Por que Usamos Frequência de 50 Hz ou 60 Hz para Sistemas Elétricos?

Um sistema de energia é uma rede de componentes elétricos que geram, transmitem e distribuem eletricidade aos usuários finais. O sistema de energia opera em uma certa frequência, que é o número de ciclos por segundo da corrente alternada (CA) tensão e corrente. As frequências mais comuns usadas para sistemas de energia são 50 Hz e 60 Hz, dependendo da região do mundo. Mas por que usamos essas frequências e não outras? Quais são as vantagens e desvantagens de diferentes frequências? E como essas frequências se tornaram padronizadas? Este artigo responderá a essas perguntas e explicará a história e os aspectos técnicos da frequência do sistema de energia.

O que é a Frequência do Sistema de Energia?

A frequência do sistema de energia é definida como a taxa de variação do ângulo de fase da tensão CA ou corrente. É medida em hertz (Hz), que é igual a um ciclo por segundo. A frequência de um sistema de energia depende da velocidade de rotação dos geradores que produzem a tensão CA. Quanto mais rápido os geradores giram, maior a frequência. A frequência também afeta o desempenho e o projeto de vários dispositivos e equipamentos elétricos que utilizam ou produzem eletricidade.

Como Surgiram as Frequências de 50 Hz e 60 Hz?

A escolha das frequências de 50 Hz ou 60 Hz para sistemas de energia não se baseia em nenhuma razão técnica forte, mas sim em fatores históricos e econômicos. No final do século XIX e início do século XX, quando os sistemas de energia elétrica comercial estavam sendo desenvolvidos, não havia padronização de frequência ou tensão. Diferentes regiões e países usavam diferentes frequências, variando de 16,75 Hz a 133,33 Hz, dependendo de suas preferências e necessidades locais. Alguns dos fatores que influenciaram a escolha da frequência foram:

• Iluminação: Frequências mais baixas causavam piscamento perceptível em lâmpadas incandescentes e lâmpadas de arco, que eram amplamente utilizadas para iluminação naquela época. Frequências mais altas reduziam o piscamento e melhoravam a qualidade da iluminação.

• Máquinas rotativas: Frequências mais altas permitiam motores e geradores menores e mais leves, o que reduzia custos de material e transporte. No entanto, frequências mais altas também aumentavam perdas e aquecimento em máquinas rotativas, o que reduzia a eficiência e a confiabilidade.

• Transmissão e transformadores: Frequências mais altas aumentavam a impedância de linhas de transmissão e transformadores, o que reduzia a capacidade de transferência de energia e aumentava a queda de tensão. Frequências mais baixas permitiam distâncias de transmissão mais longas e perdas menores.

• Integração de sistemas: Interconectar sistemas de energia com diferentes frequências requer conversores ou sincronizadores complexos e caros. Ter uma frequência comum facilitou a integração e coordenação de sistemas.

Conforme os sistemas de energia se expandiram e se interconectaram, houve a necessidade de padronização da frequência para reduzir a complexidade e aumentar a compatibilidade. No entanto, houve também uma rivalidade entre diferentes fabricantes e regiões que queriam manter seus próprios padrões e monopólios. Isso levou a uma divisão entre dois grupos principais: um que adotou 50 Hz como a frequência padrão, principalmente na Europa e Ásia, e outro que adotou 60 Hz como a frequência padrão, principalmente na América do Norte e partes da América Latina. O Japão foi uma exceção, usando ambas as frequências: 50 Hz no leste do Japão (incluindo Tóquio) e 60 Hz no oeste do Japão (incluindo Osaka).

Quais são as Vantagens e Desvantagens de Diferentes Frequências?

Não há uma clara vantagem ou desvantagem em usar 50 Hz ou 60 Hz para sistemas de energia, pois ambas as frequências têm seus prós e contras, dependendo de diversos fatores. Algumas das vantagens e desvantagens são:

• Potência: Um sistema de 60 Hz tem 20% mais potência do que um sistema de 50 Hz para a mesma tensão e corrente. Isso significa que máquinas e motores operando em 60 Hz podem funcionar mais rapidamente ou produzir mais saída do que aqueles operando em 50 Hz. No entanto, isso também significa que máquinas e motores operando em 60 Hz podem precisar de mais refrigeração ou proteção do que aqueles operando em 50 Hz.

• Tamanho: Uma frequência mais alta permite dispositivos e equipamentos elétricos menores e mais leves, pois reduz o tamanho dos núcleos magnéticos em transformadores e motores. Isso pode economizar espaço, material e custos de transporte. No entanto, isso também significa que dispositivos de alta frequência podem ter menor resistência à isolação ou maiores perdas do que dispositivos de baixa frequência.

   

• Perdas: Uma frequência mais alta aumenta as perdas em dispositivos e equipamentos elétricos devido a efeitos de pele, correntes de fuga, histerese, aquecimento dielétrico, etc. Essas perdas reduzem a eficiência e aumentam o aquecimento em dispositivos e equipamentos elétricos. No entanto, essas perdas podem ser minimizadas pelo uso de técnicas de design apropriadas, como laminação, blindagem, resfriamento, etc.

• Harmônicos: Uma frequência mais alta produz mais harmônicos do que uma frequência mais baixa. Harmônicos são múltiplos da frequência fundamental que podem causar distorção, interferência, ressonância, etc., em dispositivos e equipamentos elétricos. Harmônicos podem reduzir a qualidade e a confiabilidade de energia nos sistemas de energia. No entanto, harmônicos podem ser mitigados pelo uso de filtros, compensadores, conversores, etc.

Como é Controlada a Frequência do Sistema de Energia?

A frequência do sistema de energia é controlada equilibrando a oferta (geração) e a demanda (carga) de eletricidade em tempo real. Se a oferta excede a demanda, a frequência aumenta; se a demanda excede a oferta, a frequência diminui. As variações de frequência podem afetar a estabilidade e a segurança dos sistemas de energia, bem como o desempenho e a operação de dispositivos e equipamentos elétricos.

Para manter a frequência dentro de limites aceitáveis (geralmente ±0,5% ao redor do valor nominal), os sistemas de energia usam vários métodos, como:

• Correção de erro de tempo (TEC): Este é um método para ajustar a velocidade dos geradores periodicamente para corrigir qualquer erro de tempo acumulado devido a variações de frequência ao longo de um longo período. Por exemplo, se a frequência estiver abaixo do nominal por um longo tempo (por exemplo, devido a uma carga alta), os geradores acelerarão ligeiramente para compensar o tempo perdido.

• Controle de carga-frequência (LFC): Este é um método para ajustar automaticamente a saída dos geradores para corresponder a quaisquer mudanças na carga dentro de uma certa área ou zona (por exemplo, um estado ou um país). Por exemplo, se a carga aumentar repentinamente (por exemplo, devido ao ligar de aparelhos), os geradores aumentarão sua saída de acordo para manter a frequência.

• Taxa de variação de frequência (ROCOF): Este é um método para detectar quaisquer mudanças súbitas ou grandes na frequência devido a perturbações, como falhas ou interrupções nos sistemas de energia. Por exemplo, se um grande gerador desligar inesperadamente (por exemplo, devido a uma falha), o ROCOF indicará quão rápido a frequência está mudando devido a esse evento.

• Ruído audível: Esta é uma indicação audível de quaisquer mudanças na frequência devido a vibrações mecânicas em dispositivos e equipamentos elétricos, como transformadores ou motores. Por exemplo, se a frequência aumentar ligeiramente (por exemplo, devido a uma carga baixa), alguns dispositivos podem produzir um som de tom mais alto do que o normal.

Conclusão

A frequência do sistema de energia é um parâmetro importante que afeta a geração, transmissão, distribuição e consumo de eletricidade. A escolha de 50 Hz ou 60 Hz para sistemas de energia é baseada em razões históricas e econômicas, em vez de técnicas. Ambas as frequências têm suas vantagens e desvantagens, dependendo de diversos fatores, como potência, tamanho, perdas, harmônicos, etc. A frequência do sistema de energia é controlada por vários métodos, como TEC, LFC, ROCOF e ruído audível, para garantir a estabilidade e a confiabilidade dos sistemas de energia, bem como o desempenho e a operação de dispositivos e equipamentos elétricos.

Declaração: Respeite o original, bons artigos valem a pena ser compartilhados, se houver infringimento, entre em contato para excluir.