Почему мы используем частоту 50 Гц или 60 Гц для энергетических систем?

Электрическая система - это сеть электрических компонентов, которые генерируют, передают и распределяют электроэнергию конечным пользователям. Электрическая система работает на определенной частоте, которая представляет собой количество циклов в секунду переменного тока (AC). Наиболее распространенные частоты, используемые для электрических систем, составляют 50 Гц и 60 Гц, в зависимости от региона мира. Но почему мы используем именно эти частоты, а не другие? В чем преимущества и недостатки различных частот? И как эти частоты стали стандартными? В этой статье будут даны ответы на эти вопросы, а также объяснены история и технические аспекты частоты электрической системы.

Что такое частота электрической системы?

Частота электрической системы определяется как скорость изменения фазового угла переменного напряжения или тока. Она измеряется в герцах (Гц), что равно одному циклу в секунду. Частота электрической системы зависит от скорости вращения генераторов, производящих переменное напряжение. Чем быстрее вращаются генераторы, тем выше частота. Частота также влияет на работу и конструкцию различных электрических устройств и оборудования, использующих или производящих электроэнергию.

Как возникли частоты 50 Гц и 60 Гц?

Выбор частоты 50 Гц или 60 Гц для электрических систем не основан на каких-либо сильных технических причинах, а скорее на исторических и экономических факторах. В конце XIX и начале XX веков, когда коммерческие электрические системы находились в стадии разработки, не было стандартизации частоты или напряжения. Разные регионы и страны использовали различные частоты, варьирующиеся от 16,75 Гц до 133,33 Гц, в зависимости от местных предпочтений и потребностей. Некоторые факторы, повлиявшие на выбор частоты, были следующими:

• Освещение: Низкие частоты вызывали заметное мерцание в лампах накаливания и дуговых лампах, которые широко использовались для освещения в то время. Более высокие частоты уменьшали мерцание и улучшали качество освещения.

• Вращающиеся машины: Более высокие частоты позволяли использовать меньшие и легче двигатели и генераторы, что снижало затраты на материалы и транспортировку. Однако более высокие частоты также увеличивали потери и нагрев в вращающихся машинах, что снижало эффективность и надежность.

• Передача и трансформаторы: Более высокие частоты увеличивали импеданс линий передачи и трансформаторов, что снижало способность передачи мощности и увеличивало падение напряжения. Низкие частоты позволяли передавать энергию на большие расстояния с меньшими потерями.

• Соединение систем: Соединение электрических систем с различными частотами требовало сложных и дорогостоящих преобразователей или синхронизаторов. Общая частота облегчала интеграцию и координацию систем.

По мере расширения и взаимосвязи электрических систем возникла необходимость в стандартизации частоты для снижения сложности и увеличения совместимости. Однако существовало также соперничество между различными производителями и регионами, которые хотели сохранить свои собственные стандарты и монополии. Это привело к разделению на две основные группы: одна, которая приняла 50 Гц в качестве стандартной частоты, в основном в Европе и Азии, и другая, которая приняла 60 Гц в качестве стандартной частоты, в основном в Северной Америке и части Латинской Америки. Япония была исключением, где использовались обе частоты: 50 Гц в восточной Японии (включая Токио) и 60 Гц в западной Японии (включая Осаку).

Каковы преимущества и недостатки различных частот?

Нет явного преимущества или недостатка использования частоты 50 Гц или 60 Гц для электрических систем, так как обе частоты имеют свои плюсы и минусы в зависимости от различных факторов. Некоторые из преимуществ и недостатков следующие:

• Мощность: Система 60 Гц имеет на 20% больше мощности, чем система 50 Гц, при одинаковом напряжении и токе. Это означает, что машины и двигатели, работающие на 60 Гц, могут работать быстрее или производить больше выходной мощности, чем те, которые работают на 50 Гц. Однако это также означает, что машины и двигатели, работающие на 60 Гц, могут нуждаться в большем охлаждении или защите, чем те, которые работают на 50 Гц.

• Размер: Более высокая частота позволяет использовать меньшие и легче электрические устройства и оборудование, поскольку она уменьшает размер магнитных сердечников в трансформаторах и двигателях. Это может сэкономить пространство, материалы и транспортные расходы. Однако это также означает, что устройства с более высокой частотой могут иметь меньшую прочность изоляции или большие потери, чем устройства с более низкой частотой.

   

• Потери: Более высокая частота увеличивает потери в электрических устройствах и оборудовании из-за эффекта кожи, вихревых токов, гистерезиса, диэлектрического нагрева и т.д. Эти потери снижают эффективность и увеличивают нагрев в электрических устройствах и оборудовании. Однако эти потери можно минимизировать, используя правильные методы проектирования, такие как ламинация, экранирование, охлаждение и т.д.

• Гармоники: Более высокая частота создает больше гармоник, чем более низкая частота. Гармоники — это кратные основной частоте, которые могут вызывать искажения, помехи, резонансы и т.д. в электрических устройствах и оборудовании. Гармоники могут ухудшить качество и надежность электрических систем. Однако гармоники можно снизить, используя фильтры, компенсаторы, преобразователи и т.д.

Как контролируется частота электрической системы?

Частота электрической системы контролируется путем балансировки предложения (генерации) и спроса (нагрузки) электроэнергии в реальном времени. Если предложение превышает спрос, частота увеличивается; если спрос превышает предложение, частота уменьшается. Отклонения частоты могут повлиять на стабильность и безопасность электрических систем, а также на работу и функционирование электрических устройств и оборудования.

Для поддержания частоты в допустимых пределах (обычно ±0,5% от номинального значения) электрические системы используют различные методы, такие как:

• Коррекция временной ошибки (TEC): Это метод периодической корректировки скорости генераторов для исправления накопленной временной ошибки, вызванной отклонениями частоты в течение длительного периода. Например, если частота ниже номинальной в течение длительного времени (например, из-за высокой нагрузки), генераторы немного ускорятся, чтобы компенсировать потерянное время.

• Управление нагрузкой и частотой (LFC): Это метод автоматической корректировки выходной мощности генераторов для соответствия любым изменениям нагрузки в определенной области или зоне (например, в штате или стране). Например, если нагрузка внезапно увеличивается (например, из-за включения приборов), генераторы увеличат свою выходную мощность, чтобы поддерживать частоту.

• Скорость изменения частоты (ROCOF): Это метод обнаружения внезапных или значительных изменений частоты из-за нарушений, таких как аварии или отключения в электрических системах. Например, если большой генератор внезапно выходит из строя (например, из-за аварии), ROCOF покажет, насколько быстро изменяется частота вследствие этого события.

• Звуковой шум: Это звуковое указание на любые изменения частоты, вызванные механическими вибрациями в электрических устройствах и оборудовании, таких как трансформаторы или двигатели. Например, если частота немного увеличивается (например, из-за низкой нагрузки), некоторые устройства могут издавать более высокий звук, чем обычно.

Заключение

Частота электрической системы является важным параметром, который влияет на генерацию, передачу, распределение и потребление электроэнергии. Выбор частоты 50 Гц или 60 Гц для электрических систем основан на исторических и экономических причинах, а не на технических. Обе частоты имеют свои преимущества и недостатки, зависящие от различных факторов, таких как мощность, размер, потери, гармоники и т.д. Частота электрической системы контролируется различными методами, такими как TEC, LFC, ROCOF и звуковой шум, для обеспечения стабильности и надежности электрических систем, а также работы и функционирования электрических устройств и оборудования.

Заявление: Уважайте оригинальные, хорошие статьи, достойные обмена. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.