电气百科:为什么我国要选用50Hz的交流电?而不是5Hz或400Hz呢?
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文章来源:川哥工控界自媒体 作者:【*】 点击:次 时间:2019/8/13 16:16:29

那么,我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是5Hz或400Hz呢?

低频交流电有什么问题?

一、变压器效率的问题

变压器是靠原边的磁场变化,感应到副边升压或降压的。磁场变化的频率越慢,感应是越弱的,极端情况就是直流,根本没有感应,所以频率太低了不行。

二、用电设备功率问题

举个例子来说,汽车发动机的转速就是他的频率,比如怠速时500转/分钟,加速换挡时是3000转/分钟,换算成频率分别是8.3Hz和50Hz。这就看出来了,转速越高,发动机的功率越大。

同样道理,在相同频率下,发动机越大,输出功率越大,这也是为什么柴油机个头都比汽油大的原因,个儿大劲儿大的柴油机才能带动公交卡车等重型汽车。

同理,电动机(或者说一切转动机械)既要求个头小,有要求输出功率大,只有一个办法——提高转速,这也就是为什么交流电频率不能太低的原因,因为我们需要个头小但功率大的电动机。

变频空调也是同样的道理,通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总之,功率与频率在一定范围内正相关。

再说说频率大了会怎么样?比如定在400Hz怎么样?

两个问题,一是线路和设备的损耗增加,二是发电机转速过快。

先来讲损耗,输电线路、变电设备、用电设备,都是有电抗的,电抗与频率成正比,频率越高,电抗越大,消耗的无功就越大,能传递的有功功率就越少。

目前50Hz输电线路的电抗约0.4欧姆,约是电阻的10倍,如果提高到400Hz,那电抗将是3.2欧姆,约是电阻的80倍。对于高压输电线路,降低电抗是提高输电功率的关键。与电抗相对应的还有容抗,容抗和频率成反比,频率越高,容抗越小,线路的泄漏电流越大(因为电缆的电容效应较大,所以这也是电缆线路送电距离不能过长的原因)。如果频率高了,则线路的泄漏电流也会增加。

另一个问题是发电机的转速。现在的发电机组基本是单级机,也就是一对磁极。为了发出50Hz的电,转子每分钟转速要达到3000转。汽车发动机转速达到3000转时,就能明显感觉引擎在振动作响了,转到六七千转时,你就会觉得发动机快跳出引擎盖了。

汽车发动机尚且如此,更何况是一个重达百吨的实心铁疙瘩转子与汽轮机,这也是发电厂的噪音很大的原因。一个重达百吨的钢转子每分钟转3000转谈何容易,如果频率再高三四倍,估计发电机能飞出厂房了。

如此重的转子具有相当大的惯性,这也是电力系统被称为惯性系统,能保持安全稳定运行的前提。同样也是为什么风电和太阳能这种间歇性电源对传统电源提出挑战的原因。

因为风光变化很快,几十吨重的转子由于巨大的惯性,要减少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上风电和光伏发电的变化,所以有时不得不弃风和弃光。

综上所述

频率不能太低的原因:变压器能效率高,电动机可以个头小功率大。

频率不能太高的原因:线路和设备可以损耗小,发电机转速不必过高。

因此根据经验和习惯,我们的电能就被定在在50或60Hz。

交流电网的频率,是电能质量的重要标志之一,直接关系许多电能驱动设备的产品质量,例如:若电流频率由50HZ降到48HZ,电动机的转速将降低4%,致使冶金、化工、机械、纺织造纸等工业的产量和质量都会受到影响。而供给工厂的电能频率是由电力系统决定的。

看了以上内容,一位freesteve粉丝评论说:

美英采用英制,12进制导致其采用60hz方便计数,欧洲特别是德法引领的工业标准采用公制,德国机器世界出口,德国DIN标准几乎成了世界各国标准,连一些英联邦国家也是能采用公制计量尽量采用公制,如新加坡,澳洲,马来西亚,或者两者混用如印度。中国内地习惯上采用市斤算是半公斤,而新疆历史原因受内地影响小,受东西欧影响大,计量采用公斤。中国上世纪工业化开始期引进德国设备多,除了可靠,还因为后起之秀的德国货开拓市场,比老牌英法产品便宜,所以50hz 220V交流电成了中国标准,退到台湾不得不面对日拒50年局面,再加上获得大力美援设备也是110V,60hz,所以不得不又变更标准。飞机发电机是400HZ,除高频率功率密度大外,主要原因是早期飞机发电机驱动源来自主发动机,如果把上万转发动机主轴降低到3000转,也就是50hz,减速机将非常笨重,因此400赫兹交流发电机有非常重要的重量优势,再后来形成了标准,再改已然非常难; 和汽油车12V电源,如果改成36V,将节约大量金属导线成本,但是已经标准百年,没有办法啦!

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