為什麼交流電只有 60Hz 與 50HZ 2種?

Question

全世界的不同地區電壓有 100V, 110V, 220V, 380V....但是頻率就只有2種, 為什麼?

Answer 1

台灣以60HZ為標準交流（AC）之緣由，最主要是依據美國的標準。然而，在早期（1885至1900）的交流發展年代中，使用了許多不同之交流頻率，當時在美國就有140、1331/3、125、831/3、662/3、60、50、40、331/3、30、25及162/3週波/秒。而60週波演變為主要交流頻率大部分係根據現場運轉情況而來，尤其是根據機械與製造方面之限制。
有些人會問『為什麼交流頻率不用10HZ、100HZ而要用60HZ』？然而，頻率高低有頻率高低的優劣之處；以下就依照交流頻率60HZ的發展歷程來說明國內以60HZ為單一標準頻率的重要性與必然性。
一. 交流（AC）頻率60HZ發展的歷史回顧：
在1885年左右，也就是最早交流系統興建的時代，實際上所有
電力負載都是白熾燈泡，大部分設備均限制在小型、單相蒸汽皮帶驅動發電機及非常粗製的變壓器上。根據電**械理論，電氣頻率與發電機轉速之關係式如下：
發電機轉速 （1-1）
n：轉/每分鐘（rpm） f：電氣頻率 p：發電機極數
(1)1886年，最早交流發電機：由西屋公司製造一部發電機，極數為8
極、轉速2000rpm，因此可換算成每秒1331/3週波。因此，最早廣
泛使用之一種交流頻率，幾乎完全用製造限制來決定的。在此時代
中，並無長程交流輸電問題，且大區域發電機同步並聯之需求尚未
被認同，因此頻率標準化尚未浮出檯面。（同期尚有125HZ、140HZ）
(2)1890年早期，60HZ之出現：此時期西屋公司從事一項技術研究，
同時考慮那時系統運轉特性以及引擎驅動發電機製造限制，而建議
採每分鐘3600rpm（即2極，60HZ）為可維持引擎最高轉速，成
為最早期的60HZ單相系統。
(3)1892～1910年，60HZ與25HZ同台競爭：
在此時期有大量西屋公司設計之60HZ中央電廠出現，主要生產當
時極具商機的同步轉換機（交流電力轉換為直流電力）。但因為機
械上的限制，早期同步轉換機有一些損失，但頻率越低於60HZ則
效率越高；一些不同之低頻率包括33、30及16HZ均被拿來做實
驗，尤其是16HZ特別適合換向式馬達之製造與運轉，但是對白熾
燈負載卻會產生重大的燈光閃爍，造成眼睛的極度疲勞。經不斷研
究結果，西屋公司決定以25HZ來作為一個妥協值。在1895年，
大部分電力公司與製造廠商決定兩種標準：輸電與轉換機使用25
HZ，一般用途的系統則使用60HZ。（表一為兩者間的優缺點比較）

表一 60HZ與25HZ優缺點比較：







60HZ


25HZ



優點


1.在照明方面，重大的電壓閃爍幾乎通通消失。（或說，頻率太快，人體感受不出來）
2.相同總磁通下，鐵心成本較低。
3.相同極數下，速度較快。（式1-1）


1.對引擎驅動交流發電機平行並聯運 轉更為穩定。
2.對同步轉換機更有效率。
3.降低線路損失（2 小）。



缺點


1.線路損失比較高（2 較大）。
2.會產生轉換機換向火花及閃絡等嚴重問題，且在開關操作時常發生不穩定。（後來慢慢改善得趨近於25HZ之效率與出力水準）


1.在照明方面，因產生重大的燈光閃爍而造成眼睛極度疲勞。
2.相同總磁通下，鐵心成本較高。（註）
3.相同極數下，速度較慢。（式1-1）

註：變壓器的感應電動勢 （1-2）
f：頻率 N：鐵心匝數 ：總磁通鏈