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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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47 Comentarios Publica un comentario
  1. avatar
    Feb 25 2015

    Como complemento a las dudas que puede plantear Salomon, me permito traer como ejemplo concreto todos los motores WEG alemanes fabricados en Brasil en cuyas chapas figura la potencia para 50 y para 60 Hz con un 20 % de diferencia. La justificacion es justamente el motivo por el cual cuando el artefacto es un ventilador, la velocidad del aire aumenta con el cuadrado , o sea un 44 %, lo suficiente como para que el ventilador del propio motor sea capaz de disipar sin problemas el aumento de temperatura. Mi participacion en el 3 % de usuarios obligados a los 50Hz y mis 55 años de fanatismo profesional ( UBA 1960) me autorizan a garantizarle a Guido sus dudas . Nuestros grupos electrogenos estan preparados para trabajar ” stand alone” tanto en 50 como en 60 Hz, previo analisis de los artefactos a accionar.

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  2. avatar
    Feb 24 2015

    Solo el 3% de la electricidad generada y consumida en todo el Continente Americano, desde Alaska hasta la Antartida Argentina lo hace en 50 Hz. El resto, 97 % es a 60 Hz. Argentina, Chile, Bolivia, Paraguay , Uruguay y Sur de Brasil con el SIN ( Sistema Interconectado Nacional) somos los unicos que participamos de ese 3%. Todos los artefactos electricos que trabajan a par constante rinden en 60 Hz un 20 % mas de potencia que en 50 Hz ( 60 / 50 = 1,2) sin ningun problema y los unicos que no lo hacen a par constante que conozco son las bombas y ventiladores centrifugos cuya cupla aumenta con el cuadrado de la velocidad y por lo tanto deben ser estudiados cuidadosamente. Por otra parte, lo mismo ocurre con los grupos electrogenos, los cuales tanto en su motor como en el alternador, su potencia aumenta en la misma proporcion si se los calibra para 60 Hz. Como corolario, un grupo electrogeno trabajando autonomo en 1800 rpm en lugar de 1500, rendira un 20 % mas y tambien lo haran todos los artefactos a par constante los cuales sin efectuar ningun cambio cuando reciban la energia de un grupo conectado ” stand alone” giraran a un 20 % mas de velocidad que cuano esten conectados a la linea de 50 Hz.

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  3. avatar
    Nov 21 2014

    Excelente aporte, gracias.

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  4. avatar
    Rixi Edgar
    Nov 9 2014

    Excelente historia acerca de la evolución del sistema de frecuencias adoptado. En Venezuela, se logro la unificación de frecuencias en los anos sesenta y con ello se logro interconectar diversos sistemas eléctricos a lo largo y ancho del país, con las consiguientes ventajas para todos.

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    julio césar
    Oct 10 2014

    Todo muy clarito , pero….. tengo que viajar a Arequipa y …que enchufes hay para los cargadores de los tel
    léfonos 110 ó 220 o tengo que llevar adaptadores? gracias muy buena la informacion

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  6. avatar
    Angel
    Jul 3 2014

    Interesante artículo! Me recomiendan más parecidos a éste?

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  7. avatar
    salomon
    Jul 2 2014

    corrijo si aumentas la frecuencia la maquina trabaja mas recio

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    salomon
    Jul 2 2014

    Hola es aparente no pasa nadan única mente son diez unidades entre 50 y 60 pero la pregunta de todos que tanto puede repercutir. bueno la frecuencia es directa mente proporcional a la velocidad de la maquina si tu reduces la frecuencia la maquina trabajara mas despacio y si la aumentas trabajara mas despacio. Imaginemos una grúa que trabajando a 50 hz levanta una carga 1 tonelada a 100 metros en 60 minutos, si tu esta maquina la conectas a 60 hz la grúa se vera forzada a subir esta misma carga digamos que en 50 minutos, este esfuerzo extra reducirá la vida de los motores considerable mente. soluciones hacer cambio de poleas para que el trabajo lo realice en el mismo tiempo de diseño o rebobinar los motores a la frecuencia nueva.

    dejo la formula para calcular la velocidad de los motores
    RPM=120 X HZ / N° DE POLOS

    Motores de 50 hz de cuatro polos la velocidad es 1500 rpm
    Motores de 60 hz de cuatro polos la velocidad es 1800 rpm
    cabe mencionar que existen perdidas por las cuales se encontrara
    que el motor trabaja aprox. 1450 rpm en el caso de el 50 hz y
    de 1750 en el caso 60 hz

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    JuanManuel
    Jul 2 2014

    Fue una de las primeras preguntas que me hice en la universidad, pero la que redondea a todas las respuestas que me dieron es éste artículo. Gracias por el aporte.

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    Guido
    Feb 24 2014

    Quisiera saber, si es posible, si mi heladera, mi lavarropas y mi secadora que según sus etiquetas funcionan a 60hz, podrán hacerlo a 50hz? Me estoy mudando de país y me gustaría estar seguro de llevarme algo que funcione y que no se dañe, por supuesto…

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    Francisco Galarce
    Ene 15 2014

    Por fin supe la verdad, muy buen articulo. Se agradece.

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    Diego Felipe Quesada
    Nov 9 2013

    Muy buen aporte. Soy Ing. Electrónico y voy a entrar a una empresa que trabaja con automatización industrial y me tienen repasando de too, porque necesitan gente que sepa lo básico para las capacitaciones. En cuestión, a mi me gusta todo lo relacionado con Potencia y puede que en estos momentos este acosado por repasar de todo, pero este articulo es muy interesante y yo pensaba que era por el terreno o algo asi….Gracias por la sacada de dudas y por la nueva info que llega a mi cerebro 🙂

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  13. avatar
    Pablo
    Nov 4 2013

    Yo creo que es simplemente una cuestion de quien domina el mundo. Es lo mismo que los centimetros y las pulgadas, o las normas SAE y las DIN.. Incluso la guerra fria tiene el mismo origen…
    Tecnicamente, salvo los motores sincronicos y algun que otro equipo antiguo, los demas son inmunes a la diferencia entre 50 y 60 hz, no asi con la diferencia entre 110v y 220v. Ahi siempre hay que tener cuidado porque se queman los equipos. No es cierto que haya una relacion 110-60 y 220-50. se puede tener 110-50 y 220-60.
    Cuando tenes 3 fases de 220 , tenes 220 entre cualquiera y tierra y tenes 380 entre dos fases, esto no es ni la mitad ni el doble sino la raiz de 3, el doble del coseno de 60º ya que la diferencia entre fases es de 120º, 3×120º es 360º

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  14. avatar
    Miguel Angel Fridman
    Sep 10 2013

    Soy Ingeniero electricista , y tengo 64 años, realmente ,a través de este artículo me entero del tema en cuestion, y muchas veces preguntado por mis alumnos. Gracias.

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  15. avatar
    ivan
    Ago 27 2013

    Exelente documento la frecuencia siempre fue un tema de discucion en esos tiempos !

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  16. avatar
    Jun 23 2013

    Excelente articulo, sobre la historia de las frecuencias industriales.

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  17. avatar
    Carlos Castillo
    Dic 19 2012

    Muy interesante el articulo. En Arequipa se usaba 50 ciclos, por lo que las grabadoras de cinta no respondian bien, si se grababa en Arequipa y se escuchaba en otro lugar.con 60 ciclos y vice versa.(eso ya se superó, ya que ya no se usa esos artefactos).
    Otro: por que en USA se tiene 110V y nosotros 220v??

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    • avatar
      Pedro
      Ene 11 2013

      Saludos,
      Cuando estas en frecuencia de 50 hz el voltage que tendras as sera 240v de linea a neutral pero Cuando estas a 60 hz el voltage que tendras sera 120v de linea neutral pero a su vez de linea a linea tendras 240v. En un sistemas monofasico…

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    • avatar
      victor gabriel merladett guedes
      Ene 29 2013

      una heladera electrica de 60 ciclos, se puede conectar a una linea de 50 ciclos, sin que aparezcan problemas, en el motor.

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  18. avatar
    Juan Suyo Palomino
    Nov 17 2012

    En la interconexiòn eléctrica entre Perù (60Hz) y Bolivia (50Hz), estuve atento, a que pasarìa con los artefactos eléctricos y motores eléctricos y no tanto con la iluminaciòn; efectivamente no se notaba la diferencia.
    Antes de la puesta en servicio, me habìan comentado, que las licuadoras, motores y equipos de música giraràn más lento en Perú, produciendo un calentamiento en caso se use demasiado la energìa en 50Hz.
    Hasta ahora no se nota la diferencia de frecuencias.
    Pero cuando calculabamos matemáticamente la diferencia era notable, y eso es lo que me preocupaba quizá antes de la prueba.

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  19. avatar
    marcos pacheco
    Nov 14 2012

    Muy interesante el futuro sera todo en DC

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  1. Una breve historia del transformador de potencia | Sector Electricidad | Profesionales en Ingeniería Eléctrica

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