De netfrequentie: waarom 50 of 60 Hertz?
Op het elektriciteitsnet staat in Europa wisselstroom van 50 Hertz en in Amerika van 60 Hertz. Waarom is er voor deze frequenties gekozen en waarom verschilt dit tussen Europa en Amerika?
Waarom we op het elektriciteitsnet wisselstroom gebruiken en geen gelijkstroom kan je in de St(r)oomcursus vinden. Het is een verhaal dat een hele film kan vullen,iets dat in 2019 ook werkelijk is gedaan, hoewel War of the Currents maar matigjes aansloeg. Ook binnen wisselstroom heb je verschillende frequenties. In Europa en het grootste deel van de rest van de wereld gebruikt men 50 Hertz. Amerika en sommige andere Angelsaksisch georiënteerde landen vormen een blok waar men het elektriciteitsnet op 60 Hertz bedrijft. Wie hier ook een film over zou willen maken komt bedrogen uit. De redenen zijn namelijk vrij saai.
Technisch optimum
Hertz (Hz) is de natuur- en wiskundige eenheid waarin een trilling of oscillatie wordt uitgedrukt. Een sinus is een wiskundige functie waarmee je een zich herhalende golfbeweging kan definiëren, waarvan je de snelheid van herhaling dan weer in Hertz kan uitdrukken. Meer hebben we niet nodig voor het begrijpen van de wisselfrequentie van wisselstroom.
In een wisselstroomnet oscilleert de spanning continu. Bij 50 Hertz (rood) worden per seconde precies vijftig volledige cycli doorlopen, telkens bestaand uit een piek en een dal, of zo je wil honderd pieken maar vijftig omhoog en vijftig omlaag. Bij 60 Hertzz gebeurt precies hetzelfde, maar dan net wat sneller (blauw). Meer verschil is er niet.
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 noodzakelijk is om lange transportverbindingen te laten functioneren zonder teveel verliezen.
In de begintijd van wisselstroom als transmissiesysteem is er geëxperimenteerd met allerlei frequenties. Lage frequenties zoals 16,7 Hz en 20 Hz maken het makkelijk om grote efficiënte generators (eigenlijk alternators) te bouwen. Eenvoudige exemplaren met drie of zes spoelen hoeven minder snel te roteren en ze krijgen minder mechanische krachten te verwerken. Maar aan de verbruikskant zijn inductiemotoren, trafo’s en booglampen juist niet vooruit te branden op 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 (vandaag nog gebruikt in vliegtuigen) zijn er weer andere problemen. Bij zulke rotatiesnelheden werkt een transformator fijn, maar men kan er geen grote generators voor bouwen en het is bij die frequenties ook niet mogelijk om lange transportlijnen te maken. Het zogeheten skineffect wordt 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, het waren fysiek roterende machines die onderhoud vroegen en snel kapot kunnen. Het handigst was het 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.
Geluidsfragmenten van 50 Hz (100 trillingen per seconde) en 60 Hz (120 trillingen). Europeanen zullen bij het fragment bovenaan meteen aha, dat ken ik roepen. Amerikanen juist bij het fragment onderaan. De zogeheten mains hum ofwel bromtoon van beide netfrequenties verschilt en bij transformatorstations is dat goed hoorbaar.
60 Hertz: veelvoud van drie
De keuze uit de laat 19e eeuw voor 60 Hz in Amerika is verrassend logisch. Het is een veelvoud van drie. Westinghouse, de grote naam achter de eerste wisselstroomsystemen en ook de werkgever van Nikola Tesla, vond dat handig rekenen omdat het aantal wikkelingen in een driefasengenerator, het aantal fasedraden en de benodigde rotatiesnelheid dan telkens in elkaars verlengde liggen. Een intuïtief systeem is makkelijk voor de industrie en verkleint de kans op fouten en lastig rekenwerk.
Op klokgetallenbordjes kan je zien dat de drie fasen van een driefasennet éénderde uit elkaar lopen. Drie, 1/3e, 60, 4, 8, 12, al deze getallen delen rekenkundig veel met elkaar. Westinghouse zag hier handigheid in.
50 Hz: metrieke handigheid
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 voor het eerst bij AEG voor 50 Hz gekozen. Vijftig past rekenkundig makkelijker in het metrieke stelsel dan zestig. 50 Hz is precies honderd uitslagen 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 geraakt. Daar bood vijftig als rekenkundig getal geen voordelen.
Zo bleven 50 Hz en 60 Hz letterlijk los van elkaar bestaan op beide continenten, allebei ideaal voor het continent in kwestie. Totdat ze zo wijdverbreid waren geraakt op het eigen continent dat er geen weg meer was naar unificatie. Los van praktische dingen zoals reken- of constructievoorkeuren, technisch is er tussen een hoogspanningsnet dat op 50 Hz of 60 Hz wordt bedreven maar heel weinig verschil. Amerikaanse transformators zijn net een minieme fractie efficiënter dan Europese exemplaren, terwijl voor de hoogspanningslijnen het omgekeerde geldt. Gezien de aard van beide continenten was het iets handiger geweest om de omgekeerde situatie te hebben, maar het verschil is verwaarloosbaar vergeleken met andere verliesposten.