Frecuencia de red para niños

La frecuencia de red es la velocidad a la que la corriente alterna (CA) cambia de dirección en los sistemas eléctricos que llevan energía desde las centrales hasta nuestros hogares y aparatos. Imagina que la electricidad es como una ola que sube y baja; la frecuencia nos dice cuántas veces sube y baja esa ola en un segundo. Se mide en Hertz (Hz).

En la mayor parte del mundo, esta frecuencia es de 50 Hz, lo que significa que la corriente cambia de dirección 50 veces por segundo. Sin embargo, en algunas partes de América y Asia, la frecuencia es de 60 Hz. A finales del siglo XIX y principios del XX, cuando se empezaron a desarrollar los sistemas eléctricos, se usaban muchas frecuencias y voltajes diferentes. Fue un proceso lento ponerse de acuerdo en un estándar debido a la gran inversión en equipos.

Hoy en día, los lugares que usan 50 Hz suelen tener un voltaje de 220 a 240 V, y los que usan 60 Hz suelen tener de 100 a 127 V. Ambas frecuencias existen sin una razón técnica clara para preferir una sobre la otra, y no hay un plan para que todo el mundo use la misma.

En la práctica, la frecuencia de la red puede variar un poco. Baja cuando hay mucha demanda de electricidad y sube cuando hay poca. Sin embargo, las empresas eléctricas ajustan la frecuencia durante el día para asegurar que el número total de "olas" sea constante. Esto es útil para algunos relojes que usan la frecuencia de la red para mantener la hora exacta.

¿Por qué hay diferentes frecuencias?

La elección de la frecuencia en un sistema de corriente alterna depende de varios factores. La forma en que funcionan las luces, los motores, los transformadores, los generadores y las líneas de transmisión cambia según la frecuencia. Todos estos elementos se influyen entre sí, haciendo que elegir una frecuencia sea una decisión importante. La mejor frecuencia es un equilibrio entre diferentes necesidades.

A finales del siglo XIX, los ingenieros elegían frecuencias más altas para sistemas con transformadores y luces, para usar menos material en los transformadores y evitar que las lámparas parpadearan. Pero elegían frecuencias más bajas para sistemas con líneas de transmisión largas o que alimentaban principalmente motores. Con el tiempo, las mejoras en el diseño de las máquinas permitieron usar una sola frecuencia para luces y motores, lo que hizo más eficiente la producción de electricidad.

Las primeras aplicaciones de la electricidad comercial fueron las bombillas y los motores de corriente continua (CC). Estos funcionaban bien con CC, pero el voltaje de CC no se podía cambiar fácilmente.

Si una lámpara incandescente funciona con una corriente de baja frecuencia, el filamento se enfría un poco en cada ciclo, lo que puede causar un parpadeo visible. Este efecto es más notorio en lámparas de arco y fluorescentes.

Motores y generadores

Los motores eléctricos de inducción, que son muy comunes, funcionan bien con frecuencias de 50 a 60 Hz. La velocidad a la que gira un motor de inducción está relacionada con el número de polos magnéticos que tiene y la frecuencia de la corriente. Por eso, una vez que los motores de CA se hicieron populares, fue importante estandarizar la frecuencia para que fueran compatibles con los equipos de los clientes.

Los generadores que funcionan con motores lentos producen frecuencias más bajas. Construir un generador con muchos polos para dar una frecuencia alta sería costoso. Además, sincronizar dos generadores era más fácil a velocidades bajas. Sin embargo, después de 1906, los generadores impulsados por turbinas de vapor rápidas favorecieron las frecuencias más altas.

La velocidad de giro de un motor síncrono (N en RPM) se calcula con la fórmula:

Donde 'f' es la frecuencia en hercios y 'P' es el número de polos.

La corriente continua (CC) no desapareció por completo y sigue siendo útil en trenes y procesos químicos. Antes de que existieran los rectificadores modernos, se usaban convertidores rotativos para cambiar CA a CC, y estos funcionaban mejor con frecuencias más bajas.

Transmisión de energía

Con la corriente alterna, los transformadores pueden reducir los altos voltajes de las líneas de transmisión para que sean seguros para los usuarios. Un transformador es un dispositivo que cambia el voltaje sin partes móviles y requiere poco mantenimiento. Esto eliminó la necesidad de los motores-generadores de CC que requerían mucho cuidado.

Para una misma cantidad de energía, los transformadores son más pequeños si la frecuencia es más alta, lo que los hace más económicos. Sin embargo, transmitir energía a largas distancias es mejor con frecuencias más bajas, ya que los efectos de la capacitancia y la inductancia de la línea son menores.

Conexión de sistemas

Los generadores solo pueden conectarse para trabajar juntos si tienen la misma frecuencia y forma de onda. Al estandarizar la frecuencia, los generadores en una región pueden conectarse en una red, lo que hace el sistema más confiable y ahorra costos.

Historia de las frecuencias

En Japón, la parte occidental usa 60 Hz y la oriental 50 Hz.

En el siglo XIX se usaron muchas frecuencias diferentes. Al principio, las frecuencias se elegían de forma arbitraria. Se usaron frecuencias entre 16.67 Hz y 133.33 Hz. Por ejemplo, la ciudad de Coventry en Inglaterra usó un sistema de 87 Hz hasta 1906. La gran variedad de frecuencias se debió al rápido desarrollo de las máquinas eléctricas entre 1880 y 1900.

Aunque hay muchas teorías, no se sabe con certeza por qué se eligieron 60 Hz y 50 Hz como los estándares principales.

La empresa alemana AEG construyó la primera central eléctrica alemana que funcionaba a 50 Hz. Este estándar se extendió por Europa. Después de ver que las lámparas parpadeaban con la energía de 40 Hz transmitida en un proyecto en 1891, AEG subió su estándar a 50 Hz.

Westinghouse Electric en Estados Unidos decidió usar una frecuencia más alta para que las luces y los motores de inducción pudieran funcionar en el mismo sistema. Aunque 50 Hz era adecuado, en 1890 Westinghouse pensó que las luces de arco existentes funcionaban un poco mejor con 60 Hz, por lo que eligieron esa frecuencia.

Orígenes de 25 Hz

Los primeros generadores del proyecto de las Cataratas del Niágara, construidos por Westinghouse en 1895, eran de 25 Hz. Esto se debió a que la velocidad de las turbinas ya se había decidido antes de elegir la frecuencia de la corriente alterna. Los ingenieros de Westinghouse habrían preferido 30 Hz para los motores, pero las turbinas ya estaban diseñadas para 250 RPM. Finalmente, se llegó a un acuerdo de 25 Hz. Como el proyecto de Niágara fue muy influyente, 25 Hz se convirtió en un estándar para la corriente alterna de baja frecuencia en Norteamérica.

Orígenes de 40 Hz

Un estudio de General Electric sugirió que 40 Hz habría sido un buen equilibrio para las necesidades de iluminación, motores y transmisión en el primer cuarto del siglo XX. Se construyeron varios sistemas de 40 Hz. Por ejemplo, una gran red de 40 Hz existió en el noreste de Inglaterra hasta finales de la década de 1920. Algunas plantas industriales y minas en Norteamérica y Australia también usaron sistemas de 40 Hz. Aunque las frecuencias cercanas a 40 Hz se usaron mucho, fueron superadas por los estándares de 25, 50 y 60 Hz.

Estandarización

Al principio de la electrificación, se usaban tantas frecuencias que ninguna era la única. Por ejemplo, Londres en 1918 tenía diez frecuencias diferentes. A medida que avanzaba el siglo XX, la mayor parte de la energía se producía a 60 Hz (Norteamérica) o 50 Hz (Europa y gran parte de Asia). La estandarización permitió el comercio internacional de equipos eléctricos y, más tarde, la interconexión de redes eléctricas.

En el Reino Unido, se declaró un estándar de 50 Hz en 1904, pero otras frecuencias siguieron usándose. La creación de la Red Nacional a partir de 1926 obligó a estandarizar las frecuencias. El estándar de 50 Hz se estableció por completo después de la Segunda Guerra Mundial.

Alrededor de 1900, los fabricantes europeos ya se habían estandarizado en 50 Hz para las nuevas instalaciones. Las instalaciones antiguas con otras frecuencias persistieron hasta mucho después de la Segunda Guerra Mundial.

Debido al costo de la conversión, algunas partes de los sistemas de distribución continuaron operando con las frecuencias originales. La energía de 25 Hz se usó en Ontario, Quebec y el norte de Estados Unidos, así como para la electrificación de ferrocarriles. En la década de 1950, muchos sistemas de 25 Hz se convirtieron a los estándares. Todavía existen algunos generadores de 25 Hz en las Cataratas del Niágara para clientes industriales específicos, y algunos motores de 25 Hz en Nueva Orleans para bombas de agua. Las redes ferroviarias de CA de 15 kV en Alemania, Austria, Suiza, Suecia y Noruega todavía funcionan a 16.67 Hz.

En algunos casos, donde la mayor parte de la energía era para trenes o motores, se consideró económico generar energía a 25 Hz e instalar convertidores para distribuirla a 60 Hz.

En Estados Unidos, Southern California Edison se había estandarizado en 50 Hz. Gran parte del sur de California operó con 50 Hz y no cambió completamente a 60 Hz hasta alrededor de 1948.

En Brasil, al principio se importaba maquinaria de Europa y Estados Unidos, por lo que el país tenía estándares de 50 Hz y 60 Hz según la región. En la década de 1960, se decidió que Brasil se unificaría bajo el estándar de 60 Hz, ya que la mayoría de las áreas desarrolladas lo usaban. La conversión a 60 Hz se completó en 1978.

En México, las áreas que operaban en la red de 50 Hz se convirtieron durante la década de 1970, uniendo al país bajo 60 Hz.

En Japón, la parte occidental (Nagoya y el oeste) usa 60 Hz y la parte oriental (Tokio y el este) usa 50 Hz. Esto se debe a que compraron generadores a diferentes empresas (AEG y General Electric) en los inicios de la electrificación. El límite entre las dos regiones tiene subestaciones especiales que convierten la frecuencia.

Frecuencias en vías férreas

Se siguen usando otras frecuencias de energía. Alemania, Austria, Suiza, Suecia y Noruega usan redes de energía para trenes que distribuyen corriente alterna monofásica a 16.67 Hz. Una frecuencia de 25 Hz se usa para el ferrocarril austriaco Mariazell y para algunos sistemas de trenes en Estados Unidos. Otros sistemas ferroviarios de CA usan la frecuencia comercial local, 50 Hz o 60 Hz.

La energía para los trenes puede venir de la red comercial a través de convertidores de frecuencia, o en algunos casos, de centrales eléctricas dedicadas.

400 Hz

Frecuencias de energía de hasta 400 Hz se usan en aviones, naves espaciales, submarinos, salas de servidores de computadoras, equipos militares y herramientas portátiles. Estas altas frecuencias no se pueden transmitir económicamente a largas distancias porque la inductancia de las líneas de transmisión aumenta mucho, dificultando el paso de la energía. Por eso, los sistemas de 400 Hz suelen limitarse a un edificio o vehículo.

Los transformadores, por ejemplo, pueden ser mucho más pequeños para la misma cantidad de energía si la frecuencia es de 400 Hz. Los motores de inducción giran a una velocidad proporcional a la frecuencia, por lo que una fuente de alimentación de alta frecuencia permite obtener más potencia con un motor más pequeño y ligero. Esto es una gran ventaja en aviones y barcos.

Ruido y otras aplicaciones

Los aparatos eléctricos alimentados por corriente alterna pueden emitir un zumbido característico, a menudo llamado "zumbido de red". Generalmente lo producen las partes de metal de los motores y transformadores que vibran con el campo magnético. Este zumbido también puede aparecer en sistemas de audio si el filtro de alimentación no es adecuado.

La mayoría de los países eligieron que la frecuencia de actualización de sus televisores fuera la misma que la frecuencia de la red eléctrica local. Esto ayudaba a evitar que el zumbido de la línea eléctrica causara interferencias visibles en la imagen de los primeros televisores analógicos.

Otro uso de este efecto es como herramienta forense. Cuando se graba audio cerca de un aparato eléctrico, el zumbido de la red también se graba. Los picos del zumbido se repiten en cada ciclo de CA (cada 20 milisegundos para 50 Hz o cada 16.67 milisegundos para 60 Hz). La frecuencia exacta del zumbido debe coincidir con la de una grabación forense del zumbido en la fecha y hora exactas en que se hizo la grabación. Las diferencias pueden indicar que la grabación no es auténtica.

Véase también

En inglés: Utility frequency Facts for Kids