Hvorfor bruker vi 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer

En strømsystem er et nettverk av elektriske komponenter som produserer, overfører og distribuerer strøm til sluttkunder. Strømsystemet fungerer med en bestemt frekvens, som er antallet ganger per sekund av den vekselstrøm (AC) spenningen og strømmen. De mest vanlige frekvensene brukt i strømsystemer er 50 Hz og 60 Hz, avhengig av regionen i verden. Men hvorfor bruker vi disse frekvensene og ikke andre? Hva er fordelene og ulemperne med ulike frekvenser? Og hvordan ble disse frekvensene standardisert? Denne artikkelen vil svare på disse spørsmålene og forklare historien og de tekniske aspektene av strømsystemfrekvens.

Hva er strømsystemfrekvens?

Strømsystemfrekvens defineres som hastigheten til fasesvingningens endring av AC-spenningen eller -strømmen. Den måles i hertz (Hz), som tilsvarer én svingning per sekund. Frekvensen i et strømsystem avhenger av rotasjonshastigheten til generatorer som produserer AC-spenningen. Jo raskere generatorer roterer, jo høyere er frekvensen. Frekvensen påvirker også ytelsen og designet av ulike elektriske enheter og utstyr som bruker eller produserer strøm.

Hvordan oppsto 50 Hz og 60 Hz frekvenser?

Valget av 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer er ikke basert på noen sterk teknisk grunn, men snarere på historiske og økonomiske faktorer. I slutten av 1800-tallet og begynnelsen av 1900-tallet, da kommersielle elektriske strømsystemer utviklet seg, var det ingen standardisering av frekvens eller spenning. Forskjellige regioner og land brukte forskjellige frekvenser fra 16,75 Hz til 133,33 Hz, avhengig av lokale preferanser og behov. Noen av faktorene som påvirket valget av frekvens, var:

• Belysning: Lavere frekvenser førte til mer bemerkelig flimmer i glødetrådlamper og buelamp, som var mye brukt for belysning på den tiden. Høyere frekvenser reduserte flimmer og forbedret lyskvaliteten.

• Roterende maskiner: Høyere frekvenser tillot mindre og lettere motorer og generatorer, noe som reduserte materiale- og transportkostnader. Imidlertid økte høyere frekvenser også tap og varming i roterende maskiner, noe som reduserte effektiviteten og påliteligheten.

• Overføring og transformatorer: Høyere frekvenser økte impedansen til overføringslinjer og transformatorer, noe som reduserte strømoverføringskapasiteten og økte spenningsfall. Lavere frekvenser tillot lengre overføringsavstander og lavere tap.

• Systemtilkobling: Tilkobling av strømsystemer med forskjellige frekvenser krever komplekse og kostbare konvertere eller synkroniserere. Å ha en felles frekvens forenklet systemintegrering og koordinering.

Når strømsystemer utvidet seg og ble koblet sammen, var det behov for standardisering av frekvens for å redusere kompleksitet og øke kompatibilitet. Det var imidlertid også rivalitet mellom ulike produsenter og regioner som ønsket å beholde sine egne standarder og monopol. Dette ledet til en split mellom to store grupper: en som vedtok 50 Hz som standardfrekvens, hovedsakelig i Europa og Asia, og en annen som vedtok 60 Hz som standardfrekvens, hovedsakelig i Nord-Amerika og deler av Latin-Amerika. Japan var et unntak som brukte begge frekvenser: 50 Hz i østlige Japan (inkludert Tokyo) og 60 Hz i vestlige Japan (inkludert Osaka).

Hva er fordelene og ulemperne med ulike frekvenser?

Det er ingen klart fordel eller ulempe med å bruke 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer, da begge frekvenser har sine fordeler og ulemper avhengig av ulike faktorer. Noen av fordelene og ulemper er:

• Effekt: Et 60 Hz-system har 20% mer effekt enn et 50 Hz-system for samme spenning og strøm. Dette betyr at maskiner og motorer som kjører på 60 Hz kan kjøre raskere eller produsere mer utdata enn de som kjører på 50 Hz. Imidlertid betyr dette også at maskiner og motorer som kjører på 60 Hz kan trenge mer kjøling eller beskyttelse enn de som kjører på 50 Hz.

• Størrelse: En høyere frekvens tillater mindre og lettere elektriske enheter og utstyr, da den reduserer størrelsen på magnetiske kjerner i transformatorer og motorer. Dette kan spare plass, materialer og transportkostnader. Imidlertid betyr dette også at høyfrekvente enheter kan ha lavere isolasjonstyrke eller høyere tap enn lavfrekvente enheter.

   

• Tap: En høyere frekvens øker tap i elektriske enheter og utstyr på grunn av skin-effekter, gyringsstrømmer, hysteresis, dielektrisk varming osv. Disse tapene reduserer effektiviteten og øker varming i elektriske enheter og utstyr. Imidlertid kan disse tapene minimeres ved å bruke passende designteknikker som laminering, skjerming, kjøling osv.

• Harmonier: En høyere frekvens produserer flere harmonier enn en lavere frekvens. Harmonier er multipler av den fundamentale frekvensen som kan forårsake forvrengning, støy, resonans osv. i elektriske enheter og utstyr. Harmonier kan redusere strømkvaliteten og påliteligheten i strømsystemer. Imidlertid kan harmonier mildres ved å bruke filtre, kompensatører, konvertere osv.

Hvordan kontrolleres strømsystemfrekvens?

Strømsystemfrekvens kontrolleres ved å balansere tilbud (produksjon) og etterspørsel (belastning) av strøm i sanntid. Hvis tilbud overstiger etterspørsel, øker frekvensen; hvis etterspørsel overstiger tilbud, minker frekvensen. Frekvensavvik kan påvirke stabiliteten og sikkerheten i strømsystemer, samt ytelsen og drifta av elektriske enheter og utstyr.

For å opprettholde frekvensen innen akseptable grenser (vanligvis ±0,5% rundt nominalverdien), bruker strømsystemer ulike metoder som:

• Tidsfeilkorrigering (TEC): Dette er en metode for å justere hastigheten til generatorer periodisk for å korrigere eventuelle akkumulerte tidsfeil på grunn av frekvensavvik over en lang periode. For eksempel, hvis frekvensen er under nominal over en lang periode (f.eks. på grunn av høy belastning), vil generatorer øke hastigheten litt for å gjøre opp for den mistede tiden.

• Belastnings-frekvenskontroll (LFC): Dette er en metode for å justere utdataen fra generatorer automatisk for å matche eventuelle endringer i belastning innen en viss område eller son (f.eks. en stat eller et land). For eksempel, hvis belastningen øker plutselig (f.eks. på grunn av slå på apparater), vil generatorer øke utdataen deretter for å opprettholde frekvensen.

• Frekvensendringshastighet (ROCOF): Dette er en metode for å oppdage eventuelle plutselige eller store endringer i frekvens på grunn av forstyrrelser som feil eller nedbrudd i strømsystemer. For eksempel, hvis en stor generator faller ut uten forventning (f.eks. på grunn av en feil), vil ROCOF indikere hvor raskt frekvensen endrer seg på grunn av dette hendelses.

• Hørbart støy: Dette er en hørbart indikasjon av eventuelle endringer i frekvens på grunn av mekaniske vibrasjoner i elektriske enheter og utstyr som transformatorer eller motorer. For eksempel, hvis frekvensen øker litt (f.eks. på grunn av lav belastning), kan noen enheter produsere en høyere tone enn normalt.

Konklusjon

Strømsystemfrekvens er et viktig parameter som påvirker produksjon, overføring, distribusjon og forbruk av strøm. Valget av 50 Hz eller 60 Hz frekvens for strømsystemer er basert på historiske og økonomiske grunner snarere enn tekniske. Begge frekvenser har sine fordelene og ulemper avhengig av ulike faktorer som effekt, størrelse, tap, harmonier osv. Strømsystemfrekvens kontrolleres ved ulike metoder som TEC, LFC, ROCOF og hørbart støy for å sikre stabilitet og pålitelighet i strømsystemer, samt ytelse og drift av elektriske enheter og utstyr.

Erklæring: Respektere originalen, godt innhold fortjener å deles, ved kränkelse kontakt oss for sletting.