大家平時家里用的電是50Hz的，Hz是赫茲的縮寫，代表一秒鐘電流周期性變換方向的次數(shù)，50Hz表示1秒鐘電流有50個周期，方向改變100次。 世界上有些國家，例如英美用的是60Hz的交流電，因為采用的是十二進制，什么12星座、12小時、12先令等于1英鎊等等。后來的國家都采用十進制了，所以頻率是50Hz。當然還有某奇葩的漆器國，東邊用50Hz，西邊用60Hz。。。
總體來說50Hz和60Hz差別不大，以下就用50Hz代表吧。那為什么要選用50Hz的交流電，而不是5Hz或400Hz呢？先說頻率低了會怎么樣吧。
頻率最低就是0，也就是直流。史上最經(jīng)典的就是愛迪生和特斯拉的直流交流大戰(zhàn)，愛迪生為了證明特斯拉的交流電有危險，用交流電電死了若干動物，其中還包括一頭大象，愛老先生也是蠻拼的~（客觀上說，同樣的電流大小下，人體耐受直流電的時間是要長于耐受交流電的時間，跟心室震顫什么的有關(guān)系，也就是交流電更危險） 不過最后愛迪生還是輸給了特斯拉，憑借交流電方便改變電壓等級的優(yōu)勢，交流電戰(zhàn)勝了直流電。在輸送功率相同的情況下，提高電壓，送電電流就能減小，消耗在線路上的能量就能降低。而直流電當時無法變壓，發(fā)電機出口端電壓只有幾百伏，為了減少損耗，只能減少送電功率和距離，所以愛迪生當時建的電廠有點像現(xiàn)在的分布式電源，到處都是。
直流送電另一個問題是難以開斷，直到現(xiàn)在這個問題還困擾著直流輸電。我們平時在拔一些電器的插銷時，還會打電火花。直流輸電的問題同電火花一樣，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，我們想要滅弧就難了。
直流講明白了，那低頻交流，比如5Hz的交流電有什么問題呢？
一是變壓器效率的問題。變壓器是靠原邊的磁場變化，感應(yīng)到副邊升壓或降壓的。磁場變化的頻率越慢，感應(yīng)是越弱的，極端情況就是直流，根本沒有感應(yīng)，所以頻率太低了不行。當然，太高了也會有漏磁太多的問題，后面會講到。（學(xué)過電機學(xué)的朋友可以回憶，變壓器等效電路中間有個勵磁支路，勵磁電抗Xm是與頻率乘正比的，只有頻率足夠大，勵磁電抗才能足夠大，以至于忽略勵磁電流的分流作用，忽略勵磁損耗）
二是用電設(shè)備功率問題。舉個身邊的例子吧，汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速就是他的頻率，比如怠速時500轉(zhuǎn)/分鐘，加速換擋時是3000轉(zhuǎn)/分鐘，換算成頻率分別是8.3Hz和50Hz。這就看出來了，轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動機的勁兒（功率）越大。同樣道理，在相同頻率下，發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。類似的如，飛機的航空發(fā)動機，每分鐘轉(zhuǎn)速高達上萬轉(zhuǎn)，就是為了“小身體大能量”，飛機的電源也是400Hz的（24000轉(zhuǎn)/分），因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速太高，發(fā)電的頻率就高了。變頻空調(diào)也是同樣的道理，通過變換交流電的頻率，來控制空調(diào)壓縮機的輸出功率?？傊β逝c頻率在一定范圍內(nèi)正相關(guān).
（這里順便說下現(xiàn)在汽車廠商的發(fā)動機功率參數(shù)。有些廠商為了表明今年的車型比去年的性能提高了，就把發(fā)動機的最大功率調(diào)高了，比如把240kW調(diào)高到260kW，乍一看以為發(fā)動機更先進了。其實各位還要再看一個參數(shù)——最大功率轉(zhuǎn)速，有時候這個參數(shù)也同步調(diào)高了。去年的車型是5000轉(zhuǎn)時達到最大功率，今年改成6000轉(zhuǎn)了，實際是用轉(zhuǎn)速的提高帶來了輸出功率的增加，而不是性能真正提高。發(fā)動機每分鐘6000轉(zhuǎn)什么概念呢——大概是狠狠的地板油吧~）
再說說頻率大了會怎么樣？比如定在400Hz怎么樣？
會有兩個問題，一是線路和設(shè)備的損耗增加，二是發(fā)電機轉(zhuǎn)速過快。
先說損耗的事情，輸電線路、變電設(shè)備、用電設(shè)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（回復(fù)“無功”，參見“為啥功率還分有功功率和無功功率”）。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(guān)鍵。與電抗相對應(yīng)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。（因為電纜的電容效應(yīng)較大，所以這也是電纜線路送電距離不能過長的原因。）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(fā)電機的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)在的發(fā)電機組基本是單級機，也就是一對磁極。為了發(fā)出50Hz的電，轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速要達到3000轉(zhuǎn)。咱們的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3000轉(zhuǎn)時，就能明顯感覺引擎在振動作響了，轉(zhuǎn)到六七千轉(zhuǎn)時，你會覺得發(fā)動機要跳出引擎蓋。小小的汽車發(fā)動機尚且如此，更何況是一個重達百噸的實心鐵疙瘩轉(zhuǎn)子與汽輪機，也因此發(fā)電廠的噪音都很大。一個重達百噸的鋼轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)3000轉(zhuǎn)談何容易，如果頻率再高三四倍，估計發(fā)電機能飛出廠房了。
如此重的轉(zhuǎn)子具有相當大的慣性，這也是電力系統(tǒng)被稱為慣性系統(tǒng)，能保持安全穩(wěn)定運行的前提。同樣也是為什么風(fēng)電和太陽能這種間歇性電源對傳統(tǒng)電源提出挑戰(zhàn)的原因。因為風(fēng)光變化很快，但幾十噸重的轉(zhuǎn)子由于巨大的慣性，要減少出力或增加出力的速度很慢（爬坡率的概念），跟不上風(fēng)電和光伏發(fā)電的變化，所以有時不得不棄風(fēng)和棄光。另外，光伏電池不是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，即非慣性系統(tǒng)，大量接入后，降低了電力系統(tǒng)的慣性，這也會對安全穩(wěn)定運行造成影響。
總結(jié)一下，頻率不能太低的原因：變壓器能效率高，電動機可以個頭小功率大。頻率不能太高的原因：線路和設(shè)備可以損耗小，發(fā)電機轉(zhuǎn)速不必過高。所以根據(jù)經(jīng)驗和習(xí)慣，我們的電能就被定在在50或60Hz。
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