Por que usamos frecuencias de 50 Hz ou 60 Hz nos sistemas eléctricos

Un sistema de enerxía eléctrica é unha rede de componentes eléctricos que xeran, transmiten e distribúen electricidade aos usuarios finais. O sistema de enerxía eléctrica funciona a unha certa frecuencia, que é o número de ciclos por segundo da corrente alterna (CA) de voltaxe e corrente. As frecuencias máis comúns utilizadas para os sistemas de enerxía son 50 Hz e 60 Hz, dependendo da rexión do mundo. Pero por que usamos estas frecuencias e non outras? Cales son as vantaxes e desvantaxes das diferentes frecuencias? E como se estandarizaron estas frecuencias? Este artigo responderá a estas preguntas e explicará a historia e os aspectos técnicos da frecuencia do sistema de enerxía eléctrica.

Que é a Frecuencia do Sistema de Enerxía Eléctrica?

A frecuencia do sistema de enerxía eléctrica defínese como a taxa de cambio do ángulo de fase da tensión CA ou corrente. Mídese en hercios (Hz), que é igual a un ciclo por segundo. A frecuencia dun sistema de enerxía depende da velocidade de rotación dos xeradores que producen a tensión CA. Cuanto máis rápido roden os xeradores, maior será a frecuencia. A frecuencia tamén afecta ao rendemento e ao deseño de diversos dispositivos e equipos eléctricos que usan ou producen electricidade.

Como Emerxeron as Frecuencias de 50 Hz e 60 Hz?

A elección de 50 Hz ou 60 Hz como frecuencia para os sistemas de enerxía eléctrica non se basea en ningún motivo técnico sólido, senón en factores históricos e económicos. No final do século XIX e principios do XX, cando se estaban desenvolvendo os sistemas comerciais de enerxía eléctrica, non había estandarización da frecuencia ou da tensión. Diferentes rexións e países utilizaban diferentes frecuencias que variaban desde 16.75 Hz a 133.33 Hz, dependendo das súas preferencias e necesidades locais. Algunhas dos factores que influíron na elección da frecuencia foron:

• Iluminación: As frecuencias máis baixas provocaban un parpadeo perceptible nas lámparas incandescentes e nas lámparas de arco, que eran ampliamente utilizadas para a iluminación naquel tempo. As frecuencias máis altas reducían o parpadeo e melloraban a calidade da iluminación.

• Máquinas rotativas: As frecuencias máis altas permitían motores e xeradores máis pequenos e ligeros, que reducían os custos de material e transporte. No entanto, as frecuencias máis altas tamén aumentaban as perdas e o aquecemento nas máquinas rotativas, que reducíron a eficiencia e a fiabilidade.

• Transmisión e transformadores: As frecuencias máis altas aumentaban a impedancia das liñas de transmisión e transformadores, que reducíron a capacidade de transferencia de potencia e aumentaron a caída de tensión. As frecuencias máis baixas permitían distancias de transmisión máis longas e menores perdas.

• Interconexión do sistema: Interconectar sistemas de enerxía con diferentes frecuencias require convertidores ou sincronizadores complexos e caros. Ter unha frecuencia común facilitou a integración e a coordinación do sistema.

Ao expandirse e interconectarse os sistemas de enerxía, houbo unha necesidade de estandarización da frecuencia para reducir a complexidade e aumentar a compatibilidade. No entanto, tamén houbo unha rivalidade entre diferentes fabricantes e rexións que querían manter os seus propios estándares e monopolios. Isto levou a unha división entre dous grupos principais: un que adoptou 50 Hz como frecuencia estándar, principalmente en Europa e Asia, e outro que adoptou 60 Hz como frecuencia estándar, principalmente en América do Norte e partes da América Latina. Xapón foi unha excepción que usou ambas as frecuencias: 50 Hz no leste de Xapón (incluíndo Tokio) e 60 Hz no oeste de Xapón (incluíndo Osaka).

Quáles Son as Vantaxes e Desvantaxes das Diferentes Frecuencias?

Non hai unha vantaxe ou desvantaxe clara no uso de 50 Hz ou 60 Hz como frecuencia para os sistemas de enerxía, xa que ambas as frecuencias teñen as súas vantaxes e desvantaxes dependendo de diversos factores. Algúns das vantaxes e desvantaxes son:

• Potencia: Un sistema de 60 Hz ten 20% máis de potencia que un sistema de 50 Hz para a mesma tensión e corrente. Isto significa que as máquinas e motores que funcionan a 60 Hz poden funcionar máis rápido ou producir máis saída que aquelas que funcionan a 50 Hz. No entanto, isto tamén significa que as máquinas e motores que funcionan a 60 Hz poden precisar máis refrigeración ou protección que aquelas que funcionan a 50 Hz.

• Tamaño: Unha frecuencia máis alta permite dispositivos e equipos eléctricos máis pequenos e ligeros, pois reduce o tamaño dos núcleos magnéticos nos transformadores e motores. Isto pode ahorrar espazo, material e custos de transporte. No entanto, isto tamén significa que os dispositivos de alta frecuencia poden ter menor resistencia dieléctrica ou maiores perdas que os dispositivos de baixa frecuencia.

   

• Perdas: Unha frecuencia máis alta aumenta as perdas en dispositivos e equipos eléctricos debido aos efectos de superficie, correntes de Foucault, histeresis, calentamento dieléctrico, etc. Estas perdas reducen a eficiencia e aumentan o aquecemento en dispositivos e equipos eléctricos. No entanto, estas perdas poden minimizarse usando técnicas de deseño adecuadas como laminación, blindado, refrigeración, etc.

• Armónicos: Unha frecuencia máis alta produce máis armónicos que unha frecuencia máis baixa. Os armónicos son múltiplos da frecuencia fundamental que poden causar distorsión, interferencia, resonancia, etc., en dispositivos e equipos eléctricos. Os armónicos poden reducir a calidade e a fiabilidade da enerxía nos sistemas de enerxía. No entanto, os armónicos poden mitigarse usando filtros, compensadores, conversores, etc.

Como Se Controla a Frecuencia do Sistema de Enerxía?

A frecuencia do sistema de enerxía controlase equilibrando a oferta (xeración) e a demanda (carga) de electricidade en tempo real. Se a oferta supera a demanda, a frecuencia aumenta; se a demanda supera a oferta, a frecuencia diminúe. As desviacións de frecuencia poden afectar a estabilidade e a seguridade dos sistemas de enerxía, así como o rendemento e a operación dos dispositivos e equipos eléctricos.

Para manter a frecuencia dentro de límites aceptables (xeralmente ±0.5% arredor do valor nominal), os sistemas de enerxía usan varios métodos como:

• Corrección de erro de tempo (TEC): Este é un método para axustar a velocidade dos xeradores periodicamente para corrixir calquera erro acumulado de tempo debido a desviacións de frecuencia ao longo dun período prolongado. Por exemplo, se a frecuencia está abaixo do nominal durante moito tempo (por exemplo, debido a unha carga alta), os xeradores acelerarán ligeramente para recuperar o tempo perdido.

• Control de carga-frecuencia (LFC): Este é un método para axustar a saída dos xeradores automaticamente para coincidir con calquera cambio na carga dentro dunha área ou zona determinada (por exemplo, un estado ou un país). Por exemplo, se a carga aumenta de repente (por exemplo, debido a encender electrodomésticos), os xeradores aumentarán a súa saída en consecuencia para manter a frecuencia.

• Taxa de cambio de frecuencia (ROCOF): Este é un método para detectar calquera cambio repentino ou grande na frecuencia debido a perturbacións como fallos ou cortes nos sistemas de enerxía. Por exemplo, se un xerador grande se desactiva inesperadamente (por exemplo, debido a un fallo), o ROCOF indicará a rapidez con que a frecuencia está cambiando debido a este evento.

• Ruído audible: Esta é unha indicación audible de calquera cambio na frecuencia debido a vibracións mecánicas en dispositivos e equipos eléctricos como transformadores ou motores. Por exemplo, se a frecuencia aumenta ligeramente (por exemplo, debido a unha carga baixa), algúns dispositivos poden producir un son de ton máis alto que o normal.

Conclusión

A frecuencia do sistema de enerxía eléctrica é un parámetro importante que afecta a xeración, transmisión, distribución e consumo de electricidade. A elección de 50 Hz ou 60 Hz como frecuencia para os sistemas de enerxía basease en razóns históricas e económicas en lugar de técnicas. Ambas as frecuencias teñen as súas vantaxes e desvantaxes dependendo de diversos factores como potencia, tamaño, perdas, armónicos, etc. A frecuencia do sistema de enerxía controlase mediante varios métodos como TEC, LFC, ROCOF e ruído audible para asegurar a estabilidade e a fiabilidade dos sistemas de enerxía e o rendemento e a operación dos dispositivos e equipos eléctricos.

Declaración: Respetar el original, artículos buenos que merecen ser compartidos, si hay infracción contacte para eliminar.