Почему общедоступная сеть использует 50-60 Гц и 100-240 В?

Есть ли физическая причина за частотой и напряжением в электросети? Я не хочу знать, почему именно определенное значение было выбрано; Мне довольно интересно узнать, почему был выбран этот диапазон / порядок величины. Т.е. почему 50 Гц, а не 50000 Гц или 0,005 Гц?

Например, является ли 50 Гц фактической частотой, с которой вращается турбина, и не практично ли создавать такую, которая вращается намного быстрее или медленнее?

Schwern

Почему частота сети 50 Гц, а не 500 или 5?

Эффективность двигателя, напряжение вращения, мерцание, скин-эффект и ограничения материаловедения 19-го века.

50 Гц соответствует 3000 об / мин. Этот диапазон является удобной, эффективной скоростью для паротурбинных двигателей, которые приводят в действие большинство генераторов и, таким образом, избегают большого количества дополнительных передач.

3000 оборотов в минуту также быстрая, но не создает слишком больших механических нагрузок на вращающуюся турбину или генератор переменного тока. 500 Гц будет 30000 оборотов в минуту, и на этой скорости ваш генератор, вероятно, разорвется на части. Вот что происходит, когда вы вращаете компакт-диск с такой скоростью и ради забавы со скоростью 62 000 кадров в секунду и 170 000 кадров в секунду .

Почему не медленнее? Flicker. Даже на частоте 40 Гц лампа накаливания слегка охлаждается в каждом полупериоде, уменьшая яркость и производя заметное мерцание. Размер трансформатора и двигателя также прямо пропорционален частоте, более высокая частота означает меньшие трансформаторы и двигатели.

Наконец, есть скин-эффект . На более высоких частотах мощность переменного тока имеет тенденцию распространяться по поверхности проводника. Это уменьшает эффективное поперечное сечение проводника и увеличивает его сопротивление, вызывая большее нагревание и потерю мощности. Есть способы смягчить этот эффект, и они используются в проводах высокого напряжения, но они более дороги и поэтому их избегают в домашней проводке.

Можем ли мы сделать это по-другому сегодня? Наверное. Но эти стандарты были установлены в конце 19-го века, и они были удобны и экономичны для электрических и материальных знаний того времени.

Некоторые системы работают на порядок выше частоты, чем 50 Гц. Многие закрытые системы, такие как корабли, компьютерные серверные фермы и самолеты, используют 400 Гц . У них есть собственный генератор, поэтому потери при передаче из-за более высокой частоты имеют меньшие последствия. На более высоких частотах трансформаторы и двигатели могут быть сделаны меньше и легче, что имеет большое значение в замкнутом пространстве.

Почему напряжение сети 110-240В, а не 10В или 2000В?

Более высокое напряжение означает меньший ток для той же мощности. Более низкий ток означает меньшие потери из-за сопротивления. Таким образом, вы хотите, чтобы ваше напряжение было как можно выше для эффективного распределения энергии и меньшего нагрева с помощью более тонких (и более дешевых) проводов. По этой причине мощность часто распределяется на большие расстояния от десятков до сотен киловольт .

Почему не ниже? Мощность переменного тока напрямую связана с его напряжением . При напряжении переменного тока в 10 вольт могут возникнуть проблемы с работой бытовой техники с высоким энергопотреблением, такой как освещение, обогреватель или двигатель компрессора холодильника. В то время, когда это разрабатывалось, выбор напряжения был компромиссом между напряжением для фар, двигателей и приборов.

Почему не выше? Изоляция и безопасность. Высоковольтные провода переменного тока нуждаются в дополнительной изоляции, чтобы они оба были безопасными для прикосновения и чтобы не было помех другим проводам или радиоприемникам. Стоимость проводки дома была главной проблемой в начале принятия электричества. Более высокое напряжение сделает домашнюю проводку более громоздкой, дорогой и более опасной.

DanielSank

В конце концов, выбор одного конкретного номера происходит из-за необходимости стандартизации. Однако мы можем сделать некоторые физические наблюдения, чтобы понять, почему этот окончательный выбор должен был попасть в определенный диапазон.

частота

Почему стандарт?

Прежде всего, зачем нам вообще нужен стандарт? Разве отдельные приборы не могут преобразовывать поступающую электроэнергию на любую частоту, которую они хотят? Ну, в принципе это возможно, но это довольно сложно. Электромагнетизм принципиально не зависит от времени и является линейным; дифференциальные уравнения, которые мы используем для его описания , уравнения Максвелла таковы, что система приводится в действие синусоидальным входом с частотой ω ω отвечает только на той же частоте. Чтобы получить частоту, отличную от ω ω электромагнитные поля должны взаимодействовать с чем-то другим, особенно с заряженной материей. Это может быть в виде механической коробки передач или нелинейных электрических элементов, таких как транзисторы. Нелинейные элементы, такие как транзистор, могут генерировать гармоники входа, то есть частоты 2 ω 2 ω , 3 ω 3 ω и т. д. Однако в любом случае преобразование частоты приводит к снижению эффективности, стоимости и громоздкости системы.

Таким образом, из-за неизменности времени и линейности электромагнетизма, гораздо более практично выбрать одну частоту и придерживаться ее.

Легкое мерцание

В исторической заметке Е.Л. Оуэна (см. Ссылки) отмечается, что окончательное решение между 50 и 60 Гц было несколько произвольным, но частично основанным на рассмотрении мерцания света.

Во время лекции, в то время как Биббер рассказал о вкладе Стейнмека в технические стандарты, он кратко повторил историю частот. По его словам, «выбор был между 50 и 60 Гц, и оба были в равной степени соответствуют потребностям. Когда были учтены все факторы, не было убедительной причины выбирать какую-либо частоту. Наконец, было принято решение стандартизировать частоту 60 Гц, так как было с меньшей вероятностью вызывать раздражающее мерцание света ».

Рассмотрение мерцания света встречается в других исторических отчетах и ​​объясняет, почему очень низкие частоты не могут быть использованы. Когда мы ведем чистое сопротивление с переменным током я ( т ) = я 0 соз ( ω т ) я ( T ) знак равно я 0 соз ⁡ ( ω T ) мгновенное рассеивание мощности пропорционально я ( т ) 2 я ( T ) 2 , Этот сигнал колеблется во времени на частоте 2 ω 2 ω (запомни свои триггеры). Следовательно, если ω ω ниже, чем вокруг 40 Гц 40 Гц [ а ] [ ] рассеиваемая мощность изменяется достаточно медленно, чтобы в качестве визуального стимула вы могли ее воспринимать. Это устанавливает грубый нижний предел частоты, которую вы можете использовать для управления источником света. Обратите внимание, что дуговые лампы, используемые при разработке электрических стандартов, могли не иметь чисто резистивного электрического отклика (см. Ответ Шверна, где упоминается охлаждение в каждом цикле), но частота источника всегда присутствует на выходе даже в нелинейных и отфильтрованных системах.

Отражения / согласование импеданса

Сигналы переменного тока, распространяющиеся по проводу, подчиняются волнообразному поведению. В грубом смысле, чем выше частота, тем более волнистый сигнал. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что если длина проводов сравнима или намного больше длины волны сигнала, вам следует беспокоиться о волнообразных явлениях, таких как отражение. Длина волны λ λ электрического сигнала примерно

вольтаж

Мы говорим о напряжении внутри здания здесь. Обратите внимание, что мощность передается при гораздо более высоком напряжении, а затем снижается вблизи конечной точки. Выбор 120 В, по-видимому, обусловлен тем фактом, что электричество изначально использовалось для освещения, а первые лампы в те первые годы были наиболее эффективными при напряжении около 110 В. Значение 120 В может быть выбрано для компенсации падения напряжения в проводах, идущих к источникам освещения.

дальнейшее чтение

[ а ] [ ] Я не эксперт в восприятии мерцания человека. Это число является приблизительным предположением, основанным на личном опыте и некоторой литературе.

PS Я считаю этот ответ незавершенным и добавлю больше по мере того, как узнаю больше.