なぜ電力システムでは50 Hzまたは60 Hzの周波数を使用するのか
電力システムとは、電力を生成し、送電し、最終消費者に分配する電気部品のネットワークです。電力システムは特定の周波数で動作します。これは交流（AC）電圧と電流の1秒あたりの周期数を表します。世界の地域によって最も一般的に使用される電力システムの周波数は50 Hzと60 Hzです。しかし、なぜこれらの周波数を使用するのか、他の周波数ではなく？異なる周波数にはどのような利点と欠点があるのか？そして、どのようにしてこれらの周波数が標準化されたのでしょうか？この記事では、これらの質問に対する答えと、電力システムの周波数に関する歴史的および技術的な側面を説明します。
電力システムの周波数とは
電力システムの周波数は、交流電圧または電流の位相角の変化率として定義されます。これはヘルツ（Hz）で測定され、1秒あたりの周期数に等しいです。電力システムの周波数は、交流電圧を生成する発電機の回転速度によって決まります。発電機の回転が速いほど、周波数も高くなります。また、周波数は電力を使用または生成するさまざまな電気機器や装置の性能や設計にも影響を与えます。
50 Hzと60 Hzの周波数はどのように生まれたか
電力システムで50 Hzまたは60 Hzの周波数を選択する基準は、強力な技術的理由ではなく、歴史的および経済的理由に基づいています。19世紀末から20世紀初頭にかけて、商業的な電力システムが開発された際には、周波数や電圧の標準化はありませんでした。異なる地域や国では、地域の好みや必要性に基づいて16.75 Hzから133.33 Hzまでの異なる周波数を使用していました。周波数の選択に影響を与えたいくつかの要因は以下の通りです：
照明：低い周波数は当時広く使用されていた白熱電球やアークライトで目立つちらつきを引き起こしました。高い周波数はちらつきを減らし、照明の品質を向上させました。
回転機：高い周波数により、モーターや発電機が小型軽量化され、材料費や輸送費が削減されました。しかし、高い周波数は回転機での損失と加熱を増大させ、効率と信頼性を低下させました。
送電とトランスフォーマー：高い周波数は送電線とトランスフォーマーのインピーダンスを増大させ、送電能力を低下させ、電圧降下を増大させました。低い周波数は長い送電距離と低い損失を可能にしました。
システムの相互接続：異なる周波数の電力システムを相互接続するには複雑で高価なコンバーターや同期装置が必要です。共通の周波数を持つことはシステム統合と調整を容易にしました。
電力システムが拡大し相互接続されるにつれて、複雑さを減らし互換性を高めるために周波数の標準化が必要となりました。しかし、異なるメーカーや地域が自らの標準と独占を維持したいという競争もありました。これにより、主にヨーロッパとアジアで50 Hzを標準周波数としたグループと、主に北米とラテンアメリカの一部で60 Hzを標準周波数としたグループとに分かれました。日本は例外的に東日本（東京を含む）で50 Hz、西日本（大阪を含む）で60 Hzを使用しています。
異なる周波数の利点と欠点とは
50 Hzまたは60 Hzの周波数を使用する電力システムには明確な優劣はなく、両方の周波数には様々な要因による長所と短所があります。いくつかの利点と欠点は以下の通りです：
出力：同じ電圧と電流で、60 Hzのシステムは50 Hzのシステムよりも20%多くの出力を提供します。つまり、60 Hzで動作する機械やモーターは50 Hzで動作するものよりも速く動いたり、より多くの出力を生み出すことができます。しかし、これには60 Hzで動作する機械やモーターが冷却や保護をより多く必要とする可能性があります。
サイズ：高い周波数により、トランスフォーマーやモーターの磁心のサイズが小さくなり、電気機器や装置が小型軽量化されます。これによりスペース、材料、輸送コストが節約できます。しかし、これには高い周波数の装置が低い周波数の装置よりも絶縁強度が低いか、損失が大きくなる可能性があります。
損失：高い周波数は皮膜効果、渦電流、ヒステリシス、誘電体加熱などにより、電気機器や装置での損失を増大させます。これらの損失は効率を低下させ、電気機器や装置の加熱を増大させます。しかし、これらの損失は層状構造、シールド、冷却などの適切な設計技術によって最小限に抑えることができます。
高調波：高い周波数は低い周波数よりも多くの高調波を生み出します。高調波は基本周波数の倍数であり、電気機器や装置での歪み、干渉、共振などを引き起こす可能性があります。高調波は電力システムの品質と信頼性を低下させます。しかし、高調波はフィルタ、補償器、コンバーターなどの使用によって緩和することができます。
電力システムの周波数はどのように制御されるか
電力システムの周波数は、電力の供給（発電）と需要（負荷）をリアルタイムでバランスさせることで制御されます。供給が需要を上回ると周波数は上昇し、需要が供給を上回ると周波数は下降します。周波数の偏差は電力システムの安定性と安全性、ならびに電気機器や装置の性能と動作に影響を与える可能性があります。
周波数を許容範囲内（通常は名目値の±0.5%以内）に保つために、電力システムでは以下の方法を使用します：
時間誤差補正（TEC）：これは、長期にわたる周波数偏差による累積した時間誤差を定期的に補正するために発電機の速度を調整する方法です。例えば、負荷が高いことにより長期間にわたって周波数が名目値以下の場合、発電機は少し速度を上げて失われた時間を補います。
負荷周波数制御（LFC）：これは、あるエリアやゾーン（例えば州や国）内の負荷の変化に対応して自動的に発電機の出力を調整する方法です。例えば、負荷が突然増加した場合（例えば家電製品のスイッチオン）、発電機はそれに応じて出力を増加させ周波数を維持します。
周波数変化率（ROCOF）：これは、障害や停電などの原因による電力システムでの突然または大きな周波数変化を検出する方法です。例えば、予期せずに大容量の発電機が停止した場合（例えば障害により）、ROCOFはこのイベントによる周波数の変化率を示します。
可聴ノイズ：これは、トランスフォーマーやモーターなどの電気機器や装置の機械振動による周波数の変化を音で示す方法です。例えば、負荷が低いことにより周波数がわずかに上昇すると、一部の装置は通常よりも高い音程の音を発することがあります。
結論
電力システムの周波数は、電力の生成、送電、配電、消費に影響を与える重要なパラメータです。電力システムの周波数が50 Hzまたは60 Hzであるのは、技術的理由ではなく歴史的および経済的理由に基づいています。両方の周波数には、出力、サイズ、損失、高調波などの様々な要因による長所と短所があります。電力システムの周波数は、TEC、LFC、ROCOF、可聴ノイズなどの方法を使用して制御され、電力システムの安定性と信頼性、ならびに電気機器や装置の性能と動作を確保します。
声明：原文を尊重し、良い記事は共有すべきです。著作権侵害がある場合は、削除をお願いします。
