我國電機為什么要選用50HZ的交流電?原來有這么大的學問


 

在我國電機選用的是50 Hz交流電,然而由于各種原因,導致沒個國家采用的交流電并不都是相同的。例如英國和美國,他們選用的就是60Hz的交流電,這是因為他們采用的是是二進制。但是,隨著電力系統各個國家電力系統的升級與發展,陸續有很多國家采用后十進制了,并且發展成了主流,所以頻率是50Hz。當然也存在這樣一種情況,就是有的國家兩種交流電并存,比如西邊用50Hz,東邊用60Hz.


我國電機為什么要選用50HZ的交流電?原來有這么大的學問的圖1


接下來我們回到主題,我們國家為何會選用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢?如果頻率低了會怎么樣?


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當頻率為0的時候,這就是我們說的直流,以前有個科學家想證明特拉斯交流電有危險,于是他用小動物做實驗,用交流電電死了他們。后來很多科學家證明,如果是同樣大小的電流,我們人類能忍受的交流電時間是低于直流電的,這就說明了交流電是比直流電更危險的。


然而隨著人們的需求越來越高,交流電最終戰勝了直流電,戰勝的原因是交流電更具便捷性。當輸電功率一樣時,要是將電壓升高,那么輸電的電流就會隨之減小,因此,在線路所被消耗的能量就會降低。然而采用直流送電的話,有一個問題直到如今都困擾著大部分人,這個問題就是如果我們選用直流輸電的話,當我們拔電器的插頭的時候會擦除火花一樣的東西,如果此時的電流達到一定的程度大時,它是無法自動熄滅的,這就是我們常聽到的“電弧”。

然而,要是我們采用交流輸電的話,拔出插梢時電流會被改變方向,所以有電流過零的時候,我們就可以通過這個時間采用滅弧裝置來將線路的電流斷開。但是前面所說的直流輸電電流是不會改變它的方向的,所以我們沒有電流過零的時間來使用斷弧裝置,滅弧很難實現。


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那么,當我們采用交流輸電時,頻率過低會出現什么情況呢?


第一個問題就是會影響變壓器的效率,變壓器是靠原邊的磁場變化,感應到副邊升壓或降壓的。磁場變化的感應會隨著頻率變慢而變弱,要是頻率為0的時候根本沒有感應,所以頻率太低了不行。


第二個問題就是會影響用電設備功率,比如在頻率一樣的情況下,發動機輸出的功率會隨著發動機本身的大小而變化,也就是說它越大,輸出功率也就越大,這也是為什么柴油機個頭都比汽油大的原因,因為大的柴油機才能帶動公交卡車等重型汽車。


同理,電動機既要求個頭小,有要求輸出功率大,只有一個辦法——提高轉速,這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因,因為我們需要個頭小但功率大的電動機。由上可知,功率與頻率在一定范圍內是呈正相關關系的。


頻率低了會有影響,那么頻率要是高了又會產生什么樣的后果呢?


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要是我們將頻率設置成1000Hz會怎么樣呢?


根據上面說的,頻率大的后果顯而易見就是會導致線路和設備的損耗增加,還有一個就是發電機轉速過快。


我們先說損耗的問題,我們知道一切的電器設備和線路都是有電抗的,然而電抗與頻率之間的關系是呈正相關的,電抗會隨著頻率的升高而變大,因此消耗的無功功率就越大,而傳送的有功功率就越少。


就現在所采用的的交流輸電來說,現在50Hz的電抗約為0.4歐姆,這大約是電阻的10倍,要是提高到1000Hz的話,電抗將是8歐姆。所以針對高壓輸電線路來說,提高輸電功率的有效方法就是把電抗降低下來。



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還有一種叫容抗,它與電抗是相對的,容抗與頻率之間的關系是呈負相關的,容抗會隨著頻率的升高而降低,此時輸電線路所泄漏的電流將會增大。要是將頻率定高了,那么將會增加泄漏的電流。


除了上面所說到的問題之外,還有一個就是發電機的轉速問題,當今我們所使用的發電機大部分都是單級機子,換句話說就是一對磁極。因此,要是發出50Hz的電,那么轉子要達到3000轉/分鐘,我們知道,要是當汽車的發動機達到這個速度的時候,能明顯的感到引擎在震動了,要是轉速更大的話,你將會感覺發動機要跑出來了,沒錯,就是這么夸張!


就連汽車發動機都這樣,更別說一個重達百噸的實心鐵疙瘩轉子與汽輪機,這也是發電廠的噪音很大的原因。一個重達百噸的鋼轉子每分鐘轉3000轉談何容易,如果頻率再高三四倍,估計發電機都要飛出廠房了。


當然,萬物都是有慣性的,那么重的轉子具有很大的慣性,這也是電力系統被稱為慣性系統,這當然是要以安全穩定運行為前提的。正是由于它的這種局限性,這就導致了風電和太陽能等這類新電源可以時不時的對傳統電源發出挑戰。


綜上所述,我們得出結論:

頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動機可以個頭小功率大。頻率不能太高的原因:線路和設備可以損耗小,發電機轉速不必過高。因此根據經驗和習慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。

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