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

De 1866 a 1890

A los comienzos de los desarrollos eléctricos las empresas fabricantes tenían un peso espécifico mucho mayor y las aplicaciones de la electricidad era mucho más localizadas. En aquellos días las empresas fabricantes generaban, producían y distribuían la energía eléctrica por lo que, si te encontrabas en su zona de distribución, habías de comprar las lámparas y rudimentarios electrodomésticos a la empresa que te suministraba la electricidad.

En aquellos tiempos Tesla ya había conseguido imponer los beneficios de la corriente alterna para la transmisión de energía eléctrica por lo que, 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”, que más tarde  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 una frecuencia de 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.

Como en aquellos años la aplicación principal de la electricidad era para iluminación no había problemas con la frecuencia utilizada mientras no se alcanzaran bajas frecuencias que produjeran efectos de parpadeo en las luminarias.

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 1991 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.

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.

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.

Es curioso ver como todas estas decisiones que todavía hoy nos afectan se tomaron conforme a los estándares que unas empresas fijaban y que tenían relación con las tecnologías que habían desarrollado.