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世界上有些国家,比如英国和美国,用60Hz交流电,因为他们用的是十二进制,也就是12个星座,12个小时,12先令等于1英镑,等等。后来国家采用十进制,所以频率是50Hz。当然还有一个国家,东边50Hz,西边60Hz。。。 那么,我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是60Hz或400Hz呢? 假设频率低了会怎么样? 频率为0,即直流电。那一年,爱迪生为了证明特斯拉的交流电存在危险,用交流电杀死了一只小动物,如果大象也算小动物的话…客观地说,在相同电流大小的情况下,人体承受直流电的时间比承受交流电的时间长,与心室震颤或更危险有关。可爱迪生还是输给了特斯拉,交流电凭借方便改变电压等级而战胜了直流电。当传输功率相同时,当电压升高时,送电电流会减少,同时线路所消耗的能量也会减少。 此外,直流送电的另一个问题是很难开断,直到现在这个问题仍然很困扰。在直流输电中,就像通常在拔电器插头时会出现电火花一样,当电流大到一定程度,这种电火花就不能熄灭,我们称之为“电弧”。对交流电来说,电流会改变方向,因此在电流过零的时候,利用小电流时间点,我们可以用灭弧装置将线路电流切断。但是直流电流的方向是不变的,没有这个过零点,我们很难灭弧。 频率太低的交流电有什么问题? 一、变压器效率的问题变压器依靠原边的磁场变化而感应到副边的升降压力。磁变的频率越慢,感应就越弱,极端情况下是直流,根本没有感应,所以感应频率太低不能用。 二、用电设备功率问题 举例来说,汽车发动机的转速就是它的频率,比如转速时为500转/分钟,加速时为3000转/分钟,这两个频率分别为8.3 Hz和50 Hz。这个结果表明,转速越高,发动机的动力就越大。同理,在同样的频率下,发动机的功率越大,输出就越大,这就是为什么柴油机的个头比汽油大,个头大的柴油机就能驱动大客车等重型车辆。 同样地,电动机既要求体积小,又要求输出功率大,只有一种方法,即提高转速,所以交流电的频率不能太低,因为我们需要体积小、功率大的电动机。调频空调也是如此,它通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总的来说,功率和频率在一定范围内是正相关的。假设定在400Hz怎么样? 其中之一是线路和设备损耗增加,另一个是发电机转速过高。首先讲一下损耗,输电线路、变电设备、用电设备,都有电抗,电抗与频率成正比,频率越高,电抗越大,所消耗的无功就越多,所能传递的有功就越少。现在输电线路中50 Hz的电抗值在0.4欧姆左右,大约是电阻的10倍,如果增加到400 Hz,则电抗值为3.2欧姆,大约是电阻的80倍。对高电压线路而言,降低电抗是提高传输功率的关键。 与电抗相对应的还有容抗,容抗和频率成反比,频率越高,容抗越小,线路的泄漏电流越大。如果频率高了,则线路的泄漏电流也会增加。 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。 现在的汽车引擎更是如此,除了汽轮机和转子之外,还有一个重达百吨的固体铁疙瘩,这就是造成电厂噪音的原因。一台100吨的钢制转子,每分钟转3000转,如果频率再高三到四倍,估计发电机就会飞出工厂。这种重转子具有很大的惯性,也就是所谓的惯性系统,它能够保证电力系统安全稳定运行。这也是风电、太阳能等间歇电源对传统电源构成挑战的原因。由于风景画变化无常,数十吨重的旋翼由于极强的惯性,使出力减小或增大的速度极慢(这种爬坡速度的概念),无法跟上风能和光伏的变化,因此有时不得不弃风弃光。 总之频率不能过低的原因:变压器能提效率,电机可个头小,功率大。频率不宜过高的原因:线路及设备损耗小,发电机转速不必过高。所以我国降频率定为50Hz.
那么,我们为什么要选用50Hz的交流电,而不是60Hz或400Hz呢?
假设频率低了会怎么样?
频率为0,即直流电。那一年,爱迪生为了证明特斯拉的交流电存在危险,用交流电杀死了一只小动物,如果大象也算小动物的话…客观地说,在相同电流大小的情况下,人体承受直流电的时间比承受交流电的时间长,与心室震颤或更危险有关。可爱迪生还是输给了特斯拉,交流电凭借方便改变电压等级而战胜了直流电。当传输功率相同时,当电压升高时,送电电流会减少,同时线路所消耗的能量也会减少。
此外,直流送电的另一个问题是很难开断,直到现在这个问题仍然很困扰。在直流输电中,就像通常在拔电器插头时会出现电火花一样,当电流大到一定程度,这种电火花就不能熄灭,我们称之为“电弧”。对交流电来说,电流会改变方向,因此在电流过零的时候,利用小电流时间点,我们可以用灭弧装置将线路电流切断。但是直流电流的方向是不变的,没有这个过零点,我们很难灭弧。
频率太低的交流电有什么问题?
一、变压器效率的问题变压器依靠原边的磁场变化而感应到副边的升降压力。磁变的频率越慢,感应就越弱,极端情况下是直流,根本没有感应,所以感应频率太低不能用。
二、用电设备功率问题
举例来说,汽车发动机的转速就是它的频率,比如转速时为500转/分钟,加速时为3000转/分钟,这两个频率分别为8.3 Hz和50 Hz。这个结果表明,转速越高,发动机的动力就越大。同理,在同样的频率下,发动机的功率越大,输出就越大,这就是为什么柴油机的个头比汽油大,个头大的柴油机就能驱动大客车等重型车辆。
同样地,电动机既要求体积小,又要求输出功率大,只有一种方法,即提高转速,所以交流电的频率不能太低,因为我们需要体积小、功率大的电动机。调频空调也是如此,它通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总的来说,功率和频率在一定范围内是正相关的。
假设定在400Hz怎么样?
其中之一是线路和设备损耗增加,另一个是发电机转速过高。首先讲一下损耗,输电线路、变电设备、用电设备,都有电抗,电抗与频率成正比,频率越高,电抗越大,所消耗的无功就越多,所能传递的有功就越少。现在输电线路中50 Hz的电抗值在0.4欧姆左右,大约是电阻的10倍,如果增加到400 Hz,则电抗值为3.2欧姆,大约是电阻的80倍。对高电压线路而言,降低电抗是提高传输功率的关键。
与电抗相对应的还有容抗,容抗和频率成反比,频率越高,容抗越小,线路的泄漏电流越大。如果频率高了,则线路的泄漏电流也会增加。
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。
现在的汽车引擎更是如此,除了汽轮机和转子之外,还有一个重达百吨的固体铁疙瘩,这就是造成电厂噪音的原因。一台100吨的钢制转子,每分钟转3000转,如果频率再高三到四倍,估计发电机就会飞出工厂。这种重转子具有很大的惯性,也就是所谓的惯性系统,它能够保证电力系统安全稳定运行。这也是风电、太阳能等间歇电源对传统电源构成挑战的原因。由于风景画变化无常,数十吨重的旋翼由于极强的惯性,使出力减小或增大的速度极慢(这种爬坡速度的概念),无法跟上风能和光伏的变化,因此有时不得不弃风弃光。
总之频率不能过低的原因:变压器能提效率,电机可个头小,功率大。频率不宜过高的原因:线路及设备损耗小,发电机转速不必过高。所以我国降频率定为50Hz.
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