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电的频率为什么是50Hz?

为什么我国的电源是采用50Hz的,而外国有的国家采用60Hz的电源?我国在制定此标准时是依据什么呢?50Hz和60Hz电源的优点、缺点在哪里?两者对负载的功率有没有影响?另外,机场和飞机上又为什么采用400Hz的电源?


其实50H和60HZ的区别不是很大,没有实质性的问题。不过是发电机的转速略有差别。选择50HZ或60HZ,在一个国家里,总得一致。


应当引起人们关注的倒是,为什么要采用50HZ或60HZ,而不是更高或更低。


在电气系统里,频率是一个很重要的基本要素,并不是随意确定的。


这一个问题看起来简单,实际上是一个比较复杂的问题,涉及的方面比较多,从原理上追朔,应当从麦克斯韦发现了经典电磁理论、赫兹为麦克斯韦的理论添上了至关重要的一笔、法拉第的法拉第电磁感应定律及其世界上第一台电磁感应发电机、英国工程师瓦特金首先制出了电动机,法国人皮克希制成了发电机、西门子发现了发电机的原理,发明了发电机,这是发电机领域的第一例实际应用等说起。


此后人们发现总结出来的定理为,周期性地改变方向的电流叫做交流电,电流发生1个周期性变化的时间叫做周期,每秒电流发生变化的次数做频率,单位是赫兹(为了纪念赫兹的贡献)。交流电的频率为50(60)赫,电流方向每秒钟发生50(60)个周期性的变化,每秒改变的次数为100(120)次。


电动机是根据通电线圈在磁场中转动的基本原理制成的。如果将电动机线圈两端加两个铜制滑环及分别与滑环接触的两个电刷就成为交流发电机(原理)。发电机是实现将机械能转化为电能的装置,需要原动机拖动。


频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等的构造、材料等有关。


50赫的两极发电机的同步转速是3000转/分,而如果频率上升一倍达到100赫,那么同步转速将会是6000转/分。如此高的速度将会给发电机的制造带来很多问题,特别是转子表面的线速度太高,必将大大限制容量的增加。另外,从使用角度看,频率过高,使得电抗增加,电磁损耗大,加剧了无功的数量。譬如以三相电机为例,其电流大大下降,输出功率及转矩也大大下降,实在没有益处。另外,如果采用较低的频率譬如30赫,变压效率低,那么将不利于交流电的变压和传输。


现代电力系统的频率即电力系统中的同步发电机产生的正弦基波电压的频率。频率是整个电力系统统一的运行参数,一个电力系统只有一个频率。我国和世界上大多数欧洲国家电力系统的额定频率为50Hz。美洲地区多数是60Hz。大多数国家规定频率偏差±0.1~0.3Hz之间。在我国,300万kW以上的电力系统频率偏差规定不得超过±0.2Hz而300万kW以下的小电力系统的频率偏差规定不得超过±0.5Hz。由于大机组的运行对电力系统频率偏差要求比较严格,因此有些国家对电力系统故障运行方式的频率偏差也作了规定,一般规定在±0.5~±1Hz之间。超过允许的频率偏差,大机组将跳闸,这不利于系统的安全稳定运行。


在电力系统内,发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功率不平衡,将引起电力系统频率变化。当系统负荷超过或低于发电厂的出力时,系统频率就要降低或升高,发电厂出力的变化同样也将引起系统频率变化。


另外,我国电网的频率变化范围是±1Hz。因为频率调节惯量较大,范围小容易引起电网振荡,作过温控或恒压的人应该理解。在大网并网前,兰州地区的电网频率在50.5Hz以上,上海地区在49.5Hz左右。现在的大网并网有利于电网频率及电压稳定。


载波频率越高,正弦波型越好,电机绕组的谐波越少。但是辐射干扰能量提高,干扰周边电气设备。


电网频率的差异取决于人们的计算习惯,美洲的大规模发电较早,当时的计算工具主要是英制(12进制)计算尺,为便于计算,用60Hz,稍晚一点的规模电网都用10进制数据,50Hz更方便些。


关于电压等级,分为发电机和电动机两个系列,我们常说的电压是电动机电压,是基本系列,220V为基础,每乘1.414并圆整后为一个等级,变频器电压除外发电机电压为同等级的电动机电压加5%并圆整。所以只有230V或400V的发电机而没有220V或380V的发电机。


机场的特殊情况是:机载发电机要求体积小重量轻,只有提高频率才能满足功率要求,所以相应的机载电气设备用400Hz,与飞机相关的电源要400赫兹咯!军用的更高的也有。


航空器上的电源采用400Hz就是为了减小体积和重量,是一个复杂的系统工程。军电和航电的400Hz主要取决于以下几点:1、频率高的发电机或电动机由于转速高、转矩小而体积、重量较小2、飞机上发电机的动力取自航空发动机,转速较高3、直流用电设备较多,频率高有利于减小整流纹波。


在相同电压的情况下,50hz与60hz及400hz电源在传输功率上、整流效率有什么不同?


不用100Hz或120Hz是因为频率太高,一方面传输困难,做变频器的对线路感抗及容抗的理解应该是深刻的另一方面,发电机和电动机的转速太高或极数太多都不可取。400Hz的电不能远距离传输,用户在订购400Hz发电机时要给定传输距离及方式,整流效率也差,但整流后纹波较小,纹波频率较高,好处理.


如果50赫兹投入需要60赫兹的生产线, 交流电机速度降低,(电机速度与频率成正比)电机发热,长时间工作必烧无疑. 控制系统一般通过整流和开关电源,应该没事。还要看一下对频率敏感的器件.(大前题,电压等级一致)


如果要研究将50Hz电源直接供电给需要60Hz电源的生产线上使用,主要考虑电磁器件的电磁特性,如电动机、变压器,其次是与电源频率有关的采样信号。对于前者,研究的方法可以找到这两个器件的电磁表达式,分别将50Hz和60Hz带进去,就可以发现一些问题。徐武安《电感器件设计与计算〉,四川科技出版社,1985.08,其中的103页-106页主要讲高频变压器的设计计算,其中有些理论可以引申到电动机上去。后者不用说就知道了。


来源 电工之家


发布时间:2019-3-13 阅读:51次