電機(jī)為什么要選用50HZ的交流電?
電動(dòng)機(jī)振動(dòng)是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行現(xiàn)狀之一,那么,你們知道電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備使用的為什么是50Hz的交流電,而不是60Hz呢?
世界上有些國(guó)家,例如英美用的是60Hz的交流電,因?yàn)椴捎玫氖鞘M(jìn)制,什么12星座、12小時(shí)、12先令等于1英鎊等等。后來(lái)的國(guó)家都采用十進(jìn)制了,所以頻率是50Hz。
那么,我們?yōu)槭裁匆x用50Hz的交流電,而不是5Hz或400Hz呢? 如果頻率低了會(huì)怎么樣? 頻率最低就是0,也就是直流。當(dāng)年愛(ài)迪生為了證明特斯拉的交流電有危險(xiǎn),用交流電電死了一票小動(dòng)物,如果大象也算小動(dòng)物的話…客觀上說(shuō),同樣的電流大小下,人體耐受直流電的時(shí)間是要長(zhǎng)于耐受交流電的時(shí)間,跟心室震顫什么的有關(guān)系,也就是交流電更危險(xiǎn)。 可愛(ài)迪生最后也還是輸給了特斯拉,交流電憑借方便改變電壓等級(jí)的優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)勝了直流電。在輸送功率相同的情況下,提高電壓,送電電流會(huì)減小,消耗在線路上的能量也會(huì)隨之降低
而直流送電另一個(gè)問(wèn)題是難以開(kāi)斷,直到現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題依舊是個(gè)困擾。直流輸電的問(wèn)題同平時(shí)拔電器插銷時(shí)會(huì)出現(xiàn)電火花一樣,當(dāng)電流大到一定程度時(shí),這個(gè)電火花是無(wú)法熄滅的,我們稱之為“電弧”。 對(duì)于交流電而言,電流會(huì)改變方向,因而有電流過(guò)零的時(shí)刻,利用這個(gè)小電流時(shí)間點(diǎn),我們可以通過(guò)滅弧裝置切斷線路電流。但直流電流方向不會(huì)改變,沒(méi)有這個(gè)過(guò)零點(diǎn),我們想要滅弧就很難了。
低頻交流電有什么問(wèn)題? 一、變壓器效率的問(wèn)題 變壓器是靠原邊的磁場(chǎng)變化,感應(yīng)到副邊升壓或降壓的。磁場(chǎng)變化的頻率越慢,感應(yīng)是越弱的,極端情況就是直流,根本沒(méi)有感應(yīng),所以頻率太低了不行。 二、用電設(shè)備功率問(wèn)題 舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就是他的頻率,比如怠速時(shí)500轉(zhuǎn)/分鐘,加速換擋時(shí)是3000轉(zhuǎn)/分鐘,換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來(lái)了,轉(zhuǎn)速越高,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大。 同樣道理,在相同頻率下,發(fā)動(dòng)機(jī)越大,輸出功率越大,這也是為什么柴油機(jī)個(gè)頭都比汽油大的原因,個(gè)兒大勁兒大的柴油機(jī)才能帶動(dòng)公交卡車等重型汽車。 同理,電動(dòng)機(jī)(或者說(shuō)一切轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械)既要求個(gè)頭小,要求輸出功率大,只有一個(gè)辦法——提高轉(zhuǎn)速,這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因,因?yàn)槲覀冃枰獋€(gè)頭小但功率大的電動(dòng)機(jī)。 變頻空調(diào)也是同樣的道理,通過(guò)變換交流電的頻率,來(lái)控制空調(diào)壓縮機(jī)的輸出功率。總之,功率與頻率在一定范圍內(nèi)正相關(guān)。
再說(shuō)說(shuō)頻率大了會(huì)怎么樣? 比如定在400Hz怎么樣? 兩個(gè)問(wèn)題,一是線路和設(shè)備的損耗增加,二是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快。 先來(lái)講損耗,輸電線路、變電設(shè)備、用電設(shè)備,都是有電抗的,電抗與頻率成正比,頻率越高,電抗越大,消耗的無(wú)功就越大,能傳遞的有功功率就越少。 目前50Hz輸電線路的電抗約0.4歐姆,約是電阻的10倍,如果提高到400Hz,那電抗將是3.2歐姆,約是電阻的80倍。對(duì)于高壓輸電線路,降低電抗是提高輸電功率的關(guān)鍵。 與電抗相對(duì)應(yīng)的還有容抗,容抗和頻率成反比,頻率越高,容抗越小,線路的泄漏電流越大。如果頻率高了,則線路的泄漏電流也會(huì)增加。 另一個(gè)問(wèn)題是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?,F(xiàn)在的發(fā)電機(jī)組基本是單級(jí)機(jī),也就是一對(duì)磁極。為了發(fā)出50Hz的電,轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速要達(dá)到3000轉(zhuǎn)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000轉(zhuǎn)時(shí),就能明顯感覺(jué)引擎在振動(dòng)作響了,轉(zhuǎn)到六七千轉(zhuǎn)時(shí),你就會(huì)覺(jué)得發(fā)動(dòng)機(jī)快跳出引擎蓋了。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尚且如此,更何況是一個(gè)重達(dá)百噸的實(shí)心鐵疙瘩轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī),這也是發(fā)電廠的噪音很大的原因。一個(gè)重達(dá)百噸的鋼轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)談何容易,如果頻率再高三四倍,估計(jì)發(fā)電機(jī)能飛出廠房了。 如此重的轉(zhuǎn)子具有相當(dāng)大的慣性,這也是電力系統(tǒng)被稱為慣性系統(tǒng),能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。同樣也是為什么風(fēng)電和太陽(yáng)能這種間歇性電源對(duì)傳統(tǒng)電源提出挑戰(zhàn)的原因。 因?yàn)轱L(fēng)光變化很快,幾十噸重的轉(zhuǎn)子由于巨大的慣性,要減少出力或增加出力的速度很慢(爬坡率的概念),跟不上風(fēng)電和光伏發(fā)電的變化,所以有時(shí)不得不棄風(fēng)和棄光。 綜上所述 頻率不能太低的原因:變壓器能效率高,電動(dòng)機(jī)可以個(gè)頭小功率大。 頻率不能太高的原因:線路和設(shè)備可以損耗小,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不必過(guò)高。 因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣,我們的電能就被定在在50或60Hz。