Kāpēc mēs izmantojam 50 Hz vai 60 Hz dažādo enerģijas sistēmu frekvenci?
Elektroenerģijas sistēma ir elektrisko komponentu tīkls, kas ģenerē, pārnes un sadala elektroenerģiju galapieņēmējiem. Elektroenerģijas sistēma darbojas noteiktā frekvencē, kas ir maiņstrāvas (AC) sprieguma un strāvas ciklu skaits sekundē. Visbiežāk izmantotās frekvences elektroenerģijas sistēmām atkarībā no pasaules reģiona ir 50 Hz un 60 Hz. Bet kāpēc mēs izmantojam šīs frekvences, nevis citas? Kādi ir dažādu frekvences priekšrocības un trūkumi? Un kā šīs frekvences kļuva par standarta? Šajā rakstā tiek atbildēts uz šiem jautājumiem un izskaidrotas elektroenerģijas sistēmas frekvences vēsturiskās un tehniskās aspekti.
Kāda ir elektroenerģijas sistēmas frekvence?
Elektroenerģijas sistēmas frekvence definēta kā maiņstrāvas (AC) sprieguma vai strāvas fāzes leņķa maiņas ātrums. Tā mērīta herca (Hz) vienībā, kas atbilst vienam ciklam sekundē. Sistēmas frekvence atkarīga no ģeneratoru rotācijas ātruma, kas ražo maiņstrāvu. Jo ātrāk rotē ģeneratori, jo augstāka ir frekvence. Frekvence arī ietekmē dažādu elektrisko ierīču un aprīkojumu veiktspēju un dizainu, kas izmanto vai ražo elektroenerģiju.
Kā radās 50 Hz un 60 Hz frekvences?
Izvēle starp 50 Hz vai 60 Hz frekvenci elektroenerģijas sistēmām balstīta nevis uz stipriem tehniskiem apsvērumiem, bet gan uz vēsturiskajiem un ekonomiskajiem faktoriem. Pēdējos 19. un sākumā 20. gadsimtā, kad tika attīstītas komerciālas elektroenerģijas sistēmas, nebija standartizētas frekvences vai sprieguma. Dažādi reģioni un valstis izmantoja dažādas frekvences, kas atlikās no 16.75 Hz līdz 133.33 Hz, atkarībā no to vietējām preferencēm un vajadzībām. Daži no faktoriem, kas ietekmēja frekvences izvēli, bija:
Apgaismošana: Zemas frekvences izraisīja uztveramu mirgošanu inkandescentos lampās un loksnes lampās, kas plaši izmantotas apgaismošanai tajā laikā. Augstākas frekvences samazināja mirgošanu un uzlaboja apgaismošanas kvalitāti.
Rotējošās mašīnas: Augstākas frekvences ļāva izmantot mazākas un vieglākas dzinējus un ģeneratorus, kas samazināja materiālu un transporta izmaksas. Tomēr, augstākas frekvences arī palielināja zudumus un siltumu rotējošajās mašīnās, kas samazināja efektivitāti un uzticamību.
Pārnesums un transformatori: Augstākas frekvences palielināja pārnesuma līniju un transformatoru impedanci, kas samazināja enerģijas pārnesešanas spēju un palielināja sprieguma pazemināšanos. Zemas frekvences ļāva ilgākus pārnesuma attālumus un mazākas zudumu.
Sistēmu savienojums: Savienojot elektroenerģijas sistēmas ar dažādām frekvencēm, nepieciešami sarežģīti un dārgi konverteri vai sinhronizētāji. Kopīga frekvence palīdzēja sistemām integrēties un koordinēties.
Kā elektroenerģijas sistēmas paplašinājās un savienojās, radās vajadzība pēc frekvences standartizācijas, lai samazinātu sarežģītību un palielinātu saderību. Tomēr, bija arī konkurence starp dažādiem ražotājiem un reģioniem, kas vēlējās saglabāt savus standartus un monopolus. Tas vedēja pie sadalījuma starp diviem galvenajiem grupām: viena, kas pieņēma 50 Hz kā standarta frekvenci, galvenokārt Eiropā un Āzijā, un otra, kas pieņēma 60 Hz kā standarta frekvenci, galvenokārt Ziemeļamerikā un dažās Dienvidamerikas daļās. Japāna bija izņēmums, kas izmantoja abas frekvences: 50 Hz austrumos (ieskaitot Tokiju) un 60 Hz rietumos (ieskaitot Oszaku).
Kādas ir dažādu frekvences priekšrocības un trūkumi?
Nav skaidras priekšrocības vai trūkuma, izmantojot 50 Hz vai 60 Hz frekvenci elektroenerģijas sistēmā, jo abi frekvences ir savas priekšrocības un trūkumi, atkarībā no dažādiem faktoriem. Dažas no priekšrocībām un trūkumiem ir:
Jauda: 60 Hz sistēma ir 20% spēcīgāka nekā 50 Hz sistēma ar to pašu spriegumu un strāvu. Tas nozīmē, ka mašīnas un dzinēji, kas darbojas 60 Hz, var strādāt ātrāk vai producēt lielāku iznākumu nekā tiem, kas darbojas 50 Hz. Tomēr, tas arī nozīmē, ka mašīnas un dzinēji, kas darbojas 60 Hz, var nepieciešamāk sildīšanu vai aizsardzību nekā tiem, kas darbojas 50 Hz.
Izmērs: Augstāka frekvence ļauj mazākām un vieglākām elektriskām ierīcēm un aprīkojumam, jo tā samazina magnētiskās kodolu izmērus transformatoros un dzinējos. Tas var ietaupīt telpu, materiālus un transporta izmaksas. Tomēr, tas arī nozīmē, ka augstfrekvences ierīces varētu būt ar zemāku izolācijas stiprumu vai augstākiem zudumiem nekā zemfrekvences ierīces.
Zudumi: Augstāka frekvence palielinās zudumus elektriskās ierīcēs un aprīkojumā, dēļ ādas efekta, edīkstrāvu, histerezes, dielektriskā sildīšanās utt. Šie zudumi samazina efektivitāti un palielinā strādājošo elektrisko ierīču un aprīkojuma siltumu. Tomēr, šie zudumi var tikt minimizēti, izmantojot pareizas dizaina tehnikas, piemēram, lamināciju, aizsargāšanu, sildīšanu utt.
Harmoniskie: Augstāka frekvence rada vairāk harmonisku nekā zemāka frekvence. Harmoniskie ir fundamentālās frekvences daudzkārtņi, kas var izraisīt deformācijas, interferenci, rezonansi utt., elektriskās ierīcēs un aprīkojumā. Harmoniskie var samazināt enerģijas kvalitāti un uzticamību elektroenerģijas sistēmās. Tomēr, harmoniskie var tikt mazināti, izmantojot filtres, kompensatorus, konverterus utt.
Kā kontrolēta elektroenerģijas sistēmas frekvence?
Elektroenerģijas sistēmas frekvence kontrolēta, balansējot elektroenerģijas piedāvājumu (ģenerāciju) un pieprasījumu (slodzi) reāllaikā. Ja piedāvājums pārsniedz pieprasījumu, frekvence palielinās; ja pieprasījums pārsniedz piedāvājumu, frekvence samazinās. Frekvences novirzes var ietekmēt elektroenerģijas sistēmu stabilitāti un drošību, kā arī elektriskās ierīces un aprīkojuma veiktspēju un darbību.
Lai uzturētu frekvenci pieņemamās robežās (parasti ±0.5% no nominālās vērtības), elektroenerģijas sistēmas izmanto dažādas metodes, piemēram:
Laika kļūdas labošana (TEC): Tas ir metode, lai periodiski pielāgotu ģeneratoru ātrumu, lai labotu ikvienas laika kļūdas, kas radušās dēļ frekvences novirzēm garā laika posmā. Piemēram, ja frekvence ir zemāka par nominālo ilgu laiku (piemēram, dēļ liela slodzes), ģeneratori īsumā paātrinās, lai kompensētu zaudēto laiku.
Slodzes-frekvences kontrole (LFC): Tas ir metode, lai automātiski pielāgotu ģeneratoru iznākumu, lai atbilstu jebkādām slodzes izmaiņām noteiktā teritorijā vai zonā (piemēram, valsts vai valsts). Piemēram, ja slodze palielinās negaidīti (piemēram, dēļ ierīču iejungšanas), ģeneratori palielinās savu iznākumu, lai uzturētu frekvenci.
Frekvences maiņas ātrums (ROCOF): Tas ir metode, lai uztvertu jebkādas negaidītas vai lielas frekvences izmaiņas dēļ elektroenerģijas sistēmas traucējumiem, piemēram, defektu vai izbeigšanas notikumiem. Piemēram, ja liels ģeneratoris negaidīti izslēdzas (piemēram, dēļ defekta), ROCOF norādīs, cik ātri mainās frekvence dēļ šī notikuma.
Audarbais troksnis: Tas ir audarbais indikators jebkādām frekvences izmaiņām dēļ mehāniskām vibrācijām elektriskās ierīcēs un aprīkojumā, piemēram, transformatoros vai dzinējos. Piemēram, ja frekvence palielinās nedaudz (piemēram, dēļ zemas slodzes), dažas ierīces var radīt augstāku toni nekā parasti.
Secinājums
Elektroenerģijas sistēmas frekvence ir svarīgs parametrs, kas ietekmē elektroenerģijas ģenerēšanu, pārnesumu, sadali un patēriņu. Izvēle starp 50 Hz vai 60 Hz frekvenci elektroenerģijas sistēmām balstīta uz vēsturiskajiem un ekonomiskajiem apsvērumiem, nevis tehniskajiem. Abas frekvences ir savas priekšrocības un trūkumi, atkarībā no dažādiem faktoriem, piemēram, jauda, izmērs, zudumi, harmoniskie utt. Elektroenerģijas sistēmas frekvence kontrolēta, izmantojot dažādas metodes, piemēram, TEC, LFC, ROCOF un audarbais troksnis, lai nodrošinātu elektroenerģijas sistēmu stabilitāti un uzticamību, kā arī elektriskās ierīces un aprīkojuma veiktspēju un darbību.
Paziņojums: Cienīsim originālo, labi raksti vērts dalīšanai, ja ir autopārkā lūdzu sazinieties ar mums.
