Perché Utilizziamo una Frequenza di 50 Hz o 60 Hz nei Sistemi Elettrici

Un sistema elettrico è una rete di componenti elettrici che generano, trasmettono e distribuiscono elettricità agli utenti finali. Il sistema elettrico funziona ad una certa frequenza, che è il numero di cicli al secondo della corrente alternata (CA) tensione e corrente. Le frequenze più comuni utilizzate per i sistemi elettrici sono 50 Hz e 60 Hz, a seconda della regione del mondo. Ma perché usiamo queste frequenze e non altre? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle diverse frequenze? E come queste frequenze sono diventate standardizzate? Questo articolo risponderà a queste domande e spiegherà la storia e gli aspetti tecnici della frequenza dei sistemi elettrici.

Cos'è la frequenza del sistema elettrico?

La frequenza del sistema elettrico è definita come il tasso di variazione dell'angolo di fase della tensione o corrente CA. È misurata in hertz (Hz), che è uguale a un ciclo al secondo. La frequenza di un sistema elettrico dipende dalla velocità di rotazione dei generatori che producono la tensione CA. Più veloci sono i generatori, più alta sarà la frequenza. La frequenza influenza anche le prestazioni e la progettazione di vari dispositivi e apparecchiature elettriche che utilizzano o producono elettricità.

Come sono emerse le frequenze 50 Hz e 60 Hz?

La scelta di utilizzare frequenze di 50 Hz o 60 Hz per i sistemi elettrici non si basa su ragioni tecniche forti, ma piuttosto su fattori storici ed economici. Alla fine del XIX secolo e all'inizio del XX secolo, quando venivano sviluppati i sistemi elettrici commerciali, non c'era alcuna standardizzazione della frequenza o della tensione. Diverse regioni e paesi utilizzavano frequenze diverse, comprese tra 16,75 Hz e 133,33 Hz, a seconda delle loro preferenze e necessità locali. Alcuni dei fattori che hanno influenzato la scelta della frequenza erano:

• Illuminazione: le frequenze inferiori causavano un lampeggio percettibile nelle lampade a incandescenza e lampade ad arco, ampiamente utilizzate per l'illuminazione all'epoca. Frequenze superiori riducevano il lampeggio e miglioravano la qualità dell'illuminazione.

• Macchine rotanti: le frequenze superiori permettevano motori e generatori più piccoli e leggeri, riducendo i costi di materiali e trasporto. Tuttavia, le frequenze superiori aumentavano anche le perdite e il riscaldamento nelle macchine rotanti, riducendo l'efficienza e la affidabilità.

• Trasmissione e trasformatori: le frequenze superiori aumentavano l'impedenza delle linee di trasmissione e dei trasformatori, riducendo la capacità di trasferimento di potenza e aumentando il calo di tensione. Le frequenze inferiori permettevano distanze di trasmissione più lunghe e perdite inferiori.

• Interconnessione del sistema: interconnettere sistemi elettrici con frequenze diverse richiedeva convertitori o sincronizzatori complessi e costosi. Avere una frequenza comune facilitava l'integrazione e la coordinazione del sistema.

Con l'espansione e l'interconnessione dei sistemi elettrici, c'era bisogno di standardizzare la frequenza per ridurre la complessità e aumentare la compatibilità. Tuttavia, c'era anche una rivalità tra diversi produttori e regioni che volevano mantenere i propri standard e monopolii. Ciò ha portato a una divisione tra due gruppi principali: uno che ha adottato 50 Hz come frequenza standard, principalmente in Europa e Asia, e un altro che ha adottato 60 Hz come frequenza standard, principalmente in Nord America e in parti dell'America Latina. Il Giappone era un'eccezione che utilizzava entrambe le frequenze: 50 Hz nella parte orientale del Giappone (compresa Tokyo) e 60 Hz nella parte occidentale (compresa Osaka).

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle diverse frequenze?

Non c'è un chiaro vantaggio o svantaggio nell'utilizzo di frequenze di 50 Hz o 60 Hz per i sistemi elettrici, poiché entrambe le frequenze hanno i loro pro e contro a seconda di vari fattori. Alcuni dei vantaggi e degli svantaggi sono:

• Potenza: un sistema a 60 Hz ha 20% di potenza in più rispetto a un sistema a 50 Hz per la stessa tensione e corrente. Ciò significa che macchine e motori che funzionano a 60 Hz possono funzionare più velocemente o produrre maggiore output rispetto a quelli che funzionano a 50 Hz. Tuttavia, ciò significa anche che macchine e motori che funzionano a 60 Hz potrebbero necessitare di maggior raffreddamento o protezione rispetto a quelli che funzionano a 50 Hz.

• Dimensioni: una frequenza superiore consente dispositivi e apparecchiature elettriche più piccoli e leggeri, in quanto riduce la dimensione dei nuclei magnetici nei trasformatori e nei motori. Questo può risparmiare spazio, materiale e costi di trasporto. Tuttavia, ciò significa anche che i dispositivi a frequenza superiore possono avere una resistenza isolante inferiore o perdite superiori rispetto ai dispositivi a frequenza inferiore.

   

• Perdite: una frequenza superiore aumenta le perdite nei dispositivi e apparecchiature elettriche a causa degli effetti di pelle, correnti indotte, isteresi, riscaldamento dielettrico, ecc. Queste perdite riducono l'efficienza e aumentano il riscaldamento nei dispositivi e apparecchiature elettriche. Tuttavia, queste perdite possono essere minime grazie a tecniche di progettazione appropriate come laminazione, schermatura, raffreddamento, ecc.

• Armoniche: una frequenza superiore produce più armoniche rispetto a una frequenza inferiore. Le armoniche sono multipli della frequenza fondamentale che possono causare distorsione, interferenza, risonanza, ecc., nei dispositivi e apparecchiature elettriche. Le armoniche possono ridurre la qualità e l'affidabilità del potere nei sistemi elettrici. Tuttavia, le armoniche possono essere mitigate utilizzando filtri, compensatori, convertitori, ecc.

Come viene controllata la frequenza del sistema elettrico?

La frequenza del sistema elettrico è controllata bilanciando l'offerta (generazione) e la domanda (carico) di elettricità in tempo reale. Se l'offerta supera la domanda, la frequenza aumenta; se la domanda supera l'offerta, la frequenza diminuisce. Le deviazioni di frequenza possono influire sulla stabilità e sicurezza dei sistemi elettrici, nonché sulle prestazioni e sull'operatività dei dispositivi e apparecchiature elettriche.

Per mantenere la frequenza entro limiti accettabili (di solito ±0,5% intorno al valore nominale), i sistemi elettrici utilizzano vari metodi come:

• Correzione dell'errore temporale (TEC): questo è un metodo per regolare periodicamente la velocità dei generatori per correggere eventuali errori temporali accumulati a causa di deviazioni di frequenza nel corso di un lungo periodo. Ad esempio, se la frequenza è inferiore al nominale per un lungo periodo (ad esempio, a causa di un carico elevato), i generatori accelereranno leggermente per recuperare il tempo perduto.

• Controllo carico-frequenza (LFC): questo è un metodo per regolare automaticamente l'uscita dei generatori per adeguarla a eventuali cambiamenti di carico all'interno di una certa area o zona (ad esempio, uno stato o un paese). Ad esempio, se il carico aumenta improvvisamente (ad esempio, a causa dell'accensione di elettrodomestici), i generatori aumenteranno la loro uscita di conseguenza per mantenere la frequenza.

• Tasso di variazione della frequenza (ROCOF): questo è un metodo per rilevare eventuali cambiamenti improvvisi o significativi della frequenza a causa di disturbi come guasti o interruzioni nei sistemi elettrici. Ad esempio, se un grande generatore si disconnette inaspettatamente (ad esempio, a causa di un guasto), il ROCOF indicherà quanto rapidamente la frequenza sta cambiando a causa di questo evento.

• Rumore udibile: questa è un'indicazione udibile di eventuali cambiamenti di frequenza a causa di vibrazioni meccaniche nei dispositivi e apparecchiature elettriche come trasformatori o motori. Ad esempio, se la frequenza aumenta leggermente (ad esempio, a causa di un carico basso), alcuni dispositivi potrebbero produrre un suono più acuto del normale.

Conclusione

La frequenza del sistema elettrico è un parametro importante che influenza la generazione, la trasmissione, la distribuzione e il consumo di elettricità. La scelta di utilizzare frequenze di 50 Hz o 60 Hz per i sistemi elettrici si basa su ragioni storiche ed economiche piuttosto che tecniche. Entrambe le frequenze hanno i loro vantaggi e svantaggi a seconda di vari fattori come potenza, dimensioni, perdite, armoniche, ecc. La frequenza del sistema elettrico è controllata attraverso vari metodi come TEC, LFC, ROCOF e rumore udibile per garantire la stabilità e l'affidabilità dei sistemi elettrici e le prestazioni e l'operatività dei dispositivi e apparecchiature elettriche.

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