Der Ursprung von Hertz in den elektrischen Frequenzen

Warum 50 und 60 Hz?

Obwohl es in der heutigen Zeit so scheint, als ob es schon immer eine einzige Frequenz für den Transport von Energie in jedem, der zwei bedeutendsten Einflussgebiete gegeben hat, war dies nicht so: 50 Hz für Europa und 60 Hz für die USA. Wir werden eine Wegstrecke durch die Geschichte der Frequenzen vollziehen, die benutzt wurden.  

1891 einigten sich zwei Ingenieure der Firma Westinghouse in Pittsburgh und entschieden sich dafür, 60 Hz als zukünftige Frequenz auszuwählen. Während desselben Jahres wählten die Ingenieure der Allgemeinen Elektrizitätsgesellschaft (AEG) in Berlin 50 Hz aus.

Seitdem diese Entscheidungen getroffen wurden, entwickelten sich diese Frequenzen zu den standardisierten „Frequenzen der Übertragung der Wechselspannung“, diese Entscheidung betrifft uns auch heute noch. Obwohl diese Standardisierung von jedem Land einzeln abhängt, ist einer der ungewöhnlichen Fälle der von Japan. Wenn eine Person von Tokio nach Osaka reist, muss sie bedenken, dass sie eine Zone von 50 Hz und eine von 60 Hz passiert.

Mit dieser kleinen Rezension wird versucht zu erklären, weshalb die Ingenieure von Westinghouse und AEG sich nicht auf eine einzige Frequenz einigen konnten und weshalb sie einen unterschiedlichen Wert auswählten.

Um den Ursprung der Entscheidungen, die die aktuellen Frequenzen bestimmen, zu kennen, muss man bis zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts reisen. Dafür ist es notwendig, die Dokumente zu kontrollieren, die es erlauben, die Hintergründe dieser Entscheidungen zu erahnen. Dies ermöglicht es uns, chronologisch die Handlungen zu beschreiben, die zu diesen Entscheidungen führten.

Seit dem Anbeginn der Epoche mit Elektrizität, die nicht der Unterhaltung diente, sondern als eine sichere Methode genutzt wurde, um Häuser und Gehwege zu erleuchten oder als eine Methode für die Einspeisung von elektrischen Motoren in Fabriken und das Produzieren von mechanischen Bewegungen, die uns von Kosten sowie wenig effizienten Systemen von mechanischer Übertragung befreit: Mittels Achsen, Hebeln, Rollen und Zahnrädern, die in den Jahren der industriellen Revolution genutzt wurden, veränderten sich die genutzten Frequenzen, die 40 und 53 Hz in Europa und die 133+1/3 und 125 Hz in den USA, in 50 und 60 Hz. Die Periode der Transition zwischen dem laufenden Strom, dessen erste Pioniere Edison und Kelvin waren und dem Wechselstrom (1887), dessen erster Verteidiger Nikola Tesla war, wird nicht beschrieben, weil klar ist, dass dies ein authentischer Krieg war, ebenso technologisch wie ökonomisch und politisch.

Von 1866 bis 1890

Obwohl es heutzutage unglaublich erscheint, generierte, produzierte und verteilte jeder Hersteller, Edison, Thomson-Houston, Westinghouse, Siemens usw. elektrische Energie, zusätzlich zur Herstellung von Motoren und adäquaten Beleuchtungen für eben diese. Dort, wo sich die Elektrizität nicht wie alles andere entwickelte und versucht wurde, die individuelle Nutzung der unterschiedlichen Entwicklungen isoliert von den anderen zu betreiben, erschien eine sehr wichtige technologische Verspätung: England, Frankreich und Spanien.

Als klares Beispiel dieser Situation aus dem Jahr 1878 dient folgende: Die Edison Machine Works konstruierten Dynamos, die Edison Tupe Company fabrizierte Stromleiter, die Edison Lamp Work entwickelte Glühbirnen und die Electric Illuminating Company of New York generierte Elektrizität in der Mitte der Pearl Street.

Wenn wir uns einmal auf den Wechselstrom konzentrieren: Im Jahr 1884 demonstrierte Dr. Hopkinson die Möglichkeit der Übertragung von Wechselstrom über kurze Distanzen hinweg, während desselben Jahres präsentierten Gibbs und Gaulard in der Ausstellung von Turín eine zweite Version ihres „zweiten Generators“, der Schlagbolzen des Transformators. Sie machten Probeläufe des Transports zwischen Turín und Lanzio. Das erste Netz war ungefähr 40 km lang, hatte eine Leistungsfähigkeit von 20 KW und eine Voltzahl von 2.000 Volt. Nachdem Max Deri, Otto Bláthy und Karl Zipernowsky die Defekte des „zweiten Generators“ gesehen hatten, verbesserten sie diesen, indem sie den magnetischen Kreislauf schlossen. Am 16. September 1884 beendete man die Montage des Transformators, an diesem Tag wurde er zum ersten Mal als solcher benannt. Dessen Eigenschaften folgende waren: Eine Übertragungsbeziehung von 120/72 v, eine Leistungsfähigkeit von 1.400 VA und 40 Hz.

Im Jahr 1886 kaufte die Firma Westinghouse die Patente der Transformatoren, designt von Gibbs-Gaulard und dem von Max Deri, Otto Bláthy und Karl Zibernowsky. Mit dem Bemühen von Stanley entwickelten sie einen gepanzerten Transformator, welchen sie in ihrer Präsentation von Great Barrington benutzten. Dieser wurde gespeist von einem Wechselstromerzeuger des Typens, der von Siemens gebaut wurde. Er hatte 16 Pole und arbeitete auf 1.000 rpm, daher die 133+1/3 Hz

• f = (p * n) / 120

Von:

• f = Frequenz in Hz
• p = Anzahl der Pole
• n = Drehgeschwindigkeit des Wechselstromerzeugers in rpm

Demgegenüber nutzten andere Firmen, wie zum Beispiel die Thomson-Houston Company Wechselstromerzeuger von 15.000 Zyklen (p*n), welcher die Frequenz von 125 Hz erlaubt.

Aus diesem Grund begann in den Vereinigten Staaten die Ära der „hohen Frequenz“ in der Generierung und Übertragung der elektrischen Energie, bei Westinghouse 133+1/3, bei Thomson und Houston 125 Hz und bei Fort Wayne Jenny Electric 140 Hz.

Eigentlich war in diesen Jahren die anfängliche Nutzung von Elektrizität die Beleuchtung und ebenso die erwünschten Ersuche nach Wärme, was die anderen Frequenzen perfekt einlösten. Mit den geringer wertigen Frequenzen begann die Beleuchtung einen lästigen Effekt zu erzeugen: Das Flackern.  

Von 1890 bis 1925

Dies ist eine Periode, in der ein Element auftaucht, das die Ruhe der Firmen stören und relativieren würde, der Induktionsmotor.

Die Motoren, die man für die Entwicklung der leistungsfähigen Maschinen nutzte, die die Werkzeuge der Maschinen bewegten, fügten sich direkt zusammen, der Motor, die elektrische Maschine, das Werkzeug. Wenn diese Maschinen auf einem Niveau von 80 rpm arbeiteten, benötigten sie elektrische Motoren mit 200 Polen, die jeweils mit 133+1/3 Hz gespeist wurden. Dieses Problem, die hohe Anzahl der Pole, tauchte nicht in Europa auf, da man dort schon mit 40 Hz arbeitete; dort wurden Generatoren mit 60 Polen benötigt.

Im Jahr 1890 nutzten AEG und Oerlikon 40 Hz für ihre dreiphasige elektrische Linie von 175 km, von Frankfurt (Rezeptoren) über Laufen (Produktion). Sie nutzten einen Wechselstromerzeuger mit einer Phasenspannung von 50V und 32 Polen, dessen Rotation bei 150 rpm lag; dies macht eine Frequenz von 40 Hz. Die Übertragung erfolgte durch den Übertrag der ursprünglichen 50 auf 8.500V. Die Stadt Frankfurt reduzierte die Spannung auf 65V. Hinterher bemerkten sie die stroboskopischen Probleme, die einer niedrigen angewandten Frequenz der Beleuchtung geschuldet waren und schon im Jahr 1891 wählten sie die Frequenz von 50 Hz, mit welcher sie diese Probleme lösen konnten: Der Entwurf der Generatoren für die Einspeisung der Motoren und der Beleuchtungssysteme.

Im Jahr 1890 bemerkten die Ingenieure von Westinghouse, dass das Arbeiten auf Frequenzen über 130 Hz die Entwicklung ihrer Motoren behinderte: zu viele Pole im Stator der Maschine. Sie analysierten das Problem und gelangten zu der Lösung, dass 7.200 Zyklen (p*n) und ebenso 60 Hz als Frequenz für den Wechselstrom der optimale Wert für ihre Motoren war und für die Kopplung der Maschinen, die sie in diesen Jahren produzierten.

Steinmetz wies, kurz nachdem er bei der Thomson-Houston Company zu arbeiten begonnen hatte, nach, dass das Auftauchen der Resonanzprobleme von dem elektrischen Material herrührte, welches er bei Hatford Eletric akquiriert hatte, das den Schwingungen von 125 Hz schadete, mit welchen sie den Strom lieferten. Die Form der Lösung war die Zahl der Schwingungen auf 62,5 Hz zu reduzieren. Im Gegensatz dazu nutzte General Electric weiterhin 50 Hz, welches die europäische Partnerin AEG nutzte. Im Jahr 1894 bemerkte General Electric, dass sie Verkäufe auf dem Markt des Wechselstroms einbüßten und änderte prompt die Anzahl der Schwingungen auf 60 Hz.   

Aber es war nicht alles Einstimmigkeit, bezogen auf die 60 Hz. Eines der größten Projekte für die Generierung von elektrischer Energie dieser Epoche waren die Niagara-Fälle im Jahr 1892. Um Energie zur Stadt Chicago zu liefern, tendierte man zu einer Nutzung eines biphasischen Wechselstromerzeugers mit 12 Polen, welcher einer Drehgeschwindigkeit von 250 rpm aufwies, die eine Frequenz von 25 Hz ergibt. Die Firma Westinghouse sollte dieses Projekt durchführen. Ebenso produzierten anderen Firmen dieser Zeit Wechselstromerzeuger mit 8.000 Zyklen, welches eine Frequenz von 66+2/3 Hz ergibt. 

Von 1925 bis heute

Obwohl es so scheint, dass seit dem Jahr 1921 alle elektrischen Systeme in den Vereinigten Staaten 60 Hz nutzten, war dies nicht der Fall. Der Prozess der Übertragung in Richtung einer standardisierten Frequenz dauerte praktisch bis 1948. Die Installationen von Mili Creek zum Beispiel änderten sich nicht bis zum Ende des zweiten Weltkriegs.

In England war es noch schlimmer. Seit der Ausfertigung von Electric Light Art, in welcher es notwendig war, dass das gesamte elektrische Material, welches produziert werden musste, von jedweder Person oder Firma verwendet werden konnte. Dies führte dazu, dass der entwickelte Transformator von Gibbs und Gaulard nicht in England verwendet werden konnte (einer der Gründe für ihren technologischen Rückschritt), doch aber in den Vereinigten Staaten und Deutschland.    

Ein extrem besonderer Fall ist Japan. Das Amt in Yokohama schickte einige Ingenieure in die Vereinigten Staaten, damit diese die unterschiedlichen Technologien studieren konnten, die es bisher (1889) vor dem Hintergrund des Themas Elektrizität gab. Als sie nach Japan zurückkehrten waren sie überzeugt von der Güte der „hohen Frequenz“ und kauften und installierten einen Wechselstromerzeuger von Stanley-Kelly-Chesney (SKC), der auf 133+1/3 HZ arbeitete, in Keage Canal. Im Jahr 1895 verkaufte AEG einen Wechselstromerzeuger mit 50 Hz an eine Firma in Tokyo.

Erinnern wir uns, dass Stanley von SKC zu General Electric wurde. Das war, als man entschied, dass 133+1/3 eine zu hohe Frequenz für die elektrischen Motoren bei Wechselstrom war. Sie änderten die Produktion ihrer Wechselstromerzeuger, damit diese den elektrischen Strom auf 60 Hz generierten. Als eine Firma in Osaka einen Wechselstromerzeuger von AEG kaufte, welche Wechselstromerzeuger produzierte, die Ströme von 60 Hz generierten, begann die Teilung der Frequenzen in Japan, die bis zur heutigen Zeit andauert: im Osten 50 Hz und im Westen 60 Hz.

Resümee

Eigentlich war die Bestimmung der Frequenzen überaus zweckmäßig, da es notwendig war, über die technologischen Probleme, die bei der Expansion von elektrischer Energie in die ganze Welt auftraten, hinauszugehen. 

In den ersten Jahren von elektrischer Energie wurde diese fast ausschließlich für die öffentliche Beleuchtung verwendet, in Hotels, in Banken und in Häusern von wohlhabenden Personen. Außerdem wurde sie verwendet, um die stroboskopischen Effekte zu verhindern. Deshalb waren die genutzten Frequenzen hoch.

Als die elektrische Energie ihren Weg zu Fabrikprozessen fand und der Konsum der Energie sehr stark anstieg, wurde nicht nur für die Beleuchtung, sondern auch für die Leistungsstärke das Frequenzlevel der bisherigen Werten gesenkt.

Die Trennung der 50 Hz in Europa und der 60 Hz in den Vereinigten Staaten vollzog sich aufgrund der einzigen, exklusiven und bestimmenden Position der Vorherrschaft von AEG in Europa und GE in den Vereinigten Staaten, deren Ingenieure sich in diesen Moment für die eine oder die andere Schwingung entschieden.

Quellenangaben:

Übersetzung aus dem Spanischen “El origen de los 50-60 Hz en la transmisión de la energía eléctrica”.
Escrito por Eduardo Aznar Colino y Joaquín Royo García, y publicado en la revista Técnica Industrial 242 (Septiembre de 2001). Vía afinidadelectrica.com.ar