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我國為什么要選用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?

slJz_zdy ? 來源:陳年麗 ? 2019-07-17 09:00 ? 次閱讀

世界上有些國家,例如英美用的是60Hz的交流電,因?yàn)椴捎玫氖鞘M(jìn)制,什么12星座、12小時、12先令等于1英鎊等等。后來的國家都采用十進(jìn)制了,所以頻率是50Hz。當(dāng)然還有某奇葩的漆器國,東邊用50Hz,西邊用60Hz。。。

那么,我們?yōu)槭裁匆x用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?

如果頻率低了會怎么樣?

頻率最低就是0,也就是直流。當(dāng)年愛迪生為了證明特斯拉的交流電有危險,用交流電電死了一票小動物,如果大象也算小動物的話…客觀上說,同樣的電流大小下,人體耐受直流電的時間是要長于耐受交流電的時間,跟心室震顫什么的有關(guān)系,也就是交流電更危險。

可愛迪生最后也還是輸給了特斯拉,交流電憑借方便改變電壓等級的優(yōu)勢戰(zhàn)勝了直流電。在輸送功率相同的情況下,提高電壓,送電電流會減小,消耗在線路上的能量也會隨之降低。

而直流送電另一個問題是難以開斷,直到現(xiàn)在這個問題依舊是個困擾。直流輸電的問題同平時拔電器插銷時會出現(xiàn)電火花一樣,當(dāng)電流大到一定程度時,這個電火花是無法熄滅的,我們稱之為“電弧”。

對于交流電而言,電流會改變方向,因而有電流過零的時刻,利用這個小電流時間點(diǎn),我們可以通過滅弧裝置切斷線路電流。但直流電流方向不會改變,沒有這個過零點(diǎn),我們想要滅弧就很難了。

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(yīng)到副邊升壓或降壓的。磁場變化的頻率越慢,感應(yīng)是越弱的,極端情況就是直流,根本沒有感應(yīng),所以頻率太低了不行。

二、用電設(shè)備功率問題舉個例子來說,汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速就是他的頻率,比如怠速時500轉(zhuǎn)/分鐘,加速換擋時是3000轉(zhuǎn)/分鐘,換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來了,轉(zhuǎn)速越高,發(fā)動機(jī)的功率越大。

同樣道理,在相同頻率下,發(fā)動機(jī)越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機(jī)個頭都比汽油大的原因,個兒大勁兒大的柴油機(jī)才能帶動公交卡車等重型汽車。

同理,電動機(jī)(或者說一切轉(zhuǎn)動機(jī)械)既要求個頭小,有要求輸出功率大,只有一個辦法——提高轉(zhuǎn)速,這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因,因?yàn)槲覀冃枰獋€頭小但功率大的電動機(jī)。

變頻空調(diào)也是同樣的道理,通過變換交流電的頻率,來控制空調(diào)壓縮機(jī)的輸出功率。總之,功率與頻率在一定范圍內(nèi)正相關(guān)。

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(shè)備的損耗增加,二是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快。

先來講損耗,輸電線路、變電設(shè)備、用電設(shè)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(guān)鍵。

與電抗相對應(yīng)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。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(jī)的轉(zhuǎn)速。現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)組基本是單級機(jī),也就是一對磁極。為了發(fā)出50Hz的電,轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速要達(dá)到3000轉(zhuǎn)。汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000轉(zhuǎn)時,就能明顯感覺引擎在振動作響了,轉(zhuǎn)到六七千轉(zhuǎn)時,你就會覺得發(fā)動機(jī)快跳出引擎蓋了。

汽車發(fā)動機(jī)尚且如此,更何況是一個重達(dá)百噸的實(shí)心鐵疙瘩轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī),這也是發(fā)電廠的噪音很大的原因。一個重達(dá)百噸的鋼轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)談何容易,如果頻率再高三四倍,估計(jì)發(fā)電機(jī)能飛出廠房了。

如此重的轉(zhuǎn)子具有相當(dāng)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(yùn)行的前提。同樣也是為什么風(fēng)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?yàn)轱L(fēng)光變化很快,幾十噸重的轉(zhuǎn)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(fēng)電和光伏發(fā)電的變化,所以有時不得不棄風(fēng)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(jī)可以個頭小功率大。

頻率不能太高的原因:線路和設(shè)備可以損耗小,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不必過高。

因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,我們的電能就被定在在50或60Hz??戳艘陨蟽?nèi)容,一位freesteve粉絲評論說:

美英采用英制,12進(jìn)制導(dǎo)致其采用60hz方便計(jì)數(shù),歐洲特別是德法引領(lǐng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用公制,德國機(jī)器世界出口,德國DIN標(biāo)準(zhǔn)幾乎成了世界各國標(biāo)準(zhǔn),連一些英聯(lián)邦國家也是能采用公制計(jì)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(nèi)地習(xí)慣上采用市斤算是半公斤,而新疆歷史原因受內(nèi)地影響小,受東西歐影響大,計(jì)量采用公斤。中國上世紀(jì)工業(yè)化開始期引進(jìn)德國設(shè)備多,除了可靠,還因?yàn)楹笃鹬愕牡聡涢_拓市場,比老牌英法產(chǎn)品便宜,所以50hz 220V交流電成了中國標(biāo)準(zhǔn),退到***的政府不得不面對日拒50年局面,再加上獲得大力美援設(shè)備也是110V,60hz,所以不得不又變更標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)發(fā)電機(jī)是400HZ,除高頻率功率密度大外,主要原因是早期飛機(jī)發(fā)電機(jī)驅(qū)動源來自主發(fā)動機(jī),如果把上萬轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)主軸降低到3000轉(zhuǎn),也就是50hz,減速機(jī)將非常笨重,因此400赫茲交流發(fā)電機(jī)有非常重要的重量優(yōu)勢,再后來形成了標(biāo)準(zhǔn),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(dǎo)線成本,但是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)百年,沒有辦法啦!

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原文標(biāo)題:為什么要選用50Hz?頻率低了會怎樣?

文章出處:【微信號:zdyeq2015,微信公眾號:電力之窗】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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