Varför använder vi 50 Hz eller 60 Hz frekvens för strömsystem?

Ett elektriskt system är ett nätverk av elektriska komponenter som genererar, överför och distribuerar el till slutanvändare. Det elektriska systemet fungerar vid en viss frekvens, vilket är antalet cykler per sekund för den växelströms (AC) spänningen och strömmen. De vanligaste frekvenserna som används för elektriska system är 50 Hz och 60 Hz, beroende på region i världen. Men varför använder vi dessa frekvenser snarare än andra? Vilka är fördelarna och nackdelarna med olika frekvenser? Och hur blev dessa frekvenser standardiserade? Den här artikeln kommer att besvara dessa frågor och förklara historien och de tekniska aspekterna av frekvensen i det elektriska systemet.

Vad är frekvensen i det elektriska systemet?

Frekvensen i det elektriska systemet definieras som hastigheten för ändringen av fasvinkeln för växelströmsspänningen eller strömmen. Den mäts i hertz (Hz), vilket motsvarar en cykel per sekund. Frekvensen i det elektriska systemet beror på rotationshastigheten för generatorerna som producerar växelströmsspänningen. Ju snabbare generatorerna roterar, desto högre blir frekvensen. Frekvensen påverkar också prestanda och design av olika elektriska enheter och utrustning som använder eller producerar el.

Hur uppkom 50 Hz och 60 Hz-frekvenser?

Val av 50 Hz eller 60 Hz-frekvens för elektriska system baseras inte på någon stark teknisk anledning, utan snarare på historiska och ekonomiska faktorer. I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet, när kommersiella elektriska system utvecklades, fanns det ingen standardisering av frekvens eller spänning. Olika regioner och länder använde olika frekvenser som varierade från 16,75 Hz till 133,33 Hz, beroende på deras lokala preferenser och behov. Några av de faktorer som påverkade valet av frekvens var:

• Belysning: Lägre frekvenser orsakade märkbar flimmering i glödlampor och båglampor, som varit allmänt använda för belysning vid den tiden. Högre frekvenser minskade flimmeringen och förbättrade belysningskvaliteten.

• Rotationsmaskiner: Högre frekvenser möjliggjorde mindre och lättare motorer och generatorer, vilket minskade material- och transportkostnader. Dock ökade högre frekvenser också förluster och uppvärmning i rotationsmaskiner, vilket minskade effektiviteten och tillförlitligheten.

• Överföring och transformatorer: Högre frekvenser ökade impedansen för överföringslinjer och transformatorer, vilket minskade kapaciteten för överföring av effekt och ökade spänningsfall. Lägre frekvenser tillät längre överföringsavstånd och lägre förluster.

• Systemkoppling: Koppling av elektriska system med olika frekvenser kräver komplexa och kostsamma omvandlare eller synkroniserare. Att ha en gemensam frekvens underlättade systemintegration och samordning.

När elektriska system expanderade och kopplades ihop fanns det ett behov av standardisering av frekvens för att minska komplexitet och öka kompatibilitet. Samtidigt fanns det dock rivalitet mellan olika tillverkare och regioner som ville bibehålla sina egna standarder och monopol. Detta ledde till en splittring mellan två stora grupper: en som antog 50 Hz som standardfrekvens, huvudsakligen i Europa och Asien, och en annan som antog 60 Hz som standardfrekvens, huvudsakligen i Nordamerika och delar av Latinamerika. Japan var ett undantag som använde båda frekvenserna: 50 Hz i östra Japan (inklusive Tokyo) och 60 Hz i västra Japan (inklusive Osaka).

Vilka är fördelarna och nackdelarna med olika frekvenser?

Det finns ingen tydlig fördel eller nackdel med att använda 50 Hz eller 60 Hz-frekvens för elektriska system, eftersom båda frekvenserna har sina plus- och minuspunkter beroende på olika faktorer. Några av fördelarna och nackdelarna är:

• Effekt: Ett 60 Hz-system har 20% mer effekt än ett 50 Hz-system för samma spänning och ström. Detta betyder att maskiner och motorer som drivs på 60 Hz kan gå snabbare eller producera mer utmatning än de som drivs på 50 Hz. Dock betyder detta också att maskiner och motorer som drivs på 60 Hz kan behöva mer kylning eller skydd än de som drivs på 50 Hz.

• Storlek: En högre frekvens möjliggör mindre och lättare elektriska enheter och utrustning, eftersom den minskar storleken på magnetiska kärnor i transformatorer och motorer. Detta kan spara plats, material och transportkostnader. Dock betyder detta också att högrefrekventa enheter kan ha lägre isoleringsstyrka eller högre förluster än lågfrekventa enheter.

   

• Förluster: En högre frekvens ökar förluster i elektriska enheter och utrustning på grund av ytseffekter, virvelströmmar, hysteres, dielektrisk uppvärmning, etc. Dessa förluster minskar effektiviteten och ökar uppvärmningen i elektriska enheter och utrustning. Dock kan dessa förluster minimeras genom att använda rätt designtekniker som lamineringsmetoder, sköldning, kylning, etc.

• Harmoniska: En högre frekvens producerar fler harmoniska än en lägre frekvens. Harmoniska är multiplar av grundfrekvensen som kan orsaka förvrängning, interferens, resonans, etc., i elektriska enheter och utrustning. Harmoniska kan minska kvaliteten och tillförlitligheten i elektriska system. Dock kan harmoniska mildras genom att använda filter, kompensatorer, omvandlare, etc.

Hur styrs frekvensen i det elektriska systemet?

Frekvensen i det elektriska systemet styrs genom att balansera tillförsel (generering) och efterfrågan (belastning) av el i realtid. Om tillförsel överstiger efterfrågan, ökar frekvensen; om efterfrågan överstiger tillförsel, minskar frekvensen. Frekvensavvikelser kan påverka stabiliteten och säkerheten i elektriska system, samt prestanda och drift av elektriska enheter och utrustning.

För att hålla frekvensen inom acceptabla gränser (vanligtvis ±0,5% runt nominalvärdet) använder elektriska system olika metoder som:

• Tidsfelkorrigering (TEC): Detta är en metod för att justera hastigheten på generatorer periodvis för att korrigera eventuella ackumulerade tidsfel på grund av frekvensavvikelser under en lång tid. Till exempel, om frekvensen ligger under nominalvärdet under en lång tid (till exempel på grund av hög belastning), kommer generatorerna att öka sin hastighet något för att kompensera för den förlorade tiden.

• Lastfrekvensreglering (LFC): Detta är en metod för att automatiskt justera utmatningen från generatorer för att matcha eventuella ändringar i belastning inom en viss område eller zon (till exempel en stat eller ett land). Till exempel, om belastningen ökar plötsligt (till exempel på grund av att apparater slås på), kommer generatorerna att öka sin utmatning därefter för att hålla frekvensen konstant.

• Frekvensens hastighet förändring (ROCOF): Detta är en metod för att upptäcka plötsliga eller stora ändringar i frekvens på grund av störningar som fel eller avbrott i elektriska system. Till exempel, om en stor generator avbryter oväntat (till exempel på grund av ett fel), kommer ROCOF att indikera hur snabbt frekvensen ändras på grund av detta händelse.

• Hörbar brus: Detta är en hörbar indikation av eventuella ändringar i frekvens på grund av mekaniska vibrationer i elektriska enheter och utrustning som transformatorer eller motorer. Till exempel, om frekvensen ökar något (till exempel på grund av låg belastning), kan vissa enheter producera en högre ton än normalt.

Slutsats

Frekvensen i det elektriska systemet är en viktig parameter som påverkar generering, överföring, distribution och konsumtion av el. Valet av 50 Hz eller 60 Hz-frekvens för elektriska system baseras på historiska och ekonomiska skäl snarare än tekniska. Båda frekvenserna har sina fördelar och nackdelar beroende på olika faktorer som effekt, storlek, förluster, harmoniska, etc. Frekvensen i det elektriska systemet styrs av olika metoder som TEC, LFC, ROCOF och hörbart brus för att säkerställa stabilitet och tillförlitlighet i elektriska system, samt prestanda och drift av elektriska enheter och utrustning.

Uttryck: Respektera originaltexten, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för radering.