電源頻率
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電源頻率（mains frequency（英），utility frequency（美））是「電網工作頻率」的簡稱，又稱工頻，指電網中交流電的頻率，同一電網中的所有發電機、輸配電設備和用戶均使用這一頻率的交流電。目前世界上大多數國家使用50Hz作為電網工作頻率，但也有美國（包含領地）、部分亞洲國家和地區使用60Hz電源頻率。
在第二次工業革命過程中，許多不同的頻率和電壓曾被使用過。由於建設電網的設備投資巨大，電網規格的標準化進展緩慢。儘管如此，21世紀以來，使用50 Hz電源頻率的電網趨向於使用220–240伏電壓；使用60 Hz電源頻率的電網趨向於100–127 V供電。 兩種頻率目前在世界上同時使用（日本同時使用這兩個頻率），而且在技術上、兩種頻率沒有優劣之分[1]。目前，沒有在全世界範圍內對電網頻率進行標準化的動力。
除非特別註明可以同時在50 Hz和60 Hz電源頻率上運行，電器不在設計的電源頻率的電網上工作可能導致效率降低甚至安全隱患。有些日本出售的電器能夠同時在50Hz和60Hz。若電器有電源轉換器，將交流電轉換為直流電後再提供電器使用，也不受工頻頻率的影響。
影響因素
[編輯]在選擇電網的工作頻率時需要考慮許多因素[2]。包括照明設備、電動機、變壓器、發電機和輸電線路在內的設備的工作特性都與電網頻率有關。這些因素相互影響，使得電源頻率的選擇具有相當的重要性：需要在儘量滿足互相矛盾的性能要求的基礎上進行妥協。
在19世紀晚期，電網的頻率越高，越有利於照明設備工作和變壓器節約材料；與此同時，電網頻率越低，越有利於長距離傳輸線、電動機和旋轉變流器的設計。在大功率發電設備成熟以前，電網電源頻率的選擇往往取決於該電網負載的類型。技術的進步最終掃清了弧光燈和電動機等不同類型負載使用同一頻率的障礙；同時，統一的供電系統也更加經濟，因為一天之中負載的變化更小。
照明設備
[編輯]商業電網的第一批用電器是白熾燈和裝有換向器的直流電機。這兩種設備都能在直流下很好地工作，但直流電很難轉換電壓，且用電設備大多只能在額定電壓下工作。
若白熾燈工作於低頻電流之下，燈絲每半個周期冷卻一次，產生顯著的明暗變化；這種效應對弧光燈和後來的汞燈和螢光燈更明顯。
旋轉機械
[編輯]換向器電機難以在高頻交流電下工作，因為快速變換的電流被電機繞組的電感所阻擋。儘管裝有換向器的交流電機在家用小型電器中被廣泛使用，但它們的功率都小於1kW。感應電動機能在50Hz到60Hz很好地工作；但在1890年，由於缺乏低鐵損的材料，較高的頻率，如133Hz，是不適用於旋轉機械的。
由於電機轉速正比於交流電頻率，反比與磁極對數；因此，標準轉速與電網電源頻率之間相互制約。因此，一旦交流電動機普及，為了適配設備，頻率的標準化變得越來越重要。
如果發電機的磁極對數一定，使用低轉速的往復式引擎驅動比使用高轉速的汽輪機驅動產生的頻率更低。如果原動機轉速較低，為提供高頻率而建造多磁極數發電機成本更高。同時，在低速下發電機更容易同步，進而更容易併網。早起用於提高轉速的皮帶傳動在大功率（幾千千瓦）下變得昂貴、低效而不可靠。到1906年，高轉速的蒸汽輪機驅動發電機方案為高電源頻率帶來優勢。穩定的轉速也滿足了旋轉變流器換向器的工作需要[2]。
交流電機的同步轉速N用每分鐘轉數（RPM）可以表示為：
其中f為交流電頻率，單位為赫茲（Hz），P為磁極個數。
| 磁極個數 | RPM at 1331⁄3 Hz | RPM at 60 Hz | RPM at 50 Hz | RPM at 40 Hz | RPM at 25 Hz | RPM at 162⁄3 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 | 3331⁄3 | 2662⁄3 | 1662⁄3 | 111.1 |
| 20 | 800 | 360 | 300 | 240 | 150 | 100 |
直流電並未完全被交流電取代，目前仍用於電氣化鐵路、電信和電化學等領域，一些長距離及水底的電力傳輸系統會採用高壓直流輸電。在半導體整流設備出現前，常用汞弧整流器、旋轉變流器來進行整流。
中國電源頻率歷史
[編輯]1928年7月16日，亞浦耳公司向上海社會局公用局呈文，呈請上海特別市政府轉請中央主管機關，建議規定200伏和50赫茲為中國電壓頻率標準。1929年2月，國民政府建設委員會電氣處分六個步驟開始制訂中國電壓頻率標準。 國民政府建設委員會制訂《電氣事業電壓周率標準規則》，經行政院核准，1930年9月12日以建設委員會會公布令第五十七號，「自中華民國二十年一月一日起施行」。1935年關東軍要求滿洲電氣委員會統一頻率，規定50周波為標準頻率，廢除直流、60赫茲、25赫茲各家發電廠。
1953年6月由中央人民政府政務院燃料工業部頒布《電力系統調度管理暫行條例》第97條規定：「電力系統的周率應連續不斷地保持在五十周波的水平上。其差別不得大於±0.5（50.5-49.5）周波。」
日本電源頻率歷史
[編輯]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。
跨越東西兩電網的東海道新幹線全線採用25kV、60Hz的交流電；北陸新幹線則存在50Hz及60Hz兩種供電區間，列車可對應兩種頻率。
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。
400 Hz
[編輯]美國軍用標準MIL-STD-704規定了400Hz、115/200V交流電為美軍設備的標準頻率，包含戰鬥機、太空設備、軍艦和潛艦等，有別於美國民生用電標準的60Hz。
400Hz的變壓器和馬達比50/60Hz的變壓器和馬達更小、更輕，更適合安裝在空間狹小的軍用飛機和艦船。
噪音和干擾
[編輯]交流供電的設備會以其使用的交流電源頻率的倍數發出特有的聲響。它通常是由馬達和變壓器鐵芯疊片隨磁場同步振動而產生的。這種聲響也可能出現在音頻系統中，其中放大器的電源濾波器或訊號遮蔽不足導致。
各國電源頻率
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使用60Hz的國家/地區
[編輯]亞洲/大洋洲
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北美洲
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中美洲
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南美洲
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參考文獻
[編輯]引用
[編輯]- ^ A.C. Monteith , C.F. Wagner (ed), Electrical Transmission and Distribution Reference Book 4th Edition, Westinghouse Electric Corporation 1950, page 6
- ^ 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
- ^ 門井龍太郎、電気の周波數と電圧(世界•日本) 電氣學會雜誌 1991年 111巻 12號 p.1011-1014, doi:10.11526/ieejjournal1888.111.1011
書目
[編輯]- Furfari, F.A., The Evolution of Power-Line Frequencies 133+1⁄3 to 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Oct 2000, Volume 6, Issue 5, Pages 12–14, ISSN 1077-2618.
- Rushmore, D.B., Frequency, AIEE Transactions, Volume 31, 1912, pages 955–983, and discussion on pages 974–978.
- Blalock, Thomas J., Electrification of a Major Steel Mill – Part II Development of the 25 Hz System, Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Oct 2005, Pages 9–12, ISSN 1077-2618.
來源
[編輯]- ENTSO-E. Rate of Change of Frequency (ROCOF) withstand capability (PDF). European Network of Transmission System Operators for Electricity. 29 March 2017.
- Miller, Nicholas; Lew, Debra; Barnes, Steven. Advisory on Equipment Limits associated with High RoCoF. General Electric International, Inc. April 9, 2017.
- NERC. Balancing and Frequency Control (PDF). North American Electric Reliability Corporation. May 11, 2021.
- Bratton, Timothy Lee. On the load-frequency control problem (PDF) (MSc論文). Houston, Texas: Rice University. May 1971.
