Waarom gebruiken we 50 Hz of 60 Hz frequentie voor energie-systemen?

Een elektriciteitsnetwerk is een netwerk van elektrische componenten die elektriciteit genereren, overbrengen en distribueren naar eindgebruikers. Het elektriciteitsnetwerk werkt op een bepaalde frequentie, die het aantal cycli per seconde van de wisselstroom (AC) spanning en stroom aangeeft. De meest gebruikte frequenties voor elektriciteitsnetwerken zijn 50 Hz en 60 Hz, afhankelijk van de regio ter wereld. Maar waarom gebruiken we deze frequenties en niet andere? Wat zijn de voordelen en nadelen van verschillende frequenties? En hoe werden deze frequenties gestandaardiseerd? Dit artikel zal deze vragen beantwoorden en de geschiedenis en technische aspecten van de frequentie van het elektriciteitsnetwerk uitleggen.

Wat is de frequentie van het elektriciteitsnetwerk?

De frequentie van het elektriciteitsnetwerk wordt gedefinieerd als de snelheid waarmee de fasehoek van de wisselstroomspanning of -stroom verandert. Het wordt gemeten in hertz (Hz), wat gelijk is aan één cyclus per seconde. De frequentie van een elektriciteitsnetwerk hangt af van de draaisnelheid van de generatoren die de wisselstroomspanning produceren. Hoe sneller de generatoren draaien, hoe hoger de frequentie. De frequentie beïnvloedt ook de prestaties en ontwerp van verschillende elektrische apparaten en apparatuur die elektriciteit gebruiken of produceren.

Hoe ontstonden de frequenties van 50 Hz en 60 Hz?

De keuze voor 50 Hz of 60 Hz frequentie voor elektriciteitsnetwerken is niet gebaseerd op sterke technische redenen, maar eerder op historische en economische factoren. Aan het einde van de 19e en begin 20e eeuw, toen commerciële elektriciteitsnetwerken werden ontwikkeld, was er geen standaardisatie van frequentie of spanning. Verschillende regio's en landen gebruikten verschillende frequenties, variërend van 16,75 Hz tot 133,33 Hz, afhankelijk van hun lokale voorkeuren en behoeften. Sommige factoren die de keuze van frequentie beïnvloedden waren:

• Verlichting: Lagere frequenties veroorzaakten merkbare flikkering in glowlampen en booglampen, die in die tijd breed gebruikt werden voor verlichting. Hogere frequenties verminderden flikkering en verbeterden de kwaliteit van de verlichting.

• Roterende machines: Hogere frequenties maakten kleinere en lichtere motoren en generatoren mogelijk, wat materialen en transportkosten verlaagde. Echter, hogere frequenties vergrootten ook verliezen en verwarming in roterende machines, wat de efficiëntie en betrouwbaarheid verlaagde.

• Overdracht en transformatoren: Hogere frequenties vergrootten de impedantie van overdrachtslijnen en transformatoren, wat de vermogensoverdrachtcapaciteit verlaagde en de spansingsval vergrootte. Lagere frequenties stonden langere overdrachtafstanden en lagere verliezen toe.

• Systeeminterconnectie: Het verbinden van elektriciteitsnetwerken met verschillende frequenties vereiste complexe en kostbare converters of synchronizers. Een gemeenschappelijke frequentie faciliteerde systeemintegratie en coördinatie.

Terwijl elektriciteitsnetwerken groeiden en zich verbonden, was er behoefte aan standaardisatie van frequentie om complexiteit te verminderen en compatibiliteit te vergroten. Echter, er was ook rivaliteit tussen verschillende fabrikanten en regio's die hun eigen normen en monopolies wilden handhaven. Dit leidde tot een splitsing tussen twee grote groepen: een die 50 Hz als standaardfrequentie aannam, voornamelijk in Europa en Azië, en een andere die 60 Hz als standaardfrequentie aannam, voornamelijk in Noord-Amerika en delen van Latijns-Amerika. Japan was een uitzondering die zowel 50 Hz in oostelijk Japan (inclusief Tokio) als 60 Hz in westelijk Japan (inclusief Osaka) gebruikte.

Wat zijn de voordelen en nadelen van verschillende frequenties?

Er is geen duidelijk voordeel of nadeel van het gebruik van 50 Hz of 60 Hz frequentie voor elektriciteitsnetwerken, omdat beide frequenties hun voordelen en nadelen hebben, afhankelijk van verschillende factoren. Enkele van de voordelen en nadelen zijn:

• Vermogen: Een 60 Hz-systeem heeft 20% meer vermogen dan een 50 Hz-systeem bij dezelfde spanning en stroom. Dit betekent dat machines en motoren die op 60 Hz werken, sneller kunnen draaien of meer output kunnen produceren dan die op 50 Hz. Echter, dit betekent ook dat machines en motoren die op 60 Hz werken, meer koeling of bescherming nodig kunnen hebben dan die op 50 Hz.

• Grootte: Een hogere frequentie maakt kleinere en lichtere elektrische apparaten en apparatuur mogelijk, omdat het de grootte van magnetische kernen in transformatoren en motoren vermindert. Dit kan ruimte, materiaal en transportkosten besparen. Echter, dit betekent ook dat apparaten met hogere frequentie mogelijk een lagere isolatiesterkte of hogere verliezen hebben dan apparaten met lagere frequentie.

   

• Verliezen: Een hogere frequentie vergroot de verliezen in elektrische apparaten en apparatuur door huid-effecten, ringstromen, hysteresis, dielectrische verhitting, enz. Deze verliezen verlagen de efficiëntie en vergroten de verhitting in elektrische apparaten en apparatuur. Echter, deze verliezen kunnen worden geminimaliseerd door het gebruik van juiste ontwerptechnieken zoals laminatie, afscherming, koeling, enz.

• Harmonischen: Een hogere frequentie produceert meer harmonischen dan een lagere frequentie. Harmonischen zijn veelvouden van de fundamentele frequentie die vervorming, interferentie, resonantie, enz., in elektrische apparaten en apparatuur kunnen veroorzaken. Harmonischen kunnen de kwaliteit en betrouwbaarheid van elektriciteitsnetwerken verlagen. Echter, harmonischen kunnen worden verminderd door het gebruik van filters, compensators, converters, enz.

Hoe wordt de frequentie van het elektriciteitsnetwerk geregeld?

De frequentie van het elektriciteitsnetwerk wordt geregeld door het aanbod (generatie) en de vraag (belasting) van elektriciteit in real-time te balanceren. Als het aanbod de vraag overtreft, neemt de frequentie toe; als de vraag het aanbod overtreft, neemt de frequentie af. Frequentieafwijkingen kunnen de stabiliteit en veiligheid van elektriciteitsnetwerken beïnvloeden, evenals de prestaties en werking van elektrische apparaten en apparatuur.

Om de frequentie binnen aanvaardbare grenzen (meestal ±0,5% rond de nominale waarde) te houden, gebruiken elektriciteitsnetwerken verschillende methoden zoals:

• Tijdafwijkingcorrectie (TEC): Dit is een methode om de snelheid van generatoren periodiek aan te passen om eventuele opgelopen tijdafwijkingen te corrigeren als gevolg van frequentieafwijkingen over een lange periode. Bijvoorbeeld, als de frequentie langer dan normaal onder de nominale waarde ligt (bijvoorbeeld door hoge belasting), zullen de generatoren iets versnellen om de verloren tijd in te halen.

• Belastings-frequentieregeling (LFC): Dit is een methode om de uitvoer van generatoren automatisch aan te passen om elke veranderingen in belasting binnen een bepaald gebied of zone (bijvoorbeeld een staat of een land) te matchen. Bijvoorbeeld, als de belasting plotseling toeneemt (bijvoorbeeld door het inschakelen van apparaten), zullen de generatoren hun uitvoer overeenkomstig verhogen om de frequentie te handhaven.

• Tempo van verandering van frequentie (ROCOF): Dit is een methode om plotselinge of grote veranderingen in frequentie te detecteren als gevolg van storingen zoals fouten of uitval in elektriciteitsnetwerken. Bijvoorbeeld, als een grote generator onverwacht offline gaat (bijvoorbeeld door een fout), geeft ROCOF aan hoe snel de frequentie verandert door dit incident.

• Hoorbare geluiden: Dit is een hoorbare indicatie van veranderingen in frequentie als gevolg van mechanische trillingen in elektrische apparaten en apparatuur zoals transformatoren of motoren. Bijvoorbeeld, als de frequentie licht toeneemt (bijvoorbeeld door lage belasting), kunnen sommige apparaten een hogere toon produceren dan normaal.

Conclusie

De frequentie van het elektriciteitsnetwerk is een belangrijk parameter die de generatie, overdracht, distributie en consumptie van elektriciteit beïnvloedt. De keuze voor 50 Hz of 60 Hz frequentie voor elektriciteitsnetwerken is gebaseerd op historische en economische redenen in plaats van technische. Beide frequenties hebben hun voordelen en nadelen, afhankelijk van verschillende factoren zoals vermogen, grootte, verliezen, harmonischen, enz. De frequentie van het elektriciteitsnetwerk wordt geregeld door verschillende methoden zoals TEC, LFC, ROCOF en hoorbare geluiden om de stabiliteit en betrouwbaarheid van elektriciteitsnetwerken te garanderen, evenals de prestaties en werking van elektrische apparaten en apparatuur.

Verklaring: Respecteer het origineel, goede artikelen zijn de moeite waard om te delen, indien er sprake is van inbreuk neem dan contact op om te verwijderen.