Artículos Técnicos

Cómo el mundo eligió su frecuencia 50 Hz ó 60 Hz

Hoy son estándares, pero en los comienzos de la distribución eléctrica, no tuvieron un desarrollo tan despejado en un mundo con constantes avances tecnológicos en el campo de la electricidad.

Estamos al final del siglo XIX y aparte de la famosa competencia entre Edison y Tesla, cada fabricante del momento, Edison, Westinghouse, Thomson-Houston, Siemens, etc… generaban, producían y distribuían la energía eléctrica, además de fabricar los motores y lámparas adecuadas a las características de ésta.

Hay que pensar que aquel entonces Edison tenía el control de las mejores patentes sobre lámparas de Corriente Continua (CC), dinamos y motores, y su compañía se volvió cada vez más agresiva al presentar demandas contra presuntos infractores de patentes.

Con el casi monopolio de Edison del mercado de CC, existía mucho más por desarrollar en una nueva tecnología emergente en Europa: la Corriente Alterna (CA). En sus inicios, la transmisión de CA no fue probada en gran medida, pero tenía algunas cualidades interesantes que le permitieron superar a CC en ciertas situaciones.

Existían muchas dudas por el potencial de la CA, ya que en esos momentos no había certeza sobre su seguridad o si era lo suficientemente barata como para rivalizar con la CC.

La electricidad en ese momento de la historia no se desarrolló como un todo, no existían los estándares, ni las asociaciones reguladoras y la motivación era puramente mercantil, por lo que se intentó el uso individual de los diferentes inventos aislados unos de otros, cada fabricante no solo desarrollaba, sino que comercializaba e implantaba, los elementos asociados a su propia distribución eléctrica.

Imaginemos que un fabricante de SAI, de servidores o de LED, no solo te suministrase los citados equipamientos, sino que incluyese su propio sistema de distribución eléctrica aislado y la instalación de la misma, ¿a día de hoy, sería un poco extraño, verdad?

Pues en los primeros esquemas de generación de CA aislados, utilizaron frecuencias arbitrarias basadas en la conveniencia de utilizar en el diseño, motores de vapor, turbinas de agua y diseño de generadores eléctricos. Frecuencias entre 16⅔ Hz y 133⅓ Hz, se utilizaron en diferentes sistemas. Por ejemplo, la ciudad de Coventry, Inglaterra, en 1895 tenía un único sistema de distribución monofásico de 87 Hz que estuvo en uso hasta 1906.

Las proliferaciones de las frecuencias surgieron del rápido desarrollo de la maquinaria eléctrica en el período de 1880 a 1900.

A principios del período de iluminación incandescente, era común y típico la generación monofásica en CA. Fueron máquinas de 8 polos operadas a 2000 RPM, dando una frecuencia de 133 ciclos por segundo (Hz).

Aunque existen muchas teorías, y bastantes entretenidas leyendas urbanas, hay poca certeza en los detalles de la historia de 60 Hz vs 50 Hz, pero vamos a abordar las más extendidas.

La empresa alemana AEG (descendiente de la empresa fundada por Edison en Alemania) construyó la primera instalación generadora alemana para funcionar a 50 Hz, supuestamente porque el número 60 no se ajustaba a la secuencia de unidades estándar métricas.

Con esta decisión en ese momento, AEG tenía un monopolio virtual y su estándar con el tiempo fue el que se extendió al resto de Europa.

¿Pero porqué?, si ya habían utilizado 40 Hz, para su línea eléctrica trifásica de 175 km desde Frankfurt (receptores) a Lauffen (producción) 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.

Pues porque después de observar el parpadeo de las lámparas operadas por la frecuencia de 40 Hz transmitida por el Lauffen-Frankfurt en 1891, AEG elevó su frecuencia estándar a 50 Hz para así evitar ese efecto no deseado.

En el otro lado del mundo, anteriormente, en 1890, George Westinghouse y sus ingenieros 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, 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 porque Westinghouse fue la referencia en un mercado tan amplio y competitivo, es quizás más por su visión estratégica que por sus dotes como inventor.

Uno de los mayores escollos que tenía para implantar sus soluciones en CA eran que no existía un motor que trabajase en CA con las necesidades que él demandaba.

Fue clave en este momento de la historia el motor de inducción de Nikola Tesla. El 1 de mayo de 1888, recibió una serie de patentes, entre ellas la patente estadounidense número 381.968 por un «motor electromagnético» y la patente número 382.280 por «transmisión eléctrica de energía». La última patente detallaba cómo se podía usar corriente alterna para impulsar el motor, lo que se conocería como el «sistema polifásico de Tesla».

«Sistema polifásico de Tesla».

Se llamaba polifásico, porque empleaba múltiples corrientes, desfasadas respecto al resto. Fue un poco como agregar múltiples pedales a una bicicleta, cuando un pedal alcanza la parte inferior de su carrera, otro pedal alcanza la parte superior y comienza a presionar, produciendo un flujo constante de potencia. Al usar corriente alterna desfasada, siempre había un ciclo cerca de su pico.

Tras una conferencia presentando estas novedades, Westinghouse contacto con Tesla ya que sabía que si su motor de inducción era todo lo que Tesla dijo que era, podría ser el motor fiable que había estado buscando, la pieza que faltaba en su sistema de CA comercial.

Después de algunas negociaciones, Westinghouse compró los derechos de las patentes de Tesla por 70.000 $ más una comisión de 2.50 $/HP por cada motor Tesla.

El cambio en el mercado, queda patente, en la opinión pública de Edison en un folleto publicado en 1886. «UNA ADVERTENCIA DE LA COMPAÑÍA EDISON ELECTRIC LIGHT» donde entre otras afirmaciones indicaba que el uso de AC significa «riesgos mucho mayores para la vida y la propiedad”. El folleto predijo también que el sistema de CA «no está destinado a asumir una posición permanente. Sería legislado y desaparecería en un período muy breve, incluso si no hubiese una muerte natural previamente».

En Europa, alrededor de 1900, los fabricantes europeos se habían estandarizado principalmente en 50 Hz para nuevas instalaciones. El Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE), desarrolla el primer estándar para máquinas eléctricas y transformadores en 1902, donde recomendó 25 Hz y 50 Hz como frecuencias estándar. VDE no vio mucha aplicación de 25 Hz y lo eliminó de la edición de 1914 del estándar. Las instalaciones remanentes en otras frecuencias persistieron hasta mucho después de la Segunda Guerra Mundial.

En Gran Bretaña, proliferaron diferentes frecuencias, y solo después de la Segunda Guerra Mundial se estableció el estándar de 50 Hz.

Originalmente, en Europa también tenía 120 V, al igual que Japón y EE. UU., Pero se consideró necesario aumentar la tensión para obtener más potencia con menos pérdidas y menos caída de tensión en el mismo diámetro del cable de cobre. En ese momento, los Estados Unidos también querían cambiar, pero debido al coste necesario en reemplazar todos los electrodomésticos, decidieron no hacerlo. En ese momento (años 50-60) el hogar promedio de los EE.UU, ya tenía una nevera, una lavadora, etc., no tan extendido en Europa.

El porqué 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 General Electric en EE.UU.

Fuentes: ENERGIRO (SAI-UPS)

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