El origen de las frecuencias de la energía eléctrica ¿Por qué 50 y 60 Hz?

 

El origen de las frecuencias de la energía eléctrica  ¿Por qué 50 y 60 Hz?

 

En el sorprendente mundo de la evolución de la Electrotecnia, todo tema que se abarque, no es lineal. Si no que es un sinuoso y cruzado camino hasta que, con los múltiples aportes,  se llega a un punto que satisface las necesidades técnico/económicas que se estaban buscando. Por supuesto que la elección de la llamada “frecuencia industrial” no estuvo exenta de esa situación.

En la actualidad pueda parecer que siempre ha existido una única frecuencia para la generación, transporte  y distribución de la energía eléctrica, en cada una de las dos principales zonas de desarrollo técnico/industrial: 50 Hz para Europa y 60 Hz para Estados Unidos, pero esto no ha sido así.

 

 Desde el principio de los tiempos de la electricidad usada no como divertimento, sino como un método seguro de iluminar las casas, lugares públicos 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, correas y engranajes que se estaban utilizando en aquellos años de la revolución industrial, las frecuencias utilizadas han cambiado. La elección de la frecuencia no fue arbitraria, sino más bien el resultado de factores históricos, técnicos, comerciales e incluidas las necesidades específicas de transmisión y distribución de la energía eléctrica. No existe una superioridad inherente de una frecuencia sobre la otra.

Es conveniente que el lector tenga en cuenta la conocida igualdad, que explica muchas construcciones electrotécnicas, como se verá mas adelante.

 

 En el siglo XIX se utilizaron muchas frecuencias eléctricas diferentes. Los primeros esquemas de generación en corriente alterna aislados utilizaban frecuencias  basadas en la conveniencia para el diseño de las máquinas de vapor, turbinas de agua y generadores eléctricos. En diferentes sistemas se utilizaron frecuencias entre 16⅔ Hz y 133⅓ Hz. 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. En 1886, Siemens construyo un alternador que tenía 16 polos, trabajaba a 1.000 rpm y de aquí una frecuencia 133+1/3 Hz. La proliferación de frecuencias surgió del rápido desarrollo de las máquinas eléctricas en el período 1880 a 1900. En los primeros períodos de iluminación incandescente, la corriente alterna monofásica era común y los generadores típicos eran máquinas de 8 polos que funcionaban a 2000 RPM, lo que daba una frecuencia de 133 ciclos por segundo.

 

 Orígenes de 25 Hz

Los primeros generadores del proyecto de las Cataratas del Niágara, construidos por Westinghouse en 1895, eran de 25 Hz porque la velocidad de la turbina ya se había ajustado antes de que se eligiera definitivamente la transmisión de energía por corriente alterna. Westinghouse habría seleccionado una frecuencia baja de 30 Hz para impulsar las cargas de los motores, pero las turbinas para el proyecto ya se habían especificado a 250 RPM. Las máquinas podrían haberse fabricado para entregar una potencia determinada a 16⅔ Hz, adecuada para motores pesados, pero la empresa Westinghouse objetó que esto no sería deseable para la iluminación y sugirió 33⅓ Hz. Finalmente se eligió un compromiso de 25 Hz, con generadores de 12 polos de 250 RPM.

 La energía con una frecuencia  de 25 Hz se utilizó en  diversos lugares de Europa para la electrificación de ferrocarriles. El suministro de corriente alterna en  baja frecuencia se utiliza porque, además de mejorar las propiedades de funcionamiento de los motores de corriente alterna, aumenta su eficiencia y factor de potencia. Además, a baja frecuencia, la reactancia de la línea es menor, por lo que se reduce la caída por impedancia y, por tanto, la caída de voltaje de la línea, debido a esta caída de línea reducida, es factible espaciar las subestaciones. Los conmutadores de frecuencia,  máquinas rotativas utilizados para convertir sistemas entre 25 Hz y 60 Hz eran difíciles de diseñar; una máquina de 60 Hz con 24 polos giraría a la misma velocidad que una máquina de 25 Hz con 10 polos, lo que haría que las máquinas fueran grandes, lentas y costosas. 

 

Orígenes de 40 Hz

Un estudio de General Electric concluyó que 40 Hz habría sido un buen compromiso entre las necesidades de iluminación, motor y transmisión, dados los materiales y equipos disponibles en el primer cuarto del siglo XX. Se construyeron varios sistemas de 40 Hz. La demostración de Lauffen-Frankfurt utilizó 40 Hz para transmitir energía a 175 km en 1891. En el noreste de Inglaterra existió una gran red interconectada de 40 Hz (la Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company, NESCO) hasta la llegada de la National Grid a finales de la década de 1920, y los proyectos en Italia utilizaban 42 Hz.

 La central hidroeléctrica comercial en funcionamiento continuo más antigua de los Estados Unidos, en Mechanicville, Nueva York, todavía produce energía eléctrica a 40 Hz y suministra energía al sistema de transmisión local de 60 Hz a través de conversores de frecuencia. Aunque las frecuencias cercanas a 40 Hz encontraron mucho uso comercial, estas fueron ignoradas por frecuencias estandarizadas de 25, 50 y 60 Hz, preferidas por los fabricantes de equipos de mayor volumen.

 

​ Hacia la estandarización de la frecuencia

En los primeros días de la electrificación, se utilizaban tantas frecuencias que ningún valor prevalecía (Londres en 1918 tenía 10 frecuencias diferentes). A medida que avanzaba el siglo XX, se produjo más energía a 60 Hz (América del Norte) o 50 Hz (Europa y la mayor parte de Asia). La estandarización permitió el comercio internacional de equipos eléctricos. Mucho más tarde, el uso de frecuencias estándar permitió la interconexión de redes eléctricas. En Gran Bretaña, la implementación de la Red Nacional a partir de 1926 obligó a la estandarización de frecuencias entre los numerosos proveedores de servicios eléctricos interconectados.

La empresa alemana AEG 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 energía 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.

Inicialmente en Brasil, la maquinaria eléctrica se importaba de Europa y Estados Unidos, lo que implicaba que el país tenía estándares de 50 Hz y 60 Hz según cada región. A principios de la década de 1960, se decidió que Brasil se unificaría bajo el estándar de 60 Hz. En México, las áreas que operan en la red de 50 Hz se convirtieron durante la década de 1970, uniendo al país bajo 60 Hz.

 Tomando decisiones técnicas

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. 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 (500 Km) ha de tener en cuenta que ha pasado de una zona de 50 Hz a otra de 60 Hz.

Aproximadamente entre 1890 y 1925, 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, AEG y  Oerlikon utilizaron 40 Hz para su línea eléctrica trifásica de 175 km desde Frankfurt (receptores) a Laufen (generacion) utilizando un alternador de 50V de tensión de fase, 32 polos cuyo rotor giraba a 150 rpm, lo que nos da una frecuencia de 40 Hz. La transmisión se realizaba transformando en el origen de 50 a 8.500V y en la ciudad de Frankfurt se reducía su tensión a 65V. Posteriormente se dieron cuenta de los problemas estroboscópicos, debidos a la baja frecuencia aplicada a las lámparas y ya en 1901 optaron por una frecuencia de 50 Hz, con lo que se resolvieron ambos problemas.

 La electrificación comienza con sistemas aislados de alimentación eléctrica en las cercanías de la generación. Cuando aparece la necesidad técnica de adaptar niveles de tensión  por  cambio de etapas, por ejemplo: al elevar la tensión para generar menores pérdidas en las líneas de transmisión o disminuir el nivel de tensión para las zonas de distribución emerge un aparato clave “ el transformador”. Las llamadas pérdidas en el hierro del transformador son las pérdida por histéresis y corriente de Foucault en el núcleo de hierro, que están determinadas por la la frecuencia de alternancia de flujo magnético (frecuencia determinada por la frecuencia de red) y la calidad de la lámina de acero al silicio.

 

Epílogo

Se puede seguir mostrando innumerables experiencias, en el mundo, de la evolución de la electrificación y con ello como fue decantando hacia determinados parámetros eléctricos de funcionamiento del sistema. Técnicamente se puede decir que  hubo ciertos mojones que marcaron una cota mínima y máxima de frecuencias  entre 50 - 60 Hz. Ejemplos: La iluminación incandescente determino que la frecuencia no debería ser menor a 50 Hz por el parpadeo que produce a frecuencias menores. La frecuencia  de 60 Hz determino las máximas perdidas admisibles en transformadores y líneas de transmisión. Entorno este, de frecuencias, también compatibles con la construcción de generadores y motores.  

La razón de 50 Hz en Europa y de 60 Hz en EE.UU. fue debido única y exclusivamente determinado por la posición  predominnte, en el incipiente mercado, de AEG en Europa y de GE en EE.UU., es decir una cuestión técnico/comercial.

 

 

 Fuentes:

The origins of 60-Hz as a power frequency - E.L. Owen - IEEE

https://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_red

http://electrical-science.blogspot.com/2009/12/history-of-power-frequency.html

A History Lesson in Standardizing Voltage and Frequency in the Electrical Industry -

Bryan Glenn

Origin of Electric Frequencies And The Use of 50 Hz and 60 Hz - https://aktif.net

El origen de los 50-60 Hz en la transmisión de la energía eléctrica -  Revista Técnica- Facultad de Ingeniería Universidad Del Zulia - Joaquín Royo Gracia

 

   Ricardo Berizzo

Ingeniero Eléctricista                                                                            2024.-