Tại Sao Chúng Ta Sử Dụng Tần Số 50 Hz hoặc 60 Hz cho Hệ Thống Điện?

Một hệ thống điện là mạng lưới các thành phần điện tạo ra, truyền tải và phân phối điện cho người dùng cuối. Hệ thống điện hoạt động ở một tần số nhất định, đó là số chu kỳ mỗi giây của điện xoay chiều (AC) điện áp và dòng điện. Các tần số phổ biến nhất được sử dụng cho hệ thống điện là 50 Hz và 60 Hz, tùy thuộc vào khu vực trên thế giới. Nhưng tại sao chúng ta lại sử dụng các tần số này mà không phải tần số khác? Những ưu điểm và nhược điểm của các tần số khác nhau là gì? Và làm thế nào để các tần số này trở thành tiêu chuẩn? Bài viết này sẽ trả lời những câu hỏi này và giải thích lịch sử và các khía cạnh kỹ thuật của tần số hệ thống điện.

Tần số Hệ thống Điện là gì?

Tần số hệ thống điện được định nghĩa là tốc độ thay đổi góc pha của điện áp hoặc dòng điện AC. Nó được đo bằng hertz (Hz), tương đương với một chu kỳ mỗi giây. Tần số của hệ thống điện phụ thuộc vào tốc độ quay của các máy phát điện tạo ra điện áp AC. Máy phát điện quay càng nhanh, tần số càng cao. Tần số cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và thiết kế của các thiết bị và thiết bị điện khác nhau sử dụng hoặc sản xuất điện.

50 Hz và 60 Hz Xuất hiện như thế nào?

Lựa chọn tần số 50 Hz hoặc 60 Hz cho hệ thống điện không dựa trên bất kỳ lý do kỹ thuật mạnh mẽ nào mà chủ yếu dựa trên các yếu tố lịch sử và kinh tế. Vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, khi các hệ thống điện thương mại đang được phát triển, không có tiêu chuẩn hóa về tần số hoặc điện áp. Các khu vực và quốc gia khác nhau sử dụng các tần số khác nhau từ 16.75 Hz đến 133.33 Hz, tùy thuộc vào sở thích và nhu cầu địa phương của họ. Một số yếu tố đã ảnh hưởng đến sự lựa chọn tần số bao gồm:

• Đèn chiếu sáng: Tần số thấp gây ra hiện tượng nhấp nháy đáng chú ý trong các bóng đèn sợi đốt và bóng đèn hồ quang, được sử dụng rộng rãi cho chiếu sáng vào thời điểm đó. Tần số cao hơn giảm thiểu hiện tượng nhấp nháy và cải thiện chất lượng chiếu sáng.

• Máy quay: Tần số cao hơn cho phép sử dụng các động cơ và máy phát nhỏ hơn và nhẹ hơn, giảm chi phí vật liệu và vận chuyển. Tuy nhiên, tần số cao cũng tăng mất mát và nhiệt trong các máy quay, làm giảm hiệu suất và độ tin cậy.

• Truyền tải và biến áp: Tần số cao tăng trở kháng của đường dây truyền tải và biến áp, giảm khả năng truyền tải điện và tăng sụt áp. Tần số thấp cho phép khoảng cách truyền tải dài hơn và giảm mất mát.

• Kết nối hệ thống: Kết nối các hệ thống điện với các tần số khác nhau yêu cầu các bộ chuyển đổi hoặc bộ đồng bộ phức tạp và tốn kém. Có một tần số chung giúp việc tích hợp và phối hợp hệ thống dễ dàng hơn.

Khi các hệ thống điện mở rộng và kết nối, có nhu cầu tiêu chuẩn hóa tần số để giảm sự phức tạp và tăng tính tương thích. Tuy nhiên, cũng có sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất và khu vực muốn duy trì các tiêu chuẩn và độc quyền riêng của họ. Điều này dẫn đến sự phân chia thành hai nhóm chính: một nhóm chấp nhận 50 Hz làm tần số tiêu chuẩn, chủ yếu ở châu Âu và châu Á, và một nhóm khác chấp nhận 60 Hz làm tần số tiêu chuẩn, chủ yếu ở Bắc Mỹ và một số phần của Nam Mỹ. Nhật Bản là một ngoại lệ sử dụng cả hai tần số: 50 Hz ở phía đông Nhật Bản (bao gồm Tokyo) và 60 Hz ở phía tây Nhật Bản (bao gồm Osaka).

Những Ưu Điểm và Nhược Điểm của Các Tần Số Khác Nhau là Gì?

Không có lợi ích rõ ràng hay nhược điểm khi sử dụng tần số 50 Hz hoặc 60 Hz cho hệ thống điện, vì cả hai tần số đều có ưu và nhược điểm tùy thuộc vào các yếu tố khác nhau. Một số ưu điểm và nhược điểm bao gồm:

• Công suất: Một hệ thống 60 Hz có công suất cao hơn 20% so với hệ thống 50 Hz ở cùng điện áp và dòng điện. Điều này có nghĩa là các máy và động cơ chạy ở 60 Hz có thể chạy nhanh hơn hoặc sản xuất nhiều hơn so với các máy chạy ở 50 Hz. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là các máy và động cơ chạy ở 60 Hz có thể cần nhiều làm mát hoặc bảo vệ hơn so với các máy chạy ở 50 Hz.

• Kích thước: Tần số cao hơn cho phép sử dụng các thiết bị điện nhỏ hơn và nhẹ hơn, vì nó giảm kích thước lõi từ trong biến áp và động cơ. Điều này có thể tiết kiệm không gian, vật liệu và chi phí vận chuyển. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là các thiết bị tần số cao có thể có độ bền cách điện thấp hơn hoặc mất mát cao hơn so với các thiết bị tần số thấp.

   

• Mất mát: Tần số cao tăng mất mát trong các thiết bị điện do hiệu ứng da, dòng cảm ứng, hysteresis, làm nóng điện môi, v.v. Các mất mát này giảm hiệu suất và tăng nhiệt trong các thiết bị điện. Tuy nhiên, các mất mát này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các kỹ thuật thiết kế phù hợp như laminating, che chắn, làm mát, v.v.

• Hàm bậc: Tần số cao tạo ra nhiều hàm bậc hơn so với tần số thấp. Hàm bậc là bội số của tần số cơ bản có thể gây méo, nhiễu, cộng hưởng, v.v., trong các thiết bị điện. Hàm bậc có thể giảm chất lượng và độ tin cậy của hệ thống điện. Tuy nhiên, hàm bậc có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng bộ lọc, bộ bù, bộ chuyển đổi, v.v.

Làm Thế Nào để Kiểm Soát Tần Số Hệ Thống Điện?

Tần số hệ thống điện được kiểm soát bằng cách cân bằng cung cấp (sản xuất) và nhu cầu (tải) điện theo thời gian thực. Nếu cung vượt quá cầu, tần số tăng; nếu cầu vượt quá cung, tần số giảm. Sự sai lệch tần số có thể ảnh hưởng đến sự ổn định và an toàn của hệ thống điện, cũng như hiệu suất và hoạt động của các thiết bị và thiết bị điện.

Để duy trì tần số trong giới hạn chấp nhận được (thường là ±0.5% xung quanh giá trị định mức), các hệ thống điện sử dụng các phương pháp như:

• Sửa lỗi thời gian (TEC): Đây là phương pháp điều chỉnh tốc độ của máy phát điện định kỳ để sửa lỗi tích lũy do sự sai lệch tần số trong một thời gian dài. Ví dụ, nếu tần số dưới định mức trong một thời gian dài (ví dụ, do tải cao), máy phát sẽ tăng tốc nhẹ để bù đắp cho thời gian đã mất.

• Kiểm soát tải-tần số (LFC): Đây là phương pháp điều chỉnh đầu ra của máy phát tự động để khớp với bất kỳ thay đổi nào trong tải trong một khu vực hoặc vùng cụ thể (ví dụ, một bang hoặc một quốc gia). Ví dụ, nếu tải tăng đột ngột (ví dụ, do bật các thiết bị), máy phát sẽ tăng đầu ra tương ứng để duy trì tần số.

• Tốc độ thay đổi tần số (ROCOF): Đây là phương pháp phát hiện bất kỳ thay đổi đột ngột hoặc lớn nào trong tần số do sự cố như sự cố hoặc ngắt nguồn trong hệ thống điện. Ví dụ, nếu một máy phát lớn bị ngắt không mong đợi (ví dụ, do sự cố), ROCOF sẽ chỉ ra tốc độ thay đổi tần số do sự kiện này.

• Tiếng ồn nghe được: Đây là dấu hiệu nghe được của bất kỳ thay đổi nào trong tần số do rung động cơ học trong các thiết bị điện như biến áp hoặc động cơ. Ví dụ, nếu tần số tăng nhẹ (ví dụ, do tải thấp), một số thiết bị có thể phát ra âm thanh cao hơn bình thường.

Kết luận

Tần số hệ thống điện là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến việc tạo ra, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện. Việc lựa chọn tần số 50 Hz hoặc 60 Hz cho hệ thống điện dựa trên các lý do lịch sử và kinh tế hơn là kỹ thuật. Cả hai tần số đều có ưu và nhược điểm tùy thuộc vào các yếu tố như công suất, kích thước, mất mát, hàm bậc, v.v. Tần số hệ thống điện được kiểm soát bằng các phương pháp như TEC, LFC, ROCOF và tiếng ồn nghe được để đảm bảo sự ổn định và tin cậy của hệ thống điện cũng như hiệu suất và hoạt động của các thiết bị và thiết bị điện.

Bản tuyên bố: tôn trọng bản gốc, bài viết tốt đáng chia sẻ, nếu vi phạm bản quyền vui lòng liên hệ để xóa.