Показатели качества частоты

Инвариантность. Угловая скорость вращения электрических машин непосредственно связана с частотой сети. Изменения частоты вызывают изменения вращающего момента, связанного с механической энергией. Итак, первый важнейший показатель качества частоты — это возможно- более точное ее поддержание.
Для генераторов этого показателя недостаточно. В самом деле, мощность, выдаваемая синхронным генератором в систему в точке, где напряжение поддерживается,по модулю и фазе (принятой в качестве; начала отсчета для фаз), определяется согласно выражению
P = (EU/X) sin0,
где Е и 0 — соответственно модуль и фаза эдс генератора.
Следовательно, для поддержания определенного значения Р или сохранения его в заданных пределах необходимо регулировать не только частоту, но и разность фаз В. Это приводит к «интегральному регулированию», поскольку 0 с точностью до коэффициента 2 к является интегралом от f.
Чистота формы кривой напряжения. Изучение вращающихся машин выявляет трудность получения на их зажимах синусоидального напряжения без искажений. Искажения, рассматриваемые здесь, являются периодическими, они могут быть разложены на гармоники напряжения,
которые распространяются в системе. Оборудование также может являться генератором гармоник или субгармоник напряжения и тока.
Системы гармоник, накладывающиеся одна на другую, независимы. Их наличие в линиях, трансформаторах, конденсаторах и потребителях вызывает дополнительные потери. В некоторых установках могут появиться местные резонансы, создающие опасные условия для работы оборудования.
Итак, второе качество частоты —чистота формы кривой напряжения должна быть такой, чтобы коэффициент гармоник был незначительным.
Оптимальность. Нельзя забывать при рассмотрении вопросов, относящихся к частоте, о том, что значение частоты должно быть как можно ближе к номинальному значению. Итак, третье качество — значение частоты должно быть оптимальным.
Для современных электроэнергетических систем, развивающихся или реконструируемых, оптимальной частотой обычно является та частота, которая ранее существовала в этой системе. Тем не менее небезынтересно выявить факторы, повлиявшие в свое время на выбор принятой частоты системы, и задаться вопросом, действительно ли этот выбор был оптимальным и был бы он таковым, если была бы возможность вернуться к нему вновь? В прошлом частота менялась. Так, система Парижа изменила частоту в 1925 г. с 42 до 50 Гц, а система Лазурного берега —в 1950 г. с 25 до 50 Гц. Выбор частоты связан с тремя функциями энергосистемы: производством, передачей и использованием электроэнергии.
При использовании энергии существенна проблема флуктуации освещения, возникшая в сетях 25 Гц после перехода от угольной нити в лампах накаливания на металлическую нить и далее при появлении люминесцентных ламп.
Весьма существенна также проблема работы коллекторных двигателей, где ограничение нежелательных явлений, связанных с коммутацией, тем труднее, чем выше частота. Разрешение этих проблем стало возможным при частоте 50 Гц только благодаря технологической эволюции, начавшейся около 30 лет тому назад. Поэтому применение для электрической тяги однофазных коллекторных двигателей (имеющих преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока, получающими питание непосредственно от сети) привело к использованию частоты 16,6 Гц. Только в 1950 г. появились удовлетворительные однофазные коллекторные двигатели на частоту 50 Гц. Применение двигателей, питаемых выпрямленным током (со встроенным выпрямителем), позволило осуществить питание от сети 50 Гц.
В области передачи и распределения электроэнергии выбор частоты обусловлен тремя факторами.
Магнитные цепи, главным образом трансформаторы, имеют тем меньшее сечение, а следовательно, вес и стоимость, чем выше частота. В самом деле, при заданной магнитной индукции В (величина ее близка к индукции на изгибе кривой намагничивания, вызванном насыщением) выражение для эдс таково:

Можно получить одну и ту же эдс при сечении s магнитного сердечника тем меньшем, чем выше значение со.
Полные сопротивления элементов системы растут прямо пропорционально частоте до величины 50 Гц, а затем, еще быстрее, так как поверхностный эффект становится заметнее; следовательно, с этой точки зрения преимущество имеют меньшие по величине частоты.
Индукции в телефонных цепях, проходящих на близком расстоянии от воздушных линий и кабелей, увеличиваются с ростом частоты.
При производстве электроэнергии размеры синхронных генераторов определяются не только их мощностью, но и максимальным вращающим моментом. Как следствие этого, преимущественным является использование двухполюсного генератора в тех случаях, когда это возможно. В большей степени последнее относится к генераторам ТЭС, для которых поиск минимальной стоимости (цена плюс потери) приводит к корреляции между мощностью и оптимальной частотой.
Известно, что для малых мощностей (10—20 MB-А) оптимальная частота близка к 100 Гц. С увеличением мощности оптимальная частота медленно уменьшается (она близка к 50 Гц при мощности около 125 MB • А). И все же влияние частоты на стоимость остается незначительным, поскольку, например, для турбогенератора мощностью 125 MB • А общая стоимость увеличивается только на 10% при переходе с частоты 50 Гц к 100 Гц.
Для генераторов ГЭС, скорость вращения которых мала, целесообразно использовать частоты, меньшие 50 Гц, что позволило бы снизить число полюсов.
В каждом конкретном случае необходимо искать компромисс между доводами в пользу повышения частот и доводами в пользу их уменьшения. Точный экономический расчет оптимума здесь невозможен, а приблизительные оценки позволяют предполагать, что при быстрой электрификации в 1920—1930 гг. оптимальная частота действительно была близка к 50 Гц, а в настоящем и тем более в будущем с учетом прогресса в технологии эта величина была бы больше 50 Гц.