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为什么国际上都用50Hz和60Hz供电?50HZ和60HZ哪个好?

作者: 来源: 日期:2017/3/18 20:27:35 人气:2885


什么是Hz:

“Hz”中文读“赫兹”,是频率的计量单位。“Hz”是“Hertz”的英文缩写,我们平常的使用习惯都是用“Hz”来代替中文“赫兹”。赫兹是代表一秒钟电流周期性变换方向的次数(特别注意不是一分钟),目前中国及世界上部分国家的国标供电系统的频率是50Hz。50Hz表示1秒钟电流有50个周期,方向改变100次。世界上很多国家,例如英美加拿大韩国菲律宾和我们的台湾地区用的是60Hz的交流电,因为采用的是十二进制,什么12星座、12小时、12先令等于1英镑等等。后建立工业制度的国家都采用十进制了,所以频率是50Hz也包括中国。当然也有某奇葩的国家,东边用50Hz,西边用60Hz。。。

电压频率的划分:

1低频:150HZ以下,为低频。50Hz/60 Hz称为工频(世界供电系统标准频率)50 Hz以下,是我们一般称为“极低频”的频段。

2中频:150Hz-5KHz即为中频。

3高频:6KHz以上,一直延伸到大约2MHz。


交流电为什么频率不能太低或太高,而要选用50Hz和60Hz?

总体来说50Hz和60Hz差别不大,以下就用50Hz为例。那么为什么要选用50Hz的交流电,而不是5Hz或400Hz呢?先说频率低了会怎么样吧。频率最低就是0Hz,也就是直流电。史上最经典的就是爱迪生和特斯拉(非今天汽车品牌)的直流电与交流电大战,爱迪生为了证明特斯拉的交流电有危险,用交流电电死了若干动物,其中还包括一头大象,爱迪生老先生也是蛮拼的~(客观上说,同样的电流大小下,人体耐受直流电的时间是要长于耐受交流电的时间,这跟心室震颤什么的有关系,也就是交流电更危险)不过最后爱迪生还是输给了特斯拉,凭借交流电方便改变电压等级的优势,交流电战胜了直流电。在输送功率相同的情况下,提高电压,送电电流就能减小,消耗在线路上的能量就能降低。而直流电当时无法变压,发电机出口端电压只有几百伏,为了减少损耗,只能减少送电功率和距离,所以爱迪生当时建的电厂有点像现在的分布式电源,到处都是。

   直流送电另一个问题是难以开断,直到现在这个问题还困扰着直流输电。我们平时在拔一些电器的插销时,还会打电火花。直流输电的问题同电火花一样,当电流大到一定程度时,这个电火花是无法熄灭的,我们称之为电弧。对于交流电而言,电流会改变方向,因而有电流过零的时刻,利用这个小电流时间点,我们可以通过灭弧装置切断线路中的电流。但直流电流方向不会改变,没有这个过零点,我们想要灭弧就非常困难了。


   直流电讲明白了,就是低频的交流电。频率低了会怎么样?比如5Hz的交流电有什么问题呢?

一、是变压器效率的问题。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。当然,太高了也会有漏磁太多的问题,后面会讲到。(学过电机学的朋友可以回忆,变压器等效电路中间有个励磁支路,励磁电抗Xm是与频率成正比的,只有频率足够大,励磁电抗才能足够大,以至于忽略励磁电流的分流作用,忽略励磁损耗)


二、是用电设备功率问题。举个身边的例子吧,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,发动机的劲儿(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。同理,电动机(或者说一切转动机械)既要求个头小,又要求输出功率大,只有一个办法;提高转速,这也就是为什么交流电频率不能太低的原因,因为我们需要个头小但功率大的电动机。类似的如飞机的航空发动机,每分钟转速高达上万转,就是为了小身体有大能量;飞机的电源也是400Hz的(24000转/分),因为发动机转速太高,发电的频率就高了。变频空调也是同样的道理,通过变换交流电的频率,来控制空调压缩机的输出功率。总之,功率与频率在一定条件范围内成正相关系.(这里顺便说下现在汽车厂商的发动机功率参数。有些厂商为了表明今年的车型比去年的性能提高了,就把发动机的最大功率调高了,比如把240kW调高到260kW,乍一看以为发动机更先进了。其实各位还要再看一下另外一个参数;最大功率转速,有时候这个参数也同步调高了。去年的车型是5000转时达到最大功率,今年改成6000转了,实际是用转速的提高带来了输出功率的增加,而不是性能真正提高。发动机每分钟6000转什么概念呢;大概就是狠狠的踩一脚地板油吧!!!)

现在再说说频率高了会怎么样?比如把频率定在400Hz会怎么样?

一、是线路和设备的损耗会增加。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;为什么功率还分有功功率和无功功率;因为目前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。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。(因为电缆的电容效应较大,所以这也是电缆线路送电距离不能过长的原因)所以如果频率高了,线路的泄漏电流就会增加,输电损耗也就会增加。

二、是发电机转速过快。现在的发电机组基本都是单级机,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。咱们的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,你会觉得发动机要跳出引擎盖。小小的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,也因此发电厂的噪音都很大。一个重达百吨的钢转子每分钟要转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。

综合以上情况,频率不能太低的原因:这样变压器效率相对会高,电动机可以做到小个头大功率;频率不能太高的原因:线路和设备可以损耗相对变小,发电机转速不必过高。所以根据经验和习惯,国际上通用供电网系统的电能频率被定在50或60Hz(称之为工频)。


风电和光伏发电为什么不能取代传统供电?

因为发电机的转子运行时具有相当大的惯性,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。因为风能和光能变化很快,但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相对都会很慢(也就是爬坡率的概念),跟不上风电和光伏发电的变化速度,所以有时不得不弃风电和光伏发电。有人会说那我们将电能存储,用电池进行转换,不就行了,先不管存储效率的问题(因为电池技术迟早会进步)。风电和光电被称为清洁能源,而且取之不尽,但之所以没有被国家举全国之力来进行普及和推广,除了它们会受环境变化影响外,而最最重要的原因就是因为风电,光电通过电池转换后就没有惯性了。光伏电池不是旋转设备,即非惯性系统,大量接入后,降低了电力系统的惯性,这也会对整个电网安全稳定运行造成一定影响。如果风能不经过电池转换直接并入电网,会因为风速的变化,发风电能频率与供电网中发电机发电频率不匹配,从而危害电网安全,损坏接入和接出设备。


50Hz的设备可以用60hz来供电吗 ?

这个主要看应用场合了,如果非精密试验设备或对频率没有特别精细要求的场合,都是没问题的。再就看负载类型,是阻性负载还是感性性负载。如果是感性负载如:电机,相当于转速提升20%(之前每分钟3000转,现在变成每分钟3600转,就国内目前工业水平,电机机械强度是没有问题的,但电机运行温升相对50hz时会有所增加,损耗会变大。电气类产品有一个共性,就是为了保证设备的安全,不得超过它的额定电流(因为电机漆包线的安全载流量是一定,是一个固定值,不会随着频率增加而提高),这样为了保护证电机安全,相对电机的力矩也就会下降20%(也就是电机在60hz状态下运行达到额定电流值时,只能相当于在50hz时的80%出力)如果想把50hz电机应用到60hz场合,不折损原设计功率运行,必须根据负载情况放大1.4倍,才可以满足设计50hz时长期安全运行效率80%指标。根据实际使用的经验值,有经验的电工通常在选配电气设备时,如果阻性负载,会按额定负载容量放大1.2倍(个别电器属于配套使用的除外的如伺服控制器、变频器、电抗器等),简单的说,保留余量,让其长期运行额定容量的80%,这样对设备使用寿命理更好。感性负载,如电机、风机会按起动方式不同,起动电流也会不同,要按最大起动电流参数选配。伺服起动一般按照额定容量放大1.2倍,变频器起动放大2-3倍,直接起动放大3-4倍。

看到以上情况有人可能会说,既改变频率又能改变电压,这样不是更好。但是由于变频变压电源,技术要求高和使用场合较少,所以价格相对虚高,动辄几万十万甚至上百万,有时远远超过设备的价值,维修也有一定技术要求,所以在实际应用中咨询比较多,但最终除了实验场合,基本配备很少。进口欧美精密设备和出口的生产设备也只是配备变压器,将电压转换成使用国供电系统匹配电压就可以了,并没有进行频率转换,经过长期实践应用,配备变压器是目前世界各国设备商通用做法。


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