Frecuencias eléctricas

El origen de las frecuencias eléctricas ¿Por qué 50 y 60 Hz?

El origen de las frecuencias eléctricas ¿Por qué 50 y 60 Hz?

La frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

Historia

Aunque en la actualidad pueda parecer que siempre ha existido una única frecuencia para el transporte de la energía eléctrica, en cada una de las dos principales zonas de influencia: 50 Hz para Europa y 60 Hz para Estados Unidos, esto no ha sido así. Realizaremos un recorrido por la historia de las frecuencias que han sido utilizadas.

En 1891, los ingenieros de la empresa Westinghouse, en Pittsburgh, se pusieron de acuerdo y tomaron la decisión final de considerar a los 60 Hz como la frecuencia del futuro, y durante ese mismo año, los ingenieros de Allgemeine Elektrizitats Gesellschaft (AEG) en Berlín seleccionaron los 50 Hz. Desde la toma de estas decisiones, estas frecuencias pasaron a ser las frecuencias de transmisión de la corriente alterna normalizadas, de hecho esta decisión sigue afectándonos hoy en día. Aunque esto de la normalización depende de cada país, uno de los casos más peculiares es el de Japón, cuando una persona viaja de Tokio a Osaka ha de tener en cuenta que ha pasado de una zona de 50 Hz a otra de 60 Hz. Con esta pequeña reseña se va a intentar clarificar el por qué los ingenieros de Westinghouse y AEG no se pusieron de acuerdo en una única frecuencia y por qué eligieron cada uno un valor diferente. Para conocer el origen de las decisiones que determinaron las frecuencias actuales hay que viajar hasta finales del siglo XIX, para ello es necesario revisar los documentos que permitan vislumbrar las trazas de estas decisiones y esto nos permitirá reseñar cronológicamente los hechos que llevaron a éstas. Desde el principio de los tiempos de la electricidad usada no como divertimento, sino como un método seguro de iluminar las casas, los paseos o como un método para la alimentación de motores eléctricos en las fábricas y producir un movimiento mecánico que nos liberara de los costosos y poco eficientes sistemas de transmisión mecánica: mediante ejes, bielas, poleas y engranajes que se estaban utilizando en aquellos años de la revolución industrial, las frecuencias utilizadas han cambiado desde los 40 y 53 Hz en Europa y de los 133+1/3 y 125 Hz en EE.UU a los 50 y 60 Hz respectivamente. No se va a reseñar el periodo de transición entre la corriente continua, cuyos principales valedores fueron Edison y Kelvin y la corriente alterna 1887, cuyo principal defensor fue Nikola Tesla porque esta sí que fue una auténtica guerra, tanto tecnológica como económica y política.

De 1866 a 1890

Descripción

Aunque hoy en día parezca increíble en aquellos años cada fabricante, Edison Thomson-Houston, Westinghouse Siemens, etc. generaban, producían y distribuían la energía eléctrica, además de fabricar los motores y lámparas adecuadas a las características de ésta. Donde la electricidad no se desarrolló como un todo y se intentó el uso individual de los diferentes inventos aislados unos de otros, apareció un atraso tecnológico importante: Inglaterra Francia o España Como claro ejemplo de esta situación, en 1878 la Edison Machine Works construía dinamos, la Edison Tube Company fabricaba conductores, la Edison Lamp Works fabricaba lámparas incandescentes y la Electric lIuminating Company of New York generaba electricidad en a central de Pearl Street. Centrándose en la corriente alterna, en 1884 el Dr. Hopkinson demostró la posibilidad de transmisión de corriente alterna sobre distancias cortas, mientras que ese mismo año Gibbs y Gaulard presentaron la segunda versión de su “generador secundario”, precursor del transformador, en la Exposición de Turín. Se hicieron ensayos de transporte entre Turín y Lanzio La red primaria era de unos 40 km de longitud, una potencia de 20 KW y una tensión de 2.000 Volt. En 1886 la compañía Westinghouse compra las patentes de los transformadores diseñados por: Gibbs-Gaulard y el de Max Deri, Otto Bláthy y Karl Zipernowsky y con el empeño de Stanleydesarrollan un transformador acorazado que utilizaron en su demostración de Great Barrington que estuvo alimentado desde un alternador del tipo de los fabricados por Siemens. Éste tenía 16 polos, trabajaba a 1.000 rpm y de aquí los 133+1/3 Hz

f = (p * n) / 120 Donde: f = frecuencia en Hz p = número de polos n = velocidad de giro del alternador en rpm

Realmente, en estos años, el principal uso de la electricidad era para la iluminación y tanto unas como las otras frecuencias cumplían perfectamente con los requerimientos deseados de calidad. Con frecuencias inferiores las lámparas empezaban a producir un molesto efecto parpadeante.

De 1890 a 1925

Descripción

Este es un periodo en el que aparece un elemento que va a perturbar la relativa tranquilidad de los fabricantes, el motor de inducción. Los motores que se utilizaban para el desarrollo de potencias mecánicas que movían las herramientas de las máquinas se acoplaban directamente, motor eléctrico-máquina herramienta, si éstas máquinas trabajaban a unas 80 rpm, se requerían motores eléctricos de 200 polos alimentados a 133+1/3 Hz. Este problema, del elevado número de polos, no aparecía en Europa puesto que ya se trabajaba con 40 Hz, y por lo tanto se requerían generadores de 60 polos. En 1890, los ingenieros de Westinghousese dieron cuenta que trabajar a frecuencias sobre los 130 Hz les estaba impidiendo el desarrollo de sus motores de inducción, demasiados polos en el estator de la máquina. Analizando el problema, llegaron a la conclusión que 7.200 ciclos (p*n), y por lo tanto 60 Hz de frecuencia en la corriente eléctrica, era el valor óptimo para sus motores y el acoplamiento a las máquinas que se fabricaban en aquellos años. Steinmetz justo antes de entrar a trabajar en la Thomson-Houston Company determinó que la aparición de problemas de resonancia, con el material eléctrico que había adquirido Hartford Electric, era debida a los armónicos de la señal de 125 Hz con la que suministraban la corriente. La forma de solucionarlo fue reducir ésta a 62,5 Hz. Por el contrario General Electric siguió utilizando los 50 Hz que utilizaba su socia europea AEG. En 1894, General Electric se dio cuenta que estaba perdiendo ventas dentro del mercado la corriente alterna y cambió drásticamente a 60 Hz. Pero no todo era unanimidad, respecto de los 60 Hz, uno de los mayores proyectos para la generación de energía eléctrica de la época, el de las cataratas del Niágara, en 1892 para suministrar energía a la ciudad de Chicago se decantó por la utilización de un alternador bifásico de 12 polos, cuyo rotar giraba a 250 rpm, lo que nos da una frecuencia de 25 Hz, siendo Westinghouse la compañía que desarrolló el proyecto. Asimismo otros fabricantes de generadores de aquellos tiempos construían alternadores de 8.000 ciclos, lo que nos da una frecuencia de 66+2/3 Hz.

De 1925 hasta la actualidad

Aunque pueda parecer que desde 1921 todos los sistemas eléctricos en EE.UU. utilizaban los 60 Hz, esto no fue así. El proceso de transformación hacia la frecuencia estándar duró prácticamente hasta 1948. Por ejemplo las instalaciones de Mili Creek no se modificaron hasta la finalización de la segunda guerra mundial. En Inglaterra aún fue peor desde la redacción de Electric Light Act en la que se obligaba que todo el material eléctrico que se fabricase debía de poder ser utilizado por cualquier persona o empresa, llevó a que el transformador desarrollado por Gibbs y Gaulard no pudiese ser utilizado en Inglaterra (una de las causas de su retraso tecnológico) pero sí en EE.UU. o Alemania Un caso extremadamente peculiar lo tenemos en Japón. El departamento de Yokohama envió a EE.UU unos ingenieros para que estudiaran las diferentes tecnologías que sobre el tema eléctrico había en ese momento, 1889 Cuando volvieron a Japón habían sido convencidos de las bondades de la “alta frecuencia” y compraron e instalaron un alternador de Stanley-Kelly-Chesney (SKC) el cual trabajaba a 133+1/3 Hz, en Keage Canal En 1895 AEG vendió un alternador de 50 Hz a una compañía de Tokyo

Resumen

Realmente, la determinación de la frecuencia más conveniente vino debida a la necesidad de ir superando los problemas tecnológicos que iban apareciendo en la expansión de la energía eléctrica por todo el mundo. Así, en los primeros años la energía eléctrica se utilizaba casi exclusivamente para la iluminación pública, hoteles, bancos y casas de personas más bien pudientes y para evitar los efectos estroboscópicos las frecuencias utilizadas eran altas. Cando se introdujo la energía eléctrica dentro de los procesos fabriles y el consumo de la energía debía de ir destinado, no solo a iluminación, sino a potencia se redujo la frecuencia de ésta hasta los valores actuales. El por qué de 50 Hz en Europa y de 60 Hz en [EE.UU]] vino debido única y exclusivamente determinado de la posición de preponderancia de AEG en Europa y de GE en EE.UU, cuyos ingenieros se decantaron en su momento por una u otra.

Dispositivos semiconductores de potencia

• Diodos de potencia
• Rectificador controlado de sislicio (SCR en inglés)

Fuente

• Eduardo Aznar Colino y Joaquín Royo García, Revista Técnica Industrial 242 , Articulo El origen de los 50-60 Hz en la transmisión de la energía eléctrica, Septiembre de 2001
• Introducción a los dispositivos electrónicos de potencia.