Waarom is de wisselfrequentie van elektriciteit op het net eigenlijk 50 en 60 Hertz?

Waarom we op het transportnet wisselstroom in plaats van gelijkstroom gebruiken kan je in de St(r)oomcursus vinden. Het is een verhaal dat eenvoudig een hele film kan vullen – iets wat in 2019 ook werkelijk is gedaan. Maar de reden achter de keuze voor de wisselfrequentie van 50 Hertz (Europa, grootste deel van de wereld) en 60 Hertz (Amerika en sommige andere ankelsaksisch georiënteerde landen) is minder filmgeschikt. Het is relatief simpel en pragmatisch: de huidige wisselfrequenties zijn een experimenteel bevonden technisch optimum tussen enerzijds de hoge wisselfrequentie die transformators, inductie- en kooiankermotoren prettig vinden, en de lage wisselfrequentie die juist noodzakelijk is om lange transportverbindingen te laten functioneren zonder teveel transmissieverliezen.

Technisch optimum, geen urban legend

In de begintijd van wisselstroom als transmissiesysteem is er geëxperimenteerd met allerlei wisselfrequenties.

Lage frequenties zoals 16,7 Hz en 20 Hz maken het makkelijker om grote, efficiënte generators (eigenlijk alternators) te bouwen. Eenvoudige exemplaren met drie of zes spoelen hoeven dan minder snel te roteren en krijgen dan minder mechanische krachten te verwerken. Maar aan de verbruikskant zijn elektromotoren, trafo's en booglampen juist niet vooruit te branden bij bijvoorbeeld 10 Hz, zodat de praktische toepassing van elektriciteit met een hoog rendement dan moeilijk wordt. Bij hoge frequenties zoals 130 Hz of 400 Hz (zoals vandaag nog gebruikt in vliegtuigen) zijn er weer andere problemen. Bij zulke rotatiesnelheden werkt een transformator weliswaar heel lekker, maar men kan er geen grote generators meer voor bouwen en het is bij die frequenties ook niet mogelijk om lange transportlijnen te maken. Reactief- en capacitief gedrag in de draden ten opzichte van elkaar (en de veroorzaakte impedantie) en ook het zogeheten skineffect worden dan een te groot probleem.

Met de techniek van ruim een eeuw geleden was vermogenselektronica en HVDC (hoogspanningsgelijkstroom) onmogelijk. Gelijkstroom kon niet op grote schaal tot een transportnet worden gesmeed. Dat was de reden waarom wisselstroom uiteindelijk de standaard werd. Ook frequentie-omvormers waren duur en kwetsbaar, want het waren fysiek roterende machines die onderhoud vroegen en die ook snel kapot kunnen. Het handigst was het dus om met wisselstroom een compromis te vinden: een wisselfrequentie ergens in het midden, waarbij generators, transformators, transportlijnen, motoren en booglampen allemaal nog min of meer acceptabel zouden functioneren. Dat werd gevonden in een frequentie van de ordegrootte 50 en 60 Hz.

50 of 60 Hertz: veelvoud van 3, of juist metrieke handigheid

De exacte keuze voor 50 Hz in Europa en 60 Hz in Amerika is het onderwerp van een aantal indianenverhalen. Helaas voor sensatiezoekers, ook hier is de waarheid verrassend rationeel en simpel, zoals bijna altijd als technici iets ontwerpen. 60 Hz in Amerika is een pragmatische keuze. Het is een veelvoud van drie. Westinghouse vond dat handig rekenen omdat het aantal wikkelingen in een driefasengenerator (het aantal fasedraden) en de benodigde rotatiesnelheid dan telkens allemaal in elkaars verlengde liggen. Een intuïtief systeem is makkelijk voor de industrie en verkleint de kans op fouten.

50 Hz in Europa is minder goed gedocumenteerd, maar Europa heeft sinds de Franse Revolutie het metrieke stelsel: al onze maten en grootheden zijn factoren van tien. Toen elektriciteit in Europa in zwang raakte beheersten Duitse bedrijven zoals AEG en RWE al snel de markt. Waarschijnlijk is er bij AEG om die reden voor 50 Hz gekozen. 50 past rekenkundig veel makkelijker in het metrieke stelsel dan 60. 50 Hz is precies 100 golftoppen van de sinus per seconde. De generator doet precies 3000 omwentelingen per minuut. In Amerika, waar men het imperiale stelsel gebruikt, is rekenen in tienvouden nooit gangbaar geweest en bood 50 als rekenkundig getal geen voordelen.

Zo bleven 50 Hz en 60 Hz letterlijk los van elkaar bestaan op beide continenten, beide ideaal voor het continent in kwestie. Totdat ze al gauw zo wijdverbreid waren geraakt dat er geen weg meer terug was. Los van praktische dingen zoals reken- of constructievoorkeuren, elektrotechnisch is er tussen een hoogspanningsnet dat op 50 Hz of 60 Hz wordt bedreven zo weinig voor- of nadeel dat het in het dagelijks leven geen naam mag hebben. Amerikaanse transformators zijn net een fractie efficiënter dan Europese exemplaren, terwijl voor de hoogspanningslijnen het omgekeerde geldt. (Gezien de aard van beide continenten was het eigenlijk handiger geweest om de omgekeerde situatie te hebben.) 50 of 60 Hz is dus een technisch optimum, maar de precieze keuze voor 50 dan wel 60 Hz is vooral een historische verworvenheid waar we in vast zijn gegroeid.