Частота сети

«60 циклов» перенаправляется сюда. О канадском фильме 1965 года см. «60 циклов» .

«РОКОФ» перенаправляется сюда. Информацию о частоте возникновения сбоев см. в разделе «Интенсивность сбоев» .

Форма сигнала 230 В и 50 Гц по сравнению с 120 В и 60 Гц

Частота сети , частота сети ( американский английский ) или частота сети ( британский английский ) — это номинальная частота колебаний переменного тока (AC) в глобальной синхронной сети, передаваемой от электростанции к конечному пользователю . В большинстве стран мира эта частота составляет 50 Гц , хотя в Америке и некоторых частях Азии она обычно составляет 60 Гц. Текущее потребление по стране или региону указано в списке электроэнергии по странам .

Во время развития коммерческих электроэнергетических систем в конце 19 - начале 20 веков использовалось множество различных частот (и напряжений). Большие инвестиции в оборудование на одной частоте сделали стандартизацию медленным процессом. Однако на рубеже XXI века в местах, где сейчас используется частота 50 Гц, обычно используется напряжение 220–240 В , а в тех, где сейчас используется частота 60 Гц, обычно используется 100–127 В. Сегодня обе частоты сосуществуют (в Японии используются обе частоты). ) без особых технических причин предпочитать один другому и отсутствие явного стремления к полной всемирной стандартизации.

Электрические часы

Основная статья: Исправление ошибок времени (TEC)

На практике точная частота сети варьируется в пределах номинальной частоты, уменьшаясь, когда сеть сильно загружена, и увеличиваясь, когда нагрузка слабая. Однако большинство коммунальных предприятий корректируют выработку электроэнергии в сети в течение дня, чтобы обеспечить постоянное количество циклов. Это используется некоторыми часами для точного поддержания времени.

Эксплуатационные факторы

На выбор частоты в системе переменного тока влияют несколько факторов. Освещение, двигатели, трансформаторы, генераторы и линии электропередачи имеют характеристики, которые зависят от частоты сети. Все эти факторы взаимодействуют и делают выбор частоты сети вопросом значительной важности. Лучшая частота — это компромисс между конкурирующими требованиями.

В конце 19 века проектировщики выбирали относительно высокую частоту для систем с трансформаторами и дуговыми лампами , чтобы сэкономить на материалах трансформаторов и уменьшить видимое мерцание ламп, но выбирали более низкую частоту для систем с длинными линиями передачи или питают преимущественно двигательную нагрузку или вращающиеся преобразователи для производства постоянного тока . Когда стали практичными крупные центральные электростанции, выбор частоты был сделан в зависимости от характера предполагаемой нагрузки. Со временем улучшения в конструкции машины позволили использовать одну частоту как для освещения, так и для нагрузки двигателя. Единая система улучшила экономику производства электроэнергии, поскольку нагрузка на систему была более равномерной в течение суток.

Освещение

Первыми применениями коммерческой электроэнергии были лампы накаливания и коллекторного типа электродвигатели . Оба устройства хорошо работают от постоянного тока, но постоянное напряжение нелегко изменить, и обычно оно вырабатывается только при необходимом рабочем напряжении.

Если лампа накаливания работает от тока низкой частоты, нить накала охлаждается на каждом полупериоде переменного тока, что приводит к заметному изменению яркости и мерцанию ламп; эффект более выражен при использовании дуговых ламп , а также более поздних ртутных ламп и люминесцентных ламп . Лампы с открытой дугой издавали слышимое жужжание переменного тока, что привело к экспериментам с высокочастотными генераторами переменного тока, чтобы поднять звук выше диапазона человеческого слуха.

Вращающиеся машины

Двигатели коллекторного типа плохо работают при высокочастотном переменном токе, поскольку быстрым изменениям тока противодействует индуктивность поля двигателя. двигатели коллекторного типа Хотя универсальные широко распространены в бытовой технике переменного тока и электроинструментах, это небольшие двигатели мощностью менее 1 кВт. Было обнаружено, что асинхронный двигатель хорошо работает на частотах от 50 до 60 Гц, но материалы, доступные в 1890-х годах, не работали хорошо на частоте, скажем, 133 Гц. Существует фиксированная зависимость между количеством магнитных полюсов в поле асинхронного двигателя, частотой переменного тока и скоростью вращения; Итак, данная стандартная скорость ограничивает выбор частоты (и наоборот). Когда электродвигатели переменного тока стали обычным явлением, стало важно стандартизировать частоту для совместимости с оборудованием заказчика.

Генераторы, управляемые тихоходными поршневыми двигателями, будут производить более низкие частоты для заданного числа полюсов, чем генераторы, работающие, например, от высокоскоростной паровой турбины . Для очень низких скоростей первичного двигателя было бы дорого построить генератор с достаточным количеством полюсов, чтобы обеспечить высокую частоту переменного тока. Кроме того, было обнаружено, что синхронизировать два генератора на одну и ту же скорость легче на более низких скоростях. Хотя ременные передачи были обычным способом увеличения скорости медленных двигателей, при очень большой мощности (тысячи киловатт) они были дорогими, неэффективными и ненадежными. Примерно после 1906 года генераторы с прямым приводом от паровых турбин стали использовать более высокие частоты. Более устойчивая скорость вращения быстроходных машин позволила обеспечить удовлетворительную работу коммутаторов ротационных преобразователей. Синхронная скорость N в об/мин рассчитывается по формуле:

$N={\frac {120f}{P}}\,$

где f — частота в герцах , а P — количество полюсов.

Синхронные скорости двигателей переменного тока для некоторых текущих и исторических частот сети.

поляки	Обороты при 133 1 ⁄ 3 Гц	Число оборотов в минуту при 60 Гц	Число оборотов в минуту при 50 Гц	Число оборотов в минуту при 40 Гц	Число оборотов в минуту при 25 Гц	Число оборотов в минуту 16 2 ⁄ 3 Гц
2	8,000	3,600	3,000	2,400	1,500	1,000
4	4,000	1,800	1,500	1,200	750	500
6	2,666.7	1,200	1,000	800	500	333.3
8	2,000	900	750	600	375	250
10	1,600	720	600	480	300	200
12	1,333.3	600	500	400	250	166.7
14	1142.9	514.3	428.6	342.8	214.3	142.9
16	1,000	450	375	300	187.5	125
18	888.9	400	333 1 ⁄ 3	266 2 ⁄ 3	166 2 ⁄ 3	111.1
20	800	360	300	240	150	100

Мощность постоянного тока не была полностью вытеснена переменным током и была полезна в железнодорожных и электрохимических процессах. До разработки ртутных дуговых вентильных выпрямителей для производства электроэнергии постоянного тока из переменного тока использовались вращающиеся преобразователи. Как и другие машины коммутаторного типа, они лучше работали на более низких частотах.

Трансмиссия и трансформаторы

При использовании переменного тока трансформаторы можно использовать для понижения высокого напряжения передачи и снижения напряжения потребления потребителями. Трансформатор по сути представляет собой устройство преобразования напряжения, не имеющее движущихся частей и не требующее особого обслуживания. Использование переменного тока устранило необходимость во вращающихся двигателях-генераторах постоянного напряжения, которые требуют регулярного обслуживания и контроля.

Поскольку для данного уровня мощности размеры трансформатора примерно обратно пропорциональны частоте, система со многими трансформаторами будет более экономичной на более высокой частоте.

Передача электроэнергии по длинным линиям предпочитает более низкие частоты. Влияние распределенной емкости и индуктивности линии меньше на низкой частоте.

Взаимосвязь системы

Основная статья: Синхронизация (переменный ток)

Генераторы могут быть соединены между собой для параллельной работы только в том случае, если они имеют одинаковую частоту и форму волны. Стандартизируя используемую частоту, генераторы в географическом районе можно объединить в сеть , обеспечивая надежность и экономию средств.

История

Смотрите также: Война течений

Коммунальные частоты Японии составляют 50 Гц и 60 Гц.

В 19 веке использовалось множество различных энергетических частот.

В очень ранних изолированных схемах генерации переменного тока использовались произвольные частоты, исходя из удобства конструкции парового двигателя , водяной турбины и электрического генератора . Частоты между 16 + 2 ⁄ 3 Гц и 133 + 1 / 3 В разных системах использовалось Гц. Например, в городе Ковентри, Англия, в 1895 году была уникальная однофазная распределительная система с частотой 87 Гц, которая использовалась до 1906 года. Распространение частот возникло в результате быстрого развития электрических машин в период с 1880 по 1900 год.

В ранний период освещения лампами накаливания был распространен однофазный переменный ток, и типичными генераторами были 8-полюсные машины, работавшие со скоростью 2000 об / мин, что давало частоту 133 герца.

Хотя существует множество теорий и немало занимательных городских легенд , в деталях истории 60 Гц и 50 Гц мало уверенности.

Немецкая компания AEG (происходящая от компании, основанной Эдисоном в Германии) построила первую немецкую электростанцию, работающую на частоте 50 Гц. В то время AEG была фактически монополистом , и их стандарты распространились на остальную Европу. После наблюдения мерцания ламп, работающих на частоте 40 Гц, передаваемой по линии Лауффен-Франкфурт в 1891 году, AEG повысила свою стандартную частоту до 50 Гц в 1891 году.

Компания Westinghouse Electric решила стандартизировать более высокую частоту, чтобы обеспечить работу как электрического освещения, так и асинхронных двигателей в одной и той же генерирующей системе. Хотя частота 50 Гц подходила для обоих случаев, в 1890 году Вестингауз посчитал, что существующее оборудование для дугового освещения работает немного лучше при частоте 60 Гц, и поэтому была выбрана эта частота. Для работы асинхронного двигателя Теслы, лицензированного компанией Westinghouse в 1888 году, требовалась более низкая частота, чем 133 Гц, распространенная в то время для систем освещения. В 1893 году корпорация General Electric, которая была дочерней компанией AEG в Германии, построила генерирующий проект в Милл-Крик, чтобы поставлять электроэнергию в Редлендс, штат Калифорния , с использованием частоты 50 Гц, но год спустя перешла на частоту 60 Гц, чтобы сохранить долю рынка со стандартом Westinghouse.

25 Гц происхождение

Первые генераторы в проекте Ниагарского водопада , построенные компанией Westinghouse в 1895 году, имели частоту 25 Гц, поскольку частота вращения турбины была установлена ​​еще до того, как переменного тока был окончательно выбран метод передачи энергии . Компания Westinghouse выбрала бы низкую частоту 30 Гц для управления нагрузкой двигателя, но турбины для проекта уже были рассчитаны на 250 об/мин. Машины могли быть созданы для доставки Мощность 16 + 2⁄3 предложила и Гц подходит для тяжелых двигателей коллекторного типа, но компания Westinghouse возразила, что это было бы нежелательно для освещения, 33 + 1 / 3 Гц. В конечном итоге был выбран компромисс: 25 Гц и 12-полюсные генераторы со скоростью 250 об/мин. Поскольку проект Ниагара оказал большое влияние на проектирование электроэнергетических систем, в качестве североамериканского стандарта для низкочастотного переменного тока преобладала частота 25 Гц.

Происхождение 40 Гц

Исследование General Electric пришло к выводу, что частота 40 Гц была бы хорошим компромиссом между потребностями в освещении, двигателе и передаче, учитывая материалы и оборудование, доступные в первой четверти 20-го века. Было построено несколько систем с частотой 40 Гц. Демонстрация Лауффена -Франкфурта использовала частоту 40 Гц для передачи электроэнергии на расстояние 175 км в 1891 году. Крупная взаимосвязанная сеть с частотой 40 Гц существовала на северо-востоке Англии ( Компания электроснабжения Ньюкасл-апон-Тайн , NESCO) до появления Национальной энергосистемы (Великобритания). ) в конце 1920-х годов, а в проектах в Италии использовалась частота 42 Гц. Старейшая постоянно действующая коммерческая гидроэлектростанция в США, Механиквилльская гидроэлектростанция , до сих пор производит электроэнергию с частотой 40 Гц и подает электроэнергию в местную систему передачи с частотой 60 Гц через преобразователи частоты . Промышленные заводы и шахты в Северной Америке и Австралии иногда строились с электрическими системами частотой 40 Гц, которые обслуживались до тех пор, пока их дальнейшее использование не стало экономически нерентабельным. Хотя частоты около 40 Гц нашли широкое коммерческое использование, их обошли стандартизированные частоты 25, 50 и 60 Гц, предпочитаемые производителями оборудования более крупного объема.

Венгерская компания Ganz установила стандарт 5000 колебаний в минуту (41 2 ⁄ 3 Гц) для своей продукции, поэтому у клиентов Ganz было 41 Системы с частотой 2 ⁄ Гц , которые в некоторых случаях работали много лет.

Стандартизация

На заре электрификации использовалось так много частот, что ни одно значение не преобладало (в Лондоне в 1918 году было десять разных частот). В течение 20-го века больше энергии производилось при частоте 60 Гц (Северная Америка) или 50 Гц (Европа и большая часть Азии). Стандартизация позволила международную торговлю электрооборудованием. Намного позже использование стандартных частот позволило объединить энергосети. Лишь после Второй мировой войны – с появлением доступных потребительских электротоваров – были приняты более единые стандарты.

В Соединенном Королевстве стандартная частота 50 Гц была объявлена ​​еще в 1904 году, но значительное развитие продолжалось и на других частотах. Внедрение Национальной сети, начавшееся в 1926 году, потребовало стандартизации частот среди многих взаимосвязанных поставщиков электрических услуг. Стандарт 50 Гц был полностью установлен только после Второй мировой войны .

Примерно к 1900 году европейские производители в основном стандартизировали частоту 50 Гц для новых установок. Немецкий Verband der Elektrotechnik (VDE) в первом стандарте на электрические машины и трансформаторы в 1902 году рекомендовал в качестве стандартных частот 25 Гц и 50 Гц. VDE не нашел широкого применения в стандарте 25 Гц и исключил его из стандарта 1914 года. Остаточные установки на других частотах сохранялись вплоть до окончания Второй мировой войны.

Из-за стоимости преобразования некоторые части системы распределения могут продолжать работать на исходных частотах даже после выбора новой частоты. Мощность 25 Гц использовалась в Онтарио , Квебеке , на севере США, а также для электрификации железных дорог . В 1950-х годах многие системы с частотой 25 Гц, от генераторов до бытовой техники, были преобразованы и стандартизированы. все еще существовало несколько генераторов с частотой 25 Гц, До 2006 года на электростанции имени сэра Адама Бека 1 (они были модернизированы до 60 Гц) и на электростанциях Рэнкина (до ее закрытия в 2006 году) возле Ниагарского водопада предназначенных для обеспечения электроэнергией крупных промышленных потребителей, которые не хотели заменить существующее оборудование; а в Новом Орлеане существуют двигатели с частотой 25 Гц и электростанция с частотой 25 Гц для насосов паводковой воды. Железнодорожные сети переменного тока напряжением 15 кВ , используемые в Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции и Норвегии , по-прежнему работают на 16 + 2 / 3 Гц или 16,7 Гц.

В некоторых случаях, когда большая часть нагрузки приходилась на железнодорожную или автомобильную нагрузку, считалось экономически выгодным генерировать электроэнергию с частотой 25 Гц и устанавливать роторные преобразователи для ее распределения с частотой 60 Гц. Преобразователи для производства постоянного тока из переменного тока были доступны в больших размерах и были более эффективны при частоте 25 Гц по сравнению с 60 Гц. Оставшиеся фрагменты старых систем можно привязать к системе стандартной частоты через ротационный преобразователь или статический инверторный преобразователь частоты. Они позволяют обмениваться энергией между двумя энергосетями на разных частотах, но системы большие, дорогостоящие и тратят часть энергии в процессе эксплуатации.

Преобразователи частоты вращающихся машин, используемые для преобразования систем с частотой 25 Гц в 60 Гц, были сложны в конструкции; машина с частотой 60 Гц и 24 полюсами будет вращаться с той же скоростью, что и машина с частотой 25 Гц и 10 полюсами, что делает машины большими, медленными и дорогими. Соотношение 60/30 упростило бы эти конструкции, но установленная база на частоте 25 Гц была слишком велика, чтобы противиться этому с экономической точки зрения.

В Соединенных Штатах Эдисон в Южной Калифорнии стандартизировал частоту 50 Гц. Большая часть Южной Калифорнии работала на частоте 50 Гц и полностью не меняла частоту своих генераторов и клиентского оборудования на 60 Гц примерно до 1948 года. В некоторых проектах Au Sable Electric Company в 1914 году использовалась частота 30 Гц при напряжении передачи до 110 000 вольт.

Первоначально в Бразилию электрооборудование импортировалось из Европы и США, то есть в стране существовали стандарты как 50 Гц, так и 60 Гц в зависимости от региона. В 1938 году федеральное правительство приняло закон Decreto-Lei 852 , намеревавшийся в течение восьми лет перевести всю страну на уровень ниже 50 Гц. Закон не сработал, и в начале 1960-х годов было решено, что Бразилия будет едина по стандарту 60 Гц, поскольку большинство развитых и промышленно развитых регионов использовали 60 Гц; а в 1964 году был объявлен новый закон 4,454 лея. В Бразилии была реализована программа преобразования частоты до 60 Гц, которая не была завершена до 1978 года.

В Мексике районы, работающие в сети с частотой 50 Гц, были преобразованы в 1970-е годы, объединив страну под сетью 60 Гц.

В Японии западная часть страны (Нагоя и запад) использует частоту 60 Гц, а восточная часть (Токио и восток) — 50 Гц. Это связано с первыми закупками генераторов у AEG в 1895 году, установленных в Токио, и у General Electric в 1896 году, установленных в Осаке. На границе между двумя регионами расположены четыре последовательно соединенные подстанции высокого напряжения постоянного тока , которые преобразуют частоту; это Син Синано , плотина Сакума , Минами-Фукумицу и преобразователь частоты Хигаси-Симидзу .

Коммунальные частоты в Северной Америке в 1897 году.

Гц	Описание
140	Деревянная дуговая динамо-машина
133	Компания Стэнли-Келли
125	Дженерал Электрик однофазный
66.7	Компания Стэнли-Келли
62.5	General Electric « моноциклический »
60	Многие производители, ставшие «все более распространенными» в 1897 г.
58.3	Дженерал Электрик Лашин Рапидс
40	Дженерал Электрик
33	General Electric в Портленде, штат Орегон, для роторных преобразователей
27	Crocker-Wheeler для из карбида кальция печей
25	Westinghouse Niagara Falls, 2 фазы — для работающих двигателей.

Коммунальные частоты в Европе до 1900 г.

Гц	Описание
133	Однофазные системы освещения, Великобритания и Европа
125	Однофазная система освещения, Великобритания и Европа
83.3	Однофазный, Ферранти Великобритания, Электростанция Дептфорд , Лондон
70	Однофазное освещение, Германия, 1891 г.
65.3	Би-би-си Беллинцона
60	Однофазное освещение, Германия, 1891, 1893 гг.
50	AEG, Oerlikon и другие производители, окончательный стандарт
48	BBC Электростанция в Кильвангене,
46	Рим, Женева, 1900 г.
45 1 ⁄ 3	Муниципальная электростанция, Франкфурт-на-Майне, 1893 г.
42	Клиенты Ganz, также Германия, 1898 г.
41 2 ⁄ 3	Компания Ганц, Венгрия
40	Лауффен-на-Неккаре, гидроэлектростанция, 1891-1925 гг.
38.6	Би-би-си Арлен
33 1 ⁄ 3	Компания St. James and Soho Electric Light Co., Лондон
25	Однофазное освещение, Германия, 1897 г.

Даже к середине 20-го века коммунальные частоты все еще не были полностью стандартизированы на ныне распространенных частотах 50 Гц или 60 Гц. В 1946 году вышло справочное пособие для конструкторов радиоаппаратуры. перечислил следующие используемые сейчас устаревшие частоты. Во многих из этих регионов также были источники питания с 50-, 60-циклами или постоянным током.

Частоты, использовавшиеся в 1946 году (а также 50 Гц и 60 Гц)

Гц	Область
25	Канада (Южный Онтарио), Зона Панамского канала(*), Франция, Германия, Швеция, Великобритания, Китай, Гавайи, Индия, Маньчжурия
33 1 ⁄ 3	Электростанция Лотс-Роуд, Челси, Лондон (для лондонского метро и троллейбусов после преобразования в постоянный ток)
40	Ямайка, Бельгия, Швейцария, Великобритания, Малайские Федеративные Штаты, Египет, Западная Австралия(*)
42	Чехословакия, Венгрия, Италия, Монако(*), Португалия, Румыния, Югославия, Ливия (Триполи)
43	Аргентина
45	Италия, Ливия (Триполи)
76	Гибралтар(*)
100	Мальта(*), Британская Восточная Африка

Если регионы отмечены (*), это единственная частота коммунальной сети, указанная для этого региона.

железные дороги

Основная статья: Список систем электрификации железных дорог

Другие частоты мощности все еще используются. Германия, Австрия, Швейцария, Швеция и Норвегия используют тяговые сети для железных дорог, распределяя однофазный переменный ток по 16 + 2 / 3 Гц или 16,7 Гц. Частота 25 Гц используется на австрийской железной дороге Мариацелль , а также в тяговых энергосистемах компаний Amtrak и SEPTA в США. Другие железнодорожные системы переменного тока питаются от местной коммерческой частоты 50 или 60 Гц.

Тяговая мощность может быть получена из коммерческих источников питания с помощью преобразователей частоты или, в некоторых случаях, может быть произведена специальными тяговыми электростанциями . В XIX веке для работы электрических железных дорог с коллекторными двигателями рассматривались частоты до 8 Гц. Некоторые розетки в поездах имеют правильное напряжение, но используют исходную частоту сети поездов, например 16 + 2 / 3 Гц или 16,7 Гц.

400 Гц

Частоты питания до 400 Гц используются в самолетах, космических кораблях, подводных лодках, серверных комнатах для питания компьютеров , военная техника и ручные станки. Такие высокие частоты невозможно экономично передавать на большие расстояния; Повышенная частота значительно увеличивает последовательное сопротивление из-за индуктивности линий передачи, что затрудняет передачу энергии. Следовательно, энергосистемы с частотой 400 Гц обычно ограничиваются зданием или транспортным средством.

Трансформаторы , например, можно сделать меньше, потому что магнитный сердечник может быть намного меньше при том же уровне мощности. Асинхронные двигатели вращаются со скоростью, пропорциональной частоте, поэтому высокочастотный источник питания позволяет получить большую мощность при том же объеме и массе двигателя. Трансформаторы и двигатели на 400 Гц намного меньше и легче, чем на 50 или 60 Гц, что является преимуществом в самолетах и ​​кораблях. Военный стандарт США MIL-STD-704 существует для самолетов, использующих мощность 400 Гц.

Стабильность

Исправление ошибок времени (TEC)

наличие ТЭК

Регулирование частоты энергосистемы для обеспечения точности хронометража не было обычным явлением до тех пор, пока в 1916 году Генри Уоррен не изобрел главные часы электростанции Уоррена и самозапускающийся синхронный двигатель. Никола Тесла продемонстрировал концепцию часов, синхронизированных по частоте сети, на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году . Орган Hammond также зависит от синхронного двигателя переменного тока, который поддерживает правильную скорость внутреннего генератора «тонового колеса», обеспечивая тем самым идеальную высоту тона всех нот.

Сегодня операторы сетей переменного тока регулируют среднесуточную частоту так, чтобы часы отставали от правильного времени на несколько секунд. На практике номинальная частота повышается или понижается на определенный процент для поддержания синхронизации. В течение суток средняя частота поддерживается на номинальном значении в пределах нескольких сотен частей на миллион. В синхронной сети континентальной Европы отклонение между фазовым временем сети и UTC (на основе международного атомного времени ) рассчитывается каждый день в 08:00 в центре управления в Швейцарии . Затем заданная частота корректируется до ±0,01 Гц (±0,02%) от 50 Гц по мере необходимости, чтобы обеспечить долговременное среднее значение частоты ровно 50 Гц × 60 с / мин × 60 мин/ ч × 24 ч/ сут. = 4 320 000 циклов в день. В Северной Америке , когда ошибка превышает 10 секунд для Восточного межсоединения , 3 секунды для Техасского межсоединения или 2 секунды для Западного межсоединения , применяется поправка ±0,02 Гц (0,033%). Исправление ошибок времени начинается и заканчивается либо через час, либо через полчаса.

Измерители частоты в режиме реального времени для производства электроэнергии в Соединенном Королевстве доступны в Интернете: официальный для Национальной сети и неофициальный, поддерживаемый Dynamic Demand. Данные о частоте синхронной сети континентальной Европы в режиме реального времени доступны на таких веб-сайтах, как www. .частота сети .com . Сеть мониторинга частоты (FNET) в Университете Теннесси измеряет частоту межсетевых соединений внутри энергосистемы Северной Америки, а также в некоторых других частях мира. Эти измерения отображаются на веб-сайте FNET.

Правила США

В США Федеральная комиссия по регулированию энергетики в 2009 году ввела обязательную коррекцию ошибок во времени. В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC) обсудила предлагаемый эксперимент, который позволит ослабить требования к регулированию частоты. для электрических сетей, что может снизить долгосрочную точность часов и других устройств, использующих частоту сети 60 Гц в качестве основы времени.

Частота и нагрузка

Современные сети переменного тока используют точную регулировку частоты в качестве внеполосного сигнала для координации генераторов, подключенных к сети. Эта практика возникла потому, что частота механического генератора меняется в зависимости от входной силы и выходной нагрузки . Избыточная нагрузка отбирает энергию вращения у вала генератора, снижая частоту генерируемого тока; Избыточная сила откладывает энергию вращения, увеличивая частоту. Автоматический контроль генерации генератора (AGC) поддерживает запланированную частоту и обмен потоками мощности, регулируя регулятор для противодействия изменениям частоты, обычно в течение нескольких декасекунд .

Физика маховика не применима к инвертору подключенным к солнечным фермам, , или к другим постоянного тока источникам питания . Однако такие электростанции или системы хранения можно запрограммировать на отслеживание частотного сигнала. Действительно, испытания CAISO в 2017 году показали, что солнечные электростанции могут реагировать на сигнал быстрее, чем традиционные генераторы, поскольку им не нужно ускорять вращающуюся массу.

Небольшие временные изменения частоты являются неизбежным следствием изменения спроса, но резкие и быстрые изменения частоты часто сигнализируют о том, что распределительная сеть близка к пределу мощности. Исключительные примеры имели место еще до крупных отключений электроэнергии . Во время серьезного отказа генераторов или линий электропередачи возникающий дисбаланс генерации нагрузки приведет к изменению частот местной энергосистемы. Потеря соединения приводит к увеличению частоты системы (из-за избыточной генерации) перед потерей, но может вызвать падение частоты или напряжения (из-за избыточной нагрузки) после потери. энергосистемы Следовательно, многие защитные реле автоматически срабатывают при сильном понижении частоты (обычно на 0,5–2 Гц слишком низкой, в зависимости от помехоустойчивости системы и серьезности мер защиты). Они инициируют сброс нагрузки или отключение соединительных линий, чтобы сохранить работу хотя бы части сети .

Небольшие энергосистемы, не связанные между собой множеством генераторов и нагрузок, не будут поддерживать частоту с такой же степенью точности. Если частота системы не регулируется жестко в периоды большой нагрузки, операторы системы могут разрешить повышение частоты системы в периоды небольшой нагрузки, чтобы поддерживать среднюю дневную частоту с приемлемой точностью. Переносным генераторам, не подключенным к электросети, не требуется жестко регулировать свою частоту, поскольку типичные нагрузки нечувствительны к небольшим отклонениям частоты.

Регулирование нагрузки и частоты

Управление частотой нагрузки (LFC) — это тип комплексного управления , который восстанавливает частоту системы при соблюдении контрактов на подачу или потребление электроэнергии в прилегающие районы. Схема автоматической генерации, описанная в § Частота и нагрузка, устанавливает демпфирование , которое минимизирует величину средней ошибки частоты, Δ f , где f — частота, Δ относится к разнице между измеренными и желаемыми значениями, а верхние линии указывают средние значения по времени.

LFC включает передачу мощности между различными областями, известную как «чистая мощность соединительной линии », в минимизированном объеме. Для конкретной смещения частоты константы B ошибка управления площадью (ACE), связанная с LFC в любой момент времени, просто равна $$\Delta (P_{T}-Bf){\text{,}}$$ где P _T относится к мощности соединительной линии. Эта мгновенная ошибка затем численно интегрируется, чтобы получить среднее значение по времени , и регуляторы корректируют ее, чтобы нейтрализовать ее значение. Коэффициент B традиционно имеет отрицательное значение, поэтому, когда частота ниже целевой, выработка электроэнергии на площади должна увеличиваться; ее величина обычно порядка МВт / дГц .

Смещение Tie-line LFC было известно с 1930-х годов, но редко использовалось до послевоенного периода . В 1950-х годах Натан Кон популяризировал эту практику в серии статей, утверждая, что контроль частоты нагрузки сводит к минимуму корректировку, необходимую для изменения нагрузки. В частности, Кон предположил, что все регионы сетки имеют общий линейный режим с координатно-инвариантным режимом. изменение частоты при дополнительной нагрузке ( ⁠ d ж / d L ⁠ ). Если утилита выбрана $$B={\frac {1}{2}}{\frac {dL}{df}}{\text{,}}$$ и в одном регионе произошел временный сбой или другое несоответствие генерирующей нагрузки, тогда соседние генераторы будут наблюдать снижение частоты, но уравновешивающее увеличение потока мощности по внешней соединительной линии, что не дает ACE. Таким образом, они не будут вносить коррективы в состав губернатора в течение (предполагаемого) короткого периода, прежде чем обанкротившийся регион восстановится.

Скорость изменения частоты

Скорость изменения частоты (также RoCoF ) — это просто производная по времени полезной частоты ( ${df}/{dt}$), обычно измеряется в Гц в секунду, Гц/с. Важность этого параметра возрастает, когда традиционные синхронные генераторы заменяются переменными возобновляемыми источниками энергии (VRE) на основе инверторов (IBR). Конструкция синхронного генератора по своей сути обеспечивает инерционный отклик , который ограничивает RoCoF. Поскольку IBR не подключены к электросети электромеханически, система с высоким уровнем проникновения VRE может иметь большие значения RoCoF, что может вызвать проблемы с работой системы из-за нагрузки на оставшиеся синхронные генераторы, срабатывания защитных устройств и нагрузки. линять .

По состоянию на 2017 год правила для некоторых сетей требовали, чтобы электростанции допускали RoCoF на уровне 1–4 Гц / с, причем верхний предел был очень высоким значением, на порядок превышающим расчетный показатель типичного старого газотурбинного генератора. Испытание мощного (несколько МВт ) оборудования на соответствие требованиям RoCoF затруднено, поскольку типичная испытательная установка питается от сети, и поэтому частота не может произвольно изменяться. В США управляемый сетевой интерфейс Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии является единственным объектом, позволяющим проводить испытания энергоблоков мощностью несколько МВт. (до 7 МВА ). Испытание крупных тепловых агрегатов невозможно.

Слышимый шум и помехи

Приборы с питанием от сети переменного тока могут издавать характерный шум, часто называемый « гулом сети », на частотах, кратных частотам используемого переменного тока (см. Магнитострикция ). Обычно он создается пластинами сердечника двигателя и трансформатора, вибрирующими в такт магнитному полю. Этот шум также может появиться в аудиосистемах, где фильтр источника питания или экранирование сигнала усилителя недостаточны.

Продолжительность: 6 секунд. 0:06

Мощный гул 50 Гц

Продолжительность: 6 секунд. 0:06

Мощный гул 60 Гц

Продолжительность: 6 секунд. 0:06

Мощный гул 400 Гц

Большинство стран выбрали своего телевидения скорость вертикальной синхронизации , равную частоте местной электросети. Это помогло предотвратить появление видимых частот биений в отображаемом изображении ранних аналоговых ТВ-приемников, особенно от сетевого трансформатора, из-за шума линии электропередачи и магнитных помех. Хотя некоторое искажение изображения присутствовало, оно осталось незамеченным, поскольку оно было неподвижным. Отказ от трансформаторов за счет использования приемников переменного / постоянного тока и другие изменения в конструкции декораций помогли минимизировать эффект, и в некоторых странах теперь используется вертикальная скорость, которая является приближением к частоте питания (особенно в областях 60 Гц).

Основная статья: Частотный анализ электрической сети

Другое использование этого побочного эффекта — в качестве инструмента судебно-медицинской экспертизы. Когда делается запись, записывающая звук рядом с прибором переменного тока или розеткой, случайно также записывается гул. Пики шума повторяются при каждом цикле переменного тока (каждые 20 мс для переменного тока 50 Гц или каждые 16,67 мс для переменного тока 60 Гц). Точная частота гула должна совпадать с частотой судебно-медицинской записи гула в точную дату и время, когда предположительно была сделана запись. Несоответствия частот или их отсутствие вообще выдадут подлинность записи.

См. также

• Сетевое электричество
• Индикатор максимального спроса
• Сетевой анализатор (питание переменного тока)
• Телехрон

Дальнейшее чтение

• Фурфари, Ф.А., Эволюция частот линий электропередачи 133 + 1 ⁄ 3 до 25 Гц , Журнал Industry Applications Magazine, IEEE, сентябрь/октябрь 2000 г., том 6, выпуск 5, страницы 12–14, ISSN   1077-2618 .
• Рашмор, Д.Б., Частота , Транзакции AIEE, Том 31, 1912 г., страницы 955–983, и обсуждение на страницах 974–978.
• Блэлок, Томас Дж., Электрификация крупного сталелитейного завода. Часть II. Разработка системы 25 Гц. Журнал Industry Applications Magazine, IEEE, сентябрь/октябрь 2005 г., страницы 9–12, ISSN   1077-2618 .

Источники

• ЭНТСО-Э (29 марта 2017 г.). Выдерживаемая скорость изменения частоты (ROCOF) (PDF) . Европейская сеть операторов систем передачи электроэнергии .
• Миллер, Николас; Лью, Дебра; Барнс, Стивен (9 апреля 2017 г.). Рекомендации по ограничениям на оборудование, связанным с высоким RoCoF . Дженерал Электрик Интернэшнл, Инк.
• НКРЭ (11 мая 2021 г.). Балансировка и регулирование частоты (PDF) . Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения .
• Браттон, Тимоти Ли (май 1971 г.). О задаче регулирования частоты нагрузки (PDF) (магистерская диссертация). Хьюстон, Техас: Университет Райса .