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14 noviembre, 2012

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

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

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 ese periodo, Max Deri, Otto Bláthy y Karl Zipernowsky, viendo los defectos del “generador secundario” de Gibbs y Gaulard, lo mejoraron cerrando el circuito magnético. El 16 de septiembre de 1884 se acabó de montar el transformador, por primera vez así llamado, cuyas características eran: relación de transformación 120/72 v, potencia de 1.400 VA y 40 Hz.

 

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 Stanley desarrollan 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

 

En cambio, otros fabricantes como la Thomson-Houston Company utilizaba alternadores de 15.000 ciclos (p*n), lo que permitía frecuencias de 125 Hz.

Por esta razón se inicia en EE.UU. la era de la “alta frecuencia” en la generación y transmisión de la energía eléctrica, Westinghouse 133+1/3, Thomson y Houston 125 Hz y Fort Wayne Jenny Electric 140 Hz.

 

 

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

 

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, AEG Y Oerlikon utilizaron 40 Hz para su línea eléctrica trifásica de 175 km desde Frankfurt (receptores) a Laufen (producción) utilizando un alternador de 50V de tensión de fase, 32 polos cuyo rotar 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 1891 optaron por una frecuencia de 50 Hz, con lo que se solventaban ambos problemas. Diseño de los generadores para la alimentación de motores y de los sistemas de iluminación.

 

 

En 1890, los ingenieros de Westinghouse se 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.

 

 

Recordemos que Stanley de la SKC se trasladó a General Electric, y fue cuando determinó que 133+1/3 era una frecuencia demasiado grande para los motores eléctricos de corriente alterna, y cambiaron la producción de sus alternadores para que generaran corriente eléctrica a 60 Hz. Cuando una compañía de la ciudad de Osaka compró un alternador AGE, ésta los fabricaba para generar corrientes de 60 Hz y aquí empezó la división de las frecuencias en Japón hasta la actualidad: en el este 50 Hz y en el oeste 60 Hz.

 

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.

 

 

Fuente: Articulo “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

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46 Comentarios Publica un comentario
  1. avatar
    Ranses
    Jun 13 2018

    Estoy en Argentina y tengo un TV que compré en USA y dice AC110-120V~60Hz 250W, puedo conectarlo con un transformador que dice 220 a 110 500 W pero 50Hz ?
    Me dicen que aquí en Argentina no voy a lograr 60Hz

    Responder
  2. avatar
    ARTURO YANEZ
    Feb 2 2018

    Me pueden indicar que efecto tendria unos motores de 50Hz y un alimentador o centro de transformacion a 60Hz, considerando que el sistema de distribucion es de 60Hz
    Corren riesgo de quemarce y el rendimiento es igual o menor en que %

    Responder
    • avatar
      Angel Leyva
      May 16 2018

      Debido al cambio de frecuencia, cambia la impedancia de tu motor ocasionando que no funcione del todo bien, y si hay un porcentaje de riesgo de que se queme.

      Responder
  3. avatar
    wolfgang pino
    Jul 10 2017

    Buenas tarde soy de Venezuela quisiera saber porque un generador eléctrico me marca 60 hz y el voltimetro no marca voltaje

    gracia

    Responder
    • avatar
      Jorge
      Dic 21 2017

      Quizas el voltimetro no te. mide corriente alterna porque lo tendras seleccionado para corriente continua.

      Responder
  4. avatar
    Cesar
    Jun 29 2017

    Buen articulo

    Responder
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    Manuel. Mayorga
    May 19 2017

    Excelente artículo. Es bueno recordar que ponerse de acuerdo en temas técnicos no es nada de fácil.

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    Victor Poquiz
    Ene 17 2017

    Excelente articulo, muy ilustrativo.

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    Ignacio Barriga Nuñez
    Abr 7 2016

    Muy interesante articulo y de mucha ayuda para mi ahora que me toco revisar un Generador de CA con motor Diesel que tiene Neutro y 3 Lineas, lo medi en frecuencia con el motor en Relanti y marco al rededor de 20Hz en las 3 Lineas con respecto al Neutro, al aumentar las revoluiones hasta alcansar los 60 Hz en la Linea uno me di cuenta que la Linea 2 tenia 112Hz aproximadamnete y la Linea 3 los mismos 60Hz. Este Generador esta alimentando una aplificadores de audio y creo que ahi es donde esta el problema de porque se dañan los Driver de Alta Frecuancia, Pienso que la frecuencia de resonancia afecta a estos. Si alguien sabe sobre esto me seria de mucha ayuda, y de como o que se tiene que hacerce para corregir esto.
    Gracias.

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  8. avatar
    Pablo Becerra
    Dic 30 2015

    Me trajeron un motor de China, para instalarlo a un Hidroback, dice que es 220 V y 50 Hz, que puedo hacer para usarlo si la corriente en Venezuela es de 60 Hz?.

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    • avatar
      Nestor Huachos
      Ene 21 2017

      Mientras la Frecuencia en tu Estado sea mayor a la que está diseñado el equipo, no habría ningún problema.

      Responder
      • avatar
        Sergio
        Feb 8 2017

        Estimado Nestor, favor ayudame…adquiri un generador de 6.5 kva marca lombardi, la frecuencia es de 60 hz, voltaje 220. Nuestra frecuencia es de 50 hz, tendre problemas conectandole aparatos de 50 hz. Te agradecere tus comentarios

    • avatar
      Mirko Contreras Quispe
      Ene 13 2018

      A 60 Hz, deberías tener un voltaje de 270 V aprox. para obtener al misma potencia en el eje del motor. Si no puedes elevar el voltaje puede trabajar a 220 V, pero disminuirá un poco la potencia en el eje.

      Responder
  9. avatar
    ildefonso hernandez
    Ago 10 2015

    recuerdo que en México existían las frecuencias 50-60. pero lo que no se, es cuando hicieron la unificación de frecuencias. andaban creo cambiando los medidores de luz o algo así.
    uds. sabrán algo de cuando fue.
    saludos.

    Responder
  10. avatar
    Antonio
    Jul 30 2015

    Magnifico artículo.
    Felicito a los autores.

    Responder
  11. avatar
    Jun 30 2015

    Exelente articulo
    estoy trabajando en un generador casero pero no se como dar la frecuencia de 60 hrst me gustaria me pudieran asesorar de antemano muchas gracias.

    Responder
    • avatar
      Mario Meneses
      Jun 26 2017

      Sí su generador es de 50hz la velocidad en el eje motriz es menor ,ejemplo a 50 hz la velocidad será de 1500 rpm a 60 hz la velocidad será de 1800 rpm, si quiere cambiar su frecuencia será necesario cambiar la velocidad del eje motriz en su motor, es decir subir o bajar según la necesidad, hay +- un 18% de diferencia entre una y otra frecuencia y ésta se refleja en las rpm,ojalá esto ayude

      Responder
  12. avatar
    alvino curo
    Jun 20 2015

    Es bueno saber que nada es tan fa-sil de entender. Pero hay personas que dan su veda entera por ello. Gracias por difundir la historia.

    Responder
  13. avatar
    Eusebio Cotos
    Jun 16 2015

    Muy buen artículo, gracias por difundirlo, hace mucho que no lo leía, espero que los jóvenes ingenieros y técnicos lo lean y lo tengan presente.

    Responder
  14. avatar
    Alberto Soler
    Jun 4 2015

    en un excelente articulo que deberia ser de mayor difusion para el conocimiento de las personas

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  15. avatar
    May 24 2015

    Excelente articulo

    Responder
  16. avatar
    Nelson Villaherrera
    Abr 14 2015

    Interesante artículo. En alguna ocasión me pregunté sobre esta diferencia de frecuencias. Cabe destacar que existen equipos que pueden trabajar a ambas frecuencias, siempre y cuando se haga el cambio para las mismas por medio de un interruptor que poseen en alguna parte del circuito. También existen naciones que emplean 40 Hz en su sistema eléctrico, como las islas Azores, Bahamas, Bielorrusia, Botswana y Camerún.

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