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世界上有些國家(jia)，例如英(ying)美(mei)用(yong)(yong)的(de)是60Hz的(de)交流電，因為采用(yong)(yong)的(de)是十二進(jin)制，什么12星(xing)座、12小時、12先令(ling)等于1英(ying)鎊等等。后來的(de)國家(jia)都采用(yong)(yong)十進(jin)制了(le)，所以頻率是50Hz。當然還(huan)有某奇葩的(de)漆器國，東(dong)邊(bian)用(yong)(yong)50Hz，西邊(bian)用(yong)(yong)60Hz。。。

 

那么，我們為什么要選用50Hz的交流電，而不是5Hz或400Hz呢？

 

 

如果頻率低了會怎么樣？

頻率最低(di)就是0，也就是直流(liu)(liu)。當年愛迪生為了證(zheng)明特斯拉的(de)(de)交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)有(you)危險，用(yong)交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)死了一票(piao)小動(dong)(dong)物(wu)，如果(guo)大象也算小動(dong)(dong)物(wu)的(de)(de)話…客觀上(shang)說，同樣的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)大小下，人體耐受直流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)時間是要長于(yu)耐受交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)時間，跟心室震顫什么的(de)(de)有(you)關系，也就是交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)更危險。

 

可愛迪生最后也還是輸給了特斯拉，交流電憑借方便改變電壓等級的優勢戰勝了直流電。在輸送功率相同的情況下，提高電壓，送電電流會減小，消耗在線路上的能量也會隨之降低。

而直流送電另一個問題是難以開斷，直到現在這個問題依舊是個困擾。直流輸電的問題同平時拔電器插銷時會出現電火花一樣，當電流大到一定程度時，這個電火花是無法熄滅的，我們稱之為“電弧”。

對于交流電而言，電流會改變方向，因而有電流過零的時刻，利用這個小電流時間點，我們可以通過滅弧裝置切斷線路電流。但直流電流方向不會改變，沒有這個過零點，我們想要滅弧就很難了。

 

 

低頻交流電有什么問題？

一、變壓器效率的問題
變(bian)(bian)壓器(qi)是靠原邊(bian)的磁場變(bian)(bian)化，感(gan)(gan)應到(dao)副(fu)邊(bian)升壓或(huo)降壓的。磁場變(bian)(bian)化的頻(pin)率越(yue)慢，感(gan)(gan)應是越(yue)弱的，極(ji)端(duan)情(qing)況就是直流，根(gen)本沒有(you)感(gan)(gan)應，所以頻(pin)率太低了不行。

 

二、用電設備功率問題
舉個例子來說，汽車發動機的轉速就是他的頻率，比如怠速時500轉/分鐘，加速換擋時是3000轉/分鐘，換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來了，轉速越高，發動機的功率越大。

同樣道理，在相同頻率下，發動機越大，輸出功率越大，這也是為什么柴油機個頭都比汽油大的原因，個兒大勁兒大的柴油機才能帶動公交卡車等重型汽車。

同理，電動機（或者說一切轉動機械）既要求個頭小，有要求輸出功率大，只有一個辦法——提高轉速，這也就是為什么交流電頻率不能太低的原因，因為我們需要個頭小但功率大的電動機。

變(bian)頻空調也是同樣的道理，通過變(bian)換(huan)交流電的頻率(lv)，來控制(zhi)空調壓(ya)縮機(ji)的輸出(chu)功(gong)率(lv)。總之，功(gong)率(lv)與(yu)頻率(lv)在一(yi)定(ding)范圍(wei)內(nei)正相(xiang)關。

再說說頻率大了會怎么樣？比如定在400Hz怎么樣？

兩個問題，一是線路和設備的損耗增加，二是發電機轉速過快。

先來講損耗，輸電線路、變電設備、用電設備，都是有電抗的，電抗與頻率成正比，頻率越高，電抗越大，消耗的無功就越大，能傳遞的有功功率就越少。

目前50Hz輸電線路的電抗約0.4歐姆，約是電阻的10倍，如果提高到400Hz，那電抗將是3.2歐姆，約是電阻的80倍。對于高壓輸電線路，降低電抗是提高輸電功率的關鍵。

與電抗相對應的還有容抗，容抗和頻率成反比，頻率越高，容抗越小，線路的泄漏電流越大。如果頻率高了，則線路的泄漏電流也會增加。

另一個問題是發電機的轉速。現在的發電機組基本是單級機，也就是一對磁極。為了發出50Hz的電，轉子每分鐘轉速要達到3000轉。汽車發動機轉速達到3000轉時，就能明顯感覺引擎在振動作響了，轉到六七千轉時，你就會覺得發動機快跳出引擎蓋了。

汽車發動機尚且如此，更何況是一個重達百噸的實心鐵疙瘩轉子與汽輪機，這也是發電廠的噪音很大的原因。一個重達百噸的鋼轉子每分鐘轉3000轉談何容易，如果頻率再高三四倍，估計發電機能飛出廠房了。

如此重的轉子具有相當大的慣性，這也是電力系統被稱為慣性系統，能保持安全穩定運行的前提。同樣也是為什么風電和太陽能這種間歇性電源對傳統電源提出挑戰的原因。

因為風光變化很快，幾十(shi)噸重的(de)轉子由于巨大的(de)慣性(xing)，要減少出力(li)或增加出力(li)的(de)速度(du)很慢(man)（爬坡率的(de)概(gai)念(nian)），跟不(bu)上(shang)風電(dian)和光伏發電(dian)的(de)變化，所(suo)以有時不(bu)得不(bu)棄風和棄光。

 

綜上所述

頻率不(bu)能(neng)太低的原因：變壓(ya)器能(neng)效率高(gao)，電動機可以個頭小功率大。

 

頻率不(bu)能太高的原(yuan)因：線路和設備可以損耗小，發電(dian)機(ji)轉(zhuan)速不(bu)必過(guo)高。

 

因此根據經驗和習慣，我們的電能就被定在在50或60Hz。

看了以上內容，一位freesteve粉絲評論說：

美英(ying)采(cai)(cai)(cai)用(yong)英(ying)制(zhi)，12進制(zhi)導致其采(cai)(cai)(cai)用(yong)60hz方(fang)便計數，歐洲特(te)別是(shi)(shi)德(de)法(fa)(fa)引(yin)領的工業標(biao)(biao)(biao)準(zhun)采(cai)(cai)(cai)用(yong)公(gong)制(zhi)，德(de)國(guo)(guo)(guo)機(ji)(ji)器世界(jie)出口(kou)，德(de)國(guo)(guo)(guo)DIN標(biao)(biao)(biao)準(zhun)幾乎成(cheng)(cheng)了(le)世界(jie)各國(guo)(guo)(guo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)，連一些英(ying)聯邦國(guo)(guo)(guo)家也是(shi)(shi)能采(cai)(cai)(cai)用(yong)公(gong)制(zhi)計量(liang)盡量(liang)采(cai)(cai)(cai)用(yong)公(gong)制(zhi)，如(ru)新(xin)加坡(po)，澳洲，馬來西(xi)亞，或者兩者混用(yong)如(ru)印度。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)內(nei)地(di)習慣上(shang)(shang)采(cai)(cai)(cai)用(yong)市斤算(suan)是(shi)(shi)半(ban)公(gong)斤，而(er)新(xin)疆歷(li)史原(yuan)因(yin)受內(nei)地(di)影(ying)響小，受東西(xi)歐影(ying)響大(da)，計量(liang)采(cai)(cai)(cai)用(yong)公(gong)斤。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)上(shang)(shang)世紀工業化開(kai)始(shi)期引(yin)進德(de)國(guo)(guo)(guo)設(she)備(bei)多，除(chu)了(le)可靠(kao)，還因(yin)為(wei)后起之秀(xiu)的德(de)國(guo)(guo)(guo)貨開(kai)拓市場(chang)，比老牌英(ying)法(fa)(fa)產品便宜，所以50hz 220V交(jiao)流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)成(cheng)(cheng)了(le)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)，退到臺灣的政府(fu)不得(de)不面(mian)對日拒50年局面(mian)，再(zai)加上(shang)(shang)獲(huo)得(de)大(da)力美援設(she)備(bei)也是(shi)(shi)110V，60hz，所以不得(de)不又(you)變更標(biao)(biao)(biao)準(zhun)。飛機(ji)(ji)發(fa)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)是(shi)(shi)400HZ，除(chu)高頻率功率密度大(da)外，主要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)(shi)早期飛機(ji)(ji)發(fa)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)驅動源來自主發(fa)動機(ji)(ji)，如(ru)果把上(shang)(shang)萬轉發(fa)動機(ji)(ji)主軸降低到3000轉，也就是(shi)(shi)50hz，減速機(ji)(ji)將非(fei)常(chang)笨重(zhong)，因(yin)此400赫茲交(jiao)流(liu)(liu)發(fa)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)有(you)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的重(zhong)量(liang)優勢，再(zai)后來形(xing)成(cheng)(cheng)了(le)標(biao)(biao)(biao)準(zhun)，再(zai)改已然非(fei)常(chang)難; 和汽(qi)油車12V電(dian)(dian)(dian)源，如(ru)果改成(cheng)(cheng)36V,將節約大(da)量(liang)金屬導線成(cheng)(cheng)本，但(dan)是(shi)(shi)已經標(biao)(biao)(biao)準(zhun)百年，沒有(you)辦法(fa)(fa)啦(la)！

 

來源|機械自動化前沿