Frecuencia de la corriente alterna en China
Entonces, ¿por qué elegir 50 Hz CA en lugar de 5 Hz o 400 Hz? ¡Escuche al editor!
¿Qué pasa si la frecuencia es baja?
La frecuencia más baja es 0, que es CC. Para demostrar que la corriente alterna de Tesla es peligrosa, Edison utilizó corriente alterna para electrocutar a un grupo de animales pequeños. Si los elefantes también fueran animales pequeños... Objetivamente hablando, bajo la misma corriente, el cuerpo humano puede soportar la corriente alterna durante más tiempo. La capacidad de soportar corriente alterna durante mucho tiempo está relacionada con la fibrilación ventricular, y es que la corriente alterna es más peligrosa.
Pero Edison finalmente perdió frente a Tesla, y la corriente alterna derrotó a la CC con la ventaja de cambiar fácilmente el nivel de voltaje. Cuando la potencia de transmisión es la misma, si se aumenta el voltaje, la corriente de transmisión disminuirá y la energía consumida en la línea también disminuirá.
Otro problema con la transmisión de energía CC es que es difícil de cortar, lo que sigue siendo un problema hasta ahora. El problema de la transmisión de CC es el mismo que el problema de las chispas provocadas al desenchufar aparatos eléctricos. Cuando la corriente alcanza un cierto nivel, este tipo de chispa eléctrica no se puede extinguir y se llama "arco".
Para corriente alterna, la corriente cambiará de dirección, por lo que hay un momento en el que la corriente cruza cero. Usando este pequeño punto de tiempo actual, podemos cortar la corriente de línea a través del dispositivo de extinción de arco. Pero la dirección de la corriente oceánica de CC no cambiará. Sin este cruce por cero, nos resultaría difícil extinguir el arco.
¿Qué pasó con la corriente alterna de baja frecuencia?
En primer lugar, la eficiencia del transformador. Los transformadores aumentan o reducen el voltaje mediante cambios en el campo magnético en el lado primario. Cuanto más lento cambia la frecuencia del campo magnético, más débil es la inducción. El caso extremo es la CC, donde no hay ninguna inducción, por lo que la frecuencia es demasiado baja.
El segundo es el problema energético de los equipos eléctricos. Por ejemplo, la velocidad del motor de un automóvil es su frecuencia, como 500 rpm en ralentí y 3000 rpm en aceleración, que se convierten en frecuencias de 8,3 Hz y 50 Hz respectivamente. Esto muestra que cuanto mayor es la velocidad, mayor es la potencia del motor.
Del mismo modo, a la misma frecuencia, cuanto más grande es el motor, mayor es la potencia de salida, motivo por el cual los motores diésel son más grandes que los de gasolina. Sólo los grandes motores diésel pueden propulsar vehículos pesados como autobuses y camiones.
Del mismo modo, los motores (o todas las máquinas giratorias) requieren un tamaño pequeño y una potencia de salida alta. Sólo hay una manera: aumentar la velocidad. Por eso la frecuencia de la corriente alterna no puede ser demasiado baja. Necesitamos un tamaño pequeño pero un motor potente.
Lo mismo ocurre con los aires acondicionados inverter. Al cambiar la frecuencia de CA, se controla la potencia de salida del compresor de aire acondicionado. En resumen, la potencia y la frecuencia están correlacionadas positivamente dentro de un cierto rango.
Primero hablemos de lo que sucederá si la frecuencia es alta.
¿Qué tal 400 Hz, por ejemplo?
Dos problemas, uno es el aumento de pérdidas en la línea y en los equipos, y el otro es que el generador gira demasiado rápido.
Hablemos primero de las pérdidas. Las líneas de transmisión, los equipos de subestaciones y los equipos eléctricos tienen reactancia, y la reactancia es proporcional a la frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la reactancia, mayor es la potencia reactiva consumida y menos potencia activa se puede transmitir.
La reactancia actual de las líneas de transmisión de 50 Hz es de aproximadamente 0,4 ohmios, que es aproximadamente 10 veces la resistencia. Si se aumenta a 400 Hz, la reactancia es de 3,2 ohmios, que es aproximadamente 80 veces la resistencia. Para las líneas de transmisión de alto voltaje, reducir la reactancia es la clave para mejorar la potencia de transmisión.
A la reactancia le corresponde la reactancia capacitiva, que es inversamente proporcional a la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la reactancia capacitiva de la línea y mayor será la corriente de fuga. Si la frecuencia es alta, la corriente de fuga de la línea también aumentará.
Otro problema es la velocidad del generador. Los grupos electrógenos actuales son básicamente máquinas de una sola etapa, que son un par de polos magnéticos. Para generar energía de 50 Hz, la velocidad del rotor debe alcanzar las 3000 revoluciones por minuto. Cuando la velocidad del motor alcanza las 3000 rpm, se puede sentir claramente que el motor vibra. Cuando llegue a 6000 rpm, sentirá que el motor está a punto de saltar del capó.
Esto es cierto para el motor de un automóvil, sin mencionar un rotor de hierro sólido y una turbina de vapor que pesa 100 toneladas. Esta es también la razón por la cual la central eléctrica es ruidosa. No es fácil que un rotor de acero que pesa 100 toneladas gire a 3000 revoluciones por minuto.
Si la frecuencia fuera tres o cuatro veces mayor, se estima que el generador podría salir volando de fábrica.
Un rotor tan pesado tiene una inercia considerable, por lo que el sistema de energía se denomina sistema inercial y puede mantener un funcionamiento seguro y estable. Esta es también la razón por la que los suministros de energía intermitentes, como la energía eólica y la solar, desafían el suministro de energía tradicional.
Debido a que el paisaje cambia rápidamente, el rotor que pesa decenas de toneladas reduce o aumenta la producción muy lentamente debido a su enorme inercia (el concepto de tasa de ascenso) y no puede seguir el ritmo de los cambios en la energía eólica y generación de energía fotovoltaica. Por eso a veces hay que renunciar al viento y a la luz.
En resumen:
La razón por la que la frecuencia no puede ser demasiado baja: el transformador tiene una alta eficiencia energética y el motor puede tener baja potencia.
La razón por la que la frecuencia no puede ser demasiado alta: las pérdidas en la línea y en los equipos pueden ser pequeñas, y no es necesario que la velocidad del generador sea demasiado alta.
Así que en base a experiencia y hábitos nuestra potencia se fija en 50 o 60Hz.