plik

Rok LXXVI 2008 nr 4

CO PISZĄ INNI

Dlaczego częstotliwość 50 Hz nie stała się światowym standardem?

T. McNichol: AC/DC: The Savage Tale of

the First Standards War. Amazon.com.

Opracował – Piotr Olszowiec.

od blisko stu lat wartość 50 hz jest usta-

loną częstotliwością napięcia systemów

elektroenergetycznych większości regionów

świata, zaś 60 hz – w ameryce Północnej

(i niektórych innych krajach). jednak we

wczesnej fazie rozwoju sieci elektrycznych

wcale nie było wiadomo, która z wielu sto-

sowanych wówczas częstotliwości zostanie

uznana za standardową. Dla przykładu, pod

koniec XiX wieku w stanach zjednoczo-

nych występowały m.in. następujące czę-

stotliwości napięcia przemiennego: 140,

133,33, 125, 83,33, 66,66, 60, 58,3, 56,7,

52,5, 50, 40, 33,33, 30, 27, 25 i 16,66 hz.

o upowszechnieniu 50 lub 60 hz miały za-

decydować warunki pracy sieci oraz ogra-

niczenia techniczne urządzeń elektroenerge-

tycznych.

historia standaryzacji (ujednolicania) czę-

stotliwości w Usa rozpoczęła się ok. 1885

roku wraz z dążeniem edisona do przyjęcia

prądu stałego dla wytwarzania, przesyłu

i użytkowania energii elektrycznej. Wysiłki

tego genialnego wynalazcy zakończyły się

niepowodzeniem, głównie dzięki staraniom

georga Westinghouse’a i nicoli tesli – za-

gorzałych zwolenników prądu przemienne-

go (ich spory przeszły do historii techniki

pod nazwą „war of currents”, tj. wojny prą-

dów).

W roku 1885, gdy powstawały pierwsze

układy prądu przemiennego, praktycznie

całe obciążenie elektryczne składało się

z lamp żarowych. Urządzeniami wytwór-

czymi były natomiast małe, wysokoobro-

towe, jednofazowe generatory napędzane

turbinami parowymi lub silnikami spalino-

wymi przez przekładnie pasowe, podwyż-

szające prędkość obrotową. W 1886 roku

zbudowano jeden z pierwszych zespołów

prądotwórczych napięcia przemiennego.

generator ten pracował z prędkością 2000

obrotów na minutę i miał 8 biegunów, wy-

twarzając napięcie o częstotliwości 133,33

hz. W ten sposób jedna z pierwszych sze-

rzej stosowanych częstotliwości napięcia

przemiennego została całkowicie zdetermi-

nowana względami konstrukcyjnymi gene-

ratora.

Pierwsze układy prądu przemiennego były

jednofazowe i nie zasilały jeszcze silników

indukcyjnych, które pojawiły się w 1888

roku. nie było wówczas żadnych linii prze-

syłowych na dłuższe odległości, ani nie po-

jawiła się potrzeba synchronizacji generato-

rów. Prądnice zasilały bowiem wydzielone

sieci, których nie łączono ze sobą.

W latach 90. XiX wieku zaczęto wpro-

wadzać generatory napędzane bezpośrednio

przez turbiny parowe i wodne. W tym cza-

sie firma Westinghouse wykonała badania

urządzeń systemu elektroenergetycznego

i zaleciła częstotliwość 60 hz jako najwyż-

szą dopuszczalną dla maszyn wirujących.

ta wartość okazała się starannie dobranym

kompromisem. Uważano bowiem, że wyż-

sze częstotliwości są lepsze dla transfor-

matorów (zmniejszenie wymiarów rdzenia

dzięki zwiększeniu częstotliwości), podczas

gdy niższe częstotliwości były korzystniej-

sze dla ówczesnych generatorów i maszyn

komutatorowych.

Po raz pierwszy częstotliwość 60 hz po-

jawiła się w jednofazowych sieciach elek-

trycznych w 1890 roku. Wkrótce nastąpił

szybki rozwój konstrukcji indukcyjnych sil-

ników jedno- i trójfazowych. jednocześnie

firma Westinghouse dokonała znacznego

postępu w rozwoju synchronicznych prze-

twornic, które służyły do zamiany napięcia

przemiennego na napięcie stałe. należy

bowiem przypomnieć, że w ówczesnym

czasie większość elektrycznych odbiorów

stanowiły nadal urządzenia prądu stałego.

Pierwsze przetwornice synchroniczne oka-

zały się najsprawniejsze przy częstotliwoś-

ciach znacznie niższych od 60 hz (33, 30,

a nawet 16 hz). ta ostatnia częstotliwość

okazała się szczególnie odpowiednia dla

budowy i działania silników komutatoro-

wych (niższe napięcia indukowane przy

komutacji prądu), ale była zupełnie nie-

praktyczna dla lamp żarowych, z powodu

zauważalnego migotania, powodującego

zmęczenie wzroku.

Firma Westinghouse ponowiła badania

i zaproponowała 25 hz jako częstotliwość

kompromisową. W połowie lat 90. więk-

szość elektrowni stosowała dwie różne czę-

stotliwości: 25 hz dla przesyłu i przetwornic

synchronicznych oraz 60 hz dla pozostałych

układów, włącznie z oświetleniem.

Przez pewien czas próbowano wprowa-

dzić częstotliwość 40 hz jako kompromis

między 25 i 60 hz, jednak ta wartość – cho-

ciaż była odpowiednia dla powszechnego

stosowania – została wprowadzona zbyt

późno i ostatecznie nie przyjęła się.

już przed pierwszą wojną światową doko-

nał się ostatecznie zwrot w kierunku często-

tliwości 60 hz. o stopniowym zaniechaniu

częstotliwości 25 hz zadecydował znaczny

postęp w konstrukcji przetwornic synchro-

nicznych. Przy 60 hz dawne przetwornice

synchroniczne wykazywały szereg nieko-

rzystnych objawów (iskrzenie komutatora,

niższa sprawność). Wyeliminowanie tych

wad w nowocześniejszych rozwiązaniach

komutatorów przesądziło ostatecznie o przy-

jęciu częstotliwości 60 hz jako standardo-

wej dla tych maszyn i dla całych systemów

elektroenergetycznych ameryki Północnej.

Podobną ewolucję w zakresie wyboru

częstotliwości napięcia przeszła europa.

Podczas gdy w Usa zdecydowano się na

60 hz, na naszym kontynencie przyjęło się

ostatecznie 50 hz. Wybór ten nastąpił po

negatywnie ocenionych doświadczeniach

eksploatacji lamp żarowych zasilanych na-

pięciem o częstotliwości 40 hz i niższej

(uciążliwe migotanie strumienia świetlne-

go). Początkowo jednak wartość 40 hz zdo-

była sobie szerokie poparcie w ówczesnej

energetyce europejskiej. Pierwsza zrealizo-

wana w niemczech próba przesyłu energii

elektrycznej na większą odległość odbyła

się właśnie przy tej częstotliwości (linia

lauffen-Frankfurt w 1891 r.).

Częstotliwości stosowane w 1946 roku

(oprócz 50 i 60 Hz)

Często-

tliwość

[hz]

Wybrane kraje świata

kanada (Płd., ontario), Panama,

Francja, niemcy, szwecja, Chiny,

indie

jamajka, egipt, Belgia, szwajcaria,

Wlk. Brytania

Czechosłowacja, Węgry, rumunia,

jugosławia, Włochy, libia

argentyna

Włochy, libia (trypolis)

gibraltar

100

malta, afryka Wsch.

Rok LXXVI 2008 nr 4

CO PISZĄ INNI

rozległe sieci dla 40 hz zbudowano

w anglii i Włoszech (42 hz). Chociaż

częstotliwości w granicach 40 hz miały

w europie wiele aplikacji, stopniowo były

wypierane przez trzy wartości uznawane za

standardy, tj. 25, 50 i 60 hz, preferowane

przez wielkich producentów sprzętu elek-

trycznego. rozstrzygający wybór należał

do dominującej na naszym kontynencie

niemieckiej firmy aeg, która arbitralnie

przyjęła 50 hz. mimo to jeszcze w okresie

międzywojennym europa wciąż była daleka

od jednomyślności: dla przykładu w samym

londynie w 1918 r. występowało aż 10 róż-

nych częstotliwości.

również w innych częściach świata aż do

połowy XX wieku stosowano szereg orygi-

nalnych z dzisiejszej perspektywy warto-

ści tego parametru (tabela). Dopiero po ii

wojnie światowej – wskutek gwałtownego

upowszechnienia wyrobów elektrycznych

– zdecydowano o przyjęciu jednego standar-

du, tj. 50 hz. należy przy tym zauważyć, że

– podczas gdy w ameryce Północnej nadal

nie ma formalnej akceptacji częstotliwości

60 hz jako wielkości standardowej – w eu-

ropie częstotliwość 50 hz została traktatowo

zatwierdzona przez poszczególne kraje.

SeaGen – pierwsza morska elektrownia pływowa

Na podstawie materiałów firmy Marine

Current Technologies Ltd. Opracował Piotr

Olszowiec.

Wykorzystanie ogromnego potencjału

energetycznego pływów mórz i oceanów

(czyli przypływów/odpływów i ustalonych

prądów morskich) budzi coraz większe

zainteresowanie zwolenników energetyki

odnawialnej. ruchy tych wód są – w odróż-

nieniu od fal morskich lub wiatrów – prze-

widywalne i mało zależne od warunków

pogodowych. milowym krokiem ku osiąg-

nięciu tego celu ma okazać się uruchomie-

nie pierwszej na skalę przemysłową elek-

trowni przetwarzającej energię przypływów

i odpływów morskich.

W tym roku brytyjska firma marine Cur-

rent technologies ltd. zrealizuje budowę in-

stalacji o nazwie seagen, o mocy 1,2 mW,

u wybrzeży irlandii Płn.

to wyjątkowe osiągnięcie techniczne po-

przedziły wieloletnie badania i próby. Pierw-

szym krokiem była elektrownia o mocy

15 kW, zainstalowana w szkocji w 1994

roku. Była ona efektem prac w zakresie

konwersji energii kinetycznej strumieni

wodnych, prowadzonych od lat 70. XX wie-

ku przez wspomnianą firmę. kolejne testy

prowadzono od 2003 roku na maszynie se-

aflow u wybrzeży Dewonu.

Układ seaflow, zabudowany na jednym

słupie osadzonym w dnie morskim, osiąg-

nął znamionową moc 300 kW, przy spraw-

ności konwersji energii mechanicznej ok.

45%, co przewyższa analogiczny wskaźnik

dla turbin wiatrowych. siłownia ta okazała

się – zdaniem wynalazców – jedyną do tej

pory przemysłową instalacją przetwarzającą

energię pływów lub fal morskich, zdolną

do ciągłej pracy na wodach przybrzeżnych.

Dotychczasowa eksploatacja seaflow po-

twierdziła słuszność wyboru wirnika turbiny

o przepływie osiowym. Unikalną zaletą tego

rozwiązania okazała się możliwość podno-

szenia turbiny z przekładnią i generatorem

wzdłuż słupa, ponad lustro wody. Pozwala

to na wykonywanie remontów z pokładu

statku, zamiast pierwotnie rozpatrywanej

opcji użycia płetwonurków.

Przedsięwzięcie seaflow kosztowało

3,4 mln funtów, przy czym 60% tej kwoty

wyasygnowały rząd brytyjski i Unia euro-

pejska. W oparciu o rezultaty tych badań

skonstruowano układ seagen o dwóch tur-

bogeneratorach (2 × 600 kWe), który firma

nazwała przemysłową demonstracją wyna-

lazku. realizacja tego nowego projektu fir-

my mCt pochłonie 8,5 mln funtów (połowę

wydatków pokryje rząd). maszyna zostanie

zainstalowana w cieśninie strangford lough

w irlandii Północnej, a jej okres eksploatacji

ma potrwać 5 lat.

Wynalazcy technologii seagen podwoili

liczbę turbin zabudowanych na jednym słu-

pie wsporczym w porównaniu z jej poprzed-

nikiem, tj. seaflow. obie turbiny zamoco-

wano na końcach poziomego wysięgnika

przesuwanego po słupie wsporczym. Śred-

nica każdego z dwóch wirników wynosi

16 m, łopatki wyposażono w regulację kąta

ustawienia w zakresie 0-180 stopni. zapew-

nia to możliwość pracy turbiny przy ruchu

mas wody w obu kierunkach, czyli w cza-

sie przypływu i odpływu. Wirnik seagen

będzie obracał się z prędkością około 12

obr/min, napędzając generator przez prze-

kładnię mechaniczną. oczywiście, maszyny

te – podobnie jak seaflow – również pracują

całkowicie zanurzone w wodzie morskiej.

oryginalną konstrukcją odznacza się

słup wsporczy o średnicy 3 m, wykonany

z materiału kompozytowego wzmocnionego

włóknem szklanym. słup ten jest osadzany

w otworze wywierconym w dnie morskim.

Prace budowlane posadowienia konstrukcji,

wraz z montażem turbogeneratorów, wyko-

nuje się z pokładu specjalistycznego statku

w ciągu dwóch tygodni. Wewnątrz słupa

umieszczono układy energoelektroniczne,

transformator mocy, a także urządzenia hy-

drauliczne do podnoszenia i opuszczania

turbogeneratorów. z uwagi na dużą moc

cieplną wydzielaną przez wymienione ukła-

dy (do 80 kW), wnętrze słupa wyposażono

w klimatyzację.

Praca podwodnych wiatraków nie powin-

na stwarzać żadnego ryzyka kolizji zwierząt

morskich z wolno obracającymi się łopata-

mi, które przemieszczają się znacznie wol-

niej od ryb lub ssaków.