Что такое частота?
Частота переменного тока (ac) — это количество синусоидальных колебаний переменного тока в секунду. Частота — это количество изменений направления тока за секунду. Для измерения частоты используется международная единица герц (Гц). 1 герц равен 1 колебанию в секунду.
- Герц (Гц) = 1 герц равен 1 колебанию в секунду.
- Колебание = Одна полная волна переменного тока или напряжения.
- Полупериод = Половина колебания.
- Период = Время, необходимое для выполнения одного полного колебания.
Частота отражает повторяемость процессов. С точки зрения электрического тока частота — это количество повторений синусоиды или, другими словами, полного колебания, которое включает положительную и отрицательную составляющие.
Чем больше колебаний происходит в секунду, тем выше частота.
Пример. Если известно, что частота переменного тока равна 5 Гц (см. схему ниже), это означает, что его форма сигнала повторяется 5 раз за 1 секунду.
Частота обычно используется для описания работы электрооборудования. Ниже приведены некоторые наиболее распространенные диапазоны частот:
- Частота линии питания (обычно 50 Гц или 60 Гц).
- Частотно-регулируемые приводы: обычно используют несущую частоту 1–20 кГц.
- Звуковой диапазон частот: от 15 Гц до 20 кГц (диапазон человеческого слуха).
- Радиочастота: от 30 до 300 кГц.
- Низкая частота: от 300 кГц до 3 МГц.
- Средняя частота: от 3 до 30 МГц.
- Высокая частота: от 30 до 300 кГц.
Обычно цепи и оборудование предназначены для работы с постоянной или переменной частотой. Оборудование, рассчитанное на работу с постоянной частотой, при изменении частоты начинает работать неправильно. Например, двигатель переменного тока, рассчитанный на работу при 60 Гц, работает медленнее при частоте ниже 60 Гц или быстрее при частоте выше 60 Гц. Для двигателей переменного тока любое изменение частоты приводит к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя. Другим примером является снижение частоты вращения двигателя на 5 % при снижении частоты сети на 5 %.
Порядок измерения частоты
Цифровой мультиметр с режимом частотомера может измерять частоту сигналов переменного тока со следующими функциями:
- регистрация МИН/МАКС значений, позволяющая записывать результаты измерений частоты за заданный интервал времени. Эта функция также применима к измерениям напряжения, тока и сопротивления.
- автоматический выбор диапазона, при котором прибор автоматически подбирает диапазон частот при условии, что частота измеряемого напряжения не выходит за пределы этого диапазона.
Параметры электросетей различаются в зависимости от страны. В США работа сети основана на высокостабильном сигнале с частотой 60 Гц, что соответствует 60 колебаниям в секунду.
Бытовые электросети в США получают питание от однофазного источника питания 120 В перем. тока. Напряжение в настенной розетке дома в США совершает синусоидальные колебания в диапазоне от 170 до −170 В, при этом истинное среднеквадратичное значение этого напряжения будет равно 120 вольт. Частота колебаний составляет 60 циклов в секунду.
Единица измерения получила название «герц» в честь немецкого физика Генриха Герца (1857–1894 гг.), который первым осуществил передачу и принятие радиоволн. Радиоволны распространяются с частотой одно колебание в секунду (1 Гц). (аналогично часы тикают с частотой 1 Гц)
Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.
Статьи на связанные темы:
Период и частота переменного тока
Под этим термином «переменный электрический ток» следовало бы понимать ток, изменяющийся во времени любым образом, соответственно введенному в математику понятию «переменная величина».
Однако в электротехнику термин «переменный электрический ток» вошел в значении электрического тока, вменяющегося по направлению (в противовес электрическому току постоянного направления), а следовательно, и по величине, так как физически нельзя представлять себе изменения электрического тока по направлению без соответствующих изменений по величине.
Движение электронов в проводе сначала в одну сторону, а затем в другую называют одним колебанием переменного тока. За первым колебанием следует второе, затем третье и т. д. При колебаниях тока в проводе вокруг него происходит соответствующее колебание магнитного поля.
Время одного колебания называют периодом и обозначают буквой Т. Период выражают в секундах или в единицах, составляющих доли секунды.
К ним относятся: тысячная доля секунды — миллисекунда (мс), равная 10 -3 с, миллионная доля секунды — микросекунда (мкс), равная 10 -6 с, и миллиардная доля секунды — наносекунда (нс), равная 10 -9 с.
Важной величиной, характеризующей переменный ток, является частота. Она представляет собой число колебаний или число периодов в секунду и обозначается буквой f или F.
Единицей частоты служит герц, названный в честь немецкого ученого Г. Герца и обозначаемый сокращенно буквами Гц (или Hz). Если в одну секунду происходит одно полное колебание, то частота равна одному герцу.
Когда в течение секунды совершается десять колебаний, то частота составляет 10 Гц. Частота и период являются обратными величинами:
При частоте 10 Гц период равен 0,1 с. А если период равен 0,01 с, то частота составляет 100 Гц.
Частота — важнейшая характеристика переменного тока. Электрические машины и аппараты переменного тока могут нормально работать только на той частоте, на которую они рассчитаны.
Параллельная работа электрических генераторов и станций на общую сеть возможна только на одной и той же частоте. Поэтому во всех странах частота переменного тока, производимого электростанциями, стандартизуется законом.
В электрической сети переменного тока частота равна 50 Гц. Ток пятьдесят раз в секунду идет в одну сторону и пятьдесят раз в обратную. Сто раз в секунду он достигает амплитудного значения и сто раз становится равным нулю, т. е. сто раз меняет свое направление при переходе через нулевое значение.
Лампы, включенные в сеть, сто раз в секунду притухают и столько же раз вспыхивают ярче, но глаз этого не замечает, благодаря зрительной инерции, т. е. способности сохранять полученные впечатления около 0,1 с.
При расчетах с переменными токами пользуются также угловой частотой, она равна 2пиf или 6,28f. Ее следует выражать не в герцах, а в радианах в секунду.
При принятой частоте промышленного тока 50 гц максимально возможное число оборотов генератора — 50 об/сек (р = 1). На такое число оборотов строятся турбогенераторы, т. е. генераторы, приводимые паровыми турбинами.
Число оборотов гидротурбин и приводимых ими гидрогенераторов зависит от природных условий (прежде всего от напора) и колеблется в широких пределах, снижаясь иногда до 0,35 — 0,50 об/сек.
Число оборотов оказывает большое влияние на экономические показатели машины — габаритные размеры и вес. Гидрогенераторы с несколькими оборотами в секунду имеют наружный диаметр в 3 — 5 раз больший и вес во много раз больший, чем турбогенераторы той же мощности с n = 50 об/сек.
В современных генераторах переменного тока вращается их магнитная система, а проводники, в которых индуктируется э.д.с, размещаются в неподвижной части машины.
Переменные токи принято разделять по частоте. Токи с частотой меньше 10000 Гц называют токами низкой частоты (токами НЧ).
У этих токов частота соответствует частоте различных звуков человеческого голоса или музыкальных инструментов, и поэтому они иначе называются токами звуковой частоты (за исключением токов с частотой ниже 20 Гц, которые не соответствуют звуковым частотам). В радиотехнике токи НЧ имеют большое применение, особенно в радиотелефонной передаче.
Однако главную роль в радиосвязи выполняют переменные токи с частотой более 10000 Гц, называемые токами высокой частоты, или радиочастоты (токи ВЧ).
Для измерения частоты этих токов применяют единицы: килогерц (кГц), равный тысяче герц, мегагерц (МГц), равный миллиону герц, и гигагерц (ГГц), равный миллиарду герц. Иначе килогерц, мегагерц и гигагерц обозначают kHz, MHz, GHz. Токи частотой в сотни мегагерц и выше называют токами сверхвысокой или ультравысокой частоты (СВЧ и УВЧ).
Радиостанции работают с помощью переменных токов ВЧ, имеющих частоту от сотен килогерц и выше. В современной радиотехнике для специальных целей применяются токи с частотой в миллиарды герц и имеются приборы, позволяющие точно измерять такие сверхвысокие частоты.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Стандарты напряжений и частот в разных странах мира
В мире наиболее распространены два основных стандарта напряжения и частоты. Это американский стандарт 100-127 вольт 60 герц и европейский стандарт 220-240 вольт 50 герц.
Большинство стран приняло один из этих двух стандартов, хотя встречаются переходные и уникальные стандарты.
Американский стандарт
Американский стандарт связан с именем изобретателя и предпринимателя Томаса Эдисона.
Томас Эдисон
Именно ему первые электрические сети в США обязаны своим напряжением в 110 вольт. В 1880 году Эдисон предложил и запатентовал трехпроводную электрическую сеть постоянного тока, в которой было два провода +110 и -110 В и заземлённый нейтральный провод. Такая сеть свободно питала лампу накаливания с угольной нитью, для работы которой было необходимо 100 В, а 10% Эдисон заложил, учитывая потери при движении тока в проводе. По этой причине рабочее напряжение первой электростанции Эдисона было именно 110 вольт.
В январе 1882 года Эдисон запускает первую электростанцию в Лондоне, а несколькими месяцами позже – на Манхэттене. К 1887 году в США существовало более сотни электростанций постоянного тока, работавших на трёхпроводной системе Эдисона.
С того времени и начал работать стандарт сетей в 100-127 В, а в США закрепилась трехпроводная сеть.
Джордж Вестингауз
Система Эдисона предполагала питание от одной тепловой электростанции с генератором постоянного тока и сопровождалась большой потери мощности в проводах. Так, 10 из 110 вольт попросту пропадали в процессе передачи, рассеиваясь в проводах в форме тепла по закону Джоуля-Ленца. Обнаружив это, компания другого американского ученого-инженера и успешного предпринимателя Джорджа Вестингауза в 1886 году разработала альтернативную систему передачи электроэнергии – систему переменного тока. Эта система предполагала использование высокого напряжения в системах переменного тока, применяя для понижения напряжения трансформаторы и позволила применять переменный ток для бытовых потребителей. С того момента началась чреда событий, вошедшая в историю как «война токов», из которой, в итоге, победителем вышел переменный ток, а постоянный ток Эдисона проиграл.
Применение высокого напряжения в системах переменного тока позволило передавать энергию на сотни километров по высоковольтным магистральным линиям от крупных электростанций и обеспечить электроснабжение целых городов и удаленных районов страны.
На сегодняшний день в Северной Америке типичной системой питания электроустановок зданий является трёхфазная система электроснабжения, работающая от переменного тока с заземлением, являющаяся, по сути, эквивалентом оригинальной трехпроводной системы постоянного тока Эдисона. Она распространена для питания жилых и небольших коммерческих помещений.
В помещения подаются две линии переменного тока 120 В, которые не совпадают по фазе на 180 градусов друг с другом и нейтральный провод, который подключается к заземлению на центральном отводе понижающего трансформатора. Таким образом к американским домам подводятся три провода – две фазы и ноль. Два провода от разных «плечей» низковольтной обмотки трансформатора, и один – от «заземлённого» среднего отвода низковольтной обмотки трансформатора. В результате получаются две цепи, работающие в противофазе, что позволяет получить 240 В и подключать приборы, рассчитанные как на 100-127 В, так и на 200-240 В.
В цепях освещения, для розеток небольших электроприборов и других маломощных потребителей используются цепи 120 В – они подключаются между одной из линий и нейтралью с помощью однополюсного автоматического выключателя. А для питания кондиционеров, варочных панелей, стиральных машин, обогревателей, бойлеров и других мощных потребителей используется питание от цепей 240 В переменного тока, подключающиеся между двумя линиями переменного тока на 120 В.
Следует отметить, что при той же потребляемой мощности, использование более низкого напряжения приводит к потреблению прибором большего тока и увеличению потерь при передаче энергии. Именно поэтому в странах, где номинальное напряжение составляет 100-127 В часто отказываются от распределительных сетей низкого напряжения, а среднее напряжение (5-15 кВ) преобразуется в низкое максимально близко к потребителю. По этой причине в США для каждого дома (высотного или частного) устанавливается отдельная компактная электрическая подстанция (англ. pole pig), состоящая из распределительных трансформаторов обеспечивающих окончательное преобразование напряжения в распределительной электрической системе до уровня, используемого потребителями.
На сегодняшний день основное напряжение сети в Соединенных Штатах Америки составляет 120 В (от 114 до 126 В), а общепринятая частота переменного тока – 60 Гц.
Европейский стандарт
В Европе, в отличии от США, стандарт 220 вольт появился сразу, что было связано с широким внедрением сетей переменного тока.
Никола Тесла
Массовая электрификация Европейского континента началась с изобретением Никола Тесла в 1883 году асинхронного двигателя переменного тока и появлением ламп накаливания с металлической нитью. Использование ламп с металлической нитью вместо угольной требовало удвоить напряжение. Изначально 220 вольт получали путем параллельного соединения двух линий по 110 вольт. Однако это было нетехнологично и экономически невыгодно. Поэтому со временем начали использовать только один кабель или провод, который сразу подводил к потребителям необходимые 220 В.
Первым городом, электрифицированным по «новой» схеме, стал Берлин. В результате применения стандарта 220 В потери в мощности при передаче электроэнергии сократились на 75%! Так и начали появляться сети с напряжением 220 вольт. Следует отметить, что было мнение попробовать еще больший вольтаж, однако от него все же отказались, поскольку угроза для человеческой жизни возрастала пропорционально напряжению.
В Советском Союзе, как и в США, долгое время применялось напряжение 100-127 В. Однако в середине 60-х годов с увеличением количества потребителей сеть стала не справляться. Необходимо было либо увеличивать сечение проводов, либо повышать напряжение в сети до 220 В. Экономически выгоднее стало использовать более высокое напряжение. Это позволило снизить затраты на материалы проводов поскольку сила тока при увеличении напряжения и сохранении той же мощности уменьшается, а значит, площадь сечения провода тоже можно уменьшить.
Переход на 220 вольт в Советском Союзе происходил бессистемно. Отслужившие свой срок трансформаторы на подстанциях заменяли на новые и сразу устанавливали с выходным напряжением 220 вольт вместо 110-127 вольт.
Последующая глобальная электрификация страны привела к тому, что стандарт 220 В 50 Гц стал распространен во всех странах постсоветского пространства.
На сегодняшний день напряжение в электрической сети в Европе варьируется от 220 В до 240 В. Но в большинстве стран Европы сетевое напряжение составляет 230 В частотой 50 Гц.
В Украине, России, Латвии, Литве и Эстонии стандартным напряжением в сети также является напряжение 230 В. Изменение стандартного напряжения 220 В на 230 В было проведено с целью полного соответствия европейским стандартам качества электроэнергии. При этом электрическое оборудование, выпускаемое в указанных странах, должно нормально работать при напряжении и 220 В, и 230 В.
Анализируя вышеизложенное может возникнуть резонный вопрос: если более высокое напряжение в сети снижает потери при передаче электроэнергии, позволяет уменьшить затраты на материалы проводов, использовать электроприборы с большей мощностью и в целом является экономически более выгодным почему же тогда США и другие страны не перешли на «европейский стандарт»? Ответ прост – переход на другое напряжение в масштабах страны требует огромных финансовых затрат на переоборудование и переоснащение трансформаторных подстанций и других электроустановок, а также замену розеток и вилок. При том, что дороговизна мероприятия является основной причиной отсутствия единого стандарта напряжения сети в мире нужно также отметить и другие факторы. В частности, сеть 110-127 В позволяет ограничивать импорт техники и стимулировать использование устройств отечественного производства, а также является более безопасной для человека ведь поражение электрическим током при 110 В гораздо слабее, чем при 220 В.
Другие стандарты
На сегодняшний день большинство стран мира приняли европейский стандарт напряжения в сети. Американский стандарт закрепился в США, Канаде, Американском Самоа, Мексике, на островах Микронезии, в большинстве стран Центральной Америки: Гватемале, Гондурасе, Коста-Рике, Никарагуа, Панаме и Сальвадоре, островах Карибского моря и близлежащих островах: Арубе, Гаити, Доминиканской Республике, Каймановых островах, Кубе, Пуэрто-Рико, Тринидад и Тобаго, Ангилье, Бермудских, Виргинских и Багамских островах. А также в ряде стран Южной Америки – Венесуэле, Колумбии, Суринам, Эквадоре.
При этом в мире остается немало мест с разными вариациями напряжения и частоты, которые не укладываются ни в какие рамки. К примеру, в Бразилии и Бейлизе просто нет единого стандарта и в разных регионах стран напряжение в сети может быть 115, 127 или 220 В частотой 60 Гц. И даже один и тот же населенный пункт может питаться сразу от нескольких разных подстанций, в результате даже в соседних домах характеристики тока могут полностью отличаться.
Карибский остров Бонайре и африканская Ливия используют напряжение сети 127 В при частоте 50 Гц. Остров Барбадос – 115 В частотой 50 Гц, а острова Сент-Китс и Невис – 110 и 230 В частотой 60 Гц.
В африканской Либерии одновременно используется 120 и 240 В при частоте 50 Гц.
Наряду с напряжением сети 220 В используют также напряжение 127 В частотой 50 Гц в Марокко, Монако, на Мадагаскаре и Нидерландских Антильских островах, а с частотой 60 Гц – в Саудовской Аравии.
На островах Ямайке и Таити параметры тока в бытовых сетях могут быть и 110, и 220 В, при этом частота на Ямайке – 50 Гц, а на Таити встречается как 50, так и 60 Гц.
В Японии принято единое напряжение сети 100 В, при этом в восточных областях преобладает частота 50 Гц, а в западных – 60 Гц. Кроме того, в некоторых регионах, где сети имеют частоту 60 Гц, есть большие городские районы с питанием 220 В, хотя в целом правила обустройства электроустановок близки к североамериканским.
В Южной Корее, Перу и Филиппинах используется напряжение 220 В с частотой 60 Гц, на карибских островах Антигуа и Барбуда – 230 В 60 Гц, а в Гайане – 240 В 60 Гц.
Также сегодня во многих странах мира характеристики тока отличаются для местных жителей и гостей. Отели специально оборудуют собственными отдельными подстанциями с трансформаторами и розетками различных конфигураций. В основном системы адаптируют под 220 В и розетки, наиболее часто эксплуатируемые в странах с таким напряжением.
Чем страшны колебания частоты в электросети
Частота переменного тока, используемого мировыми потребителями электроэнергии, допускает два стандарта. Практически во всех странах обоих Америк, Саудовской Аравии и ряде островных государств частота электросети составляет 60Гц, в остальных странах, включая Россию, электрооборудование потребляет переменный ток промышленной частоты 50Гц. Физически частоту переменного тока электросети легко представить в виде частоты вращения генераторов электростанций, точнее их подвижных частей – роторов.
Это один из наиболее важных параметров, характеризующих электрическую сеть, недаром отклонениям частоты в стандарте качества электроэнергии уделено особое внимание. Среди продолжительных отклонений напряжения от номинальных параметров, колебания частоты стоят на первом месте, и лишь потом сосредотачивается внимание на отклонениях напряжения. Стандартом ГОСТ 32144-2013 установлено максимальное отклонение значения частоты от принятых 50 герц, которые составляют ±0.4Гц. При этом номинальные значения частоты должны находиться в пределах 50±0.2Гц.
В чем опасность отклонений от нормально допустимых значений?
Чтобы оценить ущерб, который может принести факт изменения, в частности снижения частоты переменного тока, проблему следует рассматривать в двух аспектах: технологическом и электромагнитном. В обоих вариантах изменение частоты оборачивается экономическими потерями, в той либо иной степени несущими материальный ущерб.
В первом случае снижение частоты ведет к нарушению технологических процессов, связанных с замедлением работы производственного оборудования. Иллюстрацией этому служат частотные преобразователи – регуляторы частоты, предназначенные для плавного пуска мощных электродвигателей. Таким образом, в лучшем случае падает производительность оборудования, в худшем приводит к производству брака.
Электромагнитные потери связаны с изменением баланса реактивных и активных мощностей. Это негативным образом отражается на эффективности работы электрооборудования, так, например понижению частоты питающей сети на 1% сопутствует снижение мощности нагрузки асинхронного двигателя на 3%.
Неблагоприятным образом отклонения от основной частоты сказываются на электрооборудовании с сердечниками из электротехнической стали. Разогрев магнитопроводов приводит к общему нагреву электродвигателей, силовых трансформаторов, что в целом отражается на ресурсах оборудования.
Критично к понижению частоты и собственное технологическое оборудование электростанций. При значительных отклонениях (46 … 45Гц), связанных со снижением активной мощности, наступает так называемая «лавина частоты», происходит отключение энергосистемы.
Опасны для электрооборудования ситуации в случаях повышения частоты, как правило, возникающих при резком снижении потребителями электрической энергии нагрузки. Избыточная мощность в первую очередь опасна для оборудования электростанции. Повышение частоты питающего напряжения приводит к увеличению скорости вращения двигателя асинхронного типа, однако вращательный момент при этом падает. В случае отсутствия запаса по мощности это приводит торможению электродвигателя, вплоть до полного останова.
В дилетантской среде существует ошибочное мнение, что к изменениям частоты критично качество изоляции, вызывающее ее старение. Это не совпадает с действительностью, поскольку боится изоляция воздействия высших гармоник, а отклонения в несколько герц ей не страшны. Причина деструктивных процессов материала изоляции вызвана плохой синусоидальностью напряжения обусловленной наличием гармоник, кратных частоте основного напряжения. Правда, гармоники негативным образом отражаются и на самом оборудовании, что определяет необходимость борьбы с этим явлением.
В нашей компании Вы можете заказать измерение качества электроэнергии, посмотреть информацию о стоимости и порядке проведения работ можно здесь
Остались вопросы?
Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.