Zašto koristimo frekvenciju od 50 Hz ili 60 Hz za električne sustave

Strujački sustav je mreža električnih komponenti koje proizvode, prenose i distribuiraju struju krajnjim korisnicima. Strujački sustav radi na određenoj frekvenciji, koja predstavlja broj ciklusa po sekundi nastavne struje (AC) napona i struje. Najčešće korištene frekvencije za strujačke sustave su 50 Hz i 60 Hz, ovisno o regiji svijeta. Ali zašto upravo te frekvencije, a ne druge? Koji su prednosti i nedostaci različitih frekvencija? I kako su te frekvencije postale standardizirane? Ovaj članak će odgovoriti na te pitanja i objasniti povijest i tehničke aspekte frekvencije strujačkog sustava.

Što je Frekvencija Strujačkog Sustava?

Frekvencija strujačkog sustava definira se kao stopa promjene faze kutne AC napona ili struje. Mjeri se u hercima (Hz), što je jednako jednom ciklusu po sekundi. Frekvencija strujačkog sustava ovisi o brzini rotacije generatora koji proizvode AC napon. Što brže se generatori vrti, to je veća frekvencija. Frekvencija također utječe na performanse i dizajn raznih električnih uređaja i opreme koji koriste ili proizvode struju.

Kako Su Nastale Frekvencije od 50 Hz i 60 Hz?

Izbor frekvencija od 50 Hz ili 60 Hz za strujačke sustave temelji se više na povijesnim i ekonomskim faktorima nego na jakim tehničkim razlogima. U kasnom 19. i ranom 20. stoljeću, kada su se razvijali komercijalni električni sustavi, nije bilo standardizacije frekvencije ili napona. Različite regije i zemlje koristile su različite frekvencije koje su se krele od 16.75 Hz do 133.33 Hz, ovisno o lokalnim preferencama i potrebama. Neke od faktora koji su utjecali na izbor frekvencije bili su:

• Osjetljivost svjetla: Niže frekvencije dovodile su do vidljivog treperenja u svjetiljkama s žicama i lučnim svjetiljkama, koje su se široko koristile za osvetljenje tada. Više frekvencije smanjuje treperenje i poboljšava kvalitetu svjetla.

• Rotacijska mašina: Više frekvencije omogućivale su manje i lagane motore i generatore, što je smanjilo troškove materijala i prijevoza. Međutim, više frekvencije su također povećale gubitke i zagrijavanje u rotacijskim mašinama, što je smanjilo učinkovitost i pouzdanost.

• Prenos i transformatori: Više frekvencije povećavale su impedanciju prenosnih linija i transformatora, što je smanjilo mogućnost prenosa snage i povećalo pad napona. Niže frekvencije omogućivale su duže udaljenosti prenosa i niže gubitke.

• Interkonekcija sustava: Interkonekcija strujačkih sustava s različitim frekvencijama zahtijevala je složene i skuplje pretvarače ili sinhronizatore. Zajednička frekvencija olakšavala je integraciju i koordinaciju sustava.

Kako su se strujački sustavi proširivali i interkonektirali, nastao je potreba za standardizacijom frekvencije kako bi se smanjila složenost i povećala kompatibilnost. Međutim, postojala je i rivaliteta između različitih proizvođača i regija koje su želele održati svoje standarde i monopole. To je dovelo do podjele na dvije glavne grupe: jedna koja je usvojila 50 Hz kao standardnu frekvenciju, uglavnom u Europi i Aziji, a druga koja je usvojila 60 Hz kao standardnu frekvenciju, uglavnom u Sjevernoj Americi i dijelovima Latinske Amerike. Japan je bio izuzetak koji je koristio oba frekvencijska: 50 Hz u istočnom Japanu (uključujući Tokyo) i 60 Hz u zapadnom Japanu (uključujući Osaka).

Koji su Prednosti i Nedostaci Različitih Frekvencija?

Ne postoji jasan prednost ili nedostatak u korištenju frekvencija od 50 Hz ili 60 Hz za strujačke sustave, jer obe frekvencije imaju svoje prednosti i nedostatke ovisno o različitim faktorima. Neki od prednosti i nedostataka su:

• Snaga: Sustav od 60 Hz ima 20% više snage od sustava od 50 Hz za isti napon i struju. To znači da strojevi i motori koji rade na 60 Hz mogu raditi brže ili proizvesti više izlaza od onih koji rade na 50 Hz. Međutim, to također znači da strojevi i motori koji rade na 60 Hz mogu zahtijevati više hlađenja ili zaštite od onih koji rade na 50 Hz.

• Veličina: Viša frekvencija omogućuje manje i lagane električne uređaje i opremu, jer smanjuje veličinu magnetnih jezgra u transformatorima i motorima. To može smanjiti prostor, materijal i troškove prijevoza. Međutim, to također znači da uređaji s višom frekvencijom mogu imati nižu izolacijsku čvrstoću ili veće gubitke od uređaja s nižom frekvencijom.

   

• Gubitci: Viša frekvencija povećava gubitke u električnim uređajima i opremi zbog skin efekta, strujica indukcije, histereza, dielektričko zagrijavanje itd. Ovi gubitci smanjuju učinkovitost i povećavaju zagrijavanje u električnim uređajima i opremi. Međutim, ovi gubitci mogu se smanjiti korištenjem pravilnih dizajnerskih tehnika poput laminiranja, štitnica, hlađenja itd.

• Harmonici: Viša frekvencija proizvodi više harmonika od niže frekvencije. Harmonici su višestruki fundamentalne frekvencije koja može uzrokovati distorziju, interferenciju, rezonanciju itd. u električnim uređajima i opremi. Harmonici mogu smanjiti kvalitetu i pouzdanost snage u strujačkim sustavima. Međutim, harmonici se mogu smanjiti korištenjem filtra, kompenzatora, pretvarača itd.

Kako Se Kontrolira Frekvencija Strujačkog Sustava?

Frekvencija strujačkog sustava kontrolira se uskladivanjem ponude (proizvodnje) i potražnje (opterećenja) struje u stvarnom vremenu. Ako ponuda premaši potražnju, frekvencija se povećava; ako potražnja premaši ponudu, frekvencija se smanjuje. Odstupanja frekvencije mogu utjecati na stabilnost i sigurnost strujačkih sustava, kao i na performanse i operacije električnih uređaja i opreme.

Za održavanje frekvencije unutar prihvatljivih granica (obično ±0,5% oko nominalne vrijednosti), strujački sustavi koriste različite metode poput:

• Korekcija greške vremena (TEC): Ova je metoda za prilagodbu brzine generatora periodično kako bi se ispravila bilo kakva akumulirana greška vremena zbog odstupanja frekvencije tijekom dugo vremena. Na primjer, ako je frekvencija ispod nominalne vrijednosti dugo vremena (npr., zbog visokog opterećenja), generatori će malo ubrzati kako bi nadoknadili izgubljeno vrijeme.

• Kontrola opterećenja-frekvencije (LFC): Ova je metoda za automatsku prilagodbu izlaza generatora kako bi se podudarao s bilo kakvim promjenama u opterećenju unutar određene područne zone (npr., države ili zemlje). Na primjer, ako se opterećenje naglo poveća (npr., zbog uključivanja uređaja), generatori će povećati svoj izlaz u skladu s tim kako bi održali frekvenciju.

• Brzina promjene frekvencije (ROCOF): Ova je metoda za detekciju bilo kakvih naglih ili velikih promjena frekvencije zbog ometanja poput grešaka ili izbijanja u strujačkim sustavima. Na primjer, ako se veliki generator neočekivano isključi (npr., zbog greške), ROCOF će pokazati koliko se brzo frekvencija mijenja zbog tog događaja.

• Čujni zvuk: Ovo je čujna indikacija bilo kakvih promjena frekvencije zbog mehaničkih vibracija u električnim uređajima i opremi poput transformatora ili motora. Na primjer, ako se frekvencija malo poveća (npr., zbog niskog opterećenja), neki uređaji mogu proizvesti viši ton od normalnog.

Zaključak

Frekvencija strujačkog sustava je važan parametar koji utječe na proizvodnju, prenos, distribuciju i potrošnju struje. Izbor frekvencije od 50 Hz ili 60 Hz za strujačke sustave temelji se na povijesnim i ekonomskim razlozima umjesto tehničkim. Obje frekvencije imaju svoje prednosti i nedostatke ovisno o različitim faktorima poput snage, veličine, gubitaka, harmonika itd. Frekvencija strujačkog sustava kontrolira se različitim metodama poput TEC, LFC, ROCOF i čujnog zvuka kako bi se osigurala stabilnost i pouzdanost strujačkih sustava, kao i performanse i operacije električnih uređaja i opreme.

Izjava: Poštovanje originala, dobre članke vrijede dijeliti, ako postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.