상용 주파수

상용 주파수(Utility frequency) 또는 상용 전원 주파수는 발전소에서 최종 사용자로 전달되는 광역 동기 전력망의 교류 (AC) 진동의 공칭 진동수이다. 전 세계 대부분의 지역에서는 50 Hz이지만, 아메리카와 아시아 일부 지역에서는 일반적으로 60 Hz이다. 국가 또는 지역별 현재 사용량은 국가별 주전원 목록에 나와 있다.

230V 50Hz 파형과 120V 60Hz 파형 비교

19세기 말과 20세기 초 상업용 전력 시스템 개발 과정에서 많은 다른 주파수(및 전압)가 사용되었다. 한 주파수의 장비에 대한 대규모 투자는 표준화 과정을 느리게 만들었다. 그러나 21세기 초에 이르러 50 Hz 주파수를 사용하는 지역은 220~240 V를 사용하는 경향이 있고, 60 Hz를 사용하는 지역은 100~127 V를 사용하는 경향이 있다. 두 주파수는 오늘날에도 공존하며(일본은 둘 다 사용), 어느 하나를 다른 것보다 선호할 만한 기술적인 큰 이유는 없고^[1] 완전한 전 세계적인 표준화를 바라는 움직임도 보이지 않는다.

운영 요인

몇 가지 요인이 교류 시스템에서 주파수 선택에 영향을 미친다.^[2] 조명, 전동기, 변압기, 발전기 및 송전선은 모두 전력 주파수에 따라 달라지는 특성을 가지고 있다. 이 모든 요인으로 인해 전력 주파수 선택은 매우 중요한다. 최적의 주파수는 상충되는 요구 사항 사이의 절충이다.

19세기 후반, 설계자들은 변압기와 호광등을 특징으로 하는 시스템의 경우 변압기 재료를 절약하고 램프의 가시적 깜박임을 줄이기 위해 상대적으로 높은 주파수를 선택했지만, 긴 송전선이 있거나 주로 전동기 부하 또는 직류를 생산하기 위한 회전 변환기에 전력을 공급하는 시스템의 경우 더 낮은 주파수를 선택했다. 대규모 중앙 발전소가 실용화되면서 주파수 선택은 의도된 부하의 성격에 따라 결정되었다. 결국 기계 설계의 개선으로 조명 및 전동기 부하 모두에 단일 주파수를 사용할 수 있게 되었다. 통합 시스템은 하루 동안 시스템 부하가 더 균일했기 때문에 전기 생산의 경제성을 향상시켰다.

조명

상업용 전력의 첫 번째 응용 분야는 백열등과 정류자 (전기)형 전동기였다. 둘 다 직류에서 잘 작동했지만, 직류는 전압을 쉽게 변경할 수 없었고 일반적으로 필요한 사용 전압에서만 생산되었다.

백열등이 저주파 전류로 작동하면 필라멘트가 교류의 각 반주기에서 냉각되어 램프의 밝기와 깜박임에 현저한 변화가 발생한다. 이 효과는 호광등과 나중에 나온 수은등 및 형광등에서 더 두드러진다. 개방형 호광등은 교류에서 가청 윙윙거리는 소리를 냈고, 이는 사람의 가청 범위를 벗어나는 소리를 내기 위해 고주파 교류 발전기를 사용한 실험으로 이어졌다.

회전 기기

정류자 (전기)형 전동기는 고주파 교류에서 잘 작동하지 않는다. 전류의 빠른 변화가 전동기 자기장의 유도계수에 의해 반대되기 때문이다. 정류자형 범용 모터는 교류 가전제품 및 전동 공구에 흔히 사용되지만, 1 kW 미만의 소형 전동기이다. 유도전동기는 50~60 Hz 부근에서 잘 작동하는 것으로 밝혀졌지만, 1890년대에 사용할 수 있었던 재료는 예를 들어 133 Hz 주파수에서는 잘 작동하지 않았다. 유도전동기 자기장의 자기극 수, 교류의 주파수 및 회전 속도 사이에는 고정된 관계가 있다. 따라서 주어진 표준 속도는 주파수 선택(및 그 반대)을 제한한다. 교류 전동기가 보편화되자, 고객 장비와의 호환성을 위해 주파수를 표준화하는 것이 중요해졌다.

저속 왕복기관으로 구동되는 발전기는 고속 증기 터빈으로 구동되는 발전기보다 주어진 극 수에 대해 더 낮은 주파수를 생성한다. 매우 낮은 원동기 속도의 경우, 높은 교류 주파수를 제공할 충분한 극을 가진 발전기를 만드는 것은 비용이 많이 든다. 또한 두 발전기를 동일한 속도로 동기화하는 것이 저속에서 더 쉽다는 것이 밝혀졌다. 느린 엔진의 속도를 높이는 방법으로 벨트 구동이 흔했지만, 매우 큰 정격(수천 킬로와트)에서는 비용이 많이 들고 비효율적이며 신뢰할 수 없었다. 1906년경부터 증기 터빈에 의해 직접 구동되는 발전기는 더 높은 주파수를 선호했다. 고속 기계의 더 안정적인 회전 속도는 회전 변환기에서 정류자 (전기)의 만족스러운 작동을 가능하게 했다.^[2] RPM 단위의 동기 속도 N은 다음 공식으로 계산된다.

${\displaystyle N={\frac {120f}{P}},}$

여기서 f는 헤르츠 단위의 주파수이고 P는 극의 수이다.

현재 및 과거의 일부 상용 주파수에 대한 교류 전동기의 동기 속도

극	회전속도 (RPM)
	1331⁄3 Hz	60 Hz	50 Hz	40 Hz	25 Hz	162⁄3 Hz
02	8,000	3,600	3,000	2,400	1,500	1,000
04	4,000	1,800	1,500	1,200	0,750	0,500
06	2,666.7	1,200	1,000	0,800	0,500	0,333.3
08	2,000	0,900	0,750	0,600	0,375	0,250
10	1,600	0,720	0,600	0,480	0,300	0,200
12	1,333.3	0,600	0,500	0,400	0,250	0,166.7
14	1142.9	0,514.3	0,428.6	0,342.8	0,214.3	0,142.9
16	1,000	0,450	0,375	0,300	0,187.5	0,125
18	0,888.9	0,400	0,3331⁄3	0,2662⁄3	1662⁄3	0,111.1
20	0,800	0,360	0,300	0,240	0,150	0,100

직류 전력은 교류로 완전히 대체되지 않았으며 철도 및 전기화학 공정에 유용했다. 수은 아크 정류기 개발 이전에는 교류에서 직류 전력을 생산하기 위해 회전 변환기가 사용되었다. 다른 정류자형 기계와 마찬가지로 이들은 더 낮은 주파수에서 더 잘 작동했다.

송전 및 변압기

교류를 사용하면 변압기를 사용하여 높은 송전선 전압을 낮은 고객 사용 전압으로 낮출 수 있다. 변압기는 움직이는 부품이 없고 유지 보수가 거의 필요 없는 효과적인 전압 변환기이다. 교류 사용으로 정기적인 유지 보수 및 모니터링이 필요한 회전하는 직류 전압 변환 전동 발전기의 필요성이 사라졌다.

주어진 전력 수준에서 변압기의 크기는 주파수에 대략적으로 반비례하므로, 많은 변압기가 있는 시스템은 더 높은 주파수에서 더 경제적이다.

긴 선을 통한 송전은 더 낮은 주파수를 선호한다. 선의 분산된 정전 용량 및 유도계수 효과는 낮은 주파수에서 더 적다.

시스템 상호 연결

발전기는 동일한 주파수와 파형일 때만 상호 연결되어 병렬로 작동할 수 있다. 사용 주파수를 표준화함으로써 지리적 영역의 발전기를 동력망에 상호 연결하여 신뢰성과 비용 절감을 제공할 수 있다.

역사

 전류 전쟁 문서를 참고하십시오.

일본의 상용 주파수는 50 Hz 및 60 Hz이다.

19세기에는 많은 다른 전력 주파수가 사용되었다.^[3]

초기 독립형 교류 발전 방식은 증기기관, 물터빈 및 발전기 설계의 편의성에 기반한 임의의 주파수를 사용했다. 16+2⁄3 Hz와 133+1⁄3 Hz 사이의 주파수가 다른 시스템에서 사용되었다. 예를 들어, 1895년 영국 코번트리 시에는 1906년까지 사용된 독특한 87 Hz 단상 배전 시스템이 있었다.^[4] 주파수의 확산은 1880년에서 1900년까지 전기 기계의 빠른 발전에서 비롯되었다.

초기 백열등 기간에는 단상 교류가 흔했고, 일반적인 발전기는 2,000 RPM으로 작동하는 8극 기계로, 133 Hz의 주파수를 제공했다.

많은 이론이 존재하고, 꽤 많은 흥미로운 도시 전설이 있지만, 60 Hz 대 50 Hz 역사의 세부 사항에는 거의 확실한 것이 없다.

아에게 (독일에 에디슨이 설립한 회사에서 파생)는 50 Hz로 작동하는 최초의 독일 발전 시설을 건설했다. 당시 아에게는 사실상 독점 상태였고, 그들의 표준은 나머지 유럽으로 퍼져나갔다. 1891년 라우펜-프랑크푸르트 연결을 통해 전송된 40 Hz 전력으로 작동하는 램프의 깜박임을 관찰한 후, 아에게는 1891년에 표준 주파수를 50 Hz로 올렸다.^[5]

웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션은 동일한 발전 시스템에서 전기 조명과 유도전동기 모두를 작동시키기 위해 더 높은 주파수로 표준화하기로 결정했다. 50 Hz가 둘 다에 적합했지만, 1890년 웨스팅하우스는 기존 아크 조명 장비가 60 Hz에서 약간 더 잘 작동한다고 판단하여 그 주파수를 선택했다.^[5] 니콜라 테슬라가 1888년 웨스팅하우스에 특허를 낸 유도전동기의 작동은 당시 조명 시스템에 흔했던 133 Hz보다 낮은 주파수를 필요로 했다.^{[확인 필요]} 1893년 독일의 아에게와 제휴한 제너럴 일렉트릭은 레들랜즈에 전기를 공급하기 위해 밀 크릭에서 50 Hz를 사용하여 발전 프로젝트를 건설했지만, 웨스팅하우스 표준과의 시장 점유율을 유지하기 위해 1년 후 60 Hz로 변경했다.

25 Hz의 기원

1895년 웨스팅하우스가 건설한 나이아가라 폭포 프로젝트의 첫 발전기는 25 Hz였다. 교류 송전이 최종적으로 선택되기 전에 터빈 속도가 이미 설정되었기 때문이다. 웨스팅하우스는 전동기 부하를 구동하기 위해 30 Hz의 낮은 주파수를 선택했을 것이지만, 이 프로젝트의 터빈은 이미 250 RPM으로 지정되었다. 이 기계는 무거운 정류자형 전동기에 적합한 16+2⁄3 Hz 전력을 공급할 수 있었겠지만, 웨스팅하우스는 이것이 조명에 바람직하지 않다고 반대하며 33+1⁄3 Hz를 제안했다. 결국 12극 250 RPM 발전기를 사용하여 25 Hz로 절충되었다.^[2] 나이아가라 프로젝트가 전력 시스템 설계에 미친 영향이 매우 컸기 때문에 25 Hz는 북미 저주파 교류의 표준으로 자리 잡았다.

40 Hz의 기원

제너럴 일렉트릭의 연구에 따르면 20세기 첫 사분기에 사용 가능한 재료와 장비를 고려할 때 40 Hz가 조명, 전동기 및 송전 요구 사항 사이에서 좋은 절충안이었을 것이라고 결론지었다. 여러 40 Hz 시스템이 구축되었다. 라우펜-프랑크푸르트 시범은 1891년에 175 km 떨어진 곳으로 전력을 전송하기 위해 40 Hz를 사용했다. 영국의 북동부( 뉴캐슬어폰타인 일렉트릭 서플라이 컴퍼니, NESCO)에는 1920년대 후반 영국 내셔널 그리드가 등장할 때까지 대규모 상호 연결된 40 Hz 네트워크가 존재했으며, 이탈리아의 프로젝트는 42 Hz를 사용했다.^[6] 미국에서 가장 오래된 연속 상업 수력 발전소인 미케닉빌 수력 발전소는 여전히 40 Hz로 전력을 생산하고 주파수 변환기를 통해 지역 60 Hz 송전 시스템에 전력을 공급한다. 북미와 호주의 산업 플랜트 및 광산은 때때로 40 Hz 전기 시스템으로 구축되었으며 계속 유지하기에는 너무 비경제적일 때까지 유지되었다. 40 Hz에 가까운 주파수가 많은 상업적 용도로 사용되었지만, 이들은 대량 장비 제조업체가 선호하는 25, 50, 60 Hz의 표준화된 주파수로 대체되었다.

헝가리의 간츠 컴퍼니는 자사 제품에 5000 교류/분(412⁄3 Hz)을 표준으로 정했고, 이로 인해 간츠 고객들은 일부 경우 수년간 작동한 412⁄3 Hz 시스템을 갖게 되었다.^[7]

표준화

전기화 초기에는 너무 많은 주파수가 사용되어 단일 값이 우세하지 않았다(1918년 런던에는 10가지 다른 주파수가 있었다). 20세기가 계속되면서 60 Hz(북미) 또는 50 Hz(유럽 및 대부분의 아시아)에서 더 많은 전력이 생산되었다. 표준화는 전기 장비의 국제 무역을 가능하게 했다. 훨씬 나중에 표준 주파수 사용은 전력 계통의 상호 연결을 가능하게 했다. 제2차 세계 대전 이후, 저렴한 전기 소비재의 등장과 함께 더욱 통일된 표준이 제정되었다.

영국에서는 1904년에 50 Hz의 표준 주파수가 선언되었지만, 다른 주파수에서도 상당한 개발이 계속되었다.^[8] 1926년부터 시작된 영국 내셔널 그리드의 구현은 많은 상호 연결된 전기 서비스 제공자들 사이에서 주파수의 표준화를 강제했다. 50 Hz 표준은 제2차 세계 대전 이후에야 완전히 확립되었다.

1900년경까지 유럽 제조업체들은 새로운 설비에 50 Hz를 대부분 표준화했다. 독일의 Verband der Elektrotechnik (VDE)는 1902년 전기 기계 및 변압기에 대한 첫 번째 표준에서 25 Hz와 50 Hz를 표준 주파수로 권장했다. VDE는 25 Hz의 많은 응용을 보지 못하고 1914년 표준판에서 이를 삭제했다. 다른 주파수의 잔존 설비는 제2차 세계 대전 이후까지 지속되었다.^[7]

변환 비용 때문에 배전 시스템의 일부는 새로운 주파수가 선택된 후에도 원래 주파수로 계속 작동할 수 있다. 25 Hz 전력은 온타리오주, 퀘벡주, 미국 북부, 그리고 철도의 전철화에 사용되었다. 1950년대에 많은 25 Hz 시스템은 발전기에서 가전제품에 이르기까지 변환 및 표준화되었다. 2006년까지 일부 25 Hz 발전기는 기존 장비 교체를 원치 않는 대규모 산업 고객에게 전력을 공급하기 위해 나이아가라 폭포 근처의 Sir Adam Beck 1 (이들은 60 Hz로 개조됨) 및 랭킨 발전소 (2006년 폐쇄될 때까지)에 여전히 존재했다. 그리고 뉴올리언스에는 홍수 배수 펌프용으로 일부 25 Hz 전동기와 25 Hz 발전소가 존재한다.^[9] 15 kV AC 철도 네트워크는 독일, 오스트리아, 스위스, 스웨덴, 노르웨이에서 사용되며 여전히 16+2⁄3 Hz 또는 16.7 Hz로 작동한다.

일부 경우, 대부분의 부하가 철도 또는 전동기 부하일 때 25 Hz로 전력을 생산하고 60 Hz 배전을 위해 회전 변환기를 설치하는 것이 경제적이라고 여겨졌다.^[10] 교류에서 직류를 생산하는 변환기는 더 큰 크기로 제공되었고 60 Hz에 비해 25 Hz에서 더 효율적이었다. 오래된 시스템의 잔존 부분은 회전 변환기 또는 HVDC 변환소 주파수 변환기를 통해 표준 주파수 시스템에 연결될 수 있다. 이들은 두 가지 다른 주파수의 전력 네트워크 간에 에너지를 교환할 수 있게 하지만, 시스템은 크고 비용이 많이 들며 작동 중에 일부 에너지를 낭비한다.

25 Hz와 60 Hz 시스템 간에 변환하는 회전 기계 주파수 변환기는 설계하기가 어려웠다. 24극 60 Hz 기계는 10극 25 Hz 기계와 동일한 속도로 회전하므로 기계가 크고 저속이며 비쌌다. 60/30 비율은 이러한 설계를 단순화했을 것이지만, 25 Hz에 설치된 기반이 너무 커서 경제적으로 반대할 수 없었다.

미국에서는 서던 캘리포니아 에디슨이 50 Hz로 표준화했다.^[11] 서던 캘리포니아의 상당 부분은 50 Hz로 작동했으며 1948년경까지 발전기와 고객 장비의 주파수를 60 Hz로 완전히 변경하지 않았다. 오 세이블 전기 회사의 일부 프로젝트는 1914년에 최대 110,000볼트의 송전 전압에서 30 Hz를 사용했다.^[12]

처음에는 브라질에서 유럽과 미국에서 전기 기계가 수입되었고, 이는 각 지역에 따라 50 Hz와 60 Hz 표준이 모두 존재한다는 것을 의미했다. 1938년 연방 정부는 8년 이내에 전국을 50 Hz로 통합하려는 Decreto-Lei 852 법을 제정했다. 이 법은 효과가 없었고, 1960년대 초 브라질은 대부분의 개발 및 산업화된 지역에서 60 Hz를 사용했기 때문에 60 Hz 표준으로 통일하기로 결정했고, 1964년에 새로운 Lei 4.454 법이 선언되었다. 브라질은 60 Hz로의 주파수 변환 프로그램을 거쳤으며, 이는 1978년에야 완료되었다.^[13]

멕시코에서는 50 Hz 계통으로 운영되던 지역이 1970년대에 전환되어 전국이 60 Hz로 통일되었다.^[14]

일본에서는 서부 지역(나고야 및 서쪽)이 60 Hz를 사용하고 동부 지역(도쿄 및 동쪽)이 50 Hz를 사용한다. 이는 1895년 도쿄에 설치된 아에게의 첫 발전기와 1896년 오사카에 설치된 제너럴 일렉트릭의 첫 발전기 구매에서 비롯된다. 두 지역 사이의 경계에는 주파수를 변환하는 4개의 후방 초고압직류송전 변전소가 있다. 이들은 신 시나노, 사쿠마 댐, 미나미 후쿠미쓰, 그리고 히가시 시미즈 주파수 변환기이다.

1897년 북미의 상용 주파수^[15]

Hz	설명
140	우드 아크 조명 발전기
133	스탠리-켈리 컴퍼니
125	제너럴 일렉트릭 단상
66.7	스탠리-켈리 컴퍼니
62.5	제너럴 일렉트릭 "모노사이클릭"
60	많은 제조업체, 1897년에 "점점 더 흔해짐"
58.3	제너럴 일렉트릭 라친 라피즈
40	제너럴 일렉트릭
33	제너럴 일렉트릭 포틀랜드 오리건, 회전 변환기용
27	크로커-휠러 탄화 칼슘 용광로용
25	웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션 나이아가라 폭포 2상—모터 작동용

1900년까지 유럽의 상용 주파수^[7]

Hz	설명
133	단상 조명 시스템, 영국 및 유럽
125	단상 조명 시스템, 영국 및 유럽
83.3	단상, 페란티 영국, 뎁트포드 발전소, 런던
70	단상 조명, 독일 1891
65.3	브라운보베리앤시 벨린초나
60	단상 조명, 독일, 1891, 1893
50	아에게, 올리콘, 기타 제조업체, 최종 표준
48	브라운보베리앤시 킬방엔 발전소,
46	로마, 제네바 1900
451⁄3	프랑크푸르트 암 마인 시영 발전소, 1893
42	간츠 고객, 또한 독일 1898
412⁄3	간츠 컴퍼니, 헝가리
40	라우펜 암 네카르, 수력 발전, 1891, 1925년까지
38.6	브라운보베리앤시 알렌
331⁄3	세인트 제임스 앤 소호 전기 조명 회사 런던
25	단상 조명, 독일 1897

20세기 중반에도 상용 주파수는 현재 흔한 50 Hz 또는 60 Hz로 완전히 표준화되지 않았다. 1946년, 라디오 장비 설계자를 위한 참고 매뉴얼^[16]은 다음과 같은 현재는 폐기된 주파수를 사용 중인 것으로 나열했다. 이들 지역 중 다수는 50주기, 60주기 또는 직류 공급도 있었다.

1946년 사용 중인 주파수 (50 Hz 및 60 Hz 외)

Hz	지역
25	캐나다 (남부 온타리오), 파나마 운하 지대(*), 프랑스, 독일, 스웨덴, 영국, 중국, 하와이, 인도, 만주
331⁄3	포츠 로드 발전소, 첼시, 런던 (런던 지하철 및 트롤리 버스용, 직류로 변환 후)
40	자메이카, 벨기에, 스위스, 영국, 말레이 연합주, 이집트, 서호주(*)
42	체코슬로바키아, 헝가리, 이탈리아, 모나코(*), 포르투갈, 루마니아, 유고슬라비아, 리비아 (트리폴리)
43	아르헨티나
45	이탈리아, 리비아 (트리폴리)
76	지브롤터(*)
100	몰타(*), 영국 동아프리카

(*)로 표시된 지역은 해당 지역에서 유일하게 표시된 상용 주파수이다.

철도

다른 전력 주파수도 여전히 사용된다. 독일, 오스트리아, 스위스, 스웨덴 및 노르웨이는 철도용 견인 전력망을 사용하며, 16+2⁄3 Hz 또는 16.7 Hz의 단상 교류를 분배한다.^[17] 25 Hz 주파수는 오스트리아의 마리아첼 철도뿐만 아니라 미국의 암트랙 및 SEPTA의 견인 전력 시스템에도 사용된다. 다른 교류 철도 시스템은 지역 상업 전력 주파수인 50 Hz 또는 60 Hz로 전기가 공급된다.

견인 전력은 주파수 변환기를 통해 상업용 전력 공급 장치에서 파생될 수 있으며, 일부 경우에는 전용 견인 발전소에서 생산될 수도 있다. 19세기에는 정류자 전동기가 있는 전기 철도 운행을 위해 8 Hz만큼 낮은 주파수도 고려되었다.^[2] 일부 열차 콘센트는 올바른 전압을 전달하지만, 16+2⁄3 Hz 또는 16.7 Hz와 같은 원래 열차 네트워크 주파수를 사용한다.

400 Hz

400 Hz만큼 높은 전력 주파수는 소형화 및 경량화가 우선시되는 애플리케이션에 사용된다. 항공기, 우주선, 잠수함, 전원 공급 장치 (컴퓨터)용 서버룸,^[18] 군사 장비 및 휴대용 공작 기계 등이 여기에 해당한다. 이러한 높은 주파수는 경제적으로 장거리 전송이 불가능하다. 주파수 증가로 인해 송전선의 유도계수로 인한 직렬 임피던스가 크게 증가하여 송전이 어려워진다. 결과적으로 400 Hz 전력 시스템은 일반적으로 건물이나 차량에만 국한된다.

예를 들어, 변압기는 동일한 전력 수준에 대해 자기 코어를 훨씬 작게 만들 수 있기 때문에 더 작게 만들 수 있다. 유도전동기는 주파수에 비례하는 속도로 회전하므로 고주파 전력 공급은 동일한 전동기 부피와 질량에 대해 더 많은 전력을 얻을 수 있도록 한다. 400 Hz용 변압기와 전동기는 50 또는 60 Hz보다 훨씬 작고 가벼워 항공기와 선박에서 이점이다. 미국 군사 표준 MIL-STD-704는 항공기용 400 Hz 전력 사용에 대해 존재한다.

안정성

전기시계

전력 계통의 상당히 일정한 주파수는 일부 전기시계가 시간을 정확하게 유지하는 데 사용된다. 실제로는 계통의 정확한 주파수는 공칭 주파수 주변에서 변동하며, 계통이 과부하될 때 감소하고, 부하가 적을 때 빨라진다. 그러나 대부분의 전력 회사들은 하루 동안 계통에 대한 발전을 조정하여 일정한 수의 사이클이 발생하도록 보장한다.^[19]

시간 오차 보정 (TEC)

TEC 가용성

정확한 시간 유지를 위한 전력 시스템 주파수 조정은 헨리 워런의 워런 발전소 마스터 클록과 자체 기동 동기전동기 발명 이후인 1916년 이후에야 보편화되었다. 니콜라 테슬라는 1893년 시카고 세계 박람회에서 선 주파수에 의해 동기화되는 시계의 개념을 시연했다. 해먼드 오르간도 내부 "톤 휠" 발전기의 정확한 속도를 유지하기 위해 교류 동기전동기 시계에 의존하여 모든 음의 음높이를 완벽하게 유지한다.

오늘날 교류 전력망 운영자는 시계가 정확한 시간으로부터 몇 초 이내에 유지되도록 일일 평균 주파수를 조절한다. 실제로는 공칭 주파수가 동기화를 유지하기 위해 특정 비율로 높이거나 낮아진다. 하루 동안 평균 주파수는 백만 분의 몇 부분 이내의 공칭 값으로 유지된다.^[20] 대륙유럽 동기 전력망에서 네트워크 위상 시간과 협정 세계시 (국제원자시 기반) 간의 편차는 매일 08:00에 스위스의 제어 센터에서 계산된다. 그런 다음 필요한 경우 목표 주파수를 50 Hz에서 최대 ±0.01 Hz (±0.02%)까지 조정하여 장기 주파수 평균이 정확히 50 Hz × 60 s/min × 60 min/h × 24 h/d = 4320000 사이클/일이 되도록 한다.^[21] 북미에서는 동부 연계선의 경우 오차가 10초를 초과하거나, 텍사스 연계선의 경우 3초, 서부 연계선의 경우 2초를 초과할 때마다 ±0.02 Hz (0.033%)의 보정이 적용된다. 시간 오차 보정은 매 시 정각 또는 매 30분마다 시작하고 끝난다.^[22][23]

영국의 전력 생산을 위한 실시간 주파수 측정기는 온라인에서 사용할 수 있다. 내셔널 그리드의 공식 측정기와 다이내믹 디맨드가 유지 관리하는 비공식 측정기이다.^[24][25] 대륙유럽 동기 전력망의 실시간 주파수 데이터는 www.mainsfrequency.com와 같은 웹사이트에서 확인할 수 있다. 테네시 대학교의 주파수 모니터링 네트워크 (FNET)는 북미 전력망 내의 상호 연결뿐만 아니라 전 세계 여러 지역의 주파수를 측정한다. 이러한 측정값은 FNET 웹사이트에 표시된다.^[26]

미국 규정

미국에서 연방 에너지 규제 위원회는 2009년에 시간 오차 보정을 의무화했다.^[27] 2011년, 북미 전력 신뢰도 공사 (NERC)는 전력 계통의 주파수 규제 요구 사항을 완화하는^[28] 제안된 실험에 대해 논의했으며, 이는 60 Hz 상용 주파수를 시간 기준으로 사용하는 시계 및 기타 장치의 장기 정확도를 감소시킬 수 있다.^[29]

주파수와 부하

[[광역 동기 전력망|현대 교류 계통]]은 정밀한 주파수 제어를 대역 외 신호로 사용하여 네트워크에 연결된 발전기를 조정한다. 이 관행은 기계 발전기의 주파수가 입력 힘 (물리학)과 출력 전기 부하에 따라 달라지기 때문에 생겨났다. 과부하는 발전기 샤프트에서 회전 운동 에너지를 빼앗아 생성된 전류의 진동수를 감소시킨다. 과도한 힘은 회전 에너지를 공급하여 주파수를 증가시킨다. 자동 발전 제어 (AGC)는 주파수 변화에 대응하기 위해 발전기 조속기를 조정하여 예정된 주파수와 상호 교환 전력 흐름을 유지하며, 일반적으로 몇 데카초 이내에 이루어진다.^[30]

플라이휠 물리학은 인버터 연결 태양광 발전 단지 또는 기타 직류 연결 전력 공급 장치에는 적용되지 않는다. 그러나 이러한 발전소 또는 저장 시스템은 주파수 신호를 따르도록 프로그래밍될 수 있다.^[31] 실제로 2017년 CAISO 시험에서는 태양광 발전소가 전통적인 발전기보다 신호에 더 빠르게 반응할 수 있다는 사실을 발견했다. 회전하는 질량을 가속할 필요가 없었기 때문이다.^[32]

작고 일시적인 주파수 변화는 수요 변화의 피할 수 없는 결과이지만, 극적이고 급격한 주파수 변화는 종종 배전망이 용량 한계에 가까워졌다는 신호이다. 주요 정전 전에 예외적인 사례가 발생했다. 발전기 또는 송전선의 심각한 고장 시, 이로 인한 부하-발전 불균형은 지역 전력 시스템 주파수에 변화를 유발한다. 송전선 상호 연결의 손실은 손실 상류에서 시스템 주파수를 증가시키지만(과잉 발전으로 인해), 손실 하류에서 주파수 또는 전압의 붕괴를 유발할 수 있다(과잉 부하로 인해). 결과적으로 많은 전력 시스템 보호 릴레이는 심각한 저주파수(일반적으로 시스템의 교란 허용 오차 및 보호 조치의 심각성에 따라 0.5–2 Hz 너무 낮음)에서 자동으로 작동된다. 이들은 부하 차단을 시작하거나 트립 상호 연결 선을 시작하여 네트워크의 최소한 일부 작동을 보존한다.^[33]

많은 발전기와 부하와 광범위하게 상호 연결되지 않은 소규모 전력 시스템은 동일한 수준의 정확도로 주파수를 유지하지 못한다. 부하가 많은 기간 동안 시스템 주파수가 엄격하게 조절되지 않는 경우, 시스템 운영자는 허용 가능한 정확도의 일일 평균 주파수를 유지하기 위해 부하가 적은 기간 동안 시스템 주파수를 높이도록 허용할 수 있다.^[34][35] 유틸리티 시스템에 연결되지 않은 휴대용 발전기는 주파수를 엄격하게 조절할 필요가 없다. 일반적인 부하가 작은 주파수 편차에 둔감하기 때문이다.

부하-주파수 제어

부하-주파수 제어 (LFC)는 주변 지역에 대한 전력 공급 또는 소비 계약을 존중하면서 시스템 주파수를 복원하는 일종의 적분 제어이다. 주파수와 부하에서 설명된 자동 발전 방식은 평균 주파수 오차의 크기를 최소화하는 감쇠 (진동계)를 설정하며, Δf는 주파수이고, Δ는 측정된 값과 원하는 값의 차이를 나타내며, overline은 시간 평균을 나타낸다.

LFC는 "순 계통간 전력"으로 알려진 다른 영역 간의 전력 전송을 최소화되는 양에 통합한다. 특정 주파수 편향 상수 B의 경우, LFC와 관련된 순간 영역 제어 오차 (ACE)는 단순히 $${\displaystyle \Delta (P_{T}-Bf){\text{,}}}$$ 이다. 여기서 P_T는 계통간 전력을 나타낸다.^[36] 이 순간 오차는 수치 적분되어 시간 평균을 제공하고, 조속기는 그 값에 대응하도록 조정된다.^[37][38] 계수 B는 전통적으로 음수 값을 가지므로 주파수가 목표보다 낮으면 영역 전력 생산이 증가해야 한다. 그 크기는 일반적으로 MW/dHz 온도 등급이다.^[39]

계통간 편향 LFC는 1930년대부터 알려져 있었지만 전후 시대까지 거의 사용되지 않았다. 1950년대에 네이선 콘은 일련의 논문을 통해 이 관행을 대중화했으며, 부하-주파수 제어가 부하 변화에 필요한 조정을 최소화한다고 주장했다.^[40] 특히 콘은 계통의 모든 지역이 공통의 선형 체제를 공유하며, 위치 불변의^[41] 추가 부하당 주파수 변화 (⁠df/dL⁠)를 가진다고 가정했다. 만약 전력 회사가 $${\displaystyle B={\frac {1}{2}}{\frac {dL}{df}}{\text{,}}}$$를 선택하고 한 지역에서 일시적인 합선 또는 기타 발전-부하 불일치가 발생하면, 인접 발전기는 주파수 감소를 관찰하지만, 상쇄되는 외부 계통간 전력 흐름 증가를 관찰하여 ACE가 발생하지 않는다. 따라서 실패한 지역이 회복되기 전의 (가정된) 짧은 기간 동안 조속기 조정을 하지 않을 것이다.^[42]

주파수 변화율

주파수 변화율 (또는 ROCOF)은 단순히 상용 주파수의 시간 미분 (${\displaystyle {df}/{dt}}$)이며, 일반적으로 초당 Hz, Hz/s로 측정된다. 이 매개변수의 중요성은 전통적인 교류 발전기가 가변 재생 에너지 (VRE) 인버터 기반 리소스 (IBR)로 대체될 때 증가한다. 동기 발전기의 설계는 본질적으로 ROCOF를 제한하는 관성 응답을 제공한다. IBR은 전력 계통에 전기기계적으로 연결되지 않으므로, VRE 침투율이 높은 시스템은 나머지 동기 발전기에 가해지는 스트레스, 보호 장치 작동 및 부하 차단으로 인해 시스템 작동에 문제를 일으킬 수 있는 큰 ROCOF 값을 나타낼 수 있다.^[43] ROCOF를 사용하여 무해한 노이즈와 위험한 이탈을 구분하는 것도 어려우며, 잘못된 연결 끊김을 유발할 수 있다.^[44] 일부 HVDC 단말은 2.5 Hz/s의 ROCOF까지 계통에 연결된 상태를 유지해야 하지만, 풍력 터빈은 4 Hz/s까지 안정적으로 유지될 수 있다.^[45]

2017년 현재, 일부 그리드에 대한 규정은 발전소가 1–4 Hz/s의 ROCOF를 허용하도록 요구했으며, 상한값은 매우 높은 값으로, 일반적인 구형 가스 터빈 발전기의 설계 목표보다 한 자릿수 더 높다.^[46] 높은 전력 (수 MW) 장비의 ROCOF 허용 오차를 테스트하는 것은 어렵다. 일반적인 테스트 설정은 그리드에서 전력을 공급받으며, 따라서 주파수를 임의로 변경할 수 없기 때문이다. 미국에서 국립재생에너지연구소의 제어 가능한 그리드 인터페이스는 다중 MW 장치^[47] (최대 7 MVA)의 테스트를 허용하는 유일한 시설이다.^[48] 대형 화력 발전 장치의 테스트는 불가능하다.^[47]

가청 소음 및 간섭

교류 전력으로 작동하는 기기는 종종 "주전원 험"이라고 불리는 특유의 윙윙거리는 소리를 내는데, 이는 사용하는 교류 전력 주파수의 배수에서 발생한다 (자기변형 참조). 이는 일반적으로 전동기 및 변압기 코어 라미네이션이 자기장과 동기화되어 진동하여 발생한다. 이 윙윙거리는 소리는 증폭기의 전원 공급 장치 필터나 신호 차폐가 충분하지 않을 때 오디오 시스템에서도 나타날 수 있다.

50 Hz 전력 험

60 Hz 전력 험

400 Hz 전력 험

대부분의 국가는 텔레비전의 수직 동기화 주파수를 지역 주전원 공급 주파수와 동일하게 선택했다. 이는 특히 주전원 변압기로 인한 송전선 험과 자기 간섭이 초기 아날로그 TV 수신기의 표시되는 화면에 눈에 띄는 비트 주파수를 유발하는 것을 방지하는 데 도움이 되었다. 비록 약간의 화면 왜곡이 있었지만, 정지되어 있었기 때문에 대부분 눈에 띄지 않았다. AC/DC 수신기 사용으로 변압기를 제거하고, 세트 설계에 대한 다른 변경 사항들이 효과를 최소화하는 데 도움이 되었고, 일부 국가에서는 이제 공급 주파수에 근접한 수직 주파수를 사용한다 (특히 50 Hz 및 60 Hz 지역).

이러한 부작용의 또 다른 용도는 법의학적 도구이다. 교류 기기나 콘센트 근처에서 오디오 녹음이 이루어지면 윙윙거리는 소리도 우연히 녹음된다. 윙윙거리는 소리의 피크는 교류 주기마다 반복된다 (50 Hz 교류의 경우 20 ms마다, 60 Hz 교류의 경우 16.67 ms마다). 윙윙거리는 소리의 정확한 주파수는 녹음이 이루어졌다고 주장되는 정확한 날짜와 시간에 대한 법의학적 녹음의 주파수와 일치해야 한다. 주파수 일치의 불연속성 또는 전혀 일치하지 않는 것은 녹음의 진위를 드러낼 것이다.^[49]

같이 보기

• 주전원
• 최대 수요 표시기
• 네트워크 분석기 (AC 전력)
• 텔레크론

더 읽어보기

• Furfari, F.A., The Evolution of Power-Line Frequencies 133+1⁄3 to 25 Hz, Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Oct 2000, Volume 6, Issue 5, Pages 12–14, ISSN 1077-2618.
• Rushmore, D.B., Frequency, AIEE Transactions, Volume 31, 1912, pages 955–983, and discussion on pages 974–978.
• Blalock, Thomas J., Electrification of a Major Steel Mill – Part II Development of the 25 Hz System, Industry Applications Magazine, IEEE, Sep/Oct 2005, Pages 9–12, ISSN 1077-2618.