Kenny's Blog

為什麼我們用的電是50HZ,為什麼不能是60HZ

引用

http://www.chinakong.com/rencai/disp.asp?id=933&leibie=4

為什麼我國的電源是採用50Hz的,而外國有的國家採 用60Hz的電源?我國在制定此標準時是依據什麼呢?50Hz和60Hz電源的優點、缺點在哪裡？兩者對負載的功率有沒有影響？另外，機場和飛機上又為什 麼採用400Hz的電源？
   
    其實50H和60HZ的區別不是很大，沒有實質性的問題。不過是發電機的轉速略有差別。選擇50HZ或60HZ，在一個國家裡，總得一致。
   
    應當引起人們關注的倒是，為什麼要採用50HZ或60HZ，而不是更高或更低。
   
    在電氣系統裡，頻率是一個很重要的基本要素，並不是隨意確定的。
   
    這一個問題看起來簡單，實際上是一個比較複雜的問題，涉及的方面比較多，從原理上追溯，應當從麥克斯韋發現了經典電磁理論、赫茲為麥克斯韋的理論添上了至 關重要的一筆、法拉第的法拉第電磁感應定律及其世界上第一台電磁感應發電機、英國工程師瓦特金首先製出了電動機，法國人皮克希製成了發電機、西門子發現了 發電機的原理，發明了發電機，這是發電機領域的第一例實際應用等說起。
   
    此後人們發現總結出來的定理為，週期性地改變方向的電流叫做交流電，電流發生1個週期性變化的時間叫做週期，每秒電流發生變化的次數做頻率，單位是赫茲 （為了紀念赫茲的貢獻）。交流電的頻率為50（60）赫，電流方向每秒鐘發生50（60）個週期性的變化，每秒改變的次數為100（120）次。
   
    電動機是根據通電線圈在磁場中轉動的基本原理製成的。如果將電動機線圈兩端加兩個銅製滑環及分別與滑環接觸的兩個電刷就成為交流發電機（原理）。發電機是 實現將機械能轉化為電能的裝置，需要原動機拖動。
   
    頻率大小的確定與發電機、電動機及變壓器等的構造、材料等有關。
   
    50赫的兩極發電機的同步轉速是3000轉/分，而如果頻率上升一倍達到100赫，那麼同步轉速將會是6000轉/分。如此高的速度將會給發電機的製造帶 來很多問題，特別是轉子表面的線速度太高，必將大大限制容量的增加。另外，從使用角度看，頻率過高，使得電抗增加，電磁損耗大，加劇了無功的數量。譬如以 三相電機為例，其電流大大下降，輸出功率及轉矩也大大下降，實在沒有益處。另外，如果採用較低的頻率譬如30赫，變壓效率低，那麼將不利於交流電的變壓和 傳輸。
   
    現代電力系統的頻率即電力系統中的同步發電機產生的正弦基波電壓的頻率。頻率是整個電力系統統一的運行參數，一個電力系統只有一個頻率。我國和世界上大多 數歐洲國家電力系統的額定頻率為50Hz。美洲地區多數是60Hz。大多數國家規定頻率偏差±0.1～0.3Hz之間。在我國，300萬kW以上的電力系 統頻率偏差規定不得超過±0.2Hz；而300萬kW以下的小電力系統的頻率偏差規定不得超過±0.5Hz。由於大機組的運行對電力系統頻率偏差要求比較 嚴格，因此有些國家對電力系統故障運行方式的頻率偏差也作了規定，一般規定在±0.5～±1Hz之間。超過允許的頻率偏差，大機組將跳閘，這不利於系統的 安全穩定運行。
   
    在電力系統內，發電機發出的功率與用電設備及送電設備消耗的功率不平衡，將引起電力系統頻率變化。當系統負荷超過或低於發電廠的出力時，系統頻率就要降低 或升高，發電廠出力的變化同樣也將引起系統頻率變化。
   
    另外，我國電網的頻率變化範圍是±1Hz。因為頻率調節慣量較大，範圍小容易引起電網振盪，作過溫控或恆壓的人應該理解。在大網並網前，蘭州地區的電網頻 率在50.5Hz以上，上海地區在49.5Hz左右。現在的大網並網有利於電網頻率及電壓穩定。
   
    載波頻率越高，正弦波型越好，電機繞組的諧波越少。但是輻射干擾能量提高，干擾周邊電氣設備。
   
    電網頻率的差異取決於人們的計算習慣，美洲的大規模發電較早，當時的計算工具主要是英制（12進制）計算尺，為便於計算，用60Hz，稍晚一點的規模電網 都用10進制數據，50Hz更方便些。
   
    關於電壓等級，分為發電機和電動機兩個系列，我們常說的電壓是電動機電壓，是基本系列，220V為基礎，每乘1.414並圓整後為一個等級，變頻器電壓除 外；發電機電壓為同等級的電動機電壓加5%並圓整。所以只有230V或400V的發電機而沒有220V或380V的發電機。
   
    機場的特殊情況是：機載發電機要求體積小重量輕，只有提高頻率才能滿足功率要求，所以相應的機載電氣設備用400Hz,與飛機相關的電源要400赫茲咯！ 軍用的更高的也有。
   
    航空器上的電源採用400Hz就是為了減小體積和重量，是一個複雜的系統工程。軍電和航電的400Hz主要取決於以下幾點：1、頻率高的發電機或電動機由 於轉速高、轉矩小而體積、重量較小；2、飛機上發電機的動力取自航空發動機，轉速較高；3、直流用電設備較多，頻率高有利於減小整流紋波。
   
    在相同電壓的情況下，50hz與60hz及400hz電源在傳輸功率上、整流效率有什麼不同?
   
    不用100Hz或120Hz是因為頻率太高，一方面傳輸困難，做變頻器的對線路感抗及容抗的理解應該是深刻的；另一方面，發電機和電動機的轉速太高或極數 太多都不可取。400Hz的電不能遠距離傳輸，用戶在訂購400Hz發電機時要給定傳輸距離及方式，整流效率也差，但整流後紋波較小，紋波頻率較高，好處 理.
   
    如果50赫茲投入需要60赫茲的生產線,　交流電機速度降低，（電機速度與頻率成正比）電機發熱，長時間工作必燒無疑. 控制系統一般通過整流和開關電源，應該沒事。還要看一下對頻率敏感的器件.（大前題，電壓等級一致）
   
    如果要研究將50Hz電源直接供電給需要60Hz電源的生產線上使用,主要考慮電磁器件的電磁特性，如電動機、變壓器，其次是與電源頻率有關的採樣信號。 對於前者，研究的方法可以找到這兩個器件的電磁表達式，分別將50Hz和60Hz帶進去，就可以發現一些問題。徐武安《電感器件設計與計算〉，四川科技出 版社，1985.08，其中的103頁-106頁主要講高頻變壓器的設計計算，其中有些理論可以引申到電動機上去。後者不用說就知道了。
   
    對於異步電機而言，將50Hz的電源供給60Hz的負載時，轉速降低是肯定的，電壓應按電機銘牌電壓降低1/6供應，此時電機可長期運行，且轉矩、電流不 變，功率減小了1/6。若電壓不降低，會造成電機磁路飽和，空載電流和空載損耗增大很多。
   
    對於電感器，感抗減小1/6。對於60Hz專用的接觸器，改為50Hz，容易誤脫扣。但目前一般都是50/60Hz通用的。
   
    發達國家也有50HZ的，比如歐洲大多數國家。小國也有採用60HZ的，比如小日本。
   
    日本電源標準的起源，在網上見到以下敘述：
   
    「日本有兩個週波數，關東是50赫茲，關西是60赫茲！怎麼會有這種邪門事？很簡單，日本人向老外學發電時，關東人跟歐洲人學，買50赫茲的發電機，而關 西人則跟美國人學，買60赫茲的發電機！」
   
    「關東指的是首都圈，也就是東京都23區和周圍的神奈川，琦玉等好幾個縣的一部分，而關西指京阪神（京都，大阪，神戶）及周圍地區。」
   
    「廣州最早的電廠
   
    年，英商旗昌洋行看中這塊風水寶地，開辦粵垣電燈公司，設有鍋爐及發電機四台，發電容量546千瓦（時）,後被官商合股收購，徵用附近街店舖擴充廠房。 1933年，電力增加至2.4萬千瓦。這是廣州最早的電廠。」
   
    英國的電源標準是 50HZ 單相230V,三相400V，和我國現行的標準接近，可能早期購入的設備就成為一個事實標準；
    　　
    動亂割據的舊中國，除寶島台灣由於受日本長期佔領和美國影響，電源標準是60HZ以外，尚能夠維持電源標準的統一（好像日偽滿時東北曾有110V的電 源）.
   
    解放前，我國多種電壓和頻率並存，主要與發電設備的生產國的制式有關，解放後，我國沿用蘇聯的制式，就成了現在的樣子。
   

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飛機和船隻使用的是400Hz頻率的交流系統，
因為高頻率的變壓器鐵心磁損較少效率較高，
變壓器鐵心可以不必做那麼大也有不錯的效率，
這在飛機和船隻有限的空間及重量上很有幫助。
電腦用的頻率甚至有上數百KHz，但缺點是容易產生高頻雜訊干擾。