La mayoría de países del mundo, usan 220 V y una frecuencia de 50 Hz incluidos Europa y Asia, mientras que 60 Hz se usa en algunos países como: EEUU, partes de Japón, países de América Latina, entre ellos Perú. Entonces se presentarán las ventajas y desventajas de ambos sistemas, tanto en líneas de transmisión, transformadores, generadores, motores (análisis de par), iluminación y uso doméstico.
Juan Andres Tapia Segura
E&I Maintenance Planner Plant Concentrated
- Para un sistema de 110 voltios en términos de seguridad, es mejor que un sistema de 220 voltios, debido al bajo voltaje, pero en el caso de un voltaje de 110 voltios, la corriente consumida es mayor que la corriente consumida en el caso de un voltaje de 220 voltios (casi el doble) debido a la potencia constante de los dispositivos P = V × I × p.f
Ya que cuanto menor sea el voltaje, mayor será la corriente, por tanto, necesitamos cables con un área de sección transversal mayor que los cables utilizados en el sistema de 220 voltios debido a la gran corriente y por tanto el costo económico en él será mayor que el sistema de 220 voltios y también aumenta la caída de voltaje en el caso de 110 voltios para aumentar la corriente que pasa por los cables.
Con respecto a las líneas de transmisión:
Se sabe que la reactancia inductiva (X) es directamente proporcional a la frecuencia donde
X = 2π × f × L,
por lo que, en el caso de 60 Hz, su valor será mayor que en 50 Hz, aumentando así la caída de tensión a lo largo de la línea (X), que reduce la eficiencia de la transmisión de potencia, y, por otro lado, se sabe que el fenómeno del efecto piel aumenta al aumentar la frecuencia, ya que cuando mayor es la frecuencia, menor es el área de la sección transversal real en la que pasa la corriente y, por tanto, la resistencia de la línea aumenta porque la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal y, por lo tanto, provoca un aumento de la resistencia R que incrementa las pérdidas de cobre
(I ^ 2 × R)
es decir, en el caso de la frecuencia de 60 Hz, la resistencia de línea aumenta y las pérdidas aumentan, pero ligeramente por encima de la frecuencia de 50 Hz.
Para transformadores:
En el caso de 60 Hz, las pérdidas de hierro aumentarán por:
- Pérdidas por corrientes de Foucault.
- Pérdidas por histéresis
Debido a que las pérdidas por corrientes parásitas son directamente proporcionales al cuadrado de la frecuencia (proporcional a 2^f), mientras que las pérdidas por histéresis son directamente proporcionales a la frecuencia (proporcionales a f), el aumento de estas pérdidas conduce a un calor en el núcleo de hierro a una frecuencia de 60 Hz mayor que el de una frecuencia de 50 Hz, y el tamaño del transformador disminuye al aumentar la frecuencia y esto es evidente en la ecuación
E=4,44 f N A B
Donde B es la densidad de flujo magnético y A es el área del núcleo ferroso, de la cual es
A= E / (4,44 f N * B)
Suponiendo que E, N, B es constante, encontramos que el área del núcleo ferroso es inversamente proporcional a la frecuencia y por lo tanto el tamaño del transformador en el caso de una frecuencia de 60 Hz es menor en tamaño que a 50 Hz, ya que el tamaño del transformador depende del área del núcleo ferroso, que es inversamente proporcional a la frecuencia.
En el caso de los generadores:
Se sabe que la frecuencia depende de la velocidad del rotor, y viceversa, es decir, de la potencia mecánica utilizada para mover la potencia mecánica de entrada del rotor, y por lo tanto en el caso de la frecuencia de 60 Hz, la potencia mecánica requerida es mayor que en el caso de 50 Hz, lo que en uno de sus aspectos, significa que la cantidad de combustible requerido es mayor, lo que aumenta los COSTOS DE OPERACIÓN.
En el caso de motores:
La velocidad del motor es mayor en el caso de 60 Hz que en el caso de 50 Hz, porque existe una relación directa entre la velocidad y la frecuencia.
n= 120 * f / p
En cuanto al par, se sabe que el par es proporcional a:
(V/f)^2
Ahora la comparación del torque en las dos situaciones se da:
- Par a 110 V y 60 Hz / Par a 220 V y 50 Hz
(110/60)^2 / (220/50)^2 = 0.17
La relación entre los pares significa que el par de 110V60HZ es igual al 17% del valor de par en 220V50Hz, lo que significa que si tuviéramos un motor funcionando a 110V60HZ y estuviera funcionando con un voltaje de 220V50HZ, el par disminuiría a 17% de su valor original y para solucionar este problema y hacerlo funcionar al mismo par que el original en 110V60HZ, se debe hacer lo siguiente:
- Es necesario hacer valores V/f constantes para que el par se estabilice y, por lo tanto, el voltaje debe reducirse para que el motor funcione al mismo par a 60 HZ.
110/60 = Nuevo voltaje /50
Nuevo voltaje = 110*(50/60) =91.7 V.
El voltaje debe reducirse de 220 V a 91.7 V, para que el motor funcione al mismo par
Con respecto a la iluminación:
Se sabe que a 50 Hz la corriente pasa a cero 101 veces y en el caso de 60 pasa por cero 120 veces por segundo de curso y esto conduce a un aumento en la intensidad de la iluminación a una frecuencia de 60 Hz.
Finalmente, no existen diferencias fundamentales entre los dos sistemas si los dispositivos, equipos y sistemas eléctricos están diseñados para operar a la frecuencia y voltaje requeridos, pero esto será a expensas del costo, que aumenta en muchas situaciones para el caso de la frecuencia de 60 Hz.
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