[抗疫备课日记] 08 为什么我国采用 50 Hz 的正弦交流电？

课后备课。

2020年03月09日，慕课堂讨论时，俺出了一道具有一定开放性质的课堂讨论题：

“为什么我国采用 50 Hz 的正弦交流电？ （难题，一句话说不清楚。）”

将同学们一些有特点的讨论贴在如下：

A同学：

   1.负荷特性：以供照明负荷为主的电网趋于选择较高的频率，白炽灯在40 Hz下就存在明显的闪烁。以供感应电机负荷为主的电网趋于选择较低的频率(目前有些电力机车供电系统还采用25 Hz，通过换流器与大电网连接)。在19世纪末20世纪初的制造条件下，可以生产在50Hz系统能够运转良好的电机，却难以造出在1331/3Hz系统运行的感应电机。因此，对于兼有多种负荷的系统，折中不失为现实方案。 2.输变电设施：从变电设施的角度趋于选择较高的频率，有利于减少变压器的体积和材料，这也是为什么飞机现在依然普遍采用400 Hz供电系统的主要原因，减轻重量是飞行器制造的首选目标。 但从输电的角度，尤其是长距离输电，则倾向于选择较低的频率，频率越低，线路的阻抗也越低，输电损耗就越少，仅此而言，直流输电有其优越性，兼顾两方面的特性，也需要寻求平衡。 3.原动机和驱动系统： 在当时的机械制造水平，变速系统成本高昂。因此，原动机的转速直接成为发电机的转速。发电机的极数受制于材料，对频率的提高有诸多的限制。 4.其他技术上的影响因素：由于频率低的系统同步并网的难度较小，在早期电网运行水平落后的情况下，容易受到运行者青睐。另外，还有同步电钟的问题，60进制有其优越性。当然后来也有交流噪音等问题。

B同学：

   频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等的构造、材料等有关。频率越高，发电机的同步转速越大，高速度会给发电机的制造带来很多问题，如会大大限制容量的增加。而且从使用角度看，频率越高会增加无功的数量。而频率低，则不利于交流电的变压与与传输。因此频率为50Hz或60Hz较为合适。美国的大规模发电较早，当时采用12进制，因此选用60Hz计算较为方便。而稍晚一点的规模电网采用十进制，因此我国采用50Hz的频率，计算较为方便。

C同学：

   1.需要使用交流电的原因和别国一样，使用交流电可以使电路中的损耗减小，而50赫的两极发电机的同步转速是3000转/分，而如果频率上升一倍达到100赫，那么同步转速将会是6000转/分。如此高的速度将会给发电机的制造带来很多问题，特别是转子表面的线速度太高，必将大大限制容量的增加。2.从历史因素上讲，刚开始我国的使用的在东部的一些从西方国家买来的发电机，发电功率大部分是50赫兹的，只有少数是60赫兹。最后，国家统一将频率设定为50赫兹。 3.另外，从使用角度看，频率过高，使得电抗增加，电磁损耗大，加剧了无功的数量。譬如以三相电机为例，其电流大大下降，输出功率及转矩也大大下降，实在没有益处。另外，如果采用较低的频率譬如30赫，变压效率低，那么将不利于交流电的变压和传输。

D同学：

   交流电的频率的选择与制造电机电器的铁磁材料生产水平等诸多因素有关。频率的高或低，各有利弊．频率提高，可使发电机和变压器的铜材、钢材耗用量减少，重量轻，成本低．但会使电气设备和输电线路的感抗增大，容抗减少，损耗增大，从而降低了输电效率．频率过低，会使电气设备用料增多，重量大，成本高，还会使电灯光闪烁明显．考虑到各种因素，经过技术经济比较，证明交变电流频率采用50Hz、60Hz比较适宜．飞机上的交流电源，其频率采用400Hz，这样可以使电气设备重量大大减轻．

E同学：

   1.因为我国目前采用的是十进制 2.频率不能太低的原因：变压器能效率高，电动机可以个头小功率大。 频率不能太高的原因：线路和设备可以损耗小，发电机转速不必过高。 因此根据经验和习惯，我们的电能就被定在50hz。 3.频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等的构造、材料等有关。50赫的两极发电机的同步转速是3000转/分，而如果频率.上升- -倍达到100赫，那么同步转速将会是6000转/分。如此高的速度将会给发电机的制造带来很多问题，特别是转子表面的线速度太高，必将大大限制容量的增加。

F同学：

   1.负荷特性：以供照明负荷为主的电网趋于选择较高的频率，以供感应电机负荷为主的电网趋于选择较低的频率。 2.输变电设施：从变电设施的角度趋于选择较高的频率，但从输电的角度，尤其是长距离输电，则倾向于选择较低的频率，频率越低，线路的阻抗也越低，输电损耗就越少，仅此而言，直流输电有其优越性，兼顾两方面的特性，也需要寻求平衡。 3.原动机和驱动系统：在当时的机械制造水平，变速系统成本高昂。因此，原动机的转速直接成为发电机的转速。发电机的极数受制于材料，对频率的提高有诸多的限制。

G同学：

   频率提高，可使发电机和变压器的铜材、钢材耗用量减少，重量轻，成本低。但会使电气设备和输电线路的感抗增大，容抗减少，损耗增大，从而降低了输电效率。频率过低，会使电气设备用料增多，重量大，成本高，还会使电灯光闪烁明显。考虑到各种因素，经过技术经济比较，证明交变电流频率采用50Hz比较适宜。

H同学：

   50赫的两极发电机的同步转速是3000转/分，而如果频率上升一倍达到100赫，那么同步转速将会是6000转/分。如此高的速度将会给发电机的制造带来很多问题，特别是转子表面的线速度太高，必将大大限制容量的增加。另外，从使用角度看，频率过高，使得电抗增加，电磁损耗大，加剧了无功的数量。譬如以三相电机为例，其电流大大下降，输出功率及转矩也大大下降，实在没有益处。另外，如果采用较低的频率譬如30赫，变压效率低，那么将不利于交流电的变压和传输。另外电网频率的差异还取决于人们的计算习惯，美洲的大规模发电较早，当时的计算工具主要是英制（12进制）计算尺，为便于计算，用60Hz，稍晚一点的规模电网都用10进制数据，50Hz更方便些。

I同学：

   50赫兹满足大部分用电器的供电需要，如果频率太低变压器难以感应，不能满足用户端的需要。如果频率太高的话，在线路上会损失很多，远距离送电会效率很低。网上说还有一部分历史原因。

J同学：

   电网频率的差异取决于人们的计算习惯美洲的大规模发电较早，当时的计算工具主要是英制（12进制）计算尺，为便于计算用60赫兹，稍晚一点的规模电网都用十进制数据，50赫兹更方便些。

K同学：

   有些国家采用二进制，使用60Hz工频电。但是，随着电力系统各个国家电力系统的升级与发展，陆续有很多国家采用后十进制了，并且发展成了主流，频率是50Hz。功率与频率在一定范围内是呈正相关关系的。所以过低过高都不好，频率过低对交流电的变压与传递不利 ，效率低，频率过高会使发电机的负荷过高，变压设备损耗增加，远程运输功率因数下降。

L同学：

   频率大小的确定与发电机、电动机及变压器等的构造、材料等有关。如果频率过高，例如频率上升一倍达到100Hz，那么同步转速将会是6000r/分，将会给发电机的制造带来很多问题；另外，从使用角度看，频率过高，使得电抗增加，电磁损耗大，加剧了无功的数量。另外，如果采用较低的频率，变压效率低，将不利于交流电的变压和传输。

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