Zakaj uporabljamo frekvenco 50 Hz ali 60 Hz za elektroenergetske sisteme?

Električni sistem je mreža električnih komponent, ki generirajo, prenašajo in distribuirajo elektriko končnim uporabnikom. Električni sistem deluje na določeni frekvenci, ki je število ciklov na sekundo izmeničnega toka (AC) napetosti in toka. Najpogostejši frekvenci, ki se uporabljata v električnih sistemih, sta 50 Hz in 60 Hz, odvisno od regije sveta. Ampak zakaj uporabljamo te frekvence in ne druge? Kateri so prednosti in slabosti različnih frekvenc? In kako so te frekvence postale standardizirane? Ta članek bo odgovarjal na te vprašanja in pojasnil zgodovino in tehnične vidike frekvence električnega sistema.

Kaj je frekvenca električnega sistema?

Frekvenca električnega sistema je definirana kot hitrost spremembe faznega kota izmenične napetosti ali toka. Merjena je v hercih (Hz), kar je enako enemu ciklu na sekundo. Frekvenca električnega sistema je odvisna od hitrosti vrtenja generatorjev, ki proizvajajo izmenično napetost. Čim hitreje se generatorji vrtijo, višja je frekvenca. Frekvenca tudi vpliva na delovanje in načrtovanje različnih električnih naprav in opreme, ki uporabljajo ali proizvajajo elektriko.

Kako so nastali frekvenca 50 Hz in 60 Hz?

Izbira frekvence 50 Hz ali 60 Hz za električne sisteme ni temeljila na močnem tehničnem razlogu, ampak bolj na zgodovinskih in gospodarskih dejavnikih. V kasnih 19. in začetku 20. stoletja, ko so se razvijali komercialni električni sistemi, ni bilo standardizacije frekvence ali napetosti. Različne regije in države so uporabljale različne frekvence, od 16,75 Hz do 133,33 Hz, odvisno od lokalnih preferenc in potreb. Nekateri faktorji, ki so vplivali na izbiro frekvence, so bili:

• Osvetlitev: Nižje frekvence so povzročile opazne mrkanje v svetilnicah s žarno in lukovnih svetilnicah, ki so bile široko uporabljene za osvetlitev v tem obdobju. Višje frekvence so zmanjšale mrkanje in izboljšale kakovost osvetlitve.

• Vrteči se stroji: Višje frekvence so omogočile manjše in lažje motorje in generatorje, kar je zmanjšalo materialne in prevozne stroške. Vendar pa so višje frekvence tudi povečale izgube in segrevanje v vrtečih se strojih, kar je zmanjšalo učinkovitost in zanesljivost.

• Prenos in transformatorji: Višje frekvence so povečale impedanco prenosnih vodov in transformatorjev, kar je zmanjšalo zmogljivost prenosa energije in povečalo padec napetosti. Nižje frekvence so omogočile daljše prenosne razdalje in manjše izgube.

• Povezovanje sistemov: Povezovanje električnih sistemov z različnimi frekvencami zahteva kompleksne in dragi pretvornike ali sinhronizatorje. Skupna frekvenca je olajšala integracijo in usklajevanje sistemov.

Ko so se električni sistemi razširili in povezali, je bil potreben standardizacija frekvence, da bi se zmanjšala kompleksnost in povečala združljivost. Vendar pa je obstajal tudi rivalstvo med različnimi proizvajalci in regijami, ki so želeli ohraniti svoje standarde in monopol. To je vodilo do razdelitve na dva glavna skupina: ena, ki je sprejela 50 Hz kot standardno frekvenco, predvsem v Evropi in Aziji, in druga, ki je sprejela 60 Hz kot standardno frekvenco, predvsem v Severni Ameriki in delih Latinske Amerike. Japonska je bila izjema, ki je uporabljala obe frekvenci: 50 Hz v vzhodnem Japonskem (vključno z Tokiom) in 60 Hz v zahodnem Japonskem (vključno z Osakom).

Kateri so prednosti in slabosti različnih frekvenc?

Ni jasne prednosti ali slabosti pri uporabi frekvence 50 Hz ali 60 Hz za električne sisteme, saj imata obe frekvenci svoje prednosti in slabosti, odvisno od različnih dejavnikov. Nekatere prednosti in slabosti so:

• Moč: Sistem 60 Hz ima 20% večjo moč kot sistem 50 Hz za isto napetost in tok. To pomeni, da stroji in motorji, ki delujejo na 60 Hz, lahko delujejo hitreje ali proizvajajo več izhoda, kot tisti, ki delujejo na 50 Hz. Vendar pa to tudi pomeni, da stroji in motorji, ki delujejo na 60 Hz, morda potrebujejo več hladenja ali zaščite, kot tisti, ki delujejo na 50 Hz.

• Velikost: Višja frekvenca omogoča manjše in lažje električne naprave in opremo, ker zmanjša velikost magnetnih jedrov v transformatorjih in motorjih. To lahko prihrani prostor, material in prevozne stroške. Vendar pa to tudi pomeni, da višje frekvence naprave lahko imajo manjšo izolacijsko trdoto ali večje izgube, kot tiste z nižjo frekvenco.

   

• Izgube: Višja frekvenca poveča izgube v električnih napravah in opremi zaradi skin efektov, vihoriščnih tokov, histereza, dielektričnega segrevanja itd. Te izgube zmanjšajo učinkovitost in povečajo segrevanje v električnih napravah in opremi. Vendar pa se te izgube lahko zmanjšajo z uporabo pravih načrtov, kot so laminacija, ščit, hlađenje itd.

• Harmoniki: Višja frekvenca ustvarja več harmonik, kot nižja frekvenca. Harmoniki so večkratniki osnovne frekvence, ki lahko povzročijo deformacijo, motnje, resonancijo itd. v električnih napravah in opremi. Harmoniki lahko zmanjšajo kakovost in zanesljivost v električnih sistemih. Vendar pa se harmoniki lahko zmanjšajo z uporabo filtrov, kompenzatorjev, pretvornikov itd.

Kako je frekvenca električnega sistema nadzorovana?

Frekvenca električnega sistema je nadzorovana z uravnoteženjem ponudbe (generiranja) in povpraševanja (obremenitve) elektrike v realnem času. Če ponudba presega povpraševanje, se frekvenca poviša; če povpraševanje presega ponudbo, se frekvenca zniža. Odkloni frekvence lahko vplivajo na stabilnost in varnost električnih sistemov, kot tudi na delovanje in operacijo električnih naprav in opreme.

Za vzdrževanje frekvence znotraj sprejemljivih mej (običajno ±0,5% okoli nominalne vrednosti) električni sistemi uporabljajo različne metode, kot so:

• Popravilo časovne napake (TEC): To je metoda, s katero se periodično prilagodi hitrost generatorjev, da se popravi za kakršno koli nakopičeno časovno napako zaradi odklonov frekvence v dolgem času. Na primer, če je frekvenca pod nominalno vrednostjo za dolgo časa (npr. zaradi visoke obremenitve), se generatorji malo pospešijo, da nadoknadijo izgubljen čas.

• Nalozno-frekvenčni nadzor (LFC): To je metoda, s katero se avtomatsko prilagodi izhod generatorjev, da se ujamejo katere koli spremembe obremenitve znotraj določenega območja ali zon (npr. država ali država). Na primer, če se obremenitev nenadoma poveča (npr. zaradi vklopitve aparativ), se generatorji ustreznost povečajo, da ohranjajo frekvenco.

• Hitrost spremembe frekvence (ROCOF): To je metoda, s katero se zaznajo kakršne koli nenadne ali velike spremembe frekvence zaradi motenj, kot so krivi ali odpadek v električnih sistemih. Na primer, če se velik generator nenadoma izklopi (npr. zaradi krivi), ROCOF pokaže, kako hitro se frekvenca spreminja zaradi tega dogodka.

• Slušno šum: To je slušno oznanje kakršnih koli sprememb frekvence zaradi mehaničnih vibracij v električnih napravah in opremi, kot so transformatorji ali motorji. Na primer, če se frekvenca malo poviša (npr. zaradi nizke obremenitve), nekatere naprave lahko izdajo višji ton, kot normalno.

Zaključek

Frekvenca električnega sistema je pomemben parameter, ki vpliva na generiranje, prenos, distribucijo in porabo elektrike. Izbira frekvence 50 Hz ali 60 Hz za električne sisteme temelji na zgodovinskih in gospodarskih razlogih, namesto tehničnih. Obe frekvenci imata svoje prednosti in slabosti, odvisno od različnih dejavnikov, kot so moč, velikost, izgube, harmoniki itd. Frekvenca električnega sistema je nadzorovana z različnimi metodami, kot so TEC, LFC, ROCOF in slušni šum, da se zagotovi stabilnost in zanesljivost električnih sistemov ter delovanje in operacija električnih naprav in opreme.

Izjava: Spoštujte original, dobre članke so vredni delitve, če gre za kršitev avtorskih pravic, prosim, kontaktirajte zamen.