thumb|upright=1.3|Corriente alterna de 230 V y 50 Hz en comparación con 120 V y 60 Hz La frecuencia de redLa operación del sistema eléctrico para Dummies. Red Eléctrica de España es el valor nominal de las oscilaciones de corriente alterna (CA) en una red síncrona de área amplia transmitida desde una central eléctrica al usuario final.
En gran parte del mundo es de 50 Hz, aunque en partes de América y partes de Asia suele ser de 60 Hz. El uso actual por país o región se proporciona en la lista de electricidad de red por país. Durante el desarrollo de los sistemas comerciales de energía eléctrica a fines del y principios del , se utilizaron muchas frecuencias (y voltajes) diferentes. La gran inversión en equipos en una frecuencia hizo que la estandarización fuera un proceso lento. Sin embargo, a principios del , los lugares que ahora usan la frecuencia de 50 Hz tienden a usar 220–240 V, y los que ahora usan 60 Hz tienden a usar 100–127 V. Ambas frecuencias coexisten hoy (Japón usa ambas) sin una gran razón técnica para preferir una y sin un deseo aparente de estandarización mundial completa.
En la práctica, la frecuencia exacta de la red varía alrededor de la frecuencia nominal, reduciéndose cuando la red está muy cargada y acelerándose cuando la carga es ligera. Sin embargo, la mayoría de las empresas de servicios públicos ajustarán la frecuencia de la red a lo largo del día para garantizar que se produzca un número constante de ciclos. Esto es utilizado por algunos relojes para mantener con precisión su tiempo.
Factores operativos Varios factores influyen en la elección de la frecuencia en un sistema de CA. La iluminación, los motores, los transformadores, los generadores y las líneas de transmisión tienen características que dependen de la frecuencia de la red. Todos estos factores interactúan y hacen que la selección de una frecuencia industrial sea un asunto de considerable importancia. La mejor frecuencia es un compromiso entre requisitos contradictorios.
A fines del , los diseñadores elegían una frecuencia relativamente alta para los sistemas con transformadores y luces de arco, para economizar en los materiales del transformador y reducir el parpadeo visible de las lámparas, pero elegían una frecuencia más baja para los sistemas con líneas de transmisión largas o alimentando principalmente cargas de motores o convertidores rotativos para producir corriente continua. Cuando las grandes centrales generadoras se hicieron prácticas, la elección de la frecuencia se hizo en función de la naturaleza de la carga prevista. Eventualmente, las mejoras en el diseño de la máquina permitieron usar una sola frecuencia tanto para la iluminación como para las cargas del motor. Un sistema unificado mejoró la economía de la producción de electricidad, ya que la carga del sistema fue más uniforme durante el transcurso del día.
Las primeras aplicaciones de la energía eléctrica comercial fueron la iluminación incandescente y los motores eléctricos de tipo conmutador. Ambos dispositivos funcionan bien con CC, pero el voltaje de CC no se podía cambiar fácilmente y, por lo general, solo se producía con el voltaje de utilización requerido.
Si una lámpara incandescente funciona con una corriente de baja frecuencia, el filamento se enfría en cada medio ciclo de la corriente alterna, lo que provoca un cambio perceptible en el brillo y el parpadeo de las lámparas; el efecto es más pronunciado con las lámparas de arco y las lámparas de vapor de mercurio y las lámparas fluorescentes posteriores. Las lámparas de arco abierto producían un zumbido audible en la corriente alterna, lo que llevó a experimentos con alternadores de alta frecuencia para elevar el sonido por encima del rango del oído humano.
Máquinas rotativas Los motores de tipo conmutador no funcionan bien con CA de alta frecuencia, porque la inductancia del campo del motor se opone a los rápidos cambios de corriente. Aunque los motores universales de tipo conmutador son comunes en electrodomésticos y herramientas eléctricas de CA, son motores pequeños, de menos de 1 kW. Se descubrió que el motor de inducción funcionaba bien en frecuencias de alrededor de 50 a 60 Hz, pero con los materiales disponibles en la década de 1890 no funcionaría bien a una frecuencia de, digamos, 133 Hz. Existe una relación fija entre el número de polos magnéticos en el campo del motor de inducción, la frecuencia de la corriente alterna y la velocidad de rotación; entonces, una velocidad estándar dada limita la elección de la frecuencia (y viceversa). Una vez que los motores eléctricos de CA se volvieron comunes, fue importante estandarizar la frecuencia para que fuera compatible con el equipo del cliente. Los generadores que funcionan con motores alternativos de baja velocidad producirán frecuencias más bajas, para un número determinado de polos, que los que funcionan, por ejemplo, con una turbina de vapor de alta velocidad. Para velocidades muy lentas del motor primario, sería costoso construir un generador con suficientes polos para proporcionar una frecuencia de CA alta. Además, se descubrió que sincronizar dos generadores a la misma velocidad era más fácil a velocidades más bajas. Si bien las transmisiones por correa eran comunes como una forma de aumentar la velocidad de los motores lentos, en clasificaciones muy grandes (miles de kilovatios) eran costosas, ineficientes y poco confiables. Después de aproximadamente 1906, los generadores accionados directamente por turbinas de vapor favorecieron las frecuencias más altas. La velocidad de rotación más constante de las máquinas de alta velocidad permitió una operación satisfactoria de los conmutadores en los convertidores rotativos. La velocidad sincrónica N en RPM se calcula usando la fórmula,
donde f es la frecuencia en hercios y P es el número de polos. +Velocidades síncronas de motores de CA para algunas frecuencias de servicios públicos actuales e históricasPolosRPM a 133 HzRPM a 60 HzRPM a 50 HzRPM a 40 HzRPM a 25 HzRPM a 16 Hz28,0003,6003,0002,4001,5001,00044,0001,8001,5001,20075050062,666.71,2001,000800500333.382,000900750600375250101,600720600480300200121,333.3600500400250166.7141142.9514.3428.6342.8214.3142.9161,000450375300187.512518888.9400333266166111.120800360300240150100
La energía de corriente continua no fue completamente desplazada por la corriente alterna y fue útil en procesos ferroviarios y electroquímicos. Antes del desarrollo de los rectificadores de válvula de arco de mercurio, se usaban convertidores rotativos para producir energía de CC a partir de CA. Al igual que otras máquinas de tipo conmutador, estas funcionaban mejor con frecuencias más bajas.
Transmisión y transformadores Con CA, los transformadores se pueden usar para reducir los altos voltajes de transmisión para reducir el voltaje de utilización del cliente. El transformador es efectivamente un dispositivo de conversión de voltaje sin partes móviles y que requiere poco mantenimiento. El uso de CA eliminó la necesidad de motores-generadores giratorios de conversión de voltaje de CC que requieren mantenimiento y monitoreo regulares.
Dado que, para un nivel de potencia dado, las dimensiones de un transformador son aproximadamente inversamente proporcionales a la frecuencia, un sistema con muchos transformadores sería más económico a una frecuencia más alta.
La transmisión de energía eléctrica a través de líneas largas favorece las frecuencias más bajas. Los efectos de la capacitancia e inductancia distribuidas de la línea son menores a baja frecuencia.
Interconexión del sistema Los generadores solo se pueden interconectar para operar en paralelo si tienen la misma frecuencia y forma de onda. Al estandarizar la frecuencia utilizada, los generadores en un área geográfica pueden interconectarse en una red, brindando confiabilidad y ahorro de costos.
Historia derecha|miniaturadeimagen|Las frecuencias de los servicios públicos de Japón son 50 Hz y 60 Hz. En el se utilizaron muchas frecuencias de potencia diferentes.
Los esquemas de generación de CA aislados muy tempranos usaban frecuencias arbitrarias basadas en la conveniencia para el diseño de motores de vapor, turbinas de agua y generadores eléctricos. Se utilizaron frecuencias entre 16 2⁄3 Hz y 133 1⁄3 Hz en diferentes sistemas. Por ejemplo, la ciudad de Coventry, Inglaterra, en 1895 tenía un sistema de distribución monofásico único de 87 Hz que estuvo en uso hasta 1906. La proliferación de frecuencias surgió del rápido desarrollo de las máquinas eléctricas en el período de 1880 a 1900.
En el período inicial de iluminación incandescente, la CA monofásica era común y los generadores típicos eran máquinas de 8 polos que funcionaban a 2000 RPM, lo que generaba una frecuencia de 133 hercios.
Aunque existen muchas teorías y bastantes leyendas urbanas entretenidas, hay poca certeza en los detalles de la historia de 60 Hz frente a 50 Hz.
La empresa alemana AEG (descendiente de una empresa fundada por Edison en Alemania) construyó la primera instalación generadora alemana que funcionaba a 50 Hz. En ese momento, AEG tenía un monopolio virtual y su estándar se extendió al resto de Europa. Después de observar el parpadeo de las lámparas operadas por la potencia de 40 Hz transmitida por el enlace Lauffen-Frankfurt en 1891, AEG elevó su frecuencia estándar a 50 Hz en 1891.
Westinghouse Electric decidió estandarizar en una frecuencia más alta para permitir la operación de iluminación eléctrica y motores de inducción en el mismo sistema de generación. Aunque 50 Hz era adecuado para ambos, en 1890 Westinghouse consideró que el equipo de iluminación de arco existente funcionaba un poco mejor con 60 Hz, por lo que se eligió esa frecuencia. El funcionamiento del motor de inducción de Tesla, autorizado por Westinghouse en 1888, requería una frecuencia más baja que los 133 Hz comunes para los sistemas de iluminación en ese momento. [verifica la fuente] En 1893, General Electric Corporation, que estaba afiliada a AEG en Alemania, construyó un proyecto de generación en Mill Creek para llevar electricidad a Redlands, California usando 50 Hz, pero cambió a 60 Hz un año después para mantener la participación de mercado con el estándar de Westinghouse.
Orígenes de 25 Hz Los primeros generadores del proyecto de las Cataratas del Niágara, construido por Westinghouse en 1895, eran de 25 Hz, porque la velocidad de la turbina ya se había fijado antes de seleccionar definitivamente la transmisión de corriente alterna. Westinghouse habría seleccionado una frecuencia baja de 30 Hz para impulsar las cargas del motor, pero las turbinas para el proyecto ya se habían especificado a 250 RPM. Las máquinas se podrían haber fabricado para proporcionar una potencia de 16 2⁄3 Hz adecuada para motores pesados de tipo conmutador, pero la empresa Westinghouse objetó que esto no sería deseable para la iluminación y sugirió 33 1⁄3 Hz. Finalmente, se eligió un compromiso de 25 Hz, con generadores de 250 RPM de 12 polos. Debido a que el proyecto Niagara fue tan influyente en el diseño de los sistemas de energía eléctrica, 25 Hz prevaleció como el estándar norteamericano para CA de baja frecuencia.
Orígenes del empleo de los 40 Hz