Versorgungsfrequenz - Utility frequency

Die Wellenform von 230 V und 50 Hz im Vergleich zu 110 V und 60 Hz

Die Nutzfrequenz , (Leistung) die Netzfrequenz ( amerikanisches Englisch ) oder Netzfrequenz ( britisches Englisch ) ist die Nennfrequenz der Schwingungen des Wechselstroms (AC) in einem weiten Bereich synchrones Raster aus einem übertragenen Kraftwerk an die Endbenutzer . In großen Teilen der Welt sind dies 50  Hz , in Amerika und Teilen Asiens jedoch typischerweise 60 Hz. Der aktuelle Verbrauch nach Land oder Region ist in der Liste der Netzstromversorgung nach Ländern aufgeführt .

Während der Entwicklung kommerzieller elektrischer Energiesysteme im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert wurden viele verschiedene Frequenzen (und Spannungen) verwendet. Große Investitionen in Ausrüstung bei einer Frequenz machten die Standardisierung zu einem langsamen Prozess. Ab der Wende zum 21. Jahrhundert verwenden jedoch Orte, die jetzt die 50-Hz-Frequenz verwenden, in der Regel 220–240  V , und diejenigen, die jetzt 60 Hz verwenden, neigen dazu, 100–127 V zu verwenden. Beide Frequenzen existieren heute nebeneinander (Japan verwendet beide ) ohne großen technischen Grund, das eine dem anderen vorzuziehen, und ohne offensichtlichen Wunsch nach vollständiger weltweiter Standardisierung.

In der Praxis variiert die genaue Netzfrequenz um die Nennfrequenz, verringert sich bei hoher Netzbelastung und beschleunigt bei geringer Belastung. Die meisten Versorger werden jedoch die Frequenz des Netzes im Tagesverlauf anpassen, um eine konstante Anzahl von Zyklen sicherzustellen. Dies wird von einigen Uhren verwendet, um ihre Zeit genau zu halten.

Betriebsfaktoren

Mehrere Faktoren beeinflussen die Wahl der Frequenz in einem AC-System. Beleuchtung, Motoren, Transformatoren, Generatoren und Übertragungsleitungen haben alle Eigenschaften, die von der Netzfrequenz abhängen. All diese Faktoren wirken zusammen und machen die Auswahl einer Netzfrequenz von erheblicher Bedeutung. Die beste Frequenz ist ein Kompromiss zwischen widersprüchlichen Anforderungen.

Im späten 19. Jahrhundert wählten Designer eine relativ hohe Frequenz für Systeme mit Transformatoren und Bogenlichtern , um Transformatormaterialien zu sparen und das sichtbare Flackern der Lampen zu reduzieren, wählten jedoch eine niedrigere Frequenz für Systeme mit langen Übertragungsleitungen oder Speisung hauptsächlich von Motorlasten oder rotierenden Umrichtern zur Erzeugung von Gleichstrom . Als große zentrale Erzeugungsanlagen praktikabel wurden, wurde die Wahl der Frequenz anhand der Art der beabsichtigten Last getroffen. Schließlich ermöglichten Verbesserungen im Maschinendesign die Verwendung einer einzigen Frequenz sowohl für Beleuchtungs- als auch für Motorlasten. Ein einheitliches System verbesserte die Wirtschaftlichkeit der Stromproduktion, da die Systembelastung im Tagesverlauf gleichmäßiger war.

Beleuchtung

Die ersten Anwendungen der kommerziellen elektrischen Leistung waren Glühlampen und Kommutator -Typ Elektromotoren . Beide Geräte arbeiten gut mit Gleichstrom, aber Gleichstrom konnte nicht leicht in der Spannung geändert werden und wurde im Allgemeinen nur bei der erforderlichen Betriebsspannung erzeugt.

Wird eine Glühlampe mit niederfrequentem Strom betrieben, kühlt die Wendel bei jeder Halbwelle des Wechselstroms ab, was zu einer spürbaren Helligkeitsänderung und einem Flackern der Lampen führt; der Effekt ist bei Bogenlampen und den späteren Quecksilberdampflampen und Leuchtstofflampen ausgeprägter . Open-Bogen-Lampen erzeugten bei Wechselstrom ein hörbares Summen, was zu Experimenten mit Hochfrequenzgeneratoren führte, um den Schall über den Bereich des menschlichen Gehörs zu heben.

Rotierende Maschinen

Motoren vom Kommutatortyp funktionieren bei hochfrequentem Wechselstrom nicht gut, da den schnellen Stromänderungen die Induktivität des Motorfelds entgegenwirkt. Obwohl Universalmotoren vom Kommutatortyp in AC-Haushaltsgeräten und Elektrowerkzeugen üblich sind, handelt es sich um kleine Motoren mit weniger als 1 kW. Es wurde festgestellt, dass der Induktionsmotor bei Frequenzen um 50 bis 60 Hz gut funktioniert, aber mit den in den 1890er Jahren verfügbaren Materialien würde er bei einer Frequenz von beispielsweise 133 Hz nicht gut funktionieren. Es besteht eine feste Beziehung zwischen der Anzahl der Magnetpole im Feld des Induktionsmotors, der Frequenz des Wechselstroms und der Drehzahl; eine vorgegebene Standardgeschwindigkeit schränkt also die Wahl der Frequenz ein (und umgekehrt). Als Wechselstrom- Elektromotoren üblich wurden, war es wichtig, die Frequenz zu standardisieren, um die Kompatibilität mit der Ausrüstung des Kunden zu gewährleisten.

Generatoren, die von langsam laufenden Hubkolbenmotoren betrieben werden, erzeugen für eine bestimmte Anzahl von Polen niedrigere Frequenzen als solche, die beispielsweise von einer Hochgeschwindigkeitsdampfturbine betrieben werden . Für sehr langsame Antriebsmaschinendrehzahlen wäre es kostspielig, einen Generator mit genügend Polen zu bauen, um eine hohe Wechselstromfrequenz bereitzustellen. Auch das Synchronisieren von zwei Generatoren auf die gleiche Drehzahl erwies sich bei niedrigeren Drehzahlen als einfacher. Riemenantriebe waren zwar üblich, um die Geschwindigkeit langsamer Motoren zu erhöhen, aber bei sehr großen Nennleistungen (Tausende von Kilowatt) waren diese teuer, ineffizient und unzuverlässig. Ab etwa 1906 bevorzugten Generatoren, die direkt von Dampfturbinen angetrieben wurden, höhere Frequenzen. Die gleichmäßigere Drehzahl von Hochgeschwindigkeitsmaschinen ermöglichte einen zufriedenstellenden Betrieb von Kommutatoren in rotierenden Umrichtern. Die Synchrondrehzahl N in U/min wird mit der Formel berechnet,

wobei f die Frequenz in Hertz und P die Anzahl der Pole ist.

Synchrondrehzahlen von Wechselstrommotoren für einige aktuelle und historische Netzfrequenzen
Stangen U / min bei 133 13  Hz Drehzahl bei 60 Hz Drehzahl bei 50 Hz Drehzahl bei 40 Hz Drehzahl bei 25 Hz U / min bei 16 23  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
18 888.9 400 333 13 266 23 166 23 111.1
20 800 360 300 240 150 100

Gleichstrom wurde nicht vollständig durch Wechselstrom ersetzt und war in Eisenbahn- und elektrochemischen Prozessen nützlich. Vor der Entwicklung von Quecksilberdampfventilgleichrichter , wurden rotierende Umformer verwendet Gleichstrom von AC zu erzeugen. Wie andere Maschinen vom Kommutatortyp funktionierten diese besser mit niedrigeren Frequenzen.

Getriebe und Transformatoren

Bei Wechselstrom können Transformatoren verwendet werden, um hohe Übertragungsspannungen zu senken, um die Verbraucherspannung zu senken. Der Transformator ist praktisch ein Spannungswandler ohne bewegliche Teile und erfordert wenig Wartung. Durch die Verwendung von Wechselstrom entfällt die Notwendigkeit, sich drehende DC-Spannungswandler-Motorgeneratoren zu drehen, die regelmäßige Wartung und Überwachung erfordern.

Da bei einer gegebenen Leistung die Abmessungen eines Transformators ungefähr umgekehrt proportional zur Frequenz sind, wäre ein System mit vielen Transformatoren bei einer höheren Frequenz wirtschaftlicher.

Die Übertragung elektrischer Energie über lange Leitungen begünstigt niedrigere Frequenzen. Die Auswirkungen der verteilten Kapazität und Induktivität der Leitung sind bei niedriger Frequenz geringer.

Systemvernetzung

Generatoren können nur dann parallel geschaltet werden, wenn sie die gleiche Frequenz und Wellenform haben. Durch die Standardisierung der verwendeten Frequenz können Generatoren in einem geografischen Gebiet zu einem Netz verbunden werden , was Zuverlässigkeit und Kosteneinsparungen bietet.

Geschichte

Japans Netzfrequenzen sind 50 Hz und 60 Hz

Im 19. Jahrhundert wurden viele verschiedene Netzfrequenzen verwendet.

Sehr frühe isolierte Wechselstrom-Erzeugungsschemata verwendeten willkürliche Frequenzen basierend auf der Zweckmäßigkeit für Dampfmaschinen , Wasserturbinen und elektrische Generatoren . Frequenzen zwischen 16+23  Hz und 133+13  Hz wurden auf verschiedenen Systemen verwendet. Zum Beispiel hatte die Stadt Coventry, England, im Jahr 1895 ein einzigartiges einphasiges 87-Hz-Verteilungssystem, das bis 1906 in Gebrauch war. Die Verbreitung der Frequenzen ging aus der schnellen Entwicklung elektrischer Maschinen in der Zeit von 1880 bis 1900 hervor.

In der frühen Glühlampenzeit war einphasiger Wechselstrom üblich und typische Generatoren waren 8-polige Maschinen, die mit 2.000 U/min betrieben wurden und eine Frequenz von 133 Hertz ergaben.

Obwohl es viele Theorien und einige unterhaltsame urbane Legenden gibt, gibt es wenig Gewissheit in den Details der Geschichte von 60 Hz vs. 50 Hz.

Das deutsche Unternehmen AEG (Abstammung eines von Edison in Deutschland gegründeten Unternehmens) baute die erste deutsche Stromerzeugungsanlage, die mit 50 Hz betrieben wurde. Zu dieser Zeit hatte AEG praktisch ein Monopol und ihr Standard breitete sich auf das restliche Europa aus. Nachdem 1891 das Flackern von Lampen beobachtet wurde, die mit der 40-Hz-Leistung der Verbindung Lauffen-Frankfurt betrieben wurden , erhöhte die AEG 1891 ihre Standardfrequenz auf 50 Hz.

Westinghouse Electric beschloss, auf eine höhere Frequenz zu standardisieren, um den Betrieb von elektrischer Beleuchtung und Induktionsmotoren auf demselben Generatorsystem zu ermöglichen. Obwohl 50 Hz für beide geeignet war, war Westinghouse 1890 der Ansicht, dass vorhandene Bogenbeleuchtungsgeräte mit 60 Hz etwas besser funktionierten, und so wurde die Frequenz gewählt. Der Betrieb von Teslas Induktionsmotor, der 1888 von Westinghouse lizenziert wurde, erforderte eine niedrigere Frequenz als die damals für Beleuchtungssysteme üblichen 133 Hz. Im Jahr 1893 baute die General Electric Corporation, die mit AEG in Deutschland verbunden war, ein Stromerzeugungsprojekt in Mill Creek , um mit 50 Hz Strom nach Redlands, Kalifornien , zu bringen , wechselte jedoch ein Jahr später auf 60 Hz, um den Marktanteil mit dem Westinghouse-Standard zu halten.

25 Hz Ursprünge

Die ersten Generatoren des 1895 von Westinghouse gebauten Niagara Falls- Projekts waren 25 Hz, da die Turbinendrehzahl bereits eingestellt war, bevor die Wechselstromübertragung endgültig gewählt wurde. Westinghouse hätte eine niedrige Frequenz von 30 Hz gewählt, um Motorlasten anzutreiben, aber die Turbinen für das Projekt waren bereits mit 250 U/min spezifiziert. Die Maschinen hätten so gebaut werden können, dass sie 16 . liefern+23  Hz Leistung, geeignet für schwere Kommutatormotoren, aber die Firma Westinghouse wandte ein, dass dies für die Beleuchtung unerwünscht wäre und schlug 33 vor+13  Hz. Schließlich wurde ein Kompromiss von 25 Hz mit 12-poligen 250-RPM-Generatoren gewählt. Da das Niagara-Projekt einen so großen Einfluss auf das Design elektrischer Energiesysteme hatte, setzte sich 25 Hz als nordamerikanischer Standard für niederfrequenten Wechselstrom durch.

40 Hz Ursprung

Eine Studie von General Electric kam zu dem Schluss, dass 40 Hz angesichts der im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts verfügbaren Materialien und Geräte ein guter Kompromiss zwischen Beleuchtungs-, Motor- und Übertragungsbedarf gewesen wäre. Es wurden mehrere 40-Hz-Systeme gebaut. Die Demonstration in Lauffen-Frankfurt verwendete 1891 40 Hz, um 175 km Strom zu übertragen. Im Nordosten Englands existierte ein großes 40-Hz-Verbundnetz (die Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company , NESCO) bis zur Einführung des National Grid (UK .). ) in den späten 1920er Jahren und Projekte in Italien verwendeten 42 Hz. Das älteste kontinuierlich betriebene kommerzielle Wasserkraftwerk in den Vereinigten Staaten, das Mechanicville Hydroelectric Plant , produziert immer noch Strom mit 40 Hz und versorgt das lokale 60-Hz-Übertragungssystem über Frequenzumrichter mit Strom . Industrieanlagen und Bergwerke in Nordamerika und Australien wurden manchmal mit 40 Hz-Bordnetzen gebaut, die so lange gewartet wurden, bis sie zu unwirtschaftlich waren, um weiterzumachen. Obwohl Frequenzen nahe 40 Hz viel kommerzielle Anwendung fanden, wurden diese durch standardisierte Frequenzen von 25, 50 und 60 Hz umgangen, die von Geräteherstellern mit größerem Volumen bevorzugt wurden.

Die Firma Ganz aus Ungarn hatte  für ihre Produkte 5000 Wechsel pro Minute (41 23 Hz) standardisiert , sodass die Kunden von Ganz 41 23  Hz Systeme hatten, die zum Teil über viele Jahre liefen.

Standardisierung

In den Anfängen der Elektrifizierung wurden so viele Frequenzen verwendet, dass sich kein einzelner Wert durchsetzte (London 1918 hatte zehn verschiedene Frequenzen). Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurde mehr Leistung bei 60 Hz (Nordamerika) oder 50 Hz (Europa und der größte Teil Asiens) erzeugt. Die Standardisierung ermöglichte den internationalen Handel mit Elektrogeräten. Viel später ermöglichte die Verwendung von Standardfrequenzen die Zusammenschaltung von Stromnetzen. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg – mit dem Aufkommen bezahlbarer elektrischer Konsumgüter – wurden einheitlichere Standards erlassen.

Im Vereinigten Königreich wurde bereits 1904 eine Standardfrequenz von 50 Hz erklärt, aber bei anderen Frequenzen wurde eine bedeutende Entwicklung fortgesetzt. Die Einführung des Nationalen Netzes ab 1926 zwang die Standardisierung der Frequenzen unter den vielen miteinander verbundenen Stromversorgern. Der 50-Hz-Standard wurde erst nach dem Zweiten Weltkrieg vollständig etabliert .

Um 1900 hatten europäische Hersteller bei Neuinstallationen meist auf 50 Hz standardisiert. Der Verband der Elektrotechnik (VDE) empfahl 1902 in der ersten Norm für elektrische Maschinen und Transformatoren 25 Hz und 50 Hz als Standardfrequenzen. VDE sah nicht viel Anwendung von 25 Hz und ließ es aus der Ausgabe 1914 des Standards fallen. Restinstallationen mit anderen Frequenzen blieben bis weit nach dem Zweiten Weltkrieg bestehen.

Aufgrund der Umstellungskosten können einige Teile des Verteilungssystems auch nach der Wahl einer neuen Frequenz auf den ursprünglichen Frequenzen weiterbetrieben werden. 25 Hz Strom wurde in Ontario , Quebec , den nördlichen Vereinigten Staaten und für die Eisenbahnelektrifizierung verwendet . In den 1950er Jahren wurden viele 25-Hz-Systeme, vom Generator bis hin zu Haushaltsgeräten, umgebaut und standardisiert. Bis 2009 gab es noch rund 25 Hz Generatoren am Sir Adam Beck 1 (diese wurden auf 60 Hz umgerüstet) und den Rankine Kraftwerken (bis zur Schließung 2009) in der Nähe von Niagara Falls , um Strom für große Industriekunden zu liefern, die nicht wollten um vorhandene Ausrüstung zu ersetzen; und in New Orleans gibt es einige 25-Hz-Motoren und ein 25-Hz-Kraftwerk für Hochwasserpumpen. Die in Deutschland , Österreich , der Schweiz , Schweden und Norwegen verwendeten 15-kV-Wechselstrom- Bahnnetze arbeiten immer noch mit 16+23  Hz oder 16,7 Hz.

In einigen Fällen, in denen die meisten Last war Eisenbahn oder Motorlasten zu sein, wurde es als wirtschaftliche Leistung bei 25 Hz zu erzeugen und installieren rotierende Umformer für 60 Hz - Verteilung. Umrichter zur Erzeugung von Gleichstrom aus Wechselstrom waren in größeren Abmessungen erhältlich und bei 25 Hz effizienter als bei 60 Hz. Überbleibsel Fragmente älterer Systeme können über einen Drehwandler oder auf die Standardfrequenzsystem gebunden werden , statischen Umrichter Frequenzumrichter. Diese ermöglichen den Austausch von Energie zwischen zwei Stromnetzen mit unterschiedlichen Frequenzen, aber die Systeme sind groß, kostspielig und verschwenden im Betrieb etwas Energie.

Frequenzumrichter mit rotierenden Maschinen, die zum Umwandeln von Systemen zwischen 25 Hz und 60 Hz verwendet wurden, waren in der Konstruktion umständlich; eine 60-Hz-Maschine mit 24 Polen würde sich mit der gleichen Geschwindigkeit drehen wie eine 25-Hz-Maschine mit 10 Polen, was die Maschinen groß, langsam und teuer macht. Ein Verhältnis von 60/30 hätte diese Konstruktionen vereinfacht, aber die installierte Basis bei 25 Hz war zu groß, um wirtschaftlich dagegen vorzugehen.

In den Vereinigten Staaten hatte Südkalifornien Edison auf 50 Hz standardisiert. Ein Großteil Südkaliforniens arbeitete mit 50 Hz und änderte die Frequenz ihrer Generatoren und Kundengeräte bis etwa 1948 nicht vollständig auf 60 Hz. Einige Projekte der Au Sable Electric Company verwendeten 1914 30 Hz bei Übertragungsspannungen von bis zu 110.000 Volt.

Ursprünglich wurden in Brasilien elektrische Maschinen aus Europa und den Vereinigten Staaten importiert, was bedeutete, dass das Land je nach Region sowohl 50-Hz- als auch 60-Hz-Standards hatte. 1938 erließ die Bundesregierung ein Gesetz, Decreto-Lei 852 , das das ganze Land innerhalb von acht Jahren unter 50 Hz bringen sollte. Das Gesetz funktionierte nicht, und in den frühen 1960er Jahren wurde beschlossen, Brasilien unter dem 60-Hz-Standard zu vereinheitlichen, da die meisten entwickelten und industrialisierten Gebiete 60 Hz verwendeten; und 1964 wurde ein neues Gesetz von Lei 4,454 erlassen . Brasilien unterzog sich einem Programm zur Frequenzumstellung auf 60 Hz, das erst 1978 abgeschlossen wurde.

In Mexiko wurden in den 1970er Jahren die am 50-Hz-Netz betriebenen Gebiete umgestellt, um das Land unter 60 Hz zu vereinen.

In Japan verwendet der westliche Teil des Landes (Nagoya und West) 60 Hz und der östliche Teil (Tokio und Ost) 50 Hz. Dies hat seinen Ursprung in den ersten Käufen von Generatoren von AEG im Jahr 1895, installiert für Tokio, und General Electric im Jahr 1896, installiert in Osaka. Die Grenze zwischen den beiden Regionen enthält vier Back-to-Back- HGÜ- Umspannwerke, die die Frequenz umwandeln; Dies sind Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu und der Higashi-Shimizu-Frequenzwandler .

Versorgungsfrequenzen in Nordamerika im Jahr 1897

Hz Beschreibung
140 Lichtbogendynamo aus Holz
133 Stanley-Kelly Company
125 General Electric einphasig
66.7 Stanley-Kelly Company
62,5 General Electric "monozyklisch"
60 Viele Hersteller, die im Jahr 1897 "immer häufiger" wurden
58,3 General Electric Lachine Stromschnellen
40 Allgemeine Elektrik
33 General Electric in Portland Oregon für Rotationswandler
27 Crocker-Wheeler für Kalziumkarbid Schmelzöfen
25 Westinghouse Niagara Falls 2-phasig – für den Betrieb von Motoren

Versorgungsfrequenzen in Europa bis 1900

Hz Beschreibung
133 Einphasige Beleuchtungssysteme, Großbritannien und Europa
125 Einphasiges Beleuchtungssystem, Großbritannien und Europa
83,3 Einphasig, Ferranti UK, Deptford Power Station , London
70 Einphasige Beleuchtung, Deutschland 1891
65.3 BBC Bellinzona
60 Einphasenbeleuchtung, Deutschland, 1891, 1893
50 AEG, Oerlikon und andere Hersteller, eventueller Standard
48 Kraftwerk BBC Kilwangen,
46 Rom, Genf 1900
45 13 Städtisches Kraftwerk, Frankfurt am Main, 1893
42 Ganz Kunden, auch Deutschland 1898
41 23 Ganz Company, Ungarn
40 Lauffen am Neckar, Wasserkraft, 1891, bis 1925
38,6 BBC Arlen
33 13 St. James und Soho Electric Light Co. London
25 Einphasenbeleuchtung, Deutschland 1897

Selbst Mitte des 20. Jahrhunderts waren die Netzfrequenzen noch nicht vollständig auf die heute üblichen 50 Hz oder 60 Hz genormt. Im Jahr 1946 wurden in einem Referenzhandbuch für Entwickler von Funkgeräten die folgenden veralteten Frequenzen als verwendet aufgeführt. Viele dieser Regionen verfügten auch über 50-Zyklus-, 60-Zyklus- oder Gleichstromversorgungen.

Verwendete Frequenzen 1946 (sowie 50 Hz und 60 Hz)

Hz Region
25 Kanada (Süd-Ontario), Panamakanalzone(*), Frankreich, Deutschland, Schweden, Großbritannien, China, Hawaii, Indien, Mandschurei
33 13 Kraftwerk Lots Road, Chelsea, London (für Londoner U-Bahn und Trolley-Busse nach Umbau auf DC)
40 Jamaika, Belgien, Schweiz, Großbritannien, Föderierte Malaiische Staaten, Ägypten, Westaustralien(*)
42 Tschechoslowakei, Ungarn, Italien, Monaco(*), Portugal, Rumänien, Jugoslawien, Libyen (Tripolis)
43 Argentinien
45 Italien, Libyen (Tripolis)
76 Gibraltar(*)
100 Malta(*), Britisch-Ostafrika

Wo Regionen mit (*) markiert sind, ist dies die einzige Netzfrequenz, die für diese Region angezeigt wird.

Eisenbahnen

Andere Netzfrequenzen werden noch verwendet. Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden und Norwegen nutzen Bahnstromnetze für Eisenbahnen und verteilen Einphasen-Wechselstrom mit 16+23  Hz oder 16,7 Hz. Eine Frequenz von 25 Hz wird für die Österreichische Mariazellerbahn sowie dieBahnstromsysteme von Amtrak und SEPTA in den USA verwendet. Andere AC-Bahnsysteme werden mit der lokalen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz gespeist.

Bahnstrom kann durch Frequenzumrichter aus kommerziellen Stromversorgungen gewonnen oder in einigen Fällen durch dedizierte Bahnkraftwerke erzeugt werden . Für den Betrieb elektrischer Bahnen mit Kommutatormotoren wurden im 19. Jahrhundert Frequenzen bis zu 8 Hz erwogen. Einige Steckdosen in Zügen führen die richtige Spannung, verwenden jedoch die ursprüngliche Zugnetzfrequenz wie 16+23  Hz oder 16,7 Hz.

400 Hz

Netzfrequenzen von bis zu 400 Hz werden in Flugzeugen, Raumfahrzeugen, U-Booten, Serverräumen für Computerleistung , militärischer Ausrüstung und handgehaltenen Werkzeugmaschinen verwendet. Derart hohe Frequenzen können über lange Distanzen nicht wirtschaftlich übertragen werden; die erhöhte Frequenz erhöht die Reihenimpedanz aufgrund der Induktivität der Übertragungsleitungen stark, was die Leistungsübertragung erschwert. Folglich sind 400-Hz-Stromsysteme normalerweise auf ein Gebäude oder ein Fahrzeug beschränkt.

Transformatoren können zum Beispiel kleiner gemacht werden, weil der Magnetkern bei gleicher Leistung viel kleiner sein kann. Induktionsmotoren drehen sich mit einer zur Frequenz proportionalen Geschwindigkeit, sodass eine Hochfrequenzstromversorgung es ermöglicht, bei gleichem Motorvolumen und gleicher Motormasse mehr Leistung zu erzielen. Transformatoren und Motoren für 400 Hz sind viel kleiner und leichter als bei 50 oder 60 Hz, was in Flugzeugen und Schiffen von Vorteil ist. Es existiert ein US-Militärstandard MIL-STD-704 für die Verwendung von 400 Hz in Flugzeugen.

Stabilität

Zeitfehlerkorrektur (TEC)

Die Regulierung der Netzfrequenz für die Genauigkeit der Zeitmessung war erst nach 1916 mit der Erfindung der Warren Power Station Master Clock und des selbstanlaufenden Synchronmotors durch Henry Warren alltäglich . Tesla demonstrierte das Konzept der durch die Netzfrequenz synchronisierten Uhren auf der Weltausstellung 1893 in Chicago. Die Hammond-Orgel hängt auch von einem synchronen AC-Taktmotor ab, um die korrekte Geschwindigkeit ihres internen "Tonrad"-Generators beizubehalten, wodurch alle Noten auf der Grundlage der Frequenzstabilität der Stromleitung perfekt in der Tonhöhe bleiben.

Heute regeln Wechselstromnetzbetreiber die tägliche Durchschnittsfrequenz so, dass die Uhren innerhalb weniger Sekunden korrekt angezeigt werden. In der Praxis wird die Nennfrequenz um einen bestimmten Prozentsatz angehoben oder abgesenkt, um die Synchronisierung aufrechtzuerhalten. Im Tagesverlauf wird die durchschnittliche Frequenz innerhalb weniger hundert Teile pro Million auf dem Nennwert gehalten. Im Synchronnetz Kontinentaleuropas wird die Abweichung zwischen Netzphasenzeit und UTC (basierend auf Internationaler Atomzeit ) täglich um 08:00 Uhr in einer Leitstelle in der Schweiz berechnet . Die Sollfrequenz wird dann je nach Bedarf um bis zu ±0,01 Hz (±0,02%) von 50 Hz angepasst, um einen langfristigen Frequenzmittelwert von genau 50 Hz × 60 s / min × 60 min/ h × 24 h/ d zu gewährleisten  =4 320 000 Zyklen pro Tag. In Nordamerika wird immer dann, wenn der Fehler 10 Sekunden für den Osten, 3 Sekunden für Texas oder 2 Sekunden für den Westen überschreitet, eine Korrektur von ±0,02 Hz (0,033 %) angewendet. Zeitfehlerkorrekturen beginnen und enden entweder zur vollen oder zur halben Stunde. Bemühungen, den TEC in Nordamerika zu entfernen, werden unter elektrische Uhr beschrieben .

Echtzeit-Frequenzmesser für die Stromerzeugung in Großbritannien sind online verfügbar – ein offizieller von National Grid und ein inoffizieller, der von Dynamic Demand verwaltet wird. Echtzeit-Frequenzdaten des Synchronnetzes von Kontinentaleuropa sind auf Websites wie www .mainsfrequency .com und gridfrequency .eu verfügbar . Das Frequency Monitoring Network (FNET) der University of Tennessee misst die Frequenz der Verbindungen innerhalb des nordamerikanischen Stromnetzes sowie in mehreren anderen Teilen der Welt. Diese Messungen werden auf der FNET-Website angezeigt.

US-Vorschriften

In den Vereinigten Staaten hat die Federal Energy Regulatory Commission 2009 die Zeitfehlerkorrektur obligatorisch gemacht. Im Jahr 2011 diskutierte die North American Electric Reliability Corporation (NERC) ein vorgeschlagenes Experiment, das die Frequenzregulierungsanforderungen für Stromnetze lockern würde, was die langfristige Genauigkeit von Uhren und anderen Geräten, die die 60-Hz-Netzfrequenz als Zeitbasis verwenden.

Frequenz und Belastung

Der Hauptgrund für eine genaue Frequenzsteuerung besteht darin, dass der Fluss von Wechselstrom von mehreren Generatoren durch das Netz gesteuert werden kann. Der Trend der Netzfrequenz ist ein Maß für die Diskrepanz zwischen Nachfrage und Erzeugung und ist ein notwendiger Parameter für die Laststeuerung in Verbundsystemen.

Die Frequenz des Systems variiert je nach Last- und Generationsänderung. Die Erhöhung der mechanischen Eingangsleistung eines einzelnen Synchrongenerators hat keinen großen Einfluss auf die Gesamtfrequenz des Systems, erzeugt jedoch mehr elektrische Leistung von dieser Einheit. Während einer schweren Überlastung durch Auslösung oder Ausfall von Generatoren oder Übertragungsleitungen sinkt die Netzfrequenz aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen Last und Erzeugung. Der Verlust einer Verbindung während des Exports von Strom (im Verhältnis zur Gesamterzeugung des Systems) führt dazu, dass die Systemfrequenz vor dem Verlust zunimmt, kann jedoch nach dem Verlust zu einem Zusammenbruch führen, da die Erzeugung jetzt nicht mit dem Verbrauch Schritt hält. Die automatische Erzeugungssteuerung (AGC) wird verwendet, um geplante Frequenzen aufrechtzuerhalten und Leistungsflüsse auszutauschen. Leitsysteme in Kraftwerken erkennen Veränderungen der netzweiten Frequenz und regeln die mechanische Leistungsaufnahme der Generatoren auf ihre Sollfrequenz zurück. Dieses Entgegenwirken dauert aufgrund der großen rotierenden Massen in der Regel einige zehn Sekunden (obwohl die großen Massen in erster Linie dazu dienen, das Ausmaß der kurzzeitigen Störungen zu begrenzen). Temporäre Frequenzänderungen sind eine unvermeidliche Folge einer sich ändernden Nachfrage. Außergewöhnliche oder sich schnell ändernde Netzfrequenzen sind oft ein Zeichen dafür, dass ein Stromverteilungsnetz an seinen Kapazitätsgrenzen arbeitet, wofür manchmal dramatische Beispiele kurz vor größeren Ausfällen beobachtet werden können. Große Kraftwerke einschließlich Solarparks können ihre durchschnittliche Leistung reduzieren und den Spielraum zwischen Betriebslast und maximaler Leistung nutzen, um die Netzregulierung zu unterstützen; Solarwechselrichter reagieren schneller als Generatoren, da sie keine rotierende Masse haben. Da variable Ressourcen wie Sonne und Wind die traditionelle Erzeugung und die von ihnen bereitgestellte Trägheit ersetzen, mussten die Algorithmen ausgefeilter werden. Auch Energiespeicher wie Batterien erfüllen in zunehmendem Maße die Regulierungsfunktion.

Frequenzschutzrelais auf dem Versorgungssystemnetz , den Rückgang der Frequenz erfassen und automatisch initiieren Lastabwurf oder von Verbindungsleitungen Auslösung, den Betrieb von zumindest einem Teil des Netzwerks zu bewahren. Kleine Frequenzabweichungen (z. B. 0,5 Hz in einem 50-Hz- oder 60-Hz-Netz) führen zu automatischem Lastabwurf oder anderen Kontrollmaßnahmen zur Wiederherstellung der Systemfrequenz.

Kleinere Stromsysteme, die nicht umfassend mit vielen Generatoren und Lasten verbunden sind, halten die Frequenz nicht mit dem gleichen Genauigkeitsgrad aufrecht. Wenn die Systemfrequenz während Perioden hoher Last nicht streng reguliert wird, können die Systembetreiber zulassen, dass die Systemfrequenz während Perioden geringer Last ansteigt, um eine tägliche Durchschnittsfrequenz akzeptabler Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Tragbare Generatoren, die nicht an ein Versorgungsnetz angeschlossen sind, müssen ihre Frequenz nicht streng regulieren, da typische Lasten gegenüber kleinen Frequenzabweichungen unempfindlich sind.

Last-Frequenz-Steuerung

Die Last-Frequenz-Regelung (LFC) ist eine Art der integralen Regelung , die die Netzfrequenz und die Leistungsflüsse in angrenzende Bereiche wieder auf ihre Werte vor einer Laständerung zurückführt. Die Energieübertragung zwischen verschiedenen Bereichen eines Systems wird als "Net-Tie-Line-Power" bezeichnet.

Der allgemeine Regelalgorithmus für LFC wurde 1971 von Nathan Cohn entwickelt . Der Algorithmus beinhaltet die Definition des Begriffs Area Control Error (ACE), der die Summe des Netto-Verbindungsleistungsfehlers und des Produkts des Frequenzfehlers mit einer Frequenzabweichung ist Konstante. Wenn der Bereichskontrollfehler auf null reduziert ist, hat der Kontrollalgorithmus die Frequenz- und Verbindungsleistungsfehler auf null zurückgesetzt.

Hörbares Rauschen und Interferenzen

Wechselstrombetriebene Geräte können ein charakteristisches Brummen abgeben, das oft als " Netzbrumm " bezeichnet wird, bei dem Vielfachen der Frequenzen des von ihnen verwendeten Wechselstroms (siehe Magnetostriktion ). Es wird normalerweise durch Motor- und Transformatorkernbleche erzeugt, die im Takt des Magnetfelds schwingen. Dieses Brummen kann auch in Audiosystemen auftreten, bei denen der Netzfilter oder die Signalabschirmung eines Verstärkers nicht ausreichend ist.

50 Hz Netzbrummen
60 Hz Netzbrummen
400 Hz Netzbrummen

Die meisten Länder haben die vertikale Fernsehsynchronisationsrate so gewählt, dass sie der lokalen Netzfrequenz entspricht. Dadurch konnte verhindert werden, dass Stromleitungsbrummen und magnetische Interferenzen sichtbare Schwebungsfrequenzen im angezeigten Bild früher analoger Fernsehempfänger verursachten, insbesondere durch den Netztransformator. Obwohl eine gewisse Verzerrung des Bildes vorhanden war, blieb sie meist unbemerkt, da sie stationär war. Die Eliminierung von Transformatoren durch die Verwendung von AC/DC-Empfängern und andere Änderungen am Set-Design trugen dazu bei, den Effekt zu minimieren, und einige Länder verwenden jetzt eine vertikale Rate, die eine Annäherung an die Versorgungsfrequenz ist (insbesondere 60-Hz-Bereiche).

Eine weitere Verwendung dieser Nebenwirkung ist als forensisches Werkzeug. Wenn eine Aufnahme gemacht wird, die Audio in der Nähe eines Wechselstromgeräts oder einer Steckdose aufnimmt, wird das Brummen nebenbei mit aufgezeichnet. Die Spitzen des Brummens wiederholen sich bei jedem Wechselstromzyklus (alle 20 ms für 50 Hz Wechselstrom oder alle 16,67 ms für 60 Hz Wechselstrom). Die genaue Frequenz des Brummens sollte der Frequenz einer forensischen Aufzeichnung des Brummens zu dem genauen Datum und der Uhrzeit entsprechen, zu der die Aufzeichnung angeblich gemacht wurde. Diskontinuitäten in der Frequenzübereinstimmung oder gar keine Übereinstimmung verraten die Authentizität der Aufzeichnung.

Siehe auch

Weiterlesen

  • Furfari, FA, Die Evolution der Stromleitungsfrequenzen 133+13 bis 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, September / Oktober 2000, Band 6, Ausgabe 5, Seiten 12–14, ISSN 1077–2618.
  • Rushmore, DB, Frequency , AIEE Transactions, Band 31, 1912, Seiten 955–983 und Diskussion auf den Seiten 974–978.
  • Blalock, Thomas J., Elektrifizierung eines großen Stahlwerks – Teil II Entwicklung des 25-Hz-Systems , Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Okt 2005, Seiten 9–12, ISSN  1077-2618 .

Verweise