Hjelpefrekvens - Utility frequency

Bølgeformen på 230 V og 50 Hz sammenlignet med 110 V og 60 Hz

Den verktøyet frekvens , (strøm) linjefrekvens ( amerikansk engelsk ) eller nettfrekvens ( britisk engelsk er) den nominelle frekvens av de svingninger av vekselstrøm (AC) i et bredt område synkron gitter overført fra en kraftstasjon til sluttbrukeren . I store deler av verden er dette 50  Hz , men i Amerika og deler av Asia er det vanligvis 60 Hz. Gjeldende bruk etter land eller region er gitt i listen over strømnettet etter land .

Under utviklingen av kommersielle elektriske kraftsystemer på slutten av 1800-tallet og tidlig på 1900-tallet hadde mange forskjellige frekvenser (og spenninger) blitt brukt. Store investeringer i utstyr på en frekvens gjorde standardisering til en langsom prosess. Fra begynnelsen av 2000-tallet pleier imidlertid steder som nå bruker 50 Hz-frekvensen å bruke 220–240  V , og de som nå bruker 60 Hz pleier å bruke 100–127 V. Begge frekvensene eksisterer samtidig i dag (Japan bruker begge ) uten stor teknisk grunn til å foretrekke hverandre og ingen tilsynelatende ønske om fullstendig verdensomspennende standardisering.

I praksis varierer den nøyaktige frekvensen til nettet rundt den nominelle frekvensen, og reduseres når nettet er tungt belastet, og raskere når det er lett lastet. Imidlertid vil de fleste verktøy justere frekvensen til nettet i løpet av dagen for å sikre et konstant antall sykluser. Dette brukes av noen klokker for å opprettholde tiden nøyaktig.

Driftsfaktorer

Flere faktorer påvirker valg av frekvens i et AC-system. Belysning, motorer, transformatorer, generatorer og overføringslinjer har alle egenskaper som avhenger av strømfrekvensen. Alle disse faktorene samhandler og gjør valg av en effektfrekvens til et spørsmål av betydelig betydning. Den beste frekvensen er et kompromiss mellom motstridende krav.

På slutten av 1800-tallet ville designere velge en relativt høy frekvens for systemer med transformatorer og lysbuer for å spare på transformatormaterialer og redusere synlig flimring av lampene, men ville velge en lavere frekvens for systemer med lange overføringslinjer eller mate primært motorbelastninger eller roterende omformere for å produsere likestrøm . Da store sentrale generasjonsstasjoner ble praktiske, ble valg av frekvens gjort basert på arten av den tiltenkte lasten. Etter hvert gjorde forbedringer i maskindesign det mulig å bruke en enkelt frekvens både til belysning og motorbelastning. Et enhetlig system forbedret økonomien i strømproduksjon, siden systembelastningen var mer jevn i løpet av en dag.

Belysning

De første anvendelser av kommersiell elektrisk kraft var glødelys og kommutator -typen elektriske motorer . Begge enhetene fungerer bra på DC, men DC kunne ikke lett endres i spenning, og ble vanligvis bare produsert med den nødvendige utnyttelsesspenningen.

Hvis en glødelampe drives på en lavfrekvent strøm, avkjøles glødetråden på hver halvsyklus av vekselstrømmen, noe som fører til merkbar endring i lysstyrke og flimmer på lampene; effekten er mer uttalt med buelamper , og senere kvikksølvdamplamper og lysrør . Åpne lysbuer gjorde en hørbar lyd fra vekselstrøm, noe som førte til eksperimenter med høyfrekvente generatorer for å heve lyden over området for menneskelig hørsel.

Roterende maskiner

Motorer av kommutatortypen fungerer ikke bra på høyfrekvent vekselstrøm, fordi de raske endringene av strøm motvirkes av induktansen til motorfeltet. Selv om universalmotorer av kommutator er vanlig i AC-husholdningsapparater og elektroverktøy, er de små motorer, mindre enn 1 kW. Den induksjonsmotor ble funnet å arbeide godt på frekvenser omkring 50 til 60 Hz, men med materialet som er tilgjengelig i 1890 ville ikke fungere godt ved en frekvens på for eksempel 133 Hz. Det er et fast forhold mellom antall magnetpoler i induksjonsmotorfeltet, frekvensen til vekselstrømmen og rotasjonshastigheten; så, en gitt standardhastighet begrenser valg av frekvens (og omvendt). Når AC elektriske motorer ble vanlig, var det viktig å standardfrekvens for kompatibilitet med kundens utstyr.

Generatorer som drives av saktegående stempelmotorer vil produsere lavere frekvenser for et gitt antall poler enn de som drives av for eksempel en høyhastighets dampturbin . For veldig lave hastigheter på primærmotoren vil det være kostbart å bygge en generator med nok poler til å gi en høy AC-frekvens. I tillegg ble det funnet lettere å synkronisere to generatorer med samme hastighet ved lavere hastigheter. Mens beltestasjoner var vanlige som en måte å øke hastigheten på langsomme motorer, var de i svært store rangeringer (tusenvis av kilowatt) dyre, ineffektive og upålitelige. Etter ca 1906 favoriserte generatorer drevet direkte av dampturbiner høyere frekvenser. Den jevnere rotasjonshastigheten til høyhastighets maskiner tillot tilfredsstillende drift av kommutatorer i rotasjonsomformere. Synkronhastigheten N i RPM beregnes ved hjelp av formelen,

hvor f er frekvensen i hertz og P er antall poler.

Synkronhastigheter på vekselstrømsmotorer for noen nåværende og historiske bruksfrekvenser
Poler RPM ved 133 Anmeldelse for 1. / 3-  Hz RPM ved 60 Hz RPM ved 50 Hz RPM ved 40 Hz RPM ved 25 Hz RPM ved 16 2- / 3-  Hz
2 8.000 3600 3000 2.400 1500 1000
4 4000 1800 1500 1200 750 500
6 2 666,7 1200 1000 800 500 333,3
8 2.000 900 750 600 375 250
10 1600 720 600 480 300 200
12 1.333,3 600 500 400 250 166,7
14 1142.9 514.3 428,6 342,8 214.3 142.9
16 1000 450 375 300 187,5 125
18 888,9 400 333 13 266 23 166 23 111.1
20 800 360 300 240 150 100

Likestrømskraft ble ikke helt forskjøvet av vekselstrøm og var nyttig i jernbane- og elektrokjemiske prosesser. Før utviklingen av kvikksølvbueventil likerettere ble roterende omformere brukt til å produsere likestrøm fra vekselstrøm. Som andre maskiner av kommutatortypen, fungerte disse bedre med lavere frekvenser.

Overføring og transformatorer

Med vekselstrøm kan transformatorer brukes til å trappe ned høye transmisjonsspenninger for å redusere kundens utnyttelsesspenning. Transformatoren er effektivt en spenningsomformingsenhet uten bevegelige deler og som krever lite vedlikehold. Bruken av vekselstrøm eliminerte behovet for spinnende DC-spenningskonverteringsmotorgeneratorer som krever regelmessig vedlikehold og overvåking.

Siden dimensjonene til en transformator for et gitt effektnivå er omtrent omvendt proporsjonal med frekvensen, vil et system med mange transformatorer være mer økonomisk ved en høyere frekvens.

Elektrisk kraftoverføring over lange linjer favoriserer lavere frekvenser. Effektene av linjens distribuerte kapasitans og induktans er mindre ved lav frekvens.

Systemkobling

Generatorer kan bare kobles sammen for å fungere parallelt hvis de har samme frekvens og bølgeform. Ved å standardisere frekvensen som brukes, kan generatorer i et geografisk område kobles sammen i et nett , noe som gir pålitelighet og kostnadsbesparelser.

Historie

Japans bruksfrekvenser er 50 Hz og 60 Hz

Mange forskjellige kraftfrekvenser ble brukt på 1800-tallet.

Veldig tidlig isolerte vekselstrømsgenererende ordninger brukte vilkårlige frekvenser basert på bekvemmelighet for design av dampmaskin , vannturbin og elektrisk generator . Frekvenser mellom 16+23  Hz og 133+13  Hz ble brukt på forskjellige systemer. For eksempel hadde byen Coventry, England, i 1895 et unikt 87 Hz enfaset distribusjonssystem som var i bruk frem til 1906. Spredningen av frekvenser vokste ut av den raske utviklingen av elektriske maskiner i perioden 1880 til 1900.

I den tidlige glødelampen var enfaset vekselstrøm vanlig og typiske generatorer var 8-polede maskiner som ble drevet ved 2000 o / min, noe som ga en frekvens på 133 hertz.

Selv om det eksisterer mange teorier, og ganske mange underholdende urbane legender , er det liten sikkerhet i detaljene i historien om 60 Hz mot 50 Hz.

Det tyske selskapet AEG (avstammet fra et selskap grunnlagt av Edison i Tyskland) bygde det første tyske produksjonsanlegget som kjørte på 50 Hz. På den tiden hadde AEG et virtuelt monopol og deres standard spredte seg til resten av Europa. Etter å ha observert flimring av lamper som ble drevet av 40 Hz-kraften som ble overført av Lauffen-Frankfurt-koblingen i 1891, økte AEG standardfrekvensen til 50 Hz i 1891.

Westinghouse Electric bestemte seg for å standardisere på en høyere frekvens for å tillate drift av både elektrisk belysning og induksjonsmotorer på samme genereringssystem. Selv om 50 Hz var egnet for begge, mente Westinghouse i 1890 at eksisterende lysbueutstyr fungerte litt bedre på 60 Hz, og slik at frekvensen ble valgt. Driften av Teslas induksjonsmotor, lisensiert av Westinghouse i 1888, krevde en lavere frekvens enn 133 Hz som var vanlig for belysningssystemer på den tiden. I 1893 bygget General Electric Corporation, som var tilknyttet AEG i Tyskland, et genereringsprosjekt i Mill Creek for å bringe strøm til Redlands, California ved bruk av 50 Hz, men endret til 60 Hz et år senere for å opprettholde markedsandeler med Westinghouse-standarden.

25 Hz opprinnelse

De første generatorene ved Niagara Falls- prosjektet, bygget av Westinghouse i 1895, var 25 Hz, fordi turbinhastigheten allerede var innstilt før vekselstrømkraftoverføring var valgt definitivt. Westinghouse ville ha valgt en lav frekvens på 30 Hz for å drive motorbelastning, men turbinene for prosjektet var allerede spesifisert ved 250 RPM. Maskinene kunne ha blitt laget for å levere 16+2- / 3-  Hz strøm egnet for tunge kommutator-type motorer, men Westinghouse firma innvendes at dette ville være uønsket for belysning og foreslo 33+13  Hz. Til slutt ble et kompromiss på 25 Hz, med 12-polet 250 RPM-generatorer, valgt. Fordi Niagara-prosjektet hadde så stor innflytelse på design av elektriske kraftsystemer, vant 25 Hz som den nordamerikanske standarden for lavfrekvent AC.

40 Hz opprinnelse

En General Electric- studie konkluderte med at 40 Hz ville ha vært et godt kompromiss mellom belysnings-, motor- og overføringsbehov, gitt materialene og utstyret som var tilgjengelig i første kvartal av det 20. århundre. Flere 40 Hz-systemer ble bygget. Den Lauffen-Frankfurt demonstrasjon brukt 40 Hz til sendestyrke 175 km i 1891. Et stort sammenhengende 40 Hz nettverk eksistert i nord-øst England (den Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company , NESCO) før advent av National Grid (UK ) på slutten av 1920-tallet, og prosjekter i Italia brukte 42 Hz. Det eldste kontinuerlige kommersielle vannkraftverket i USA, Mechanicville Hydroelectric Plant , produserer fremdeles elektrisk kraft ved 40 Hz og leverer kraft til det lokale 60 Hz overføringssystemet gjennom frekvensvekslere . Industrielle anlegg og gruver i Nord-Amerika og Australia ble noen ganger bygget med 40 Hz elektriske systemer som ble opprettholdt til de var for uøkonomiske til å fortsette. Selv om frekvenser nær 40 Hz fant mye kommersiell bruk, ble disse forbigått av standardiserte frekvenser på 25, 50 og 60 Hz foretrukket av produsenter av utstyr med høyere volum.

Den Ganz Selskapet Ungarn hadde standardisert på 5000 vekslinger per minutt (41 2 / tre  Hz) for sine produkter, så Ganz klienter hadde 41 2 / 3  Hz systemer som i noen tilfeller drev i mange år.

Standardisering

I de første dagene av elektrifiseringen ble så mange frekvenser brukt at ingen enkeltverdi rådet (London i 1918 hadde ti forskjellige frekvenser). Etter hvert som det 20. århundre fortsatte ble mer kraft produsert ved 60 Hz (Nord-Amerika) eller 50 Hz (Europa og det meste av Asia). Standardisering tillot internasjonal handel med elektrisk utstyr. Mye senere tillot bruk av standardfrekvenser sammenkobling av kraftnett. Det var først etter andre verdenskrig - med ankomsten av rimelige elektriske forbruksvarer - at mer ensartede standarder ble vedtatt.

I Storbritannia ble en standardfrekvens på 50 Hz erklært så tidlig som i 1904, men betydelig utvikling fortsatte ved andre frekvenser. Implementeringen av National Grid startet i 1926 tvang standardiseringen av frekvenser blant de mange sammenkoblede elektriske tjenesteleverandørene. 50 Hz-standarden ble fullstendig etablert først etter andre verdenskrig .

Omkring 1900 hadde europeiske produsenter stort sett standardisert seg til 50 Hz for nye installasjoner. Det tyske Verband der Elektrotechnik (VDE), i den første standarden for elektriske maskiner og transformatorer i 1902, anbefalte 25 Hz og 50 Hz som standardfrekvenser. VDE så ikke mye anvendelse på 25 Hz, og droppet det fra 1914-utgaven av standarden. Restinstallasjoner ved andre frekvenser vedvarte til godt etter andre verdenskrig.

På grunn av kostnadene ved konvertering kan noen deler av distribusjonssystemet fortsette å operere på originale frekvenser selv etter at en ny frekvens er valgt. 25 Hz strøm ble brukt i Ontario , Quebec , det nordlige USA, og til jernbaneelektrifisering . På 1950-tallet ble mange 25 Hz-systemer, fra generatorene til husholdningsapparater, konvertert og standardisert. Fram til 2009 eksisterte fortsatt 25 Hz-generatorer ved Sir Adam Beck 1 (disse ble ettermontert til 60 Hz) og Rankine-generasjonsstasjonene (til 2009 stengte) nær Niagara Falls for å gi strøm til store industrikunder som ikke ønsket å erstatte eksisterende utstyr; og noen 25 Hz motorer og et 25 Hz kraftverk finnes i New Orleans for flomvannspumper. De 15 kV AC- jernbanenettene, som brukes i Tyskland , Østerrike , Sveits , Sverige og Norge , fungerer fremdeles klokka 16+23  Hz eller 16,7 Hz.

I noen tilfeller, hvor mest last skulle være jernbane- eller motorbelastning, ble det ansett som økonomisk å generere kraft ved 25 Hz og installere roterende omformere for 60 Hz-fordeling. Omformere for produksjon av DC fra vekselstrøm var tilgjengelig i større størrelser og var mer effektive ved 25 Hz sammenlignet med 60 Hz. Gjenværende fragmenter av eldre systemer kan være bundet til standardfrekvenssystemet via en rotasjonsomformer eller statisk frekvensveksler for omformer . Disse gjør det mulig å bytte energi mellom to kraftnettverk med forskjellige frekvenser, men systemene er store, kostbare og kaster bort litt energi i drift.

Frekvensvekslere for roterende maskiner som ble brukt til å konvertere mellom 25 Hz og 60 Hz-systemer, var vanskelig å designe; en 60 Hz-maskin med 24 poler ville svinge med samme hastighet som en 25 Hz-maskin med 10 poler, noe som gjorde maskinene store, sakte og dyre. Et forhold på 60/30 ville forenklet disse designene, men den installerte basen ved 25 Hz var for stor til å være økonomisk imot.

I USA hadde Sør-California Edison standardisert på 50 Hz. Store deler av Sør-California opererte på 50 Hz og endret ikke frekvensen til generatorene og kundeutstyret deres helt til 60 Hz før rundt 1948. Noen prosjekter fra Au Sable Electric Company brukte 30 Hz ved overføringsspenninger opp til 110 000 volt i 1914.

Opprinnelig i Brasil ble elektriske maskiner importert fra Europa og USA, noe som antydet at landet hadde både 50 Hz og 60 Hz standarder i henhold til hver region. I 1938 laget den føderale regjeringen en lov, Decreto-Lei 852 , som skulle bringe hele landet under 50 Hz innen åtte år. Loven virket ikke, og på begynnelsen av 1960-tallet ble det bestemt at Brasil ville bli enhetlig under 60 Hz-standarden, fordi de fleste utviklede og industrialiserte områdene brukte 60 Hz; og en ny lov Lei 4.454 ble erklært i 1964. Brasil gjennomgikk et frekvensomformingsprogram til 60 Hz som ikke ble fullført før 1978.

I Mexico ble områder som opererte på 50 Hz-nett omgjort i løpet av 1970-tallet, og forente landet under 60 Hz.

I Japan bruker den vestlige delen av landet (Nagoya og vest) 60 Hz og den østlige delen (Tokyo og øst) bruker 50 Hz. Dette stammer fra de første kjøpene av generatorer fra AEG i 1895, installert for Tokyo, og General Electric i 1896, installert i Osaka. Grensen mellom de to regionene inneholder fire back-to-back HVDC- substasjoner som konverterer frekvensen; disse er Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu og Higashi-Shimizu Frequency Converter .

Hjelpefrekvenser i Nord-Amerika i 1897

Hz Beskrivelse
140 Trebue-lysdynamo
133 Stanley-Kelly Company
125 General Electric enfaset
66,7 Stanley-Kelly Company
62.5 General Electric "monosyklisk"
60 Mange produsenter ble "stadig vanligere" i 1897
58.3 General Electric Lachine Rapids
40 General Electric
33 General Electric i Portland Oregon for roterende omformere
27 Crocker-Wheeler for kalsiumkarbid ovner
25 Westinghouse Niagara Falls 2-fase - for drift av motorer

Bruksfrekvenser i Europa til 1900

Hz Beskrivelse
133 Enfasede belysningssystemer, Storbritannia og Europa
125 Enfaset belysningssystem, Storbritannia og Europa
83.3 Enfase, Ferranti UK, Deptford Power Station , London
70 Enfasebelysning, Tyskland 1891
65.3 BBC Bellinzona
60 Enfasebelysning, Tyskland, 1891, 1893
50 AEG, Oerlikon og andre produsenter, eventuell standard
48 BBC Kilwangen generasjonsstasjon,
46 Roma, Genève 1900
45 13 Kommunal kraftstasjon, Frankfurt am Main, 1893
42 Ganz-kunder, også Tyskland 1898
41 23 Ganz Company, Ungarn
40 Lauffen am Neckar, vannkraft, 1891, til 1925
38.6 BBC Arlen
33 13 St. James og Soho Electric Light Co. London
25 Enfasebelysning, Tyskland 1897

Selv ved midten av 1900-tallet var bruksfrekvensene fortsatt ikke helt standardiserte ved de nå vanlige 50 Hz eller 60 Hz. I 1946 oppførte en referansehåndbok for designere av radioutstyr følgende nå foreldede frekvenser som i bruk. Mange av disse regionene hadde også 50-syklus, 60-syklus eller likestrømforsyning.

Frekvenser i bruk i 1946 (samt 50 Hz og 60 Hz)

Hz Region
25 Canada (Sør-Ontario), Panamakanalsonen (*), Frankrike, Tyskland, Sverige, Storbritannia, Kina, Hawaii, India, Manchuria
33 13 Lots Road Power Station, Chelsea, London (for London Underground og Trolley busser etter konvertering til DC)
40 Jamaica, Belgia, Sveits, Storbritannia, De forente malaysiske statene, Egypt, Vest-Australia (*)
42 Tsjekkoslovakia, Ungarn, Italia, Monaco (*), Portugal, Romania, Jugoslavia, Libya (Tripoli)
43 Argentina
45 Italia, Libya (Tripoli)
76 Gibraltar (*)
100 Malta (*), Britisk Øst-Afrika

Der regioner er merket (*), er dette den eneste bruksfrekvensen som vises for den regionen.

Jernbaner

Andre strømfrekvenser brukes fortsatt. Tyskland, Østerrike, Sveits, Sverige og Norge bruker trekkraftnett for jernbane, og distribuerer enfaset AC klokken 16+23  Hz eller 16,7 Hz. En frekvens på 25 Hz brukes til den østerrikske Mariazell Railway , samt Amtrak og SEPTAs trekkraftanlegg i USA. Andre AC-jernbanesystemer får strøm ved den lokale kommersielle kraftfrekvensen, 50 Hz eller 60 Hz.

Trekkraft kan komme fra kommersielle strømforsyninger fra frekvensomformere, eller i noen tilfeller kan det produseres av dedikerte trekkraftstasjoner . På 1800-tallet ble frekvenser så lave som 8 Hz vurdert for drift av elektriske jernbaner med kommutatormotorer. Noen stikkontakter har riktig spenning, men bruker den opprinnelige tognettfrekvensen som 16+23  Hz eller 16,7 Hz.

400 Hz

Kraftfrekvenser så høyt som 400 Hz brukes i fly, romfartøy, ubåter, serverrom for datakraft , militært utstyr og håndholdte maskinverktøy. Slike høye frekvenser kan ikke overføres økonomisk lange avstander; den økte frekvensen øker serieimpedansen sterkt på grunn av induktansen til overføringslinjene, noe som gjør kraftoverføring vanskelig. Følgelig er 400 Hz kraftsystemer vanligvis begrenset til en bygning eller et kjøretøy.

Transformatorer kan for eksempel gjøres mindre fordi den magnetiske kjernen kan være mye mindre for samme effektnivå. Induksjonsmotorer dreier med en hastighet som er proporsjonal med frekvensen, slik at en høyfrekvent strømforsyning gjør at mer kraft kan oppnås for samme motorvolum og masse. Transformatorer og motorer for 400 Hz er mye mindre og lettere enn ved 50 eller 60 Hz, noe som er en fordel i fly og skip. En amerikansk militærstandard MIL-STD-704 eksisterer for flybruk med 400 Hz kraft.

Stabilitet

Tidsfeilkorreksjon (TEC)

Regulering av frekvens for kraftsystemet for nøyaktighet i tid var ikke vanlig før etter 1916 med Henry Warren oppfinnelse av Warren Power Station Master Clock og selvstartende synkronmotor. Tesla demonstrerte begrepet klokker synkronisert etter linjefrekvens på Chicago Worlds messe 1893. Den Hammond Organ er også avhengig av en synkron AC-motor klokke for å beholde den riktige hastighet for det interne "tone hjul" generator, og dermed holde alle notater pitch-perfekt, basert på strømlinjefrekvensstabilitet.

I dag regulerer vekselstrømsnettoperatører den daglige gjennomsnittsfrekvensen slik at klokkene holder seg innen få sekunder etter riktig tid. I praksis økes eller senkes den nominelle frekvensen med en bestemt prosentandel for å opprettholde synkronisering. I løpet av en dag holdes gjennomsnittsfrekvensen på nominell verdi innen noen få hundre deler per million. I det synkrone nettet til det kontinentale Europa beregnes avviket mellom nettverksfasetid og UTC (basert på internasjonal atomtid ) klokka 08.00 hver dag i et kontrollsenter i Sveits . Målfrekvensen justeres deretter med opptil ± 0,01 Hz (± 0,02%) fra 50 Hz etter behov, for å sikre et langsiktig frekvensgjennomsnitt på nøyaktig 50 Hz × 60  s / min × 60 min / t × 24 h / d =4 320 000 sykluser per dag. I Nord-Amerika , når feilen overstiger 10 sekunder for øst, 3 sekunder for Texas eller 2 sekunder for vest, brukes en korreksjon på ± 0,02 Hz (0,033%). Tidsfeilkorreksjoner starter og slutter enten på timen eller på halvtimen. Arbeidet med å fjerne TEC i Nord-Amerika er beskrevet ved elektrisk klokke .

Sanntids frekvensmålere for kraftproduksjon i Storbritannia er tilgjengelig online - en offisiell National Grid en og en uoffisiell som vedlikeholdes av Dynamic Demand. Sanntids frekvensdata for det synkrone nettet til det kontinentale Europa er tilgjengelig på nettsteder som www. Nettfrekvens .com og nettfrekvens .eu . The Frequency Monitoring Network (fnet) ved University of Tennessee måler frekvensen av sammenhengene i det nordamerikanske strømnettet, samt i flere andre deler av verden. Disse målingene vises på FNETs nettsted.

Amerikanske forskrifter

I USA gjorde Federal Energy Regulatory Commission obligatorisk korrigering av tidsfeil i 2009. I 2011 diskuterte The North American Electric Reliability Corporation (NERC) et forslag til eksperiment som ville lindre frekvensreguleringskravene til elektriske nett som ville redusere det langsiktige nøyaktighet av klokker og andre enheter som bruker nettfrekvensen på 60 Hz som tidsbase.

Frekvens og belastning

Den primære årsaken til nøyaktig frekvensstyring er å la strømmen av vekselstrøm fra flere generatorer gjennom nettverket styres. Trenden i systemfrekvens er et mål på uoverensstemmelse mellom etterspørsel og generering, og er en nødvendig parameter for lastkontroll i sammenkoblede systemer.

Hyppigheten til systemet vil variere når belastning og generasjon endres. Å øke den mekaniske inngangseffekten til en enkelt synkron generator vil ikke i stor grad påvirke den totale systemfrekvensen, men vil produsere mer elektrisk kraft fra den enheten. Under en alvorlig overbelastning forårsaket av utløsing eller svikt i generatorer eller overføringslinjer, vil kraftsystemets frekvens synke på grunn av ubalanse mellom belastning og generasjon. Tap av en samtrafikk mens du eksporterer kraft (i forhold til systemets totale generasjon) vil føre til at systemfrekvensen øker oppstrøms for tapet, men kan forårsake et sammenbrudd nedstrøms tapet, ettersom produksjonen nå ikke holder tritt med forbruket. Automatisk genereringskontroll (AGC) brukes til å opprettholde planlagte frekvenser og utveksle strømmer. Kontrollsystemer i kraftstasjoner oppdager endringer i den nettverksfrekvensen og justerer mekanisk kraftinngang til generatorer tilbake til målfrekvensen. Denne motvirkningen tar vanligvis noen titalls sekunder på grunn av de store roterende massene som er involvert (selv om de store massene tjener til å begrense størrelsen på kortsiktige forstyrrelser i utgangspunktet). Midlertidige frekvensendringer er en uunngåelig konsekvens av endret etterspørsel. Eksepsjonell eller raskt skiftende nettfrekvens er ofte et tegn på at et strømdistribusjonsnett opererer nær kapasitetsgrensene, og dramatiske eksempler på noen ganger kan observeres kort tid før store avbrudd. Store kraftstasjoner, inkludert solfarmanlegg, kan redusere gjennomsnittlig produksjon og bruke takhøyde mellom driftsbelastning og maksimal kapasitet for å hjelpe til med å gi nettregulering svaret fra solomformere er raskere enn generatorer, fordi de ikke har roterende masse. Ettersom variable ressurser som sol og vind erstatter tradisjonell generasjon og treghet de ga, har algoritmer måtte bli mer sofistikerte. Energilagringssystemer, som batterier, oppfyller også reguleringsrollen i økende grad.

Frekvensbeskyttende reléer i kraftsystemnettverket registrerer nedgangen i frekvensen og starter automatisk belastning eller utløsning av samtrafikkledninger for å bevare driften av i det minste en del av nettverket. Små frekvensavvik (f.eks. 0,5 Hz på et 50 Hz eller 60 Hz nettverk) vil resultere i automatisk belastning eller andre kontrollhandlinger for å gjenopprette systemfrekvensen.

Mindre kraftsystemer, som ikke er mye sammenkoblet med mange generatorer og belastninger, vil ikke opprettholde frekvensen med samme grad av nøyaktighet. Der systemfrekvensen ikke er tett regulert i perioder med tung belastning, kan systemoperatørene tillate systemfrekvensen å stige i perioder med lett belastning for å opprettholde en daglig gjennomsnittsfrekvens med akseptabel nøyaktighet. Bærbare generatorer, som ikke er koblet til et verktøy, trenger ikke å regulere frekvensen tett, fordi typiske belastninger er ufølsomme for små frekvensavvik.

Lastfrekvensstyring

Lastfrekvensstyring (LFC) er en type integrert kontroll som gjenoppretter systemfrekvensen og strømmen til tilstøtende områder tilbake til verdiene før en endring i belastning. Kraftoverføringen mellom forskjellige områder av et system er kjent som "netto båndkraft".

Den generelle kontrollalgoritmen for LFC ble utviklet av Nathan Cohn i 1971. Algoritmen innebærer å definere begrepet area control error (ACE), som er summen av nettobåndstrømfeilen og produktet av frekvensfeilen med en frekvensskjevhet konstant. Når områdestyringsfeilen er redusert til null, har kontrollalgoritmen tilbakeført frekvens- og tilknytningseffektfeil til null.

Hørbar støy og forstyrrelser

Vekselstrømsdrevne apparater kan avgi en karakteristisk summing, ofte kalt " strømnettet ", ved multiplene av frekvensen av vekselstrøm som de bruker (se Magnetostriktion ). Det produseres vanligvis av motor- og transformatorkjernelaminasjoner som vibrerer i takt med magnetfeltet. Denne brummen kan også vises i lydsystemer, der strømforsyningsfilteret eller signalskjermingen til en forsterker ikke er tilstrekkelig.

50 Hz strømbrum
60 Hz strømbrum
400 Hz strømbrum

De fleste land valgte deres TV vertikal synkronisering rate å være den samme som den lokale strømnettet frekvens. Dette bidro til å forhindre at kraftledningen brummet og magnetiske forstyrrelser forårsaket synlige slagfrekvenser i det viste bildet av tidlige analoge TV-mottakere, spesielt fra strømforsyningen. Selv om noe forvrengning av bildet var til stede, ble det stort sett ikke lagt merke til fordi det var stille. Eliminering av transformatorer ved bruk av AC / DC-mottakere , og andre endringer i settdesign bidro til å minimere effekten, og noen land bruker nå en vertikal hastighet som er en tilnærming til forsyningsfrekvensen (spesielt 60 Hz-områder).

En annen bruk av denne bivirkningen er som et rettsmedisinsk verktøy. Når det tas et opptak som fanger opp lyd i nærheten av et AC-apparat eller en stikkontakt, blir brummen for øvrig også tatt opp. Toppene på brummen gjentar hver vekselstrømssyklus (hver 20 ms for 50 Hz vekselstrøm, eller hver 16,67 ms for 60 Hz vekselstrøm). Den eksakte hyppigheten av brummen skal stemme overens med frekvensen til et rettsmedisinsk opptak av brummen på den nøyaktige datoen og tidspunktet det antas at opptaket er gjort. Diskontinuiteter i frekvensmatchen eller ingen kamp i det hele tatt vil forråde ektheten til opptaket.

Se også

Videre lesning

  • Furfari, FA, evolusjonen av kraftlinjefrekvenser 133+13 til 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, sep / okt 2000, bind 6, utgave 5, side 12–14, ISSN 1077-2618.
  • Rushmore, DB, Frequency , AIEE Transactions, Volume 31, 1912, side 955–983, og diskusjon på side 974–978.
  • Blalock, Thomas J., Elektrifisering av et større stålverk - Del II Utvikling av 25 Hz-systemet , Industry Applications Magazine, IEEE, september / oktober 2005, side 9–12, ISSN  1077-2618 .

Referanser