למה אנו משתמשים בתדר של 50 הרץ או 60 הרץ במערכות חשמל?
מערכת חשמל היא רשת של מרכיבים חשמליים שמייצרים, מעבירים ומפיצים חשמל למשתמשים הסופיים. מערכת החשמל פועלת בתדר מסוים, שהוא מספר המחזורים לשנייה של הזרם המחליפין (AC) המתח והזרם. התדרים הנפוצים ביותר למערכות חשמל הם 50 הרץ ו-60 הרץ, בהתאם לאזור בעולם. אבל למה אנו משתמשים בתדרים אלה ולא אחרים? מה הם היתרונות והחסרונות של תדרים שונים? איך התדרים האלה הפכו לסטנדרטים? מאמר זה ישיב על השאלות הללו ויתן הסבר על ההיסטוריה והיבטים הטכניים של תדר מערכת החשמל.
מהו תדר מערכת החשמל?
תדר מערכת החשמל מוגדר כקצב שינוי זווית הפאזה של המתח או הזרם החילופי. הוא נמדד בהרצ (Hz), שווה למחזור אחד בשנייה. התדר של מערכת החשמל תלוי במהירות הסיבוב של המנועים היוצרים את המתח החילופי. ככל שהמנועים מסתובבים מהר יותר, כך התדר גבוה יותר. התדר גם משפיע על הביצוע והעיצוב של מכשירים חשמליים שונים ואביזרים המשמשים או מייצרים חשמל.
איך התדרים 50 הרץ ו-60 הרץ צמחו?
הבחירה בתדר 50 הרץ או 60 הרץ למערכות חשמל אינה מבוססת על סיבה טכנולוגית חזקה אלא על גורמים היסטוריים וכלכליים. בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20, כאשר מערכות חשמל מסחריות היו בשלבי פיתוח, לא הייתה סטנדרטיזציה של תדר או מתח. אזורים ומדינות שונות השתמשו בתדרים שונים החל מ-16.75 הרץ ועד 133.33 הרץ, בהתאם להעדפות המקומיות והצרכים שלהם. חלק מהגורמים שהשפיעו על בחירת התדר היו:
אשורה: תדרים נמוכים גרמו לפlickering בולנט בנרות חשמל וארקות, שנמצאו בשימוש נרחב לאשורה באותו זמן. תדרים גבוהים הקטינו את ה-flickering ושפרו את איכות האשורה.
מכונות מסתובבות: תדרים גבוהים אפשרו מנועים ומגניטים קטנים יותר ולקלים, מה שהפחית את עלויות החומר והובלה. עם זאת, תדרים גבוהים גם הגבירו את האבדות והחימום במכונות מסתובבות, מה שהפחית את יעילותן ואמינותן.
העברת מתח וממרכי מתח: תדרים גבוהים הגבירו את העומס של קווי העברה וממרכי מתח, מה שהפחית את יכולת העברת המתח והגדיל את ירידת המתח. תדרים נמוכים אפשרו מרחקי העברה ארוכים יותר ואבדות נמוכות יותר.
חיבור מערכות: חיבור מערכות חשמל עם תדרים שונים דורש המרה מורכבת ויקרה או סינכרון. קיום תדר משותף פעל לטובת אינטגרציה וקואורדינציה של המערכת.
כאשר מערכות החשמל התפשטו והתחברו, היה צורך בסטנדרטיזציה של התדר כדי להפחית מורכבות ולהגביר תאימות. עם זאת, הייתה גם תחרות בין יצרנים שונים ואזורים שרצו לשמור על הסטנדרטים שלהם ועל מונופולים. זה הוביל לפיצול בין שתי קבוצות גדולות: אחת שאימצה 50 הרץ כתדר הסטנדרטי, בעיקר באירופה ואסיה, ואחרת שאימצה 60 הרץ כתדר הסטנדרטי, בעיקר בצפון אמריקה ובחלקים מדרום אמריקה. יפן הייתה חריגה ששימשה שני תדרים: 50 הרץ במזרח יפן (כולל טוקיו) ו-60 הרץ במערב יפן (כולל אוסקה).
מהם היתרונות והחסרונות של תדרים שונים?
אין יתרון או חיסרון ברור בשימוש בתדר 50 הרץ או 60 הרץ למערכות חשמל, שכן שתיהם בעלי יתרונות וחסרונות בהתאם לגורמים שונים. חלק מהיתרונות והחסרונות הם:
כוח: מערכת 60 הרץ כוללת 20% יותר כוח מאשר מערכת 50 הרץ עבור אותו מתח וזרם. זה אומר שמachines ו-motors פועלים על 60 הרץ יכולים לרוץ מהר יותר או לייצר יותר פלט מאשר אלו הפועלים על 50 הרץ. עם זאת, זה גם אומר שמachines ו-motors פועלים על 60 הרץ עשויים לדרוש מתיחות או הגנה רבה יותר מאשר אלו הפועלים על 50 הרץ.
גודל: תדר גבוה מאפשר מכשירים חשמליים וציוד קטנים יותר ולקלים, מכיוון שהוא מפחית את הגודל של ליבות מגנטיות בממרקי מתח ו-motors. זה יכול לחסוך מקום, חומר וויות תחבורה. עם זאת, זה גם אומר שמכשירים בתדר גבוה עשויים להיות בעלי עמידות למיגד נמוכה יותר או אבדות גבוהות יותר מאשר מכשירים בתדר נמוך.
אבדות: תדר גבוה מגביר אבדות במכשירים חשמליים וציוד עקב skin effects, eddy currents, היסטרזיס, חימום דיאלקטרי, וכו'. אבדות אלה מפחיתות יעילות מגבירות חימום במכשירים חשמליים וציוד. עם זאת, ניתן להפחית את האבדות באמצעות טכניקות עיצוב מתאימות כגון ליווי, מגן, מתיחות, וכו'.
הרמוניות: תדר גבוה מייצר יותר הרמוניות מאשר תדר נמוך. הרמוניות הן כפולות של התדר היסודי שיכולות לגרום לעיוות, הפרעות, תהודה, וכו' במכשירים חשמליים וציוד. הרמוניות יכולות להפחית את איכות המתח ואמינותם במערכות חשמל. עם זאת, ניתן להפחית את ההרמוניות באמצעות מסננים, מתקנים, ממירים, וכו'.
איך מתבצע בקרה על תדר מערכת החשמל?
תדר מערכת החשמל מבוקר על ידי שמירה על איזון בין אספקת (ייצור) ומגבה (טען) החשמל בזמן אמת. אם האספקה עולה על המגבה, התדר עולה; אם המגבה עולה על האספקה, התדר יורד. סטיות בתדר יכולות להשפיע על יציבות וביטחון מערכות החשמל, כמו גם על הביצוע והפעולה של מכשירים חשמליים וציוד.
כדי לשמור על התדר בתוך גבולות מקובלים (בדרך כלל ±0.5% סביב הערך הנומינלי), מערכות החשמל משתמשות בדרכים שונות כגון:
תיקון שגיאת זמן (TEC): זו דרך להתאים את מהירות המנועים באופן מחזורי לתיקון כל שגיאת זמן מצטברת עקב סטיות בתדר לאורך זמן רב. למשל, אם התדר נמוך מהנומינלי לאורך זמן (למשל, עקב טעינה גבוהה), המנועים יתאימו מעט את מהירותם כדי לתיקן את הזמן האבוד.
בקרה על טעינה-תדר (LFC): זו דרך להתאים את הפלט של המנועים באופן אוטומטי להתאים לשינויים בטעינה באזור מסוים או באזור (למשל, מדינה). למשל, אם הטעינה עולה פתאום (למשל, עקב פעילות מכשירים), המנועים יגדילו את הפלט שלהם בהתאם כדי לשמור על התדר.
קצב שינוי התדר (ROCOF): זו דרך לגילוי שינויים פתאומיים או גדולים בתדר עקב הפרעות כגון תקלות או שביתות במערכות החשמל. למשל, אם מנוע גדול נתקפת באופן בלתי צפוי (למשל, עקב תקלה), ROCOF יציין כמה מהר התדר משתנה כתוצאה מהאירוע הזה.
רעש청licable: זו התייחסות שמיעה לשינויים בתדר עקב רעידות מכניות במכשירים חשמליים וציוד כגון ממרקי מתח או מנועים. למשל, אם התדר עולה מעט (למשל, עקב טעינה נמוכה), חלק מהמכשירים עשויים ליצור צליל גבוה יותר מהרגיל.
סיכום
תדר מערכת החשמל הוא פרמטר חשוב המשפיע על ייצור, העברה, הפצה וצריכת חשמל. בחירת תדר 50 הרץ או 60 הרץ למערכות חשמל מבוססת על סיבות היסטוריות וכלכליות ולא טכנולוגיות. שתיהם בעלי יתרונות וחסרונות בהתאם לגורמים שונים כגון כוח, גודל, אבדות, הרמוניות, וכו'. תדר מערכת החשמל מבוקר בדרכים שונות כגון TEC, LFC, ROCOF ורעש청licable כדי לוודא יציבות ובטיחות מערכות החשמל וביצוע ופעולת מכשירים חשמליים וציוד.
Statement: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.
