Електроенергетична система — це мережа електричних компонентів, які генерують, передають та розподіляють електроенергію до кінцевих споживачів. Електроенергетична система працює на певній частоті, яка вимірюється як кількість циклів за секунду перемінного струму (AC) напруги та струму. Найпоширеніші частоти, які використовуються для електроенергетичних систем, — 50 Гц та 60 Гц, залежно від регіону світу. Але чому ми використовуємо саме ці частоти, а не інші? Які переваги та недоліки мають різні частоти? І як ці частоти стали стандартизованими? Ця стаття відповість на ці питання та пояснить історію та технічні аспекти частоти електроенергетичної системи.
Частота електроенергетичної системи визначається як швидкість зміни фазового кута напруги або струму AC. Вона вимірюється в герцах (Гц), що дорівнює одному циклу за секунду. Частота електроенергетичної системи залежить від швидкості обертання генераторів, які виробляють напругу AC. Чим швидше обертаються генератори, тим вища частота. Частота також впливає на продуктивність та конструкцію різних електричних приладів та обладнання, які використовують або виробляють електроенергію.
Вибір частоти 50 Гц або 60 Гц для електроенергетичних систем не базується на сильних технічних доказах, а більше на історичних та економічних факторах. У кінці 19-го та на початку 20-го століття, коли комерційні електроенергетичні системи були у процесі розвитку, не було стандартизації частоти або напруги. Різні регіони та країни використовували різні частоти, від 16,75 Гц до 133,33 Гц, залежно від їх локальних переваг та потреб. Деякі фактори, які вплинули на вибір частоти, були:
Освітлення: Нижчі частоти спричиняли помітне мерехтіння в інкандесцентних лампах та дугових лампах, які широко використовувались для освітлення в той час. Вищі частоти зменшували мерехтіння та покращували якість освітлення.
Обертові машини: Вищі частоти дозволяли виготовляти менші та легші двигуни та генератори, що зменшувало витрати на матеріали та транспортування. Однак, вищі частоти також збільшували втрати та нагрівання в обертових машинах, що зменшувало ефективність та надійність.
Передача та трансформатори: Вищі частоти збільшували імпеданс ліній передачі та трансформаторів, що зменшувало можливості передачі потужності та збільшувало спад напруги. Нижчі частоти дозволяли довші відстані передачі та нижчі втрати.
З'єднання систем: З'єднання електроенергетичних систем з різними частотами вимагало складних та дорогих конвертерів або синхронізаторів. Спільна частота сприяла інтеграції та координації систем.
З розширенням та з'єднанням електроенергетичних систем виникла потреба у стандартизації частоти, щоб зменшити складність та збільшити сумісність. Однак, була також конкурентність між різними виробниками та регіонами, які хотіли зберігати свої стандарти та монополії. Це призвело до поділу на дві основні групи: одна, яка прийняла 50 Гц як стандартну частоту, в основному в Європі та Азії, та інша, яка прийняла 60 Гц як стандартну частоту, в основному в Північній Америці та частина Латинської Америки. Японія була винятком, де використовувалися обидві частоти: 50 Гц на сході Японії (включаючи Токіо) та 60 Гц на заході Японії (включаючи Осаку).
Немає очевидних переваг або недоліків використання частот 50 Гц або 60 Гц для електроенергетичних систем, оскільки обидві частоти мають свої переваги та недоліки, залежно від різних факторів. Деякі з переваг та недоліків:
Потужність: Система 60 Гц має на 20% більшу потужність, ніж система 50 Гц, при однаковій напрузі та струмі. Це означає, що машини та двигуни, що працюють на 60 Гц, можуть працювати швидше або виробляти більший вивід, ніж ті, що працюють на 50 Гц. Однак, це також означає, що машини та двигуни, що працюють на 60 Гц, можуть потребувати більшого охолодження або захисту, ніж ті, що працюють на 50 Гц.
Розмір: Вища частота дозволяє виготовляти менші та легші електричні прилади та обладнання, оскільки зменшує розмір магнітних сердець у трансформаторах та двигунах. Це може зекономити простір, матеріали та витрати на транспортування. Однак, це також означає, що прилади вищої частоти можуть мати нижчу ізоляційну стійкість або більші втрати, ніж прилади нижчої частоти.
Втрати: Вища частота збільшує втрати в електричних приладах та обладнанні через skin effects, eddy currents, гістерезис, діелектричне нагрівання тощо. Ці втрати зменшують ефективність та збільшують нагрівання в електричних приладах та обладнанні. Однак, ці втрати можна мінімізувати за допомогою правильних методів проектування, таких як ламінація, екранировання, охолодження тощо.
