Częstotliwość sieci - Utility frequency

Przebieg 230 V i 50 Hz w porównaniu z 110 V i 60 Hz

Częstotliwość napięcia , (zasilanie) częstotliwość linii ( American English ) lub sieciowe częstotliwość ( British English ) jest nominalną częstotliwość oscylacji prądu zmiennego (AC) w szerokiej strefy synchronicznej sieci nadawanego z elektrowni do użytkownika końcowego . W dużej części świata jest to 50  Hz , chociaż w obu Amerykach i częściach Azji jest to zazwyczaj 60 Hz. Bieżące zużycie według kraju lub regionu jest podane na liście sieci elektrycznej według kraju .

Podczas rozwoju komercyjnych systemów zasilania elektrycznego na przełomie XIX i XX wieku stosowano wiele różnych częstotliwości (i napięć). Duże inwestycje w sprzęt o jednej częstotliwości sprawiły, że normalizacja była powolnym procesem. Jednak na przełomie XIX i XX wieku miejsca, w których obecnie stosuje się częstotliwość 50 Hz, zwykle stosują napięcie 220–240  V , a te, w których obecnie stosuje się 60 Hz, 100–127 V. Obie częstotliwości współistnieją dziś (Japonia używa obu ) bez ważnego technicznego powodu, aby preferować jedno nad drugim i bez wyraźnego pragnienia pełnej ogólnoświatowej standaryzacji.

W praktyce dokładna częstotliwość sieci zmienia się wokół częstotliwości nominalnej, zmniejszając się, gdy sieć jest mocno obciążona i przyspieszając, gdy jest ona lekko obciążona. Jednak większość zakładów energetycznych dostosowuje częstotliwość sieci w ciągu dnia, aby zapewnić stałą liczbę cykli. Jest to używane przez niektóre zegary do dokładnego utrzymywania czasu.

Czynniki operacyjne

Kilka czynników wpływa na wybór częstotliwości w systemie AC. Oświetlenie, silniki, transformatory, generatory i linie przesyłowe mają charakterystyki zależne od częstotliwości zasilania. Wszystkie te czynniki oddziałują na siebie i sprawiają, że wybór częstotliwości zasilania ma duże znaczenie. Najlepsza częstotliwość to kompromis między sprzecznymi wymaganiami.

Pod koniec XIX wieku projektanci wybrali stosunkowo wysoką częstotliwość dla systemów wyposażonych w transformatory i lampy łukowe , aby zaoszczędzić na materiałach transformatorowych i zmniejszyć widoczne migotanie lamp, ale wybrali niższą częstotliwość dla systemów z długimi liniami przesyłowymi lub zasilający głównie obciążenia silnika lub przekształtniki obrotowe do wytwarzania prądu stałego . Kiedy duże centralne elektrownie stały się praktyczne, wybór częstotliwości był dokonywany w oparciu o charakter zamierzonego obciążenia. Ostatecznie udoskonalenia w konstrukcji maszyny pozwoliły na zastosowanie jednej częstotliwości zarówno do oświetlenia, jak i obciążenia silnika. Zunifikowany system poprawił ekonomikę produkcji energii elektrycznej, ponieważ obciążenie systemu było bardziej równomierne w ciągu dnia.

Oświetlenie

Pierwsze zastosowania komercyjnego energii elektrycznej były żarowe oświetlenie i komutatora -Type silniki elektryczne . Oba urządzenia działają dobrze na DC, ale DC nie można było łatwo zmienić w napięciu i generalnie było produkowane tylko przy wymaganym napięciu użytkowania.

Jeżeli żarówka jest zasilana prądem o niskiej częstotliwości, żarnik ochładza się w każdym półcyklu prądu przemiennego, co prowadzi do zauważalnej zmiany jasności i migotania lamp; efekt jest wyraźniejszy w przypadku lamp łukowych , późniejszych lamp rtęciowych i świetlówek . Lampy z otwartym łukiem emitowały słyszalne brzęczenie prądem przemiennym, prowadząc do eksperymentów z alternatorami o wysokiej częstotliwości, aby podnieść poziom dźwięku poza zakres ludzkiego słuchu.

Maszyny rotacyjne

Silniki komutatorowe nie działają dobrze na prąd przemienny o wysokiej częstotliwości, ponieważ szybkim zmianom prądu przeciwdziała indukcyjność pola silnika. Chociaż uniwersalne silniki komutatorowe są powszechne w urządzeniach gospodarstwa domowego i elektronarzędziach prądu przemiennego, są to małe silniki o mocy poniżej 1 kW. Stwierdzono, że silnik indukcyjny działa dobrze na częstotliwościach około 50 do 60 Hz, ale z materiałami dostępnymi w latach 90. XIX wieku nie działałby dobrze przy częstotliwości, powiedzmy, 133 Hz. Istnieje stała zależność między liczbą biegunów magnetycznych w polu silnika indukcyjnego, częstotliwością prądu przemiennego i prędkością obrotową; więc dana prędkość standardowa ogranicza wybór częstotliwości (i odwrotnie). Gdy silniki elektryczne prądu przemiennego stały się powszechne, ważne było ujednolicenie częstotliwości w celu zapewnienia kompatybilności z wyposażeniem klienta.

Generatory napędzane wolnoobrotowymi silnikami tłokowymi będą wytwarzać niższe częstotliwości dla danej liczby biegunów niż te napędzane np. przez szybkoobrotową turbinę parową . W przypadku bardzo niskich prędkości napędu podstawowego budowa generatora z wystarczającą liczbą biegunów, aby zapewnić wysoką częstotliwość prądu przemiennego, byłaby kosztowna. Stwierdzono również, że synchronizacja dwóch generatorów z tą samą prędkością jest łatwiejsza przy niższych prędkościach. Chociaż napędy pasowe były powszechne jako sposób na zwiększenie prędkości wolnych silników, w bardzo dużych wartościach (tysiące kilowatów) były one drogie, nieefektywne i zawodne. Po około 1906 roku generatory napędzane bezpośrednio przez turbiny parowe preferowały wyższe częstotliwości. Stabilniejsza prędkość obrotowa maszyn szybkoobrotowych pozwoliła na zadowalającą pracę komutatorów w przekształtnikach obrotowych. Prędkość synchroniczna N w obr./min obliczana jest ze wzoru:

gdzie f to częstotliwość w hercach, a P to liczba biegunów.

Prędkości synchroniczne silników prądu przemiennego dla niektórych aktualnych i historycznych częstotliwości użytkowych
Polacy RPM przy 133 13  Hz RPM przy 60 Hz RPM przy 50 Hz RPM przy 40 Hz RPM przy 25 Hz RPM przy 16 23  Hz
2 8000 3600 3000 2400 1500 1000
4 4000 1800 1500 1200 750 500
6 2666,7 1200 1000 800 500 333,3
8 2000 900 750 600 375 250
10 1600 720 600 480 300 200
12 1,333,3 600 500 400 250 166,7
14 1142,9 514,3 428,6 342,8 214,3 142,9
16 1000 450 375 300 187,5 125
18 888,9 400 333 13 266 2 / 3 166 2 / 3 111,1
20 800 360 300 240 150 100

Moc prądu stałego nie została całkowicie wyparta przez prąd przemienny i była przydatna w procesach kolejowych i elektrochemicznych. Przed opracowaniem prostowników rtęciowych z zaworem łukowym do wytwarzania prądu stałego z prądu przemiennego stosowano przekształtniki obrotowe. Podobnie jak inne maszyny typu komutatorowego, te działały lepiej przy niższych częstotliwościach.

Transmisja i transformatory

W przypadku prądu przemiennego transformatory mogą być używane do obniżania wysokich napięć przesyłowych w celu obniżenia napięcia użytkowania przez klienta. Transformator jest w rzeczywistości urządzeniem do konwersji napięcia bez ruchomych części i wymagającym niewielkiej konserwacji. Zastosowanie prądu przemiennego wyeliminowało potrzebę obracania się generatorów silnikowo-prądnicowych do konwersji napięcia stałego, które wymagają regularnej konserwacji i monitorowania.

Ponieważ dla danego poziomu mocy wymiary transformatora są w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalne do częstotliwości, system z wieloma transformatorami byłby bardziej ekonomiczny przy wyższej częstotliwości.

Przesył energii elektrycznej na długich liniach sprzyja niższym częstotliwościom. Skutki rozproszonej pojemności i indukcyjności linii są mniejsze przy niskich częstotliwościach.

Połączenie systemowe

Generatory można łączyć ze sobą, aby działały równolegle, tylko jeśli mają tę samą częstotliwość i kształt fali. Dzięki standaryzacji wykorzystywanej częstotliwości generatory na danym obszarze geograficznym mogą być połączone w sieć , zapewniając niezawodność i oszczędność kosztów.

Historia

Częstotliwości użytkowe w Japonii to 50 Hz i 60 Hz

W XIX wieku stosowano wiele różnych częstotliwości mocy.

Bardzo wczesne izolowane schematy wytwarzania prądu przemiennego wykorzystywały dowolne częstotliwości w oparciu o wygodę projektowania silników parowych , turbin wodnych i generatorów elektrycznych . Częstotliwości między 16+2 / 3  Hz i 133+1 / 3  Hz były używane w różnych systemach. Na przykład miasto Coventry w Anglii w 1895 r. miało unikalny jednofazowy system dystrybucji 87 Hz, który był używany do 1906 r. Rozprzestrzenianie się częstotliwości wynikało z szybkiego rozwoju maszyn elektrycznych w latach 1880-1900.

We wczesnym okresie oświetlenia żarowego, jednofazowy prąd przemienny był powszechny, a typowymi generatorami były maszyny 8-biegunowe pracujące z prędkością 2000 obr./min, co daje częstotliwość 133 Hz.

Chociaż istnieje wiele teorii i sporo zabawnych miejskich legend , nie ma pewności co do szczegółów historii 60 Hz kontra 50 Hz.

Niemiecka firma AEG (wywodząca się z firmy założonej przez Edisona w Niemczech) zbudowała pierwszą niemiecką elektrownię działającą z częstotliwością 50 Hz. W tym czasie AEG miało wirtualny monopol, a ich standard rozprzestrzenił się na resztę Europy. Po zaobserwowaniu migotania lamp zasilanych mocą 40 Hz przesyłaną przez łącze Lauffen-Frankfurt w 1891 roku, AEG podniosła swoją standardową częstotliwość do 50 Hz w 1891 roku.

Westinghouse Electric zdecydował się na standaryzację na wyższą częstotliwość, aby umożliwić działanie zarówno oświetlenia elektrycznego, jak i silników indukcyjnych w tym samym systemie wytwarzania. Chociaż 50 Hz było odpowiednie dla obu, w 1890 r. Westinghouse uznał, że istniejący sprzęt do oświetlenia łukowego działał nieco lepiej przy 60 Hz i dlatego wybrano tę częstotliwość. Działanie silnika indukcyjnego Tesli, licencjonowanego przez Westinghouse w 1888 roku, wymagało niższej częstotliwości niż 133 Hz, powszechne w systemach oświetleniowych w tym czasie. W 1893 General Electric Corporation, która była powiązana z AEG w Niemczech, zbudowała projekt wytwarzania w Mill Creek, aby dostarczyć energię elektryczną do Redlands w Kalifornii przy użyciu 50 Hz, ale zmieniła się na 60 Hz rok później, aby utrzymać udział w rynku zgodnie ze standardem Westinghouse.

Początki 25 Hz

Pierwsze generatory w projekcie Niagara Falls , zbudowanym przez Westinghouse w 1895 roku, miały 25 Hz, ponieważ prędkość turbiny była już ustawiona przed ostatecznym wyborem przesyłu prądu przemiennego . Westinghouse wybrałby niską częstotliwość 30 Hz do napędzania obciążeń silnika, ale turbiny dla projektu zostały już określone na 250 obr/min. Maszyny mogły być wykonane na dostawę 16+ Moc 23 Hz odpowiednia dla ciężkich silników komutatorowych, ale firma Westinghouse sprzeciwiła się temu, że byłoby to niepożądane w przypadku oświetlenia i zasugerowała 33+1 / 3  Hz. Ostatecznie wybrano kompromis 25 Hz z 12-biegunowymi generatorami 250 RPM. Ponieważ projekt Niagara miał tak duży wpływ na projektowanie systemów zasilania elektrycznego, 25 Hz dominowało jako północnoamerykański standard dla prądu przemiennego o niskiej częstotliwości.

Początki 40 Hz

Badanie General Electric wykazało, że 40 Hz byłoby dobrym kompromisem między potrzebami oświetleniowymi, silnikowymi i transmisyjnymi, biorąc pod uwagę materiały i sprzęt dostępny w pierwszej ćwierci XX wieku. Zbudowano kilka systemów 40 Hz. Demonstracja Lauffen-Frankfurt używane 40 Hz do mocy nadawania 175 km w 1891. Duża połączone istniała sieć 40 Hz w północno-wschodniej Anglii (The Newcastle upon Tyne Electric Supply Company , NESCO), aż do przyjścia do National Grid (UK ) pod koniec lat dwudziestych, a projekty we Włoszech wykorzystywały 42 Hz. Najstarsza nieprzerwanie działająca komercyjna elektrownia wodna w Stanach Zjednoczonych, Mechanicville Hydroelectric Plant , nadal wytwarza energię elektryczną o częstotliwości 40 Hz i dostarcza energię do lokalnego systemu przesyłowego 60 Hz za pośrednictwem przemienników częstotliwości . Zakłady przemysłowe i kopalnie w Ameryce Północnej i Australii czasami były budowane z systemami elektrycznymi o częstotliwości 40 Hz, które były utrzymywane do czasu, gdy były zbyt nieekonomiczne, aby kontynuować. Chociaż częstotliwości zbliżone do 40 Hz znalazły szerokie zastosowanie komercyjne, zostały one ominięte przez znormalizowane częstotliwości 25, 50 i 60 Hz preferowane przez producentów sprzętu o większej głośności.

Ganz Firma Węgier był standaryzowany na 5000 naprzemiennych na minutę (41 2 / 3  Hz) przez swoich produktów, więc klienci Ganz miał 41 2 / 3  systemy Hz, że w niektórych przypadkach prowadził przez wiele lat.

Normalizacja

We wczesnych dniach elektryfikacji używano tak wielu częstotliwości, że nie dominowała żadna pojedyncza wartość (Londyn w 1918 r. miał dziesięć różnych częstotliwości). W miarę upływu XX wieku wytwarzano więcej mocy przy częstotliwości 60 Hz (Ameryka Północna) lub 50 Hz (Europa i większość Azji). Normalizacja umożliwiła międzynarodowy handel sprzętem elektrycznym. Znacznie później zastosowanie standardowych częstotliwości umożliwiło łączenie sieci elektroenergetycznych. Dopiero po II wojnie światowej – wraz z pojawieniem się niedrogich elektrycznych towarów konsumpcyjnych – uchwalono bardziej jednolite standardy.

W Wielkiej Brytanii standardową częstotliwość 50 Hz zadeklarowano już w 1904 r., ale znaczny rozwój nastąpił w przypadku innych częstotliwości. Wdrożenie National Grid, które rozpoczęło się w 1926 r., wymusiło standaryzację częstotliwości wśród wielu połączonych dostawców usług elektrycznych. Norma 50 Hz została całkowicie ustanowiona dopiero po II wojnie światowej .

Około roku 1900 europejscy producenci w większości ujednolicili 50 Hz dla nowych instalacji. Niemiecki Verband der Elektrotechnik (VDE), w pierwszej normie dotyczącej maszyn elektrycznych i transformatorów z 1902 r., zalecał 25 Hz i 50 Hz jako standardowe częstotliwości. VDE nie widziało dużego zastosowania 25 Hz i porzuciło je z edycji standardu z 1914 roku. Instalacje szczątków na innych częstotliwościach przetrwały jeszcze długo po II wojnie światowej.

Ze względu na koszt konwersji niektóre części systemu dystrybucji mogą nadal działać na oryginalnych częstotliwościach nawet po wybraniu nowej częstotliwości. Moc 25 Hz była używana w Ontario , Quebecu , północnych Stanach Zjednoczonych oraz do elektryfikacji kolei . W latach pięćdziesiątych wiele systemów 25 Hz, od generatorów po urządzenia gospodarstwa domowego, zostało przekształconych i ustandaryzowanych. Do 2009 r. w Sir Adam Beck 1 istniały jeszcze generatory 25 Hz (zmodernizowano je do 60 Hz) oraz w elektrowniach Rankine (do zamknięcia w 2009 r.) w pobliżu wodospadu Niagara, aby zapewnić energię dużym odbiorcom przemysłowym, którzy nie chcieli zastąpić istniejący sprzęt; a w Nowym Orleanie istnieje kilka silników 25 Hz i elektrownia 25 Hz do pomp przeciwpowodziowych. Do 15 kV AC sieci kolejowych, stosowane w Niemczech , Austrii , Szwajcarii , Szwecji i Norwegii , nadal działać na 16+2 / 3  Hz i 16,7 Hz.

W niektórych przypadkach, gdy większość obciążenia miała stanowić odbiory kolejowe lub silnikowe, uznano za ekonomiczne generowanie mocy przy częstotliwości 25 Hz i instalowanie przekształtników obrotowych dla dystrybucji 60 Hz. Przetwornice do produkcji prądu stałego z prądu przemiennego były dostępne w większych rozmiarach i były bardziej wydajne przy 25 Hz w porównaniu z 60 Hz. Pozostałe fragmenty starszych systemów można podłączyć do standardowego systemu częstotliwości za pomocą konwertera obrotowego lub statycznego falownika falownika . Pozwalają one na wymianę energii między dwiema sieciami energetycznymi na różnych częstotliwościach, ale systemy są duże, kosztowne i marnują część energii podczas pracy.

Przemienniki częstotliwości z wirującymi maszynami używane do konwersji systemów między 25 Hz i 60 Hz były niewygodne w projektowaniu; maszyna 60 Hz z 24 biegunami obracałaby się z taką samą prędkością jak maszyna 25 Hz z 10 biegunami, czyniąc maszyny dużymi, wolnoobrotowymi i drogimi. Stosunek 60/30 uprościłby te projekty, ale zainstalowana podstawa przy 25 Hz była zbyt duża, aby można ją było ekonomicznie przeciwstawić.

W Stanach Zjednoczonych Edison z Południowej Kalifornii znormalizował 50 Hz. Znaczna część południowej Kalifornii działała na 50 Hz i nie zmieniła całkowicie częstotliwości swoich generatorów i sprzętu klienta na 60 Hz do około 1948 roku. Niektóre projekty firmy Au Sable Electric Company wykorzystywały 30 Hz przy napięciach przesyłowych do 110 000 woltów w 1914 roku.

Początkowo w Brazylii maszyny elektryczne były importowane z Europy i Stanów Zjednoczonych, co oznacza, że ​​kraj ten miał zarówno normy 50 Hz, jak i 60 Hz w każdym regionie. W 1938 r. rząd federalny wydał ustawę Decreto-Lei 852 , która miała na celu sprowadzenie całego kraju poniżej 50 Hz w ciągu ośmiu lat. Prawo nie działało, a na początku lat 60. zdecydowano, że Brazylia zostanie zjednoczona w standardzie 60 Hz, ponieważ większość obszarów rozwiniętych i uprzemysłowionych używała 60 Hz; a nowe prawo Lei 4.454 zostało ogłoszone w 1964 roku. Brazylia przeszła program konwersji częstotliwości do 60 Hz, który nie został ukończony do 1978 roku.

W Meksyku obszary działające w sieci 50 Hz zostały przekształcone w latach 70., jednocząc kraj poniżej 60 Hz.

W Japonii zachodnia część kraju (Nagoja i zachód) używa 60 Hz, a wschodnia (Tokio i wschód) 50 Hz. Ma to swój początek w pierwszych zakupach generatorów od AEG w 1895 r., zainstalowanych dla Tokio i General Electric w 1896 r., zainstalowanych w Osace. Granica między dwoma regionami obejmuje cztery podstacje HVDC w układzie back-to-back, które przetwarzają częstotliwość; są to Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu i Higashi-Shimizu Frequency Converter .

Częstotliwości użytkowe w Ameryce Północnej w 1897 r.

Hz Opis
140 Dynamo do oświetlenia łukowego w drewnie
133 Firma Stanley-Kelly
125 General Electric jednofazowy
66,7 Firma Stanley-Kelly
62,5 General Electric „monocykliczny”
60 Wielu producentów, stając się „coraz bardziej powszechnym” w 1897 r.
58,3 General Electric Lachine Rapids
40 Ogólne elektryczne
33 General Electric w Portland Oregon dla konwerterów obrotowych
27 Crocker-Wheeler do pieców z węglika wapnia
25 Westinghouse Niagara Falls 2-fazowy — do obsługi silników

Częstotliwości użytkowe w Europie do 1900

Hz Opis
133 Jednofazowe systemy oświetleniowe, Wielka Brytania i Europa
125 Jednofazowy system oświetleniowy, Wielka Brytania i Europa
83,3 Jednofazowy, Ferranti UK, Deptford Power Station , Londyn
70 Oświetlenie jednofazowe, Niemcy 1891
65,3 BBC Bellinzona
60 Oświetlenie jednofazowe, Niemcy, 1891, 1893
50 AEG, Oerlikon i inni producenci, ewentualnie standard
48 elektrownia BBC Kilwangen,
46 Rzym, Genewa 1900
45 13 Elektrownia miejska, Frankfurt nad Menem, 1893
42 Klienci Ganz, również Niemcy 1898
41 23 Firma Ganz, Węgry
40 Lauffen am Neckar, elektrownia wodna, 1891, do 1925
38,6 BBC Arlen
33 13 St. James i Soho Electric Light Co. Londyn
25 Oświetlenie jednofazowe, Niemcy 1897

Nawet w połowie XX wieku częstotliwości użytkowe wciąż nie zostały w pełni ustandaryzowane na powszechnie stosowanym obecnie 50 Hz lub 60 Hz. W 1946 r. w podręczniku dla projektantów urządzeń radiowych wymieniono następujące, obecnie przestarzałe częstotliwości, jako w użyciu. Wiele z tych regionów posiadało również dostawy prądu 50- i 60-cyklowego lub prądu stałego.

Częstotliwości używane w 1946 r. (oraz 50 Hz i 60 Hz)

Hz Region
25 Kanada (południowe Ontario), strefa Kanału Panamskiego(*), Francja, Niemcy, Szwecja, Wielka Brytania, Chiny, Hawaje, Indie, Mandżuria
33 13 Lots Road Power station, Chelsea, London (dla londyńskiego metra i autobusów trolejbusowych po konwersji na DC)
40 Jamajka, Belgia, Szwajcaria, Wielka Brytania, Sfederowane Stany Malajskie, Egipt, Australia Zachodnia(*)
42 Czechosłowacja, Węgry, Włochy, Monako(*), Portugalia, Rumunia, Jugosławia, Libia (Trypolis)
43 Argentyna
45 Włochy, Libia (Trypolis)
76 Gibraltar (*)
100 Malta (*), Brytyjska Afryka Wschodnia

Tam, gdzie regiony są oznaczone (*), jest to jedyna częstotliwość zasilania pokazana dla tego regionu.

Szyny kolejowe

Inne częstotliwości mocy są nadal używane. Niemcy, Austria, Szwajcaria, Szwecja i Norwegia korzystają z sieci trakcyjnych dla kolei, rozprowadzając jednofazowy prąd przemienny o 16+2 / 3  Hz i 16,7 Hz. Częstotliwość 25 Hz jest wykorzystywana w austriackiej kolei Mariazell , a także wsystemach zasilania trakcyjnego Amtrak i SEPTA w Stanach Zjednoczonych. Inne systemy kolejowe prądu przemiennego są zasilane z lokalną częstotliwością sieci komercyjnej, 50 Hz lub 60 Hz.

Moc trakcyjna może być pozyskiwana z komercyjnych źródeł zasilania przez przemienniki częstotliwości lub w niektórych przypadkach może być wytwarzana przez dedykowane elektrownie trakcyjne . W XIX wieku do eksploatacji kolei elektrycznych z silnikami komutatorowymi rozważano częstotliwości rzędu 8 Hz. Niektóre gniazda w pociągach przenoszą prawidłowe napięcie, ale używają oryginalnej częstotliwości sieci pociągu, takiej jak 16+2 / 3  Hz i 16,7 Hz.

400 Hz

Częstotliwości zasilania do 400 Hz są stosowane w samolotach, statkach kosmicznych, okrętach podwodnych, serwerowniach do zasilania komputerowego , sprzęcie wojskowym i ręcznych obrabiarkach. Tak wysokich częstotliwości nie można ekonomicznie przesyłać na duże odległości; zwiększona częstotliwość znacznie zwiększa impedancję szeregową ze względu na indukcyjność linii przesyłowych, co utrudnia przesyłanie mocy. W konsekwencji systemy zasilania 400 Hz są zwykle ograniczone do budynku lub pojazdu.

Na przykład transformatory mogą być mniejsze, ponieważ rdzeń magnetyczny może być znacznie mniejszy przy tym samym poziomie mocy. Silniki indukcyjne obracają się z prędkością proporcjonalną do częstotliwości, więc zasilanie o wysokiej częstotliwości umożliwia uzyskanie większej mocy przy tej samej objętości i masie silnika. Transformatory i silniki na 400 Hz są znacznie mniejsze i lżejsze niż na 50 czy 60 Hz, co jest zaletą w samolotach i statkach. Amerykański standard wojskowy MIL-STD-704 istnieje dla samolotów o mocy 400 Hz.

Stabilność

Korekcja błędu czasu (TEC)

Regulacja częstotliwości systemu elektroenergetycznego dla dokładności pomiaru czasu nie było powszechne dopiero po 1916 roku z Henry Warren wynalazku jest w zawiadowca stacji Warren Zasilanie Zegar i automatycznie uruchamianego silnikiem synchronicznym. Tesla zademonstrował koncepcję zegarów synchronizowanych częstotliwością linii na targach Chicago Worlds w 1893 roku. Hammond Organ zależy także od silnika synchronicznego zegara AC aby utrzymać odpowiednią prędkość swojego wewnętrznego generatora tonu „koła”, utrzymując w ten sposób wszystkie notatki pitch-perfect, na podstawie stabilności częstotliwości linii elektroenergetycznej.

Obecnie operatorzy sieci prądu przemiennego regulują średnią dzienną częstotliwość tak, aby zegary pozostawały w ciągu kilku sekund od prawidłowego czasu. W praktyce częstotliwość nominalna jest podnoszona lub obniżana o określony procent, aby zachować synchronizację. W ciągu doby średnia częstotliwość utrzymuje się na wartości nominalnej w granicach kilkuset części na milion. W sieci synchronicznej Europy kontynentalnej odchylenie między czasem fazy sieci a UTC (na podstawie międzynarodowego czasu atomowego ) jest obliczane o godzinie 08:00 każdego dnia w centrum sterowania w Szwajcarii . Częstotliwość docelowa jest następnie dostosowywana do ±0,01 Hz (±0,02%) od 50 Hz w razie potrzeby, aby zapewnić długoterminową średnią częstotliwości dokładnie 50 Hz × 60  s / min × 60 min/ h × 24 h/ d =4 320 000 cykli dziennie. W Ameryce Północnej , gdy błąd przekracza 10 sekund na wschodzie, 3 sekundy na Teksasie lub 2 sekundy na zachodzie, stosowana jest korekcja ±0,02 Hz (0,033%). Korekty błędów czasu zaczynają się i kończą o godzinie lub o pół godziny. Wysiłki zmierzające do usunięcia TEC w Ameryce Północnej są opisane w zegarze elektrycznym .

Mierniki częstotliwości czasu rzeczywistego do wytwarzania energii w Wielkiej Brytanii są dostępne online – oficjalnym National Grid i nieoficjalnym utrzymywanym przez Dynamic Demand. Dane częstotliwości w czasie rzeczywistym sieci synchronicznej Europy kontynentalnej są dostępne na stronach internetowych, takich jak www .mainsfrequency .com i gridfrequency .eu . Frequency Network Monitoring (FNet) na University of Tennessee mierzy częstotliwość wzajemnych połączeń wewnątrz sieci elektroenergetycznej w Ameryce Północnej, a także w wielu innych częściach świata. Pomiary te są wyświetlane na stronie internetowej FNET.

Przepisy amerykańskie

W Stanach Zjednoczonych Federalna Komisja Regulacji Energetyki wprowadziła w 2009 r. obowiązkową korektę błędu czasu. W 2011 r. The North American Electric Reliability Corporation (NERC) omówił proponowany eksperyment, który złagodziłby wymagania dotyczące regulacji częstotliwości dla sieci elektrycznych, co zmniejszyłoby długoterminowy dokładność zegarów i innych urządzeń wykorzystujących jako podstawę czasu częstotliwość sieci 60 Hz.

Częstotliwość i obciążenie

Podstawowym powodem dokładnej kontroli częstotliwości jest umożliwienie sterowania przepływem prądu przemiennego z wielu generatorów przez sieć. Trend częstotliwości systemu jest miarą niedopasowania między zapotrzebowaniem a wytwarzaniem i jest niezbędnym parametrem do kontroli obciążenia w połączonych systemach.

Częstotliwość systemu będzie się zmieniać wraz ze zmianą obciążenia i generacji. Zwiększenie mechanicznej mocy wejściowej do dowolnego pojedynczego generatora synchronicznego nie wpłynie znacząco na ogólną częstotliwość systemu, ale spowoduje wytworzenie większej mocy elektrycznej z tej jednostki. Podczas poważnego przeciążenia spowodowanego wyłączeniem lub awarią generatorów lub linii przesyłowych częstotliwość systemu elektroenergetycznego spadnie z powodu niezrównoważenia obciążenia względem generacji. Utrata połączenia międzysieciowego podczas eksportowania mocy (w stosunku do całkowitej generacji systemu) spowoduje wzrost częstotliwości systemu przed stratą, ale może spowodować załamanie się po utracie, ponieważ wytwarzanie nie nadąża teraz za zużyciem. Automatyczne sterowanie wytwarzaniem (AGC) służy do utrzymania zaplanowanej częstotliwości i wymiany przepływów mocy. Systemy sterowania w elektrowniach wykrywają zmiany częstotliwości w całej sieci i dostosowują moc mechaniczną do generatorów z powrotem do częstotliwości docelowej. To przeciwdziałanie trwa zwykle kilkadziesiąt sekund ze względu na duże masy wirujące (chociaż duże masy służą przede wszystkim do ograniczenia wielkości krótkotrwałych zakłóceń). Przejściowe zmiany częstotliwości są nieuniknioną konsekwencją zmieniającego się popytu. Wyjątkowa lub szybko zmieniająca się częstotliwość sieci jest często oznaką, że sieć dystrybucji energii elektrycznej działa w pobliżu limitów wydajności, czego dramatyczne przykłady można czasem zaobserwować na krótko przed poważnymi przerwami w dostawie prądu. Duże elektrownie, w tym farmy fotowoltaiczne, mogą zmniejszyć swoją średnią produkcję i wykorzystać zapas między obciążeniem roboczym a maksymalną mocą, aby pomóc w zapewnieniu regulacji sieci; reakcja falowników słonecznych jest szybsza niż generatorów, ponieważ nie mają one masy wirującej. Ponieważ zmienne zasoby, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, zastępują tradycyjne wytwarzanie i zapewnianą przez nie bezwładność, algorytmy musiały stać się bardziej wyrafinowane. Rolę regulacyjną w coraz większym stopniu spełniają również systemy magazynowania energii, takie jak akumulatory.

Przekaźniki ochrony częstotliwości w sieci systemu elektroenergetycznego wykrywają spadek częstotliwości i automatycznie inicjują zrzucanie obciążenia lub wyłączanie linii wzajemnych, aby zachować działanie przynajmniej części sieci. Małe odchylenia częstotliwości (np. 0,5 Hz w sieci 50 Hz lub 60 Hz) spowodują automatyczne odciążenie lub inne działania kontrolne w celu przywrócenia częstotliwości systemu.

Mniejsze systemy elektroenergetyczne, które nie są szeroko połączone z wieloma generatorami i obciążeniami, nie utrzymają częstotliwości z taką samą dokładnością. Jeżeli częstotliwość systemu nie jest ściśle regulowana w okresach dużego obciążenia, operatorzy systemu mogą zezwolić na wzrost częstotliwości systemu w okresach małego obciążenia, aby utrzymać średnią dzienną częstotliwość z akceptowalną dokładnością. Generatory przenośne, niepodłączone do sieci energetycznej, nie muszą ściśle regulować swojej częstotliwości, ponieważ typowe obciążenia są niewrażliwe na małe odchylenia częstotliwości.

Kontrola obciążenia i częstotliwości

Sterowanie częstotliwością obciążenia (LFC) to rodzaj zintegrowanego sterowania, który przywraca częstotliwość systemu i przepływy mocy do sąsiednich obszarów do wartości sprzed zmiany obciążenia. Przenoszenie mocy między różnymi obszarami systemu jest znane jako „moc sieciowa netto”.

Ogólny algorytm sterowania dla LFC został opracowany przez Nathana Cohna w 1971 roku. Algorytm ten obejmuje zdefiniowanie pojęcia błędu kontroli obszaru (ACE), który jest sumą błędu mocy sieci sieciowej i iloczynu błędu częstotliwości z odchyleniem częstotliwości stały. Gdy błąd sterowania obszarem zostanie zredukowany do zera, algorytm sterowania przywrócił do zera błędy częstotliwości i mocy linii łączącej.

słyszalny hałas i zakłócenia

Urządzenia zasilane prądem zmiennym mogą emitować charakterystyczny szum, często nazywany „ szumem sieci ”, będący wielokrotnością częstotliwości prądu przemiennego, którego używają (patrz Magnetostrykcje ). Jest on zwykle wytwarzany przez laminacje rdzeni silnika i transformatora wibrujące w czasie z polem magnetycznym. Szum ten może pojawić się również w systemach audio, gdzie filtr zasilania lub ekranowanie sygnału wzmacniacza nie są wystarczające.

Przydźwięk mocy 50 Hz
Przydźwięk mocy 60 Hz
Przydźwięk mocy 400 Hz

Większość krajów wybrała częstotliwość synchronizacji pionowej telewizji, aby była taka sama, jak częstotliwość lokalnej sieci zasilającej. Pomogło to zapobiec powodowaniu przez szum linii energetycznej i interferencji magnetycznej widocznych częstotliwości dudnienia w wyświetlanym obrazie wczesnych analogowych odbiorników telewizyjnych, szczególnie z transformatora sieciowego. Chociaż obecne były pewne zniekształcenia obrazu, w większości nie było to zauważone, ponieważ było nieruchome. Wyeliminowanie transformatorów poprzez zastosowanie odbiorników AC/DC i inne zmiany w projektowaniu scenografii pomogły zminimalizować ten efekt, a niektóre kraje stosują obecnie współczynnik pionowy, który jest przybliżeniem do częstotliwości zasilania (zwłaszcza w obszarach 60 Hz).

Innym zastosowaniem tego efektu ubocznego jest narzędzie kryminalistyczne. Gdy wykonywane jest nagranie, które przechwytuje dźwięk w pobliżu urządzenia lub gniazdka prądu przemiennego, brzęczenie jest również nagrywane przypadkowo. Szczyty szumu powtarzają się w każdym cyklu AC (co 20 ms dla 50 Hz AC lub co 16,67 ms dla 60 Hz AC). Dokładna częstotliwość buczenia powinna odpowiadać częstotliwości kryminalistycznego nagrania buczenia w dokładnej dacie i godzinie, w której rzekomo dokonano nagrania. Nieciągłości w dopasowaniu częstotliwości lub brak dopasowania zdradzą autentyczność nagrania.

Zobacz też

Dalsza lektura

  • Furfari, FA, Ewolucja częstotliwości linii energetycznych 133+13 do 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, wrzesień/październik 2000, tom 6, wydanie 5, strony 12–14, ISSN 1077-2618.
  • Rushmore, DB, Frequency , AIEE Transactions, tom 31, 1912, strony 955–983 i dyskusja na stronach 974–978.
  • Blalock, Thomas J., Elektryfikacja dużej huty stali – część II Rozwój systemu 25 Hz , Industry Applications Magazine, IEEE, wrzesień/październik 2005, strony 9–12, ISSN  1077-2618 .

Bibliografia