haittaa 50 Hz:n tai 60 Hz:n käytössä sähköverkoissa, sillä molemmilla frekvensseillä on niiden prosit ja kontrat eri tekijöiden mukaan. Jotkut etujen ja haittojen esimerkit ovat:

• Teho: 60 Hz järjestelmällä on 20% enemmän tehoa kuin 50 Hz järjestelmällä samalla jännitteellä ja virtaamalla. Tämä tarkoittaa, että 60 Hz:lla toimivat koneet ja moottorit voivat toimia nopeammin tai tuottaa enemmän tulosta kuin 50 Hz:lla toimivat. Kuitenkin tämä tarkoittaa myös, että 60 Hz:lla toimiville koneille ja moottoreille voi olla tarvetta enemmän jähdyttämiselle tai suojaamiselle kuin 50 Hz:lle toimiville.

• Koko: Korkeamman frekvenssin avulla voidaan rakentaa pienempiä ja kevyempiä sähkölaitteita ja -laitteita, koska se vähentää muuntimien ja moottorien magneettisten ytimien kokoa. Tämä voi säästää tilaa, materiaaleja ja kuljetuskustannuksia. Kuitenkin tämä tarkoittaa myös, että korkeamman frekvenssin laitteilla voi olla heikompi eristyksen vahvuus tai korkeammat häviöt kuin matalamman frekvenssin laitteilla.

   

• Häviöt: Korkeamman frekvenssin seurauksena sähkölaitteissa ja -laitteissa kasvavat häviöt, kuten ihotehde, kiertovirta, hystereesi, dielektrinen lämmitys jne. Nämä häviöt vähentävät tehokkuutta ja lisäävät sähkölaitteiden ja -laitteiden lämpenemista. Häviöt voidaan kuitenkin minimoida oikean suunnittelun avulla, kuten laminoimalla, suojaimilla, jähdyttämisellä jne.

• Harmoniset: Korkeamman frekvenssin seurauksena syntyy enemmän harmonisia kuin matalammalla frekvenssillä. Harmoniset ovat perusfrekvenssin monikerroin, jotka voivat aiheuttaa vääristymiä, häiriöitä, resonanssia jne. sähkölaitteissa ja -laitteissa. Harmoniset voivat vähentää sähköverkkojen tehonlaatua ja luotettavuutta. Harmoniset voidaan kuitenkin lievittää suodattimien, kompensaattorien, muunnostekniikan jne. avulla.

Miten sähköverkkofrekvenssi ohjataan?

Sähköverkkofrekvenssi ohjataan tasapainottamalla sähkön tuotanto (generaatio) ja kulutus (kuorma) reaaliajassa. Jos tuotanto ylittää kulutuksen, frekvenssi kasvaa; jos kulutus ylittää tuotannon, frekvenssi laskee. Frekvenssideviasioiden voi vaikuttaa sähköverkkojen vakautukseen ja turvallisuuteen, sekä sähkölaitteiden ja -laitteiston suorituskykyyn ja toimintaan.

Vakauden ja luotettavuuden varmistamiseksi sähköverkkojen frekvenssi pysytetään hyväksyttävissä rajoissa (yleensä ±0.5% nominarisen arvon ympärillä). Sähköverkkoihin käytetään erilaisia menetelmiä, kuten:

• Ajan virhekorjaus (TEC): Tämä on menetelmä, jolla generaattorien nopeutta säädellään säännöllisesti korjaamaan mahdollisia aikavirheitä, jotka ovat kertyneet frekvenssideviasioiden vuoksi pitkäksi ajaksi. Esimerkiksi, jos frekvenssi on niminaarisesta pienempi pitkään (esim. suuren kuorman vuoksi), generaattorit nopeutetaan hieman korjatakseen menetettyä aikaa.

• Kuorma-frekvenssi-ohjaus (LFC): Tämä on menetelmä, jolla generaattorien tuotantoa säädellään automaattisesti sovittamaan kuorman muutokset tietyssä alueessa tai vyöhykkeessä (esim. osavaltiossa tai maassa). Esimerkiksi, jos kuorma kasvaa yhtäkkiä (esim. laitteiden kytkemisen vuoksi), generaattorit lisäävät tuotantoaan vastaamaan frekvenssin ylläpitämistä.

• Frekvenssin muutosnopeus (ROCOF): Tämä on menetelmä, jolla havaitaan yhtäkkiä tai suuret frekvenssimuutokset sähköverkkoihin aiheutuneiden häiriöiden, kuten sähköverkkovirtojen katkosten vuoksi. Esimerkiksi, jos iso generaattori jää pois odottamattomasti (esim. sähköverkkovirtojen vuoksi), ROCOF ilmaisee, kuinka nopeasti frekvenssi muuttuu tämän tapahtuman vuoksi.

• Ääninen melu: Tämä on ääni, joka ilmaisee frekvenssimuutoksia sähkölaitteiden ja -laitteiston mekaanisista värähtelyistä, kuten muuntimissa tai moottoreissa. Esimerkiksi, jos frekvenssi kasvaa hieman (esim. pieni kuorma), jotkut laitteet voivat tuottaa korkeampiäänten äänen kuin normaalisti.

Yhteenveto

Sähköverkkofrekvenssi on tärkeä parametri, joka vaikuttaa sähkön tuotantoon, siirtämiseen, jakeluun ja kulutukseen. Valinta 50 Hz:n tai 60 Hz:n frekvenssiksi sähköverkoille perustuu historiallisiin ja taloudellisiin syihin eikä teknisiin. Molemmilla frekvensseillä on niiden etuja ja haittoja eri tekijöiden, kuten teho, koko, häviöt, harmoniset jne., mukaan. Sähköverkkofrekvenssi ohjataan erilaisilla menetelmillä, kuten TEC, LFC, ROCOF ja ääninen melu, varmistaaksemme sähköverkkojen vakauden ja luotettavuuden sekä sähkölaitteiden ja -laitteiston suorituskyvyn ja toiminnan.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jakamisen arvoista, jos on oikeudellinen rikkominen ota yhteyttä poistamista.