Zašto koristimo frekvenciju od 50 Hz ili 60 Hz za električne sisteme?

Električni sistem je mreža električnih komponenti koje proizvode prenose i distribuišu struju korisnicima. Električni sistem radi na određenoj frekvenciji, koja predstavlja broj ciklusa u sekundi alternativne struje (AC) napona i struje. Najčešće korištene frekvencije za električne sisteme su 50 Hz i 60 Hz, zavisno od regiona sveta. Ali zašto upravo ove frekvencije a ne druge? Koji su prednosti i nedostaci različitih frekvencija? I kako su ove frekvencije postale standardizovane? Ovaj članak će dati odgovore na ova pitanja i objasniti istoriju i tehničke aspekte frekvencije električnog sistema.

Šta je frekvencija električnog sistema?

Frekvencija električnog sistema definisana je kao stopa promene faznog ugla AC napona ili struje. Mjeri se u hercima (Hz), što je jednako jednom ciklusu u sekundi. Frekvencija električnog sistema zavisi od brzine rotacije generatora koji proizvode AC napon. Što brže rotiraju generatori, veća je frekvencija. Frekvencija takođe utiče na performanse i dizajn različitih električnih uređaja i opreme koji koriste ili proizvode električnu energiju.

Kako su nastale frekvencije od 50 Hz i 60 Hz?

Izbor frekvencija od 50 Hz ili 60 Hz za električne sisteme ne temelji se na jakim tehničkim razlozima, već na istorijskim i ekonomskim faktorima. U kasnom 19. i ranom 20. veku, kada su se razvijali komercijalni električni sistemi, ne postojala je standardizacija frekvencije ili napona. Različiti regioni i zemlje koristili su različite frekvencije u rasponu od 16.75 Hz do 133.33 Hz, zavisno od lokalnih preferencija i potreba. Neki od faktora koji su uticali na izbor frekvencije bili su:

• Osvjetljenje: Niže frekvencije dovodile su do primjetnog treperenja u žaruljama s vlaknastim žicama i lukovim žaruljama, koje su se široko koristile za osvjetljenje tada. Više frekvencije smanjivale su treperenje i poboljšavale kvalitetu osvjetljenja.

• Rotirajuće mašine: Više frekvencije omogućavale su manje i lagane motore i generatore, smanjujući materijalne i transportne troškove. Međutim, više frekvencije su takođe povećavale gubitke i zagrijavanje u rotirajućim mašinama, smanjujući efikasnost i pouzdanost.

• Prenos i transformatori: Više frekvencije povećavale su impedanciju prenosnih linija i transformatora, smanjujući sposobnost prenosa moći i povećavajući pad napona. Niže frekvencije omogućavale su duže udaljenosti prenosa i niže gubitke.

• Interkonexija sistema: Povezivanje električnih sistema sa različitim frekvencijama zahtijeva složene i skuplje konvertere ili sinhronizere. Imajući zajedničku frekvenciju olakšava integraciju i koordinaciju sistema.

Kako su se električni sistemi proširivali i interkonectovali, postojala je potreba za standardizacijom frekvencije kako bi se smanjila složenost i povećala kompatibilnost. Međutim, postojao je i natjecanjem među različitim proizvođačima i regionima koji su želeli održati svoje standarde i monopole. To je dovelo do podjele na dve glavne grupe: jedna koja je usvojila 50 Hz kao standardnu frekvenciju, uglavnom u Evropi i Aziji, a druga koja je usvojila 60 Hz kao standardnu frekvenciju, uglavnom u Sjevernoj Americi i delovima Latinske Amerike. Japan je bio izuzetak koji je koristio oba frekvencijska režima: 50 Hz u istočnom Japanu (uključujući Tokio) i 60 Hz u zapadnom Japanu (uključujući Osaka).

Koji su prednosti i nedostaci različitih frekvencija?

Ne postoji jasan prednost ili nedostatak korištenja frekvencija od 50 Hz ili 60 Hz za električne sisteme, jer obe frekvencije imaju svoje prednosti i nedostatke zavisno od različitih faktora. Neki od prednosti i nedostataka su:

• Moć: Sistem od 60 Hz ima 20% više moći od sistema od 50 Hz za isti napon i struju. To znači da strojevi i motori koji rade na 60 Hz mogu raditi brže ili proizvesti više izlaza nego oni koji rade na 50 Hz. Međutim, to takođe znači da strojevi i motori koji rade na 60 Hz mogu zahtevati više hlađenja ili zaštite nego oni koji rade na 50 Hz.

• Veličina: Više frekvencija omogućava manje i lagane električne uređaje i opremu, jer smanjuje veličinu magnetnih jezgri u transformatorima i motorima. To može smanjiti prostor, materijal i transportne troškove. Međutim, to takođe znači da uređaji visokih frekvencija mogu imati nižu izolacionu čvrstoću ili veće gubitke nego uređaji niskih frekvencija.

   

• Gubitci: Više frekvencija povećava gubitke u električnim uređajima i opremi zbog skin efekta, strujnih prstena, histereza, dielektričkog zagrijavanja itd. Ovi gubitci smanjuju efikasnost i povećavaju zagrijavanje u električnim uređajima i opremi. Međutim, ovi gubitci mogu se minimizirati korišćenjem odgovarajućih dizajnerskih tehnika, poput laminacije, štitnica, hlađenja itd.

• Harmonici: Više frekvencija proizvodi više harmonika od niske frekvencije. Harmonici su višestruki fundamentalne frekvencije koja može uzrokovati distorziju, interferenciju, rezonanciju itd. u električnim uređajima i opremi. Harmonici mogu smanjiti kvalitet i pouzdanost električnih sistema. Međutim, harmonici se mogu smanjiti korišćenjem filtera, kompenzatora, konvertera itd.

Kako se kontrolira frekvencija električnog sistema?

Frekvencija električnog sistema kontrolise se balansiranjem snabdjevanja (proizvodnje) i potražnje (opterećenja) električne energije u stvarnom vremenu. Ako snabdjevanje premaši potražnju, frekvencija se povećava; ako potražnja premaši snabdjevanje, frekvencija se smanjuje. Odstupanja frekvencije mogu uticati na stabilnost i sigurnost električnih sistema, kao i na performanse i operacije električnih uređaja i opreme.

Da bi se održala frekvencija unutar prihvatljivih granica (obično ±0.5% oko nominalne vrednosti), električni sistemi koriste različite metode, poput:

• Korekcija greške vremena (TEC): Ovo je metoda za prilagođavanje brzine generatora periodično kako bi se ispravila akumulirana greška vremena zbog odstupanja frekvencije tokom dugog perioda. Na primer, ako je frekvencija ispod nominalne vrednosti tokom dugo vremena (npr. zbog velikog opterećenja), generatori će malo ubrzati kako bi nadoknadili izgubljeno vreme.

• Kontrola opterećenja-frekvencije (LFC): Ovo je metoda za automatsko prilagođavanje izlaza generatora kako bi se poklopilo sa bilo kim promenama opterećenja unutar određene oblasti ili zone (npr. države ili zemlje). Na primer, ako se opterećenje naglo poveća (npr. zbog uključivanja uređaja), generatori će povećati svoj izlaz kako bi održali frekvenciju.

• Brzina promene frekvencije (ROCOF): Ovo je metoda za detektovanje bilo kakvih naglih ili velikih promena frekvencije zbog perturbacija, poput grešaka ili prekidova u električnim sistemima. Na primer, ako se veliki generator neočekivano isključi (npr. zbog greške), ROCOF će pokazati koliko brzo se frekvencija menja zbog ovog događaja.

• Čujni šum: Ovo je čujni indikator bilo kakvih promena frekvencije zbog mehaničkih vibracija u električnim uređajima i opremi, poput transformatora ili motora. Na primer, ako se frekvencija malo poveća (npr. zbog niskog opterećenja), neki uređaji mogu proizvesti viši ton nego normalno.

Zaključak

Frekvencija električnog sistema je važan parametar koji utiče na proizvodnju, prenos, distribuciju i potrošnju električne energije. Izbor frekvencija od 50 Hz ili 60 Hz za električne sisteme temelji se na istorijskim i ekonomskim razlovima umjesto tehničkim. Obje frekvencije imaju svoje prednosti i nedostatke zavisno od različitih faktora, poput moći, veličine, gubitaka, harmonika itd. Frekvencija električnog sistema kontrolise se različitim metodama, poput TEC, LFC, ROCOF i čujnog šuma, kako bi se osigurala stabilnost i pouzdanost električnih sistema, kao i performanse i operacije električnih uređaja i opreme.

Izjava: Poštovanje originala, dobre članke vredi deliti, ukoliko postoji kršenje autorskih prava molimo da kontaktirate za brisanje.