那么,我們?yōu)槭裁匆x用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?
低頻交流電有什么問題?
一、變壓器效率的問題
變壓器是靠原邊的磁場變化,感應到副邊升壓或降壓的。磁場變化的頻率越慢,感應是越弱的,極端情況就是直流,根本沒有感應,所以頻率太低了不行。
二、用電設備功率問題
舉個例子來說,汽車發(fā)動機的轉速就是他的頻率,比如怠速時500轉/分鐘,加速換擋時是3000轉/分鐘,換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來了,轉速越高,發(fā)動機的功率越大。
同樣道理,在相同頻率下,發(fā)動機越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機個頭都比汽油大的原因,個兒大勁兒大的柴油機才能帶動公交卡車等重型汽車。
同理,電動機(或者說一切轉動機械)既要求個頭小,有要求輸出功率大,只有一個辦法——提高轉速,這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因,因為我們需要個頭小但功率大的電動機。
變頻空調也是同樣的道理,通過變換交流電的頻率,來控制空調壓縮機的輸出功率??傊?,功率與頻率在一定范圍內正相關。
再說說頻率大了會怎么樣?比如定在400Hz怎么樣?
兩個問題,一是線路和設備的損耗增加,二是發(fā)電機轉速過快。
先來講損耗,輸電線路、變電設備、用電設備,都是有電抗的,電抗與頻率成正比,頻率越高,電抗越大,消耗的無功就越大,能傳遞的有功功率就越少。
目前50Hz輸電線路的電抗約0.4歐姆,約是電阻的10倍,如果提高到400Hz,那電抗將是3.2歐姆,約是電阻的80倍。對于高壓輸電線路,降低電抗是提高輸電功率的關鍵。與電抗相對應的還有容抗,容抗和頻率成反比,頻率越高,容抗越小,線路的泄漏電流越大(因為電纜的電容效應較大,所以這也是電纜線路送電距離不能過長的原因)。如果頻率高了,則線路的泄漏電流也會增加。
另一個問題是發(fā)電機的轉速?,F(xiàn)在的發(fā)電機組基本是單級機,也就是一對磁極。為了發(fā)出50Hz的電,轉子每分鐘轉速要達到3000轉。汽車發(fā)動機轉速達到3000轉時,就能明顯感覺引擎在振動作響了,轉到六七千轉時,你就會覺得發(fā)動機快跳出引擎蓋了。
汽車發(fā)動機尚且如此,更何況是一個重達百噸的實心鐵疙瘩轉子與汽輪機,這也是發(fā)電廠的噪音很大的原因。一個重達百噸的鋼轉子每分鐘轉3000轉談何容易,如果頻率再高三四倍,估計發(fā)電機能飛出廠房了。
如此重的轉子具有相當大的慣性,這也是電力系統(tǒng)被稱為慣性系統(tǒng),能保持安全穩(wěn)定運行的前提。同樣也是為什么風電和太陽能這種間歇性電源對傳統(tǒng)電源提出挑戰(zhàn)的原因。
因為風光變化很快,幾十噸重的轉子由于巨大的慣性,要減少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上風電和光伏發(fā)電的變化,所以有時不得不棄風和棄光。
綜上所述
頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動機可以個頭小功率大。
頻率不能太高的原因:線路和設備可以損耗小,發(fā)電機轉速不必過高。
因此根據(jù)經驗和習慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。
交流電網的頻率,是電能質量的重要標志之一,直接關系許多電能驅動設備的產品質量,例如:若電流頻率由50HZ降到48HZ,電動機的轉速將降低4%,致使冶金、化工、機械、紡織造紙等工業(yè)的產量和質量都會受到影響。而供給工廠的電能頻率是由電力系統(tǒng)決定的。
看了以上內容,一位freesteve粉絲評論說:
美英采用英制,12進制導致其采用60hz方便計數(shù),歐洲特別是德法引領的工業(yè)標準采用公制,德國機器世界出口,德國DIN標準幾乎成了世界各國標準,連一些英聯(lián)邦國家也是能采用公制計量盡量采用公制,如新加坡,澳洲,馬來西亞,或者兩者混用如印度。中國內地習慣上采用市斤算是半公斤,而新疆歷史原因受內地影響小,受東西歐影響大,計量采用公斤。中國上世紀工業(yè)化開始期引進德國設備多,除了可靠,還因為后起之秀的德國貨開拓市場,比老牌英法產品便宜,所以50hz 220V交流電成了中國標準,退到***不得不面對日拒50年局面,再加上獲得大力美援設備也是110V,60hz,所以不得不又變更標準。飛機發(fā)電機是400HZ,除高頻率功率密度大外,主要原因是早期飛機發(fā)電機驅動源來自主發(fā)動機,如果把上萬轉發(fā)動機主軸降低到3000轉,也就是50hz,減速機將非常笨重,因此400赫茲交流發(fā)電機有非常重要的重量優(yōu)勢,再后來形成了標準,再改已然非常難; 和汽油車12V電源,如果改成36V,將節(jié)約大量金屬導線成本,但是已經標準百年,沒有辦法啦!
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原文標題:為什么我國要選用50Hz的交流電?而不是5Hz或400Hz呢?
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