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

Motoreffizienz, Rotationsspannung, Flimmern, der Skin-Effekt und die Grenzen der Materialtechnik des 19. Jahrhunderts.

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

3000 U/min sind ebenfalls schnell, belasten aber weder die rotierende Turbine noch den Wechselstromgenerator mechanisch. 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 für Funsies mit 62.000 FPS und 170.000 FPS .

Warum nicht langsamer? Flackern. Selbst bei 40 Hz kühlt eine Glühlampe bei jedem Halbzyklus leicht ab, was die Helligkeit verringert und ein merkliches Flimmern erzeugt. Die Transformator- und Motorgröße ist auch direkt proportional zur Frequenz, eine höhere Frequenz bedeutet kleinere Transformatoren und Motoren.

Schließlich gibt es noch den Skin-Effekt . Bei höheren Frequenzen bewegt sich Wechselstrom in der Regel an der Oberfläche eines Leiters. Dies reduziert 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 in der Hausverkabelung vermieden.

Könnten wir es heute anders machen? Wahrscheinlich. Aber diese Standards wurden im späten 19. Jahrhundert festgelegt und waren für das damalige Elektro- und Materialwissen praktisch und wirtschaftlich.

Einige Systeme laufen 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, sodass die Übertragungsverluste aufgrund der höheren Frequenz weniger ins Gewicht fallen. Bei höheren Frequenzen können Transformatoren und Motoren kleiner und leichter gemacht werden, was in einem geschlossenen Raum 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. Niedriger Strom bedeutet weniger Verlust durch Widerstand. Sie möchten also Ihre Spannung so hoch wie möglich für eine effiziente Stromverteilung und weniger Erwärmung mit dünneren (und billigeren) Drähten bekommen. Aus diesem Grund wird der Strom oft in Dutzenden bis Hunderten von Kilovolt über große Entfernungen verteilt .

Warum ist es nicht niedriger? Wechselstrom steht in direktem Zusammenhang mit seiner Spannung . Wechselstrom mit 10 Volt würde Probleme haben, Ihre energiereicheren Haushaltsgeräte wie Lampen, Heizungen oder Kühlschrankkompressormotoren zu betreiben. Zu der Zeit, als dies entwickelt wurde, war die Wahl der Spannung ein Kompromiss zwischen der Spannung zum Betrieb von Lichtern, Motoren und Geräten.

Warum ist es nicht höher? Isolierung und Sicherheit. Hochspannungskabel benötigen eine zusätzliche Isolierung, damit sie berührungssicher sind und Interferenzen mit anderen Kabeln oder Funkempfängern vermieden werden. Die Kosten für die Hausverkabelung waren ein Hauptanliegen bei der frühen Einführung von Elektrizität. Höhere Spannungen würden die Hausverkabelung sperriger, teurer und gefährlicher machen.

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

Frequenz

Warum eine Norm?

Erstens: Warum brauchen wir überhaupt einen Standard? Können einzelne Geräte den eingehenden Strom nicht auf eine beliebige Frequenz umwandeln? Nun, im Prinzip ist es möglich, aber es ist ziemlich schwierig. Elektromagnetismus ist grundsätzlich zeitinvariant und linear; die Differentialgleichungen, die wir verwenden, um sie zu beschreiben Maxwells Gleichungen sind so, dass ein System von einem sinusförmigen Eingang mit Frequenz angetrieben wird$\omega$reagiert nur mit derselben Frequenz. Um eine andere Frequenz heraus zu bekommen$\omega$Die elektromagnetischen Felder müssen mit etwas anderem interagieren, insbesondere mit geladener Materie. Dies kann in Form eines mechanischen Getriebes oder eines nichtlinearen elektrischen Elements wie Transistoren erfolgen. Nichtlineare Elemente wie der Transistor können Oberschwingungen des Eingangs erzeugen, dh Frequenzen$2 \omega$,$3 \omega$usw. In jedem Fall führt die Frequenzumwandlung jedoch zu Effizienzverlusten, Kosten und Sperrigkeit des Systems.

Zusammenfassend ist es aufgrund der Zeitinvarianz und Linearität des Elektromagnetismus wesentlich praktischer, eine einzige Frequenz zu wählen und sich daran zu halten

Leichtes Flackern

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 Steinmeczs Beiträge zu technischen Standards erzählte, wiederholte er kurz die Geschichte der Frequenzen. Nach seinen Angaben „hatte die Wahl zwischen 50 und 60 Hz, und beide waren für die Anforderungen gleichermaßen geeignet. Wenn alle Faktoren berücksichtigt wurden, gab es keinen zwingenden Grund, eine der Frequenzen auszuwählen. Schließlich wurde die Entscheidung getroffen, auf 60 Hz zu standardisieren, da es als weniger wahrscheinlich empfunden wurde, störendes Lichtflimmern zu erzeugen.“

Die Betrachtung des Lichtflimmerns taucht an anderer Stelle in historischen Berichten auf und erklärt, warum sehr niedrige Frequenzen nicht verwendet werden konnten. Wenn wir einen reinen Widerstand mit Wechselstrom treiben$I(t) = I_0 \cos(\omega t)$, der momentanen Verlustleistung proportional ist$I(t)^2$. Dieses Signal schwingt zeitlich mit einer Frequenz$2\omega$(Erinnern Sie sich an Ihre trigonometrischen Identitäten). Daher, wenn$\omega$ist niedriger als rund$40 \, \text{Hz}$$^{[a]}$, variiert die Verlustleistung so langsam, dass Sie sie als visuellen Reiz wahrnehmen könnten. Dies legt eine grobe untere Grenze für die Frequenz fest, die Sie zum Ansteuern einer Lichtquelle verwenden können. Beachten Sie, dass die bei der Entwicklung elektrischer Standards verwendeten Bogenlampen möglicherweise keine rein resistive elektrische Reaktion hatten (siehe Schwerns Antwort, in der die Kühlung bei jedem Zyklus erwähnt wird), aber die Quellenfrequenz ist selbst in nichtlinearen und gefilterten Systemen immer im Ausgang vorhanden.

Reflexionen / Impedanzanpassung

Wechselstromsignale, die sich auf einem Draht ausbreiten, gehorchen einem wellenförmigen Verhalten. Grob gesagt gilt: Je höher die Frequenz, desto welliger das Signal. Eine gute Faustregel lautet: Wenn die Länge der Drähte mit der Wellenlänge des Signals vergleichbar oder viel länger ist, müssen Sie sich um wellenartige Phänomene wie Reflexionen kümmern. Die Wellenlänge$\lambda$eines elektrischen Signals ist ungefähr

Stromspannung

Wir sprechen hier über die Spannung innerhalb des Gebäudes. Beachten Sie, dass die Leistung bei viel höherer Spannung übertragen und dann nahe dem Endpunkt heruntergefahren wird. Die 120-V-Wahl rührt offenbar daher, dass ursprünglich Strom zur Beleuchtung verwendet wurde und die ersten Lampen damals bei etwa 110 V am effizientesten waren . Der Wert 120 V kann gewählt worden sein, um den Spannungsabfall in den zu den Lichtquellen führenden Drähten auszugleichen.

Weiterlesen

Ausführliches Dokument von EL Owen mit Referenzen

$[a]$: Ich bin kein Experte für die menschliche Flimmerwahrnehmung. Diese Zahl ist eine grobe Schätzung, die auf persönlichen Erfahrungen und Literatur basiert.

PS Ich betrachte diese Antwort als noch in Arbeit und werde weitere hinzufügen, wenn ich mehr erfahre.

Die beiden anderen Antworten sprechen das Frequenzproblem an. Das Spannungsproblem ist viel einfacher.

Bei zu hoher Spannung besteht die Gefahr von Lichtbögen zwischen Leitern. Der Mindestabstand zwischen Leitern, bevor ein Lichtbogen auftritt, ist proportional zur Spannung. Bei 240V schlägt man je nach Luftfeuchtigkeit im Abstand von wenigen Millimetern in Luft. Mehr Spannung wird eindeutig unpraktisch ...

Sinkt die Spannung dagegen, braucht man für eine gegebene Leistung mehr Strom. Die Erwärmung von Drähten ist jedoch proportional zum Quadrat des Stroms: Dies bedeutet, dass ein dickerer Draht mit geringerem Widerstand benötigt wird. Das ist umständlich, teuer und steif (zum Beispiel ist ein Draht mit einer Nennleistung von 32 A für Wandecken kaum biegbar genug).

Die gewählten 120/240 V spiegeln also dieses Gleichgewicht zwischen Lichtbogenproblemen (insbesondere in der Nähe von Verbindungen) und Drahterwärmung wider.

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

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 Altsysteme).

Zu den praktischen Gründen gehören der Skin-Effekt (Sie möchten nicht, dass Ihre Frequenz höchstens einige kHz weit überschreitet, es sei denn, Sie sind bereit, etwas Ähnliches wie Litzendraht zu verwenden, um große Ströme zu übertragen) und die Größe der Magnetkerne für Transformatoren, die sein müssen in jedem Zyklus mehr als die maximal zu übertragende Energie magnetisch speichern können, so dass ihr Volumen mit der Zyklusdauer wächst. Diese physikalischen Einschränkungen definieren jedoch kein scharfes Optimum; 10 Hz oder 500 Hz wären also ebenso sinnvoll und in der Praxis werden auch heute noch ähnliche Werte verwendet: Moderne Düsenflugzeuge haben 400-Hz-Stromversorgungen, während zumindest in Deutschland die Stromversorgung von Elektrozügen auf 16 2/ 3 Hertz.

Es gibt offensichtlich einen ähnlichen Kompromiss zwischen Spannung und Strom, aber zumindest solange Sie mit Ihrer gewählten Frequenz eine niedrigere Spannung mit dickeren Drähten und eine höhere Spannung mit dickerer Isolierung kompensieren können, könnten Sie argumentieren, dass dies eher wirtschaftlich ist oder Sicherheitskompromiß. Schließlich transformieren wir für lange Distanzen, um einen besseren Kompromiss zu erzielen (und müssen AC statt DC verwenden, um dies immer zu können, auch mit rein passiven, historisch alten Techniken). Daher vermute ich, ohne es wirklich zu wissen, dass historische Gründe wie die maximale praktische Spannung, für die Glühbirnen während der Zeit der Standardisierung hergestellt werden konnten, oder vielleicht begleitende Ideen, was für Fabriken und Haushalte immer noch nicht allzu gefährlich sein könnte, eine Rolle spielen Rolle.

Es scheint, als ob 60 Hz anstelle von 55 oder 75 ausgewählt wurden, einfach weil eine Minute 60 Sekunden hat und daher 60 Zyklen pro Sekunde eine angenehme Zahl zu sein schienen.

In den frühen Tagen der dezentralen Stromübertragung waren die Frequenzen und Spannungen überall verstreut. Die Grenzen dessen, was sicher und bequem war, wären durch praktische Erfahrung entwickelt worden.

Die für Transformatoren verwendeten Materialien hätten tiefe Frequenzen bevorzugt. Die Masse der Trafos hätte hohe Frequenzen bevorzugt. Der Bereich von 50-60 war der Sweetspot und 50 und 60 sind beides „runde“ Zahlen, die sich für Timing-Zwecke gut aufteilen lassen.

Die Spannungen hätten sich mit der gelieferten Ausrüstung etwas standardisiert, Glühbirnen, Motoren und dergleichen wären verkauft worden, um einer lokalen Versorgung zu entsprechen, und die Spannungsbereiche der Anbieter hätten die Optimierung der Erzeugungsspannung gefördert.