Freqüència de ret

Corrent alterna de 230 V i 50 Hz en comparació a 120 V i 60 Hz

La freqüència de ret és el valor nominal de les oscilacions de corrent alterna (CA) en una ret síncrona d'àrea àmplia transmesa des d'una central elèctrica a l'usuari final.

En gran part del món és de 50 Hz, encara que en parts d'Amèrica i parts d'Àsia sol ser de 60 Hz. L'us actual per país o regió es proporciona en la llista d'electricitat de ret per país. Durant el desenroll dels sistemes comercials d'energia elèctrica a fins de el XIX i principis de el XX, es varen utilisar moltes freqüències (i voltages) diferents. La gran inversió en equips en una freqüència va fer que l'estandardisació fora un procés llent. No obstant, a principis de el XXI, els llocs que ara usen la freqüència de 50 Hz tendixen a usar 220–240 V, i els que ara usen 60 Hz tendixen a usar 100–127 V. Abdós freqüències coexistixen hui (Japó usa abdós) sense una gran raó tècnica per a preferir una i sense un desig aparent d'estandardisació mundial completa.

En la pràctica, la freqüència exacta de la ret varia al voltant de la freqüència nominal, reduint-se quan la ret està molt carregada i accelerant-se quan la càrrega és llaugera. No obstant, la majoria de les empreses de servicis públics ajustaran la freqüència de la ret a lo llarc del dia per a garantisar que es produïxca un número constant de cicles. Açò és utilisat per alguns rellonges per a mantindre en precisió el seu temps.

Factors operatius

Varis factors influïxen en l'elecció de la freqüència en un sistema de CA. l'allumenament, els motors, els transformadors, els generadors i les llínees de transmissió tenen característiques que depenen de la freqüència de la ret. Tots estos factors interactuen i fan que la selecció d'una freqüència industrial siga un assunt de considerable importància. La millor freqüència és un compromís entre requisits contradictoris.

A fins de el XIX, els dissenyadors elegien una freqüència relativament alta per als sistemes en transformadors i llums d'arc, per a economizar en els materials del transformador i reduir el parpadeo visible de les llànties, pero elegien una freqüència més baixa per als sistemes en llínees de transmissió llargues o alimentant principalment càrregues de motors o convertidors rotatius per a produir corrent contínua. Quan les grans centrals generadores es varen fer pràctiques, l'elecció de la freqüència es va fer en funció de la naturalea de la càrrega prevista. Eventualment, les millores en el disseny de la màquina varen permetre usar una sola freqüència tant per a l'allumenament com per a les càrregues del motor. Un sistema unificat va millorar l'economia de la producció d'electricitat, ya que la càrrega del sistema va ser més uniforme durant el transcurs del dia.

Les primeres aplicacions de l'energia elèctrica comercial varen ser l'allumenament incandescent i els motors elèctrics de tipo commutador. Abdós dispositius funcionen be en CC, pero el voltage de CC no es podia canviar fàcilment i, per lo general, solament es produïa en el voltage d'utilisació requerit.

Si una llàntia incandescent funciona en una corrent de baixa freqüència, el filament es gela en cada mig cicle de la corrent alterna, lo que provoca un canvi perceptible en la lluentor i el parpadeo de les llànties; l'efecte és més pronunciat en les llànties d'arc i les llànties de vapor de mercuri i les llànties fluorescents posteriors. Les llànties d'arc obert produïen un zumbido audible en la corrent alterna, lo que va dur a experiments en alternadors d'alta freqüència per a elevar el sò per damunt del ranc de l'oït humà.

Màquines rotatives

Els motors de tipo commutador no funcionen be en CA d'alta freqüència, perque l'inductància del camp del motor s'opon als ràpits canvis de corrent. Encara que els motors universals de tipo commutador són comuns en electrodomèstics i ferramentes elèctriques de CA, són motors menuts, de menys d'1 kW. Es va descobrir que el motor d'inducció funcionava be en freqüències d'al voltant de 50 a 60 Hz, pero en els materials disponibles en la década de 1890 no funcionaria be a una freqüència de, digam, 133 Hz. Existix una relació fixa entre el número de pols magnètics en el camp del motor d'inducció, la freqüència de la corrent alterna i la velocitat de rotació; llavors, una velocitat estàndar donada llimita l'elecció de la freqüència (i viceversa). Una volta que els motors elèctrics de CA es varen tornar comuns, va ser important estandardisar la freqüència per a que fora compatible en l'equip del client. Els generadors que funcionen en motors alternatius de baixa velocitat produiran freqüències més baixes, per a un número determinat de pols, que els que funcionen, per eixemple, en una turbina de vapor d'alta velocitat. Per a velocitats molt llentes del motor primari, seria costós construir un generador en suficients pols per a proporcionar una freqüència de CA alta. Ademés, es va descobrir que sincronisar dos generadors a la mateixa velocitat era més fàcil a velocitats més baixes. Si be les transmissions per correja eren comunes com una forma d'aumentar la velocitat dels motors llents, en classificacions molt grans (mils de quilovats) eren costoses, ineficientes i poc confiables. Despuix d'aproximadament 1906, els generadors accionados directament per turbines de vapor varen favorir les freqüències més altes. La velocitat de rotació més constant de les màquines d'alta velocitat va permetre una operació satisfactòria dels commutadors en els convertidors rotatius. La velocitat sincrónica N en RPM es calcula usant la fòrmula,

$N=\frac{120f}{P}$

a on f és la freqüència en hercios i P és el número de pols.

Velocitats síncronas de motors de CA per a algunes freqüències de servicis públics actuals i històriques

Pols	RPM a 133Plantilla:Frac Hz	RPM a 60 Hz	RPM a 50 Hz	RPM a 40 Hz	RPM a 25 Hz	RPM a 16Plantilla:Frac Hz
2	8,000	3,600	3,000	2,400	1,500	1,000
4	4,000	1,800	1,500	1,200	750	500
6	2,666.7	1,200	1,000	800	500	333.3
8	2,000	900	750	600	375	250
10	1,600	720	600	480	300	200
12	1,333.3	600	500	400	250	166.7
14	1142.9	514.3	428.6	342.8	214.3	142.9
16	1,000	450	375	300	187.5	125
18	888.9	400	333Plantilla:Frac	266Plantilla:Frac	166Plantilla:Frac	111.1
20	800	360	300	240	150	100

L'energia de corrent contínua no va anar completament desplaçada per la corrent alterna i va ser útil en processos ferroviaris i electroquímics. Abans del desenroll dels rectificadores de vàlvula d'arc de mercuri, s'usaven convertidors rotatius per a produir energia de CC a partir de CA. De la mateixa manera que atres màquines de tipo commutador, estes funcionaven millor en freqüències més baixes.

Transmissió i transformadors

En CA, els transformadors es poden usar per a reduir els alts voltages de transmissió per a reduir el voltage d'utilisació del client. El transformador és efectivament un dispositiu de conversió de voltage sense parts mòvils i que requerix poc manteniment. L'us de CA va eliminar la necessitat de motors-generadors giratoris de conversió de voltage de CC que requerixen manteniment i monitoreo regulars.

Ya que, per a un nivell de potència donat, les dimensions d'un transformador són aproximadament inversamente proporcionals a la freqüència, un sistema en molts transformadors seria més econòmic a una freqüència més alta.

La transmissió d'energia elèctrica a través de llínees llargues favorix les freqüències més baixes. Els efectes de la capacitancia i inductància distribuïdes de la llínea són menors a baixa freqüència.

Interconexió del sistema

Els generadors solament es poden interconectar per a operar en paralel si tenen la mateixa freqüència i forma d'ona. En estandardisar la freqüència utilisada, els generadors en un àrea geogràfica poden interconectarse en una ret, brindant confiabilidad i aforro de costs.

Història

Les freqüències dels servicis públics de Japó són 50 Hz i 60 Hz.

En el XIX es varen utilisar moltes freqüències de potència diferents.

Els esquemes de generació de CA aïllats molt primerencs usaven freqüències arbitràries basades en la conveniència per al disseny de motors de vapor, turbines d'aigua i generadors elèctrics. Es varen utilisar freqüències entre 16 2⁄3 Hz i 133 1⁄3 Hz en diferents sistemes. Per eixemple, la ciutat de Coventry, Anglaterra, en 1895 tenia un sistema de distribució monofásico únic de 87 Hz que va estar en us fins a 1906. La proliferació de freqüències va sorgir del ràpit desenroll de les màquines elèctriques en el periodo de 1880 a 1900.

En el periodo inicial d'allumenament incandescent, la CA monofásica era comuna i els generadors típics eren màquines de 8 pols que funcionaven a 2000 RPM, lo que generava una freqüència de 133 hercios.

Encara que existixen moltes teories i prou llegendes urbanes entretingudes, hi ha poca certea en els detalls de l'història de 60 Hz front a 50 Hz.

L'empresa alemana AEG (descendent d'una empresa fundada per Edison en Alemània) va construir la primera instalació generadora alemana que funcionava a 50 Hz. En eixe moment, AEG tenia un monopoli virtual i el seu estàndart es va estendre al restant d'Europa. Despuix d'observar el parpadeo de les llànties operades per la potència de 40 Hz transmesa per l'enllaç Lauffen-Frankfurt en 1891, AEG va elevar la seua freqüència estàndar a 50 Hz en 1891.

Westinghouse Electric va decidir estandardisar en una freqüència més alta per a permetre l'operació d'allumenament elèctric i motors d'inducció en el mateix sistema de generació. Encara que 50 Hz era adequat per a abdós, en 1890 Westinghouse va considerar que l'equip d'allumenament d'arc existent funcionava una miqueta millor en 60 Hz, per lo que es va elegir eixa freqüència. El funcionament del motor d'inducció de Tesla, autorisat per Westinghouse en 1888, requeria una freqüència més baixa que els 133 Hz comuns per als sistemes d'allumenament en eixe moment. [verifica la font] En 1893, General Electric Corporation, que estava afiliada a AEG en Alemània, va construir un proyecte de generació en Mill Creek per a dur electricitat a Redlands, Califòrnia usant 50 Hz, pero va canviar a 60 Hz un any despuix per a mantindre la participació de mercat en l'estàndart de Westinghouse.

Orígens de 25 Hz

Els primers generadors del proyecte de les Catarates del Niágara, construït per Westinghouse en 1895, eren de 25 Hz, perque la velocitat de la turbina ya s'havia fixat abans de seleccionar definitivament la transmissió de corrent alterna. Westinghouse hauria seleccionat una freqüència baixa de 30 Hz per a impulsar les càrregues del motor, pero les turbines per al proyecte ya s'havien especificat a 250 RPM. Les màquines es podrien haver fabricat per a proporcionar una potència de 16 2⁄3 Hz adequada per a motors pesats de tipo commutador, pero l'empresa Westinghouse va objectar que açò no seria desijable per a l'allumenament i va sugerir 33 1⁄3 Hz. Finalment, es va elegir un compromís de 25 Hz, en generadors de 250 RPM de 12 pols. Degut a que el proyecte Niagara va ser tan influent en el disseny dels sistemes d'energia elèctrica, 25 Hz va prevaldre com l'estàndart nortamericà per a CA de baixa freqüència.

Orígens de l'ocupació dels 40 Hz

Un estudi de General Electric va concloure que 40 Hz hauria segut un bon compromís entre les necessitats d'allumenament, motor i transmissió, donats els materials i equips disponibles en el primer quarto de el XX. Es varen construir varis sistemes de 40 Hz. La demostració de Lauffen-Frankfurt va usar 40 Hz per a transmetre energia a 175 km en 1891. Existia una gran ret interconectada de 40 Hz en el norest d'Anglaterra (Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company, NESCO) fins a l'arribada de National Grid (Regne Unit). ) a fins de la década de 1920, i els proyectes en Itàlia varen utilisar 42 Hz. La central hidroelèctrica comercial en funcionament continu més antiga dels Estats Units, la planta hidroelèctrica de Mechanicville, encara produïx energia elèctrica a 40 Hz i suministra energia al sistema de transmissió local de 60 Hz a través de cambiadores de freqüència. Les plantes industrials i les mines en Amèrica del Nort i Austràlia a voltes es varen construir en sistemes elèctrics de 40 Hz que es varen mantindre fins que varen resultar massa antieconòmics per a continuar. Encara que les freqüències propenques a 40 Hz varen trobar molt us comercial, estes varen ser passades per alt per freqüències estandardisades de 25, 50 i 60 Hz preferides pels fabricants d'equips de major volum.

L'empresa Ganz d'Hongria havia estandardisat 5000 alternances per minut (412⁄3 Hz) per als seus productes, per lo que els clients de Ganz tenien sistemes de 412⁄3 Hz que, en alguns casos, varen funcionar durant molts anys.

Estandardisació

En els primers dies de l'electrificació, s'usaven tantes freqüències que no prevalia cap valor únic (Londres en 1918 tenia dèu freqüències diferents). A mida que alvançava el XX, es produïa més energia a 60 Hz (Norteamérica) o 50 Hz (Europa i la major part d'Àsia). L'estandardisació va permetre el comerç internacional d'equips elèctrics. Molt més vesprada, l'us de freqüències estàndar va permetre l'interconexió de rets elèctriques. No va ser sino fins al cap de la Segona Guerra Mundial, en l'arribada de bens de consum elèctrics assequibles, que es varen promulgar normes més uniformes.

En el Regne Unit, es va declarar una freqüència estàndar de 50 Hz ya en 1904, pero va continuar un desenroll significatiu en atres freqüències. L'implementació de la Ret Nacional a partir de 1926 va obligar a l'estandardisació de freqüències entre els molts proveïdors de servicis elèctrics interconectados. L'estàndart de 50 Hz es va establir per complet solament despuix de la Segona Guerra Mundial.

Al voltant de 1900, els fabricants europeus s'havien estandardisat en la seua majoria en 50 Hz per a les noves instalacions. La Verband der Elektrotechnik alemana (VDE), en el primer estàndart per a màquines elèctriques i transformadors en 1902, va recomanar 25 Hz i 50 Hz com a freqüències estàndar. VDE no va vore molta aplicació de 25 Hz i ho va eliminar de l'edició de 1914 de l'estàndart. Les instalacions remanentes en atres freqüències varen persistir fins a molt despuix de la Segona Guerra Mundial.

Pel cost de la conversió, algunes parts del sistema de distribució poden continuar operant en les freqüències originals inclús despuix d'elegir una nova freqüència. Es va utilisar energia de 25 Hz en Ontario, Quebec, el nort dels Estats Units i per a l'electrificació ferroviària. En la década de 1950, molts sistemes de 25 Hz, des dels generadors fins als electrodomèstics, es varen convertir i varen estandardisar. Fins a 2009, encara existien alguns generadors de 25 Hz en Sir Adam Beck 1 (estos es varen adaptar a 60 Hz) i les estacions generadores de Rankine (fins al seu tancament en 2009) prop de les Catarates del Niágara per a proporcionar energia a grans clients industrials que no volien per a reemplaçar l'equip existent; i existixen alguns motors de 25 Hz i una central elèctrica de 25 Hz en Nova Orleans per a bombes d'aigua d'inundació. Les rets ferroviàries de CA de 15 kV, utilisades en Alemània, Àustria, Suïssa, Suècia i Noruega, encara funcionen a 16 2⁄3 Hz o 16,7 Hz.

En alguns casos, a on la major part de la càrrega anava a ser ferroviària o de motor, es va considerar econòmic generar energia a 25 Hz i instalar convertidors rotatius per a la distribució a 60 Hz. Els convertidors per a la producció de CC a partir de corrent alterna estaven disponibles en tamanys més grans i eren més eficients a 25 Hz en comparació a 60 Hz. Els fragments remanentes de sistemes més antics es poden vincular al sistema de freqüència estàndar a través d'un convertidor rotatori o un cambiador de freqüència d'inversor estàtic. Estos permeten que l'energia s'intercanvie entre dos rets elèctriques a diferents freqüències, pero els sistemes són grans, costosos i desperdicien una miqueta d'energia en funcionament.

Els cambiadores de freqüència de màquina rotativa utilisats per a convertir sistemes entre 25 Hz i 60 Hz eren difícils de dissenyar; una màquina de 60 Hz en 24 pols giraria a la mateixa velocitat que una màquina de 25 Hz en 10 pols, lo que faria que les màquines foren grans, llentes i cares. Una relació de 60/30 hauria simplificat estos dissenys, pero la base instalada a 25 Hz era massa gran per a opondre's econòmicament.

En els Estats Units, Southern Califòrnia Edison s'havia estandardisat en 50 Hz. Gran part del sur de Califòrnia operava en 50 Hz i no va canviar per complet la freqüència dels seus generadors i equips de clients a 60 Hz fins a al voltant de 1948. Alguns proyectes de Au Sabre Electric Company varen utilisar 30 Hz en voltages de transmissió de fins a 110 000 volts en 1914.

Inicialment en Brasil, la maquinària elèctrica s'importava d'Europa i Estats Units, lo que implicava que el país tenia estàndars de 50 Hz i 60 Hz segons cada regió. En 1938, el govern federal va promulgar una llei, el Decret-Lei 852, en l'intenció de dur a tot el país per baix dels 50 Hz en un determini de huit anys. La llei no va funcionar i, a principis de la década de 1960, es va decidir que Brasil s'unificaria baix l'estàndart de 60 Hz, perque la majoria de les àrees desenrollades i industrialisades usaven 60 Hz; i es va declarar una nova llei Lei 4.454 en 1964. Brasil es va sometre a un programa de conversió de freqüència a 60 Hz que no es va completar fins a 1978.

En Mèxic, les àrees que operen en la ret de 50 Hz es varen convertir durant la década de 1970, unint al país baix 60 Hz.

En Japó, la part occidental del país (Nagoya i l'oest) utilisa 60 Hz i la part oriental (Tòquio i l'est) utilisa 50 Hz. Açò té el seu orige en les primeres compres de generadors a AEG en 1895, instalats per a Tòquio, i General Electric en 1896, instalats en Osaka. El llímit entre les dos regions conté quatre subestacions HVDC adossades que convertixen la freqüència; estos són Shin Shinano, Sakuma Dam, Minami-Fukumitsu i el convertidor de freqüència Higashi-Shimizu.