資料介紹
摘要:
在電氣系統(tǒng)里,頻率是一個(gè)很重要的基本要素,并不是隨意確定的。這一個(gè)問題看起來簡(jiǎn)單,實(shí)際上是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,涉及的方面比較多。為什么我國的電源是采用50hz的,而外國有的國家采用60hz的電源?制定此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的依據(jù)什么呢?
大家平時(shí)家里用的電是50Hz的,Hz是赫茲的縮寫,代表一秒鐘電流周期性變換方向的次數(shù),50Hz表示1秒鐘電流有50個(gè)周期,方向改變100次。
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(shí)、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。
總體來說50Hz和60Hz差別不大,以下就用50Hz代表吧。那為什么要選用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?
1.1 先說頻率低了會(huì)怎么樣
頻率最低就是0,也就是直流。史上最經(jīng)典的就是愛迪生和特斯拉的直流交流大戰(zhàn),愛迪生為了證明特斯拉的交流電有危險(xiǎn),用交流電電死了若干動(dòng)物,其中還包括一頭大象,愛老先生也是蠻拼的~(客觀上說,同樣的電流大小下,人體耐受直流電的時(shí)間是要長(zhǎng)于耐受交流電的時(shí)間,跟心室震顫什么的有關(guān)系,也就是交流電更危險(xiǎn))
不過最后愛迪生還是輸給了特斯拉,憑借交流電方便改變電壓等級(jí)的優(yōu)勢(shì),交流電戰(zhàn)勝了直流電。在輸送功率相同的情況下,提高電壓,送電電流就能減小,消耗在線路上的能量就能降低。而直流電當(dāng)時(shí)無法變壓,發(fā)電機(jī)出口端電壓只有幾百伏,為了減少損耗,只能減少送電功率和距離,所以愛迪生當(dāng)時(shí)建的電廠有點(diǎn)像現(xiàn)在的分布式電源,到處都是。
直流送電另一個(gè)問題是難以開斷,直到現(xiàn)在這個(gè)問題還困擾著直流輸電。我們平時(shí)在拔一些電器的插銷時(shí),還會(huì)打電火花。直流輸電的問題同電火花一樣,當(dāng)電流大到一定程度時(shí),這個(gè)電火花是無法熄滅的,我們稱之為“電弧”。對(duì)于交流電而言,電流會(huì)改變方向,因而有電流過零的時(shí)刻,利用這個(gè)小電流時(shí)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(huì)改變,沒有這個(gè)過零點(diǎn),我們想要滅弧就難了。
1.2 低頻交流呢? 5Hz的交流電有什么問題?
一是變壓器效率的問題。變壓器是靠原邊的磁場(chǎng)變化,感應(yīng)到副邊升壓或降壓的。磁場(chǎng)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。當(dāng)然,太高了也會(huì)有漏磁太多的問題。
二是用電設(shè)備功率問題。舉個(gè)身邊的例子吧,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就是他的頻率,比如怠速時(shí)500轉(zhuǎn)/分鐘,加速換擋時(shí)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(dòng)機(jī)的勁兒(功率)越大。同樣道理,在相同頻率下,發(fā)動(dòng)機(jī)越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機(jī)個(gè)頭都比汽油大的原因,個(gè)兒大勁兒大的柴油機(jī)才能帶動(dòng)公交卡車等重型汽車。

1.3 高頻交流呢?比如定在400Hz怎么樣?
首先是線路和設(shè)備的損耗增加,先說損耗的事情,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(duì)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(duì)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。(因?yàn)殡娎|的電容效應(yīng)較大,所以這也是電纜線路送電距離不能過長(zhǎng)的原因。)如果頻率高了,則線路的泄漏電流也會(huì)增加。
另一個(gè)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(jí)機(jī),也就是一對(duì)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)。咱們的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000轉(zhuǎn)時(shí),就能明顯感覺引擎在振動(dòng)作響了,轉(zhuǎn)到六七千轉(zhuǎn)時(shí),你會(huì)覺得發(fā)動(dòng)機(jī)要跳出引擎蓋。小小的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尚且如此,更何況是一個(gè)重達(dá)百噸的實(shí)心鐵疙瘩轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī),也因此發(fā)電廠的噪音都很大。一個(gè)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。
總結(jié)一下,頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動(dòng)機(jī)可以個(gè)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。所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。
在電氣系統(tǒng)里,頻率是一個(gè)很重要的基本要素,并不是隨意確定的。這一個(gè)問題看起來簡(jiǎn)單,實(shí)際上是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,涉及的方面比較多。為什么我國的電源是采用50hz的,而外國有的國家采用60hz的電源?制定此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的依據(jù)什么呢?
大家平時(shí)家里用的電是50Hz的,Hz是赫茲的縮寫,代表一秒鐘電流周期性變換方向的次數(shù),50Hz表示1秒鐘電流有50個(gè)周期,方向改變100次。
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(shí)、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。
總體來說50Hz和60Hz差別不大,以下就用50Hz代表吧。那為什么要選用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?
1.1 先說頻率低了會(huì)怎么樣
頻率最低就是0,也就是直流。史上最經(jīng)典的就是愛迪生和特斯拉的直流交流大戰(zhàn),愛迪生為了證明特斯拉的交流電有危險(xiǎn),用交流電電死了若干動(dòng)物,其中還包括一頭大象,愛老先生也是蠻拼的~(客觀上說,同樣的電流大小下,人體耐受直流電的時(shí)間是要長(zhǎng)于耐受交流電的時(shí)間,跟心室震顫什么的有關(guān)系,也就是交流電更危險(xiǎn))
不過最后愛迪生還是輸給了特斯拉,憑借交流電方便改變電壓等級(jí)的優(yōu)勢(shì),交流電戰(zhàn)勝了直流電。在輸送功率相同的情況下,提高電壓,送電電流就能減小,消耗在線路上的能量就能降低。而直流電當(dāng)時(shí)無法變壓,發(fā)電機(jī)出口端電壓只有幾百伏,為了減少損耗,只能減少送電功率和距離,所以愛迪生當(dāng)時(shí)建的電廠有點(diǎn)像現(xiàn)在的分布式電源,到處都是。
直流送電另一個(gè)問題是難以開斷,直到現(xiàn)在這個(gè)問題還困擾著直流輸電。我們平時(shí)在拔一些電器的插銷時(shí),還會(huì)打電火花。直流輸電的問題同電火花一樣,當(dāng)電流大到一定程度時(shí),這個(gè)電火花是無法熄滅的,我們稱之為“電弧”。對(duì)于交流電而言,電流會(huì)改變方向,因而有電流過零的時(shí)刻,利用這個(gè)小電流時(shí)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(huì)改變,沒有這個(gè)過零點(diǎn),我們想要滅弧就難了。
1.2 低頻交流呢? 5Hz的交流電有什么問題?
一是變壓器效率的問題。變壓器是靠原邊的磁場(chǎng)變化,感應(yīng)到副邊升壓或降壓的。磁場(chǎng)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。當(dāng)然,太高了也會(huì)有漏磁太多的問題。
二是用電設(shè)備功率問題。舉個(gè)身邊的例子吧,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就是他的頻率,比如怠速時(shí)500轉(zhuǎn)/分鐘,加速換擋時(shí)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(dòng)機(jī)的勁兒(功率)越大。同樣道理,在相同頻率下,發(fā)動(dòng)機(jī)越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機(jī)個(gè)頭都比汽油大的原因,個(gè)兒大勁兒大的柴油機(jī)才能帶動(dòng)公交卡車等重型汽車。

1.3 高頻交流呢?比如定在400Hz怎么樣?
首先是線路和設(shè)備的損耗增加,先說損耗的事情,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(duì)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(duì)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。(因?yàn)殡娎|的電容效應(yīng)較大,所以這也是電纜線路送電距離不能過長(zhǎng)的原因。)如果頻率高了,則線路的泄漏電流也會(huì)增加。
另一個(gè)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(jí)機(jī),也就是一對(duì)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)。咱們的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000轉(zhuǎn)時(shí),就能明顯感覺引擎在振動(dòng)作響了,轉(zhuǎn)到六七千轉(zhuǎn)時(shí),你會(huì)覺得發(fā)動(dòng)機(jī)要跳出引擎蓋。小小的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尚且如此,更何況是一個(gè)重達(dá)百噸的實(shí)心鐵疙瘩轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī),也因此發(fā)電廠的噪音都很大。一個(gè)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。
總結(jié)一下,頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動(dòng)機(jī)可以個(gè)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。所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。
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