ทำไมเราจึงใช้ความถี่ 50 Hz หรือ 60 Hz สำหรับระบบไฟฟ้า

ระบบพลังงานไฟฟ้าคือเครือข่ายของส่วนประกอบไฟฟ้าที่สร้าง ถ่ายทอด และกระจายกระแสไฟฟ้าให้แก่ผู้ใช้ปลายทาง ระบบพลังงานไฟฟ้าทำงานด้วยความถี่หนึ่งซึ่งเป็นจำนวนรอบต่อวินาทีของกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) แรงดันและกระแส ความถี่ที่ใช้ในระบบพลังงานไฟฟ้าทั่วไปคือ 50 Hz และ 60 Hz ขึ้นอยู่กับภูมิภาคของโลก แต่ทำไมเราจึงใช้ความถี่เหล่านี้และไม่ใช่ความถี่อื่น ๆ อะไรคือข้อดีและข้อเสียของความถี่ที่แตกต่างกัน และความถี่เหล่านี้กลายเป็นมาตรฐานได้อย่างไร บทความนี้จะตอบคำถามเหล่านี้และอธิบายประวัติและความรู้ทางเทคนิคเกี่ยวกับความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้า

ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าคืออะไร?

ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าหมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงของมุมเฟสของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าสลับ มันวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) ซึ่งเท่ากับหนึ่งรอบต่อวินาที ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สร้างแรงดันไฟฟ้าสลับ ยิ่งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนเร็วเท่าใด ความถี่ก็จะสูงขึ้นเท่านั้น ความถี่ยังมีผลต่อประสิทธิภาพและการออกแบบของอุปกรณ์และอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ที่ใช้หรือสร้างกระแสไฟฟ้า

ความถี่ 50 Hz และ 60 Hz เกิดขึ้นได้อย่างไร?

การเลือกความถี่ 50 Hz หรือ 60 Hz สำหรับระบบพลังงานไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับเหตุผลทางเทคนิคที่แข็งแกร่ง แต่ขึ้นอยู่กับเหตุผลทางประวัติศาสตร์และเศรษฐกิจ ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 เมื่อระบบพลังงานไฟฟ้าเชิงพาณิชย์กำลังพัฒนา ยังไม่มีการกำหนดมาตรฐานความถี่หรือแรงดันไฟฟ้า ภูมิภาคและประเทศต่าง ๆ ใช้ความถี่ที่แตกต่างกันตั้งแต่ 16.75 Hz ถึง 133.33 Hz ขึ้นอยู่กับความชอบและความต้องการในท้องถิ่น ปัจจัยบางประการที่มีอิทธิพลต่อการเลือกความถี่คือ:

• แสงสว่าง: ความถี่ต่ำทำให้เกิดการกระพริบอย่างเห็นได้ชัดในหลอดไฟฟ้าชนิดไส้และหลอดอาร์กซึ่งใช้สำหรับแสงสว่างในขณะนั้น ความถี่สูงลดการกระพริบและเพิ่มคุณภาพแสงสว่าง

• เครื่องกลหมุน: ความถี่สูงอนุญาตให้มีมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ซึ่งลดค่าใช้จ่ายวัสดุและขนส่ง อย่างไรก็ตาม ความถี่สูงยังเพิ่มการสูญเสียและความร้อนในเครื่องกลหมุน ซึ่งลดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

• การส่งและทรานสฟอร์เมอร์: ความถี่สูงเพิ่มความต้านทานของสายส่งและทรานสฟอร์เมอร์ ซึ่งลดความสามารถในการส่งกำลังและเพิ่มการตกแรงดัน ความถี่ต่ำอนุญาตให้มีระยะการส่งที่ยาวขึ้นและมีการสูญเสียน้อยลง

• การเชื่อมโยงระบบ: การเชื่อมโยงระบบพลังงานไฟฟ้าที่มีความถี่ต่างกันต้องใช้คอนเวอร์เตอร์หรือซิงโครไนเซอร์ที่ซับซ้อนและมีราคาแพง การมีความถี่เดียวกันทำให้การรวมระบบและการประสานงานเป็นไปได้ง่ายขึ้น

เมื่อระบบพลังงานไฟฟ้าขยายตัวและเชื่อมโยงกัน มีความจำเป็นในการกำหนดมาตรฐานความถี่เพื่อลดความซับซ้อนและเพิ่มความเข้ากันได้ อย่างไรก็ตาม มีการแข่งขันระหว่างผู้ผลิตและภูมิภาคต่าง ๆ ที่ต้องการรักษามาตรฐานและสิทธิพิเศษของตนเอง ทำให้เกิดการแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่: กลุ่มที่ใช้ความถี่ 50 Hz เป็นมาตรฐาน หลัก ๆ ในยุโรปและเอเชีย และกลุ่มที่ใช้ความถี่ 60 Hz เป็นมาตรฐาน หลัก ๆ ในอเมริกาเหนือและบางส่วนของละตินอเมริกา ญี่ปุ่นเป็นกรณีพิเศษที่ใช้ทั้งสองความถี่: 50 Hz ในญี่ปุ่นตะวันออก (รวมถึงโตเกียว) และ 60 Hz ในญี่ปุ่นตะวันตก (รวมถึงโอซากา)

ข้อดีและข้อเสียของความถี่ที่แตกต่างกันคืออะไร?

ไม่มีข้อดีหรือข้อเสียที่ชัดเจนในการใช้ความถี่ 50 Hz หรือ 60 Hz สำหรับระบบพลังงานไฟฟ้า เนื่องจากทั้งสองความถี่มีข้อดีและข้อเสียขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ บางข้อดีและข้อเสียคือ:

• กำลัง: ระบบ 60 Hz มีกำลังมากกว่าระบบ 50 Hz 20% สำหรับแรงดันและกระแสที่เท่ากัน นั่นหมายความว่าเครื่องจักรและมอเตอร์ที่ทำงานบน 60 Hz สามารถทำงานเร็วขึ้นหรือผลิตกำลังมากขึ้นกว่าที่ทำงานบน 50 Hz อย่างไรก็ตาม นี่ยังหมายความว่าเครื่องจักรและมอเตอร์ที่ทำงานบน 60 Hz อาจต้องการการระบายความร้อนหรือการป้องกันมากกว่าที่ทำงานบน 50 Hz

• ขนาด: ความถี่สูงอนุญาตให้มีอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ลดขนาดของแกนแม่เหล็กในทรานสฟอร์เมอร์และมอเตอร์ ซึ่งสามารถประหยัดพื้นที่ วัสดุ และค่าขนส่ง อย่างไรก็ตาม นี่ยังหมายความว่าอุปกรณ์ความถี่สูงอาจมีความแข็งแรงของฉนวนต่ำหรือมีการสูญเสียมากกว่าอุปกรณ์ความถี่ต่ำ

   

• การสูญเสีย: ความถี่สูงเพิ่มการสูญเสียในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ เนื่องจากเอฟเฟกต์ผิว,วงจรวน, ฮิสเตอริส, การทำความร้อนแบบดายอิเล็กทริก ฯลฯ การสูญเสียเหล่านี้ลดประสิทธิภาพและเพิ่มความร้อนในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ อย่างไรก็ตาม การสูญเสียเหล่านี้สามารถลดลงได้โดยใช้วิธีการออกแบบที่เหมาะสม เช่น การใช้แผ่นเหล็ก, การป้องกัน, การระบายความร้อน ฯลฯ

• ฮาร์โมนิก: ความถี่สูงสร้างฮาร์โมนิกมากกว่าความถี่ต่ำ ฮาร์โมนิกคือพหุคูณของความถี่พื้นฐานที่สามารถทำให้เกิดการบิดเบือน, การรบกวน, การสั่นสะเทือน ฯลฯ ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ ฮาร์โมนิกสามารถลดคุณภาพและความน่าเชื่อถือในระบบพลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ฮาร์โมนิกสามารถลดลงได้โดยใช้ฟิลเตอร์, คอมเพนเซเตอร์, คอนเวอร์เตอร์ ฯลฯ

ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าควบคุมอย่างไร?

ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าควบคุมโดยการทรงสมดุลระหว่างการจ่าย (การผลิต) และความต้องการ (โหลด) ของกระแสไฟฟ้าในเวลาจริง หากการจ่ายมากกว่าความต้องการ ความถี่จะเพิ่มขึ้น หากความต้องการมากกว่าการจ่าย ความถี่จะลดลง การเปลี่ยนแปลงความถี่สามารถส่งผลกระทบต่อความมั่นคงและความปลอดภัยของระบบพลังงานไฟฟ้า ตลอดจนประสิทธิภาพและการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ

เพื่อรักษาความถี่ภายในขอบเขตที่ยอมรับได้ (โดยทั่วไป ±0.5% รอบค่าเฉลี่ย) ระบบพลังงานไฟฟ้าใช้วิธีต่าง ๆ เช่น:

• การแก้ไขความคลาดเคลื่อนเวลา (TEC): วิธีนี้ใช้ปรับความเร็วของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นระยะ ๆ เพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนเวลาสะสมจากการเปลี่ยนแปลงความถี่ในระยะยาว ตัวอย่างเช่น ถ้าความถี่ต่ำกว่าค่าเฉลี่ยเป็นเวลานาน (เช่น ด้วยโหลดสูง) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเร่งความเร็วขึ้นเพื่อชดเชยเวลาที่สูญเสียไป

• การควบคุมโหลด-ความถี่ (LFC): วิธีนี้ใช้ปรับเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยอัตโนมัติเพื่อให้ตรงกับการเปลี่ยนแปลงโหลดภายในพื้นที่หรือโซนหนึ่ง (เช่น รัฐหรือประเทศ) ตัวอย่างเช่น ถ้าโหลดเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน (เช่น จากการเปิดเครื่องใช้ไฟฟ้า) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเพิ่มเอาต์พุตเพื่อรักษาความถี่

• อัตราการเปลี่ยนแปลงความถี่ (ROCOF): วิธีนี้ใช้ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความถี่อย่างกะทันหันหรือมากจากการรบกวน เช่น ความผิดปกติหรือการขาดแคลนในระบบพลังงานไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่หยุดทำงานอย่างไม่คาดคิด (เช่น จากความผิดปกติ) ROCOF จะแสดงว่าความถี่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากเหตุการณ์นี้

• เสียงรบกวนที่ได้ยิน: นี่คือการบอกเหตุการณ์การเปลี่ยนแปลงความถี่จากการสั่นสะเทือนเชิงกลในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ทรานสฟอร์เมอร์หรือมอเตอร์ ตัวอย่างเช่น ถ้าความถี่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย (เช่น จากโหลดต่ำ) บางอุปกรณ์อาจสร้างเสียงสูงขึ้นกว่าปกติ

สรุป

ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่มีผลต่อการผลิต การส่ง และการกระจายกระแสไฟฟ้า การเลือกความถี่ 50 Hz หรือ 60 Hz สำหรับระบบพลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับเหตุผลทางประวัติศาสตร์และเศรษฐกิจมากกว่าเหตุผลทางเทคนิค ทั้งสองความถี่มีข้อดีและข้อเสียขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น กำลัง ขนาด การสูญเสีย ฮาร์โมนิก ฯลฯ ความถี่ของระบบพลังงานไฟฟ้าควบคุมโดยวิธีต่าง ๆ เช่น TEC, LFC, ROCOF, และเสียงรบกวนที่ได้ยิน เพื่อรักษาความมั่นคงและความน่าเชื่อถือของระบบพลังงานไฟฟ้าและประสิทธิภาพและการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุปกรณ์ต่าง ๆ

คำแถลง: ให้ความเคารพต่อเนื้อหาดั้งเดิม บทความที่ดีควรแชร์ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์โปรดติดต่อลบ