Warum beträgt die Netzfrequenz 50 Hz und nicht 500 oder 5?

Motoreffizienz, Rotationsbelastung, Flimmern, Hauteffekt und die Einschränkungen der Werkstofftechnik des 19. Jahrhunderts.

50 Hz entspricht 3000 U / min. Dieser Bereich ist eine bequeme, effiziente Drehzahl für die Dampfturbinentriebwerke, die die meisten Generatoren antreiben, und vermeidet somit viel zusätzliches Getriebe.

3000 U / min sind ebenfalls schnell, aber nicht. Die rotierende Turbine und den Wechselstromgenerator dürfen nicht zu stark mechanisch belastet werden. 500 Hz wären 30.000 U / min und bei dieser Geschwindigkeit würde sich Ihr Generator wahrscheinlich selbst zerreißen. Folgendes passiert, wenn Sie eine CD mit dieser Geschwindigkeit drehen und zum Spaß mit 62.000 FPS und 170.000 FPS.

Warum nicht langsamer? Flackern. Selbst bei 40 Hz kühlt sich eine Glühlampe bei jedem Halbzyklus leicht ab, wodurch die Helligkeit verringert und ein merkliches Flackern erzeugt wird. Die Größe von Transformator und Motor ist auch direkt proportional zur Frequenz. höhere Frequenz bedeutet kleinere Transformatoren und Motoren.

Schließlich gibt es den Hauteffekt. Bei höheren Frequenzen neigt Wechselstrom dazu, sich an der Oberfläche eines Leiters zu bewegen. Dies verringert den effektiven Querschnitt des Leiters und erhöht seinen Widerstand, was zu mehr Erwärmung und Leistungsverlust führt. Es gibt Möglichkeiten, diesen Effekt abzuschwächen, und sie werden in Hochspannungskabeln verwendet, aber sie sind teurer und werden daher bei der Hausverkabelung vermieden.

Könnten wir das heute anders machen? Wahrscheinlich. Diese Standards wurden jedoch Ende des 19. Jahrhunderts festgelegt und waren für das damalige elektrische und materielle Wissen praktisch und wirtschaftlich.

Einige Systeme arbeiten mit einer um eine Größenordnung höheren Frequenz als 50 Hz. Viele geschlossene Systeme wie Schiffe, Computerserverfarmen und Flugzeuge verwenden 400 Hz. Sie haben einen eigenen Generator, so dass der Übertragungsverlust aufgrund der höheren Frequenz von geringerer Bedeutung ist. Bei höheren Frequenzen können Transformatoren und Motoren in einem geschlossenen Raum kleiner und leichter gemacht werden, was von großer Bedeutung ist.

Warum beträgt die Netzspannung 110-240 V und nicht 10 V oder 2000 V?

Höhere Spannung bedeutet niedrigeren Strom bei gleicher Leistung. Ein geringerer Strom bedeutet weniger Widerstandsverlust. Sie möchten also Ihre Spannung so hoch wie möglich halten, um eine effiziente Stromverteilung und weniger Heizung mit dünneren (und billigeren) Drähten zu erzielen. Aus diesem Grund wird die Leistung häufig über große Entfernungen in Dutzenden bis Hunderten von Kilovolt verteilt.

Warum ist sie nicht niedriger? Wechselstrom steht in direktem Zusammenhang mit seiner Spannung. Eine Wechselspannung von 10 Volt würde Probleme beim Betrieb Ihrer Haushaltsgeräte mit höherer Energie wie Licht, Heizung oder Kühlschrankkompressormotor haben. Zu der Zeit, als dies entwickelt wurde, war die Wahl der Spannung ein Kompromiss zwischen der Spannung für den Betrieb von Lichtern, Motoren und Geräten.

Warum ist sie nicht höher? Isolierung und Sicherheit. Hochspannungs-Wechselstromkabel benötigen eine zusätzliche Isolierung, damit sie sowohl berührungssicher sind als auch Interferenzen mit anderen Kabeln oder Funkempfängern vermieden werden. Die Kosten für die Hausverkabelung waren ein wichtiges Anliegen bei der frühzeitigen Einführung von Elektrizität. Höhere Spannungen würden die Hausverkabelung sperriger, teurer und gefährlicher machen.

Letztendlich ergibt sich die Wahl einer einzelnen spezifischen Zahl aus der Notwendigkeit einer Standardisierung. Wir können jedoch einige physikalische Beobachtungen machen, um zu verstehen, warum diese endgültige Wahl in einen bestimmten Bereich fallen musste.

Frequenz

Warum ein Standard?

Zunächst einmal, warum brauchen wir überhaupt einen Standard? Können einzelne Geräte den eingehenden Strom nicht auf die gewünschte Frequenz umwandeln? es ist möglich, aber es ist ziemlich schwierig. Elektromagnetismus ist grundsätzlich zeitinvariant und linear; Die Differentialgleichungen, mit denen wir es beschreiben Maxwells 'Gleichungen, sind so, dass ein System, das von einer sinusförmigen Eingabe mit der Frequenz $ \ omega $ span> angetrieben wird, nur reagiert Um eine andere Frequenz als $ \ omega $ span> zu erhalten, müssen die elektromagnetischen Felder mit etwas anderem interagieren, insbesondere mit geladener Materie. Dies kann eintreten die Form eines mechanischen Getriebes oder eines nichtlinearen elektrischen Elements wie Transistoren. Nichtlineare Elemente wie der Transistor können Harmonische des Eingangs erzeugen, dh Frequenzen $ 2 \ omega $ span>, $ 3 \ omega $ span> usw. In jedem Fall führt die Frequenzumwandlung jedoch zu Effizienzverlusten, Kosten und Sperrigkeit des Systems.

Zusammenfassend Aufgrund der Zeitinvarianz und Linearität des Elektromagnetismus ist es wesentlich praktischer, eine einzelne Frequenz zu wählen und sich daran zu halten.

Lichtflimmern

In einer historischen Notiz von EL Owen (siehe Referenzen) wird angemerkt, dass die endgültige Entscheidung zwischen 50 und 60 Hz etwas willkürlich war, aber teilweise auf der Berücksichtigung von Lichtflimmern beruhte.

Während Bibber während des Vortrags über Steinmecz 'Beiträge zu technischen Standards berichtete, wiederholte er kurz die Geschichte der Frequenzen. Seiner Ansicht nach „lag die Wahl zwischen 50 und 60 Hz, und beide waren gleichermaßen auf die Bedürfnisse zugeschnitten. Wenn alle Faktoren berücksichtigt wurden, gab es keinen zwingenden Grund, eine der beiden Frequenzen auszuwählen. Schließlich wurde die Entscheidung getroffen, auf 60 Hz zu standardisieren, da es als weniger wahrscheinlich empfunden wurde, störendes Lichtflimmern zu erzeugen. “

Die Berücksichtigung von Lichtflimmern taucht an anderer Stelle in historischen Berichten und auf erklärt, warum sehr niedrige Frequenzen nicht verwendet werden konnten. Wenn wir einen reinen Widerstand mit einem Wechselstrom ansteuern $ I (t) = I_0 \ cos (\ omega t) $ span>, Die momentane Verlustleistung ist proportional zu $ I (t) ^ 2 $ span>. Dieses Signal schwingt zeitlich mit einer Frequenz $ 2 \ Omega $ span> (merken Sie sich Ihre Triggeridentitäten). Wenn daher $ \ omega $ span> niedriger ist als um $ 40 \ , \ text {Hz} $$ ^ {[a]} $ span>, die Verlustleistung variiert langsam genug, dass Sie sie als visuellen Reiz wahrnehmen können. Dies legt eine grobe Untergrenze für die Frequenz fest, die Sie zum Fahren verwenden können eine Lichtquelle. Beachten Sie, dass die Bogenlampen verwendet werden, wenn elektrische Normen w Die entwickelten haben möglicherweise keine rein resistive elektrische Reaktion (siehe Schwerns Antwort, in der die Kühlung bei jedem Zyklus erwähnt wird), aber die Quellenfrequenz ist auch in nichtlinearen und gefilterten Systemen immer im Ausgang vorhanden.

Reflexionen / Impedanzanpassung

Wechselstromsignale, die sich auf einem Draht bewegen, verhalten sich wellenförmig. Je höher die Frequenz, desto welliger ist das Signal. Eine gute Faustregel lautet: Wenn die Länge der Drähte mit vergleichbar ist oder viel länger als die Wellenlänge des Signals, dann müssen Sie sich über wellenartige Phänomene wie Reflexion Gedanken machen. Die Wellenlänge $ \ lambda $ span> eines elektrischen Signals ist ungefähr $$ \ lambda = c / f $$ span> wobei $ c $ span> ist Die Lichtgeschwindigkeit und $ f $ span> ist die Frequenz. Angenommen, wir möchten den Strom von einem Umspannwerk zu einem Haus übertragen und die Wellenlänge groß genug halten, um die Reflexionsphysik zu verhindern, ohne sich um eine sorgfältige Impedanzanpassung kümmern zu müssen von $ 1000 \, \ text {m} $ span>, um konservativ zu sein. Dann erhalten wir $$ f \ leq c / 1000 \ , \ text {m} = 300 \, \ text {kHz} \ ,. $$ span>

Spannung

Wir sprechen hier über die Spannung im Gebäude Beachten Sie, dass die Leistung mit einer viel höheren Spannung übertragen in der Nähe des Endpunkts abgesenkt wird. Die Wahl von 120 V beruht offenbar auf der Tatsache, dass Strom ursprünglich für die Beleuchtung verwendet wurde, und auf den ersten Lampen Damals waren sie bei etwa 110 V am effizientesten. Der Wert 120 V wurde möglicherweise gewählt, um den Spannungsabfall in den zu den Lichtquellen führenden Drähten auszugleichen.

Weiterführende Literatur

Detailliertes Dokument von EL Owen mit Referenzen

$ [a] $ span>: Ich bin kein Experte für die Wahrnehmung menschlichen Flimmerns. Diese Zahl ist eine grobe Vermutung, die auf persönlichen Erfahrungen und etwas Literatur basiert.

P.S. Ich betrachte diese Antwort als in Arbeit und werde mehr hinzufügen, wenn ich mehr lerne.

Die beiden anderen Antworten befassen sich mit dem Frequenzproblem. Das Spannungsproblem ist viel einfacher.

Wenn die Spannung zu hoch ist, besteht die Gefahr von Lichtbögen zwischen Leitern. Der Mindestabstand zwischen den Leitern vor dem Auftreten eines Lichtbogens ist proportional zur Spannung. Bei 240 V befinden Sie sich je nach Luftfeuchtigkeit in einem Abstand von einigen Millimetern in der Luft. Mehr Spannung wird eindeutig unpraktisch ...

Wenn die Spannung niedriger wird, benötigen Sie andererseits mehr Strom für eine bestimmte Leistung. Die Erwärmung der Drähte ist jedoch proportional zum Quadrat des Stroms: Dies bedeutet, dass dickere Drähte mit geringerem Widerstand benötigt werden. Das ist umständlich, teuer und steif (zum Beispiel ist ein Draht mit einer Nennleistung von 32 A für Wandecken kaum biegbar genug).

Die gewählten 120 / 240V spiegeln also dieses Gleichgewicht zwischen Lichtbogenproblemen (insbesondere bei Verbindungen) und Drahtheizung wider

Ich habe auch gehört, dass die Sicherheit eine hohe Spannung vorschreibt, sodass Muskelkrämpfe Ihnen die Möglichkeit geben, alles, was Sie berühren, fallen zu lassen, bevor Sie sich bis ins Mark verbrennen. Ich weiß nicht, inwieweit dies wahr ist ...

Der Nachteil einer zu niedrigen Frequenz besteht darin, dass die Netztransformatoren sehr groß werden.

Es gab jedoch niedrigere Frequenzstandards (25 Hz, 15 usw.). Diese werden von Zügen verwendet (meistens Legacy-Systeme).

Praktische Gründe sind der Hauteffekt (Sie möchten nicht, dass Ihre Frequenz höchstens einige KHz um ein Vielfaches überschreitet, es sei denn, Sie sind bereit, zur Übertragung großer Ströme einen ähnlichen Litzendraht zu verwenden) und die Größe der Magnetkerne für Transformatoren. die in der Lage sein müssen, mehr als die maximale Energie, die in jedem Zyklus übertragen werden soll, magnetisch zu speichern, so dass ihr Volumen mit der Zyklusperiode wächst. Diese physikalischen Einschränkungen definieren jedoch kein scharfes Optimum; 10 Hz oder 500 Hz wären daher ebenso sinnvoll, und ähnliche Werte werden auch heute noch in der Praxis verwendet: Moderne Düsenflugzeuge verfügen über 400-Hz-Netzteile, während zumindest in Deutschland die Stromversorgung für elektrische Züge auf 16 2/3 standardisiert ist Hz.

Es gibt offensichtlich einen ähnlichen Kompromiss zwischen Spannung und Strom, aber mindestens solange Ihre gewählte Frequenz es Ihnen ermöglicht, eine niedrigere Spannung mit dickeren Drähten und eine höhere Spannung mit dickerer Isolation zu kompensieren könnte argumentieren, dass dies eher ein wirtschaftlicher oder sicherheitspolitischer Kompromiss ist. Schließlich transformieren wir uns über große Entfernungen, um einen besseren Kompromiss zu erzielen (und müssen Wechselstrom anstelle von Gleichstrom verwenden, um dies auch mit rein passiven, historisch alten Techniken immer tun zu können). Daher vermute ich, ohne es wirklich zu wissen, dass historische Gründe, wie die maximale praktische Spannung, für die Glühbirnen während der Zeit der Normung hergestellt werden könnten, oder vielleicht begleitende Ideen darüber, was für Fabriken und Haushalte noch nicht allzu gefährlich sein könnte, eine Rolle spielen Rolle.

Es scheint, als ob 60 Hz anstelle von 55 oder 75 gewählt wurden, einfach weil eine Minute 60 Sekunden hat und 60 Zyklen pro Sekunde eine angenehme Zahl waren.

In den frühen Tagen der Verteilung Kraftübertragung Die Frequenzen und Spannungen wären überall gewesen. Die Grenzen dessen, was sicher und bequem war, wären durch praktische Erfahrung entwickelt worden.

Die für Transformatoren verwendeten Materialien hätten niedrige Frequenzen bevorzugt. Die Masse der Transformatoren hätte hohe Frequenzen bevorzugt. Der Bereich von 50 bis 60 war der Sweet Spot, und 50 und 60 sind beide "runde" Zahlen, die sich für Timing-Zwecke gut teilen.

Die Spannungen hätten sich mit der mitgelieferten Ausrüstung, den Glühbirnen, den Motoren und etwas normalisiert Dies wäre verkauft worden, um einer lokalen Versorgung zu entsprechen, und die Spannungsbereiche des Herstellers hätten die Optimierung der Erzeugungsspannung gefördert.