Mengapa Kita Menggunakan Frekuensi 50 Hz atau 60 Hz untuk Sistem Tenaga?

Sistem kuasa adalah rangkaian komponen elektrik yang menghasilkan, mentransmisikan, dan mendistribusikan elektrik kepada pengguna akhir. Sistem kuasa beroperasi pada frekuensi tertentu, yang merupakan bilangan siklus per saat arus alternatif (AC) voltan dan arus. Frekuensi yang paling biasa digunakan untuk sistem kuasa adalah 50 Hz dan 60 Hz, bergantung pada kawasan di dunia. Tetapi mengapa kita menggunakan frekuensi ini dan bukan yang lain? Apakah kelebihan dan kekurangan frekuensi yang berbeza? Dan bagaimana frekuensi ini menjadi piawai? Artikel ini akan menjawab soalan-soalan ini dan menerangkan sejarah dan aspek teknikal frekuensi sistem kuasa.

Apa itu Frekuensi Sistem Kuasa?

Frekuensi sistem kuasa ditakrifkan sebagai kadar perubahan sudut fasa voltan atau arus AC. Ia diukur dalam hertz (Hz), yang sama dengan satu siklus per saat. Frekuensi sistem kuasa bergantung pada kelajuan putaran generator yang menghasilkan voltan AC. Semakin cepat generator berputar, semakin tinggi frekuensinya. Frekuensi juga mempengaruhi prestasi dan reka bentuk pelbagai peranti dan peralatan elektrik yang menggunakan atau menghasilkan elektrik.

Bagaimana Frekuensi 50 Hz dan 60 Hz Muncul?

Pilihan frekuensi 50 Hz atau 60 Hz untuk sistem kuasa tidak didasarkan pada sebab teknikal yang kuat tetapi lebih kepada faktor sejarah dan ekonomi. Pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, apabila sistem kuasa elektrik komersial sedang dikembangkan, tiada standardisasi frekuensi atau voltan. Kawasan dan negara yang berbeza menggunakan frekuensi yang berbeza dari 16.75 Hz hingga 133.33 Hz, bergantung pada preferensi dan keperluan tempatan mereka. Beberapa faktor yang mempengaruhi pilihan frekuensi adalah:

• Pencahayaan: Frekuensi yang rendah menyebabkan kedipan yang ketara pada lampu pijar dan lampu busur, yang secara meluas digunakan untuk pencahayaan pada masa itu. Frekuensi yang lebih tinggi mengurangkan kedipan dan meningkatkan kualiti pencahayaan.

• Mesin berputar: Frekuensi yang lebih tinggi membolehkan motor dan generator yang lebih kecil dan ringan, yang mengurangkan kos bahan dan pengangkutan. Namun, frekuensi yang lebih tinggi juga meningkatkan kerugian dan pemanasan dalam mesin berputar, yang mengurangkan kecekapan dan kebolehpercayaan.

• Transmisi dan transformer: Frekuensi yang lebih tinggi meningkatkan impedansi laluan transmisi dan transformer, yang mengurangkan kapabiliti pemindahan kuasa dan meningkatkan jatuh voltan. Frekuensi yang lebih rendah membolehkan jarak transmisi yang lebih panjang dan kerugian yang lebih rendah.

• Hubungan sistem: Menghubungkan sistem kuasa dengan frekuensi yang berbeza memerlukan konverter atau sinkronisator yang kompleks dan mahal. Memiliki frekuensi yang sama memudahkan integrasi dan koordinasi sistem.

Seiring dengan perkembangan dan hubungan sistem kuasa, ada keperluan untuk standardisasi frekuensi untuk mengurangkan kekompleksan dan meningkatkan keserasian. Namun, terdapat juga persaingan antara pembuat yang berbeza dan kawasan yang ingin mengekalkan standard dan monopoli mereka sendiri. Ini menyebabkan pecahan antara dua kumpulan utama: satu yang mengambil 50 Hz sebagai frekuensi standard, kebanyakannya di Eropah dan Asia, dan yang lain mengambil 60 Hz sebagai frekuensi standard, kebanyakannya di Amerika Utara dan sebahagian Latin Amerika. Jepun adalah pengecualian yang menggunakan kedua-dua frekuensi: 50 Hz di timur Jepun (termasuk Tokyo) dan 60 Hz di barat Jepun (termasuk Osaka).

Apakah Kelebihan dan Kekurangan Frekuensi yang Berbeza?

Tiada kelebihan atau kekurangan yang jelas dalam menggunakan frekuensi 50 Hz atau 60 Hz untuk sistem kuasa, kerana kedua-dua frekuensi mempunyai kelebihan dan kekurangan mereka sendiri bergantung pada pelbagai faktor. Beberapa kelebihan dan kekurangan adalah:

• Kuasa: Sistem 60 Hz mempunyai 20% lebih banyak kuasa daripada sistem 50 Hz untuk voltan dan arus yang sama. Ini bermaksud bahawa mesin dan motor yang berjalan pada 60 Hz boleh berjalan lebih pantas atau menghasilkan output yang lebih tinggi daripada yang berjalan pada 50 Hz. Namun, ini juga bermaksud bahawa mesin dan motor yang berjalan pada 60 Hz mungkin memerlukan pendinginan atau perlindungan yang lebih banyak daripada yang berjalan pada 50 Hz.

• Saiz: Frekuensi yang lebih tinggi membolehkan peranti dan peralatan elektrik yang lebih kecil dan ringan, kerana ia mengurangkan saiz inti magnetik dalam transformer dan motor. Ini boleh menghemat ruang, bahan, dan kos pengangkutan. Namun, ini juga bermaksud bahawa peranti frekuensi yang lebih tinggi mungkin mempunyai kekuatan isolasi yang lebih rendah atau kerugian yang lebih tinggi daripada peranti frekuensi yang lebih rendah.

   

• Kerugian: Frekuensi yang lebih tinggi meningkatkan kerugian dalam peranti dan peralatan elektrik disebabkan oleh efek kulit, arus eddy, histeresis, pemanasan dielektrik, dll. Kerugian-kerugian ini mengurangkan kecekapan dan meningkatkan pemanasan dalam peranti dan peralatan elektrik. Namun, kerugian-kerugian ini boleh diminimumkan dengan menggunakan teknik reka bentuk yang sesuai seperti laminasi, penyelindungan, pendinginan, dll.

• Harmonik: Frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak harmonik daripada frekuensi yang lebih rendah. Harmonik adalah gandaan frekuensi asas yang boleh menyebabkan distorsi, gangguan, resonans, dll., dalam peranti dan peralatan elektrik. Harmonik boleh mengurangkan kualiti dan kebolehpercayaan kuasa dalam sistem kuasa. Namun, harmonik boleh dikurangkan dengan menggunakan penapis, kompensator, konverter, dll.

Bagaimana Frekuensi Sistem Kuasa Dikawal?

Frekuensi sistem kuasa dikawal dengan menyeimbangkan bekalan (pembangkitan) dan permintaan (beban) elektrik secara real-time. Jika bekalan melebihi permintaan, frekuensi meningkat; jika permintaan melebihi bekalan, frekuensi menurun. Penyimpangan frekuensi boleh mempengaruhi kestabilan dan keselamatan sistem kuasa, serta prestasi dan operasi peranti dan peralatan elektrik.

Untuk mengekalkan frekuensi dalam had yang dapat diterima (biasanya ±0.5% sekitar nilai nominal), sistem kuasa menggunakan pelbagai kaedah seperti:

• Pembetulan ralat masa (TEC): Ini adalah kaedah untuk menyesuaikan kelajuan generator secara berkala untuk membetulkan sebarang ralat masa yang terakumulasi disebabkan penyimpangan frekuensi selama tempoh yang lama. Sebagai contoh, jika frekuensi berada di bawah nominal selama masa yang lama (contohnya, disebabkan beban yang tinggi), generator akan sedikit mempercepat untuk menggantikan masa yang hilang.

• Kawalan beban-frekuensi (LFC): Ini adalah kaedah untuk menyesuaikan output generator secara automatik untuk sepadan dengan sebarang perubahan beban dalam kawasan atau zon tertentu (contohnya, negeri atau negara). Sebagai contoh, jika beban meningkat tiba-tiba (contohnya, disebabkan alat elektronik dimatikan), generator akan meningkatkan output mereka untuk mengekalkan frekuensi.

• Kadar perubahan frekuensi (ROCOF): Ini adalah kaedah untuk mendeteksi sebarang perubahan tiba-tiba atau besar dalam frekuensi disebabkan gangguan seperti kesalahan atau pemutusan dalam sistem kuasa. Sebagai contoh, jika generator besar tersingkir secara tiba-tiba (contohnya, disebabkan kesalahan), ROCOF akan menunjukkan seberapa cepat frekuensi berubah disebabkan peristiwa tersebut.

• Bunyi yang dapat didengar: Ini adalah indikasi yang dapat didengar sebarang perubahan dalam frekuensi disebabkan getaran mekanikal dalam peranti dan peralatan elektrik seperti transformer atau motor. Sebagai contoh, jika frekuensi meningkat sedikit (contohnya, disebabkan beban yang rendah), beberapa peranti mungkin menghasilkan bunyi yang lebih tinggi daripada normal.

Kesimpulan

Frekuensi sistem kuasa adalah parameter penting yang mempengaruhi pembangkitan, transmisi, distribusi, dan penggunaan elektrik. Pilihan frekuensi 50 Hz atau 60 Hz untuk sistem kuasa didasarkan pada sebab sejarah dan ekonomi daripada sebab teknikal. Kedua-dua frekuensi mempunyai kelebihan dan kekurangan mereka sendiri bergantung pada pelbagai faktor seperti kuasa, saiz, kerugian, harmonik, dll. Frekuensi sistem kuasa dikawal dengan pelbagai kaedah seperti TEC, LFC, ROCOF, dan bunyi yang dapat didengar untuk memastikan kestabilan dan kebolehpercayaan sistem kuasa serta prestasi dan operasi peranti dan peralatan elektrik.

Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik layak dibagikan, jika ada pelanggaran silakan hubungi untuk dihapus.