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工频

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230 伏, 50 Hz 与110 伏, 60 Hz的波形比较

工频(mains frequency(英),utility frequency(美))是“电网工作频率”的简称,指电网交流电频率,同一电网中的所有发电机输配电设备和用户均使用这一频率的交流电。目前世界上大多数国家使用50Hz作为电网工作频率,但也有美国、部分亚洲国家和地区使用60Hz工频。

第二次工业革命过程中,许多不同的频率和电压曾被使用过。由于建设电网的设备投资巨大,电网规格的标准化进展缓慢。尽管如此,21世纪以来,使用50 Hz工频的电网趋向于使用220–240伏电压;使用60 Hz工频的电网趋向于100–127 V供电。 两种频率目前在世界上同时使用(日本同时使用这两个频率),而且在技术上、两种频率没有优劣之分[1]。目前,没有在全世界范围内对电网频率进行标准化的动力。

除非特别注明可以同时在50 Hz和60 Hz工频上运行,电器不在设计的工频的电网上工作可能导致效率降低甚至安全隐患。在日本出售的電器能夠同時在50Hz和60Hz。內置馬達的電器(如冰箱)在60Hz運作時,由於馬達轉速提高,電器的功率也隨之增大[來源請求]

影响因素[编辑]

在选择电网的工作频率时需要考虑许多因素[2]。包括照明设备、电动机、变压器、发电机和输电线路在内的设备的工作特性都与电网频率有关。这些因素相互影响,使得工频的选择具有相当的重要性:需要在尽量满足互相矛盾的性能要求的基础上进行妥协。

在19世纪晚期,电网的频率越高,越有利于照明设备工作和变压器节约材料;与此同时,电网频率越低,越有利于长距离传输线、电动机和旋转变流器的设计。在大功率发电设备成熟以前,电网工频的选择往往取决于该电网负载的类型。技术的进步最终扫清了弧光灯和电动机等不同类型负载使用同一频率的障碍;同时,统一的供电系统也更加经济,因为一天之中负载的变化更小。

照明设备[编辑]

商业电网的第一批用电器是白炽灯和装有换向器的直流电机。这两种设备都能在直流下很好地工作,但直流电很难转换电压,且用电设备大多只能在额定电压下工作。

若白炽灯工作于低频电流之下,灯丝每半个周期冷却一次,产生显著的明暗变化;这种效应对弧光灯和后来的汞灯荧光灯更明显。

旋转机械[编辑]

换向器电机难以在高频交流电下工作,因为快速变换的电流被电机绕组的电感所阻挡。尽管装有换向器的交流电机在家用小型电器中被广泛使用,但它们的功率都小于1kW。感应电动机能在50Hz到60Hz很好地工作;但在1890年,由于缺乏低铁损的材料,较高的频率,如133Hz,是不适用于旋转机械的。

由于电机转速正比于交流电频率,反比与磁极对数;因此,标准转速与电网工频之间相互制约。因此,一旦交流电动机普及,为了适配设备,频率的标准化变得越来越重要。

如果发电机的磁极对数一定,使用低转速的往复式引擎驱动比使用高转速的汽轮机驱动产生的频率更低。如果原动机转速较低,为提供高频率而建造多磁极数发电机成本更高。同时,在低速下发电机更容易同步,进而更容易并网。早起用于提高转速的皮带传动在大功率(几千千瓦)下变得昂贵、低效而不可靠。到1906年,高转速的蒸汽轮机驱动发电机方案为高工频带来优势。稳定的转速也满足了旋转变流器换向器的工作需要[2]

交流电机的同步转速N用每分钟转数(RPM)可以表示为:

其中f为交流电频率,单位为赫兹(Hz),P为磁极个数。

一些频率下交流电机的同步转速
磁极个数 RPM at 13313 Hz RPM at 60 Hz RPM at 50 Hz RPM at 40 Hz RPM at 25 Hz RPM at 1623 Hz
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 33313 26623 16623 111.1
20 800 360 300 240 150 100


直流电并未完全被交流电取代,目前仍用于电气化铁路電信电化学等领域,一些長距離及水底的電力傳輸系統會採用高壓直流輸電。在半导体整流设备出现前,常用汞弧整流器旋转变流器来进行整流。

各國電壓和頻率[编辑]

Worldwide map of mains voltage and frequency.png

中国工频历史[编辑]

1928年7月16日,亚浦耳公司上海社会局公用局呈文,呈请上海特别市政府转请中央主管机关,建议规定200伏和50赫兹为中国电压频率标准。1929年2月,国民政府建设委员会电气处分六个步骤开始制订我国电压频率标准。 国民政府建设委员会制订《电气事业电压周率标准规则》,经行政院核准,1930年9月12日以建设委员会会公布令第五十七号,“自中华民国二十年一月一日起施行”。1935年关东军要求满洲电气委员会统一频率,规定50周波为标准频率,废除直流、60赫兹、25赫兹各家发电厂。

1953年6月由中央人民政府政务院燃料工业部颁布《电力系统调度管理暂行条例》第97条规定:“电力系统的周率应连续不断地保持在五十周波的水平上。其差别不得大于±0.5(50.5-49.5)周波。”

日本電源頻率歷史[编辑]

日本的交流電源的頻率有兩種,日本東部為50Hz、日本西部為60Hz,兩者大致以糸魚川靜岡構造線為分界。日本是唯一擁有兩種不同頻率電網,並使用變頻設施互聯的國家。

明治時期受到美國的電流戰爭影響,在日本也引發相同的爭論,當時東京電燈採用直流電,而大阪電燈採用交流電。但到了1887年,東京電燈決定改用交流輸電,引進德國AEG公司製造的50Hz規格發電機,並在關東大地震之後所屬地區內統一為50Hz交流電。但在關西,成立於1888年的大阪電燈從一開始就選擇交流輸電,引進美國奇異公司製造的60Hz規格發電機。以這兩間公司為中心,各地的電力供應逐漸整合,形成了東西頻率的差異。在二戰結束後,也有重新統一日本全國輸電頻率的構想,但未能實現。

在2011年福島第一核電廠事故後,日本政府陸續將多個核電廠停止運轉,結果各地出現了電力短缺。有觀點認為東西兩方的電網未能互通,是造成電力短缺的原因之一。此後日本陸續建設變電站與高壓輸電線,讓東西電網可以達到部分相互融通,現在未連接到全國電網的只有沖繩電力所屬地區。

来源[编辑]

  1. ^ A.C. Monteith , C.F. Wagner (ed), Electrical Transmission and Distribution Reference Book 4th Edition, Westinghouse Electric Corporation 1950, page 6
  2. ^ 2.0 2.1 B. G. Lamme, The Technical Story of the Frequencies, Transactions AIEE January 1918, reprinted in the Baltimore Amateur Radio Club newsletter The Modulator January -March 2007