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我国电机为什么采用50Hz交流电标准?
发表于:2019-10-30 16:38 分享至:
    所谓50HZ指的是交流电的频率,也就是说交流电的方向每1/50秒(0.02秒)改变一次。也因为如此,才称这种方式的电流叫做交流电。那么,你们知道电动机等电器设备使用的为什么是50Hz的交流电,而不是60Hz呢?
 
    首先要了解“电弧”和“频率”之间的关系。如果频率低了会怎么样?频率最低也为0,即直流电。 当时爱迪生为了证实特斯拉的交流很危险,用交流电杀死了一个小动物。客观上,同样的电流大小,能承受人体直流的时间比能承受交流的时间要长,跟心室震颤什么的有关系,也就是交流电更危险。
 
    可是爱迪生最后也还是输给了特斯拉,交流电凭借方便改变电压等级的优势战胜了直流电。在输电力相同的情况下,如果提高电压,输电电流会减少,线路消耗的能量也会降低。
 
    直流输电的另一个问题就是难以开断,这个问题至今仍然存在。直流输电的问题和平时拔掉电源插座时产生火花一样,电流越大,这个电火花是无法熄灭的,我们称之为“电弧”。 
 
    对于交流电,电流会改变方向,所以有一段时间电流会过零。利用这个小电流时间点,我们可以通过灭弧装置切断线路电流。但直流电流方向不会改变,没有这个过零点,我们想要灭弧就很难了。
 
低频交流电有什么问题?
 
一、变压器效率的问题
 
    变压器是靠原边的磁场变化,感应到副边升压或降压的。磁场变化的频率越慢,感应是越弱的,极端情况就是直流,根本没有感应,所以频率太低了不行。
 
二、用电设备功率问题
 
    举个例子来说,汽车发动机的转速就是他的频率,比如怠速时500转/分钟,加速换挡时是3000转/分钟,换算成频率分别是8.3Hz和50Hz。这就看出来了,转速越高,发动机的功率越大。
 
    同样道理,在相同频率下,发动机越大,输出功率越大,这也是为什么柴油机个头都比汽油大的原因,个儿大劲儿大的柴油机才能带动公交卡车等重型汽车。
 
    同样,电机(或所有旋转机械)需要小尺寸和高输出功率。只有一种方法——提高转速,这就是为什么交流频率不能太低,因为我们需要一个个头小而功率大的电机。
 
    变频空调也出于同样的道理,通过改变交流电的频率来控制空调压缩机的输出。 即,功率和频率在一定范围内存在正相关。
 
那如果频率大了会怎么样?比如定在400Hz怎么样?
 
    电流频率增大最明显的两个问题,一是线路和设备的损耗增加,二是发电机转速过快。先来讲损耗,输电线路、变电设备、用电设备,都是有电抗的,电抗与频率成正比,频率越高,电抗越大,消耗的无功就越大,能传递的有功功率就越少。
 
    目前50Hz输电线路的电抗约0.4欧姆,约是电阻的10倍,如果提高到400Hz,那电抗将是3.2欧姆,约是电阻的80倍。对于高压输电线路,降低电抗是提高输电功率的关键。
 
    也有对应于电抗的电容电抗,电容电抗与频率成反比例,频率越高,电容电抗越小,线路的泄漏电流就越大。 随着频率的增加,线路中的泄漏电流也增加。
 
    另一个问题是发电机的转速。现在的发电机组基本是单级机,也就是一对磁极。为了发出50Hz的电,转子每分钟转速要达到3000转。汽车发动机转速达到3000转时,就能明显感觉引擎在振动作响了,转到六七千转时,你就会觉得发动机快跳出引擎盖了。
 
    汽车发动机尚且如此,更何况是一个重达百吨的实心铁疙瘩转子与汽轮机,这也是发电厂的噪音很大的原因。一个重达百吨的钢转子每分钟转3000转谈何容易,如果频率再高三四倍,估计发电机能飞出厂房了。
 
    如此重的转子具有相当大的惯性,这也是电力系统被称为惯性系统,能保持安全稳定运行的前提。同样也是为什么风电和太阳能这种间歇性电源对传统电源提出挑战的原因。

    因为风光变化很快,几十吨重的转子由于巨大的惯性,要减少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上风电和光伏发电的变化,所以有时不得不弃风和弃光。
 
    经过上面对一连串问题的分析,可以得知,电流频率不能太低的原因:变压器能效率高,电动机可以个头小功率大;频率不能太高的原因:线路和设备可以损耗小,发电机转速不必过高;所以得出结论,我们的电流频率就被定在50或60Hz。
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