Frecuencia de la red eléctrica

Los sistemas eléctricos funcionan en corriente alterna. Esto significa que la onda oscila entre valores positivos y negativos a una determinada frecuencia.

Vamos a ver qué es esta frecuencia y por qué los sistemas eléctricos funcionan de esta forma.

Historia de las redes eléctricas

La primera red eléctrica de Edison

La primera red eléctrica data del 1881 de la mano de Thomas Edison. Esta red funcionaba en corriente continua y alimentaba 6 líneas de 1200 lámparas en un barrio de Nueva York.

La generación la conseguía a partir de un generador de corriente continua (dinamo) alimentado por carbón. Pero cuando comenzó a expandirse la red de continua por todo el mundo, se empezaron a ver sus limitaciones a gran escala. Con las tensiones que se trabajaba, para distribuir la energía sin mucha pérdida se requería de cables de gran sección.

El nacimiento de la corriente alterna

La solución a los problemas de transporte era elevar mucho la tensión, pero en aquella época era difícil y peligroso. Fue en 1884 cuando unos ingenieros de GANZ propusieron una red de transporte y distribución de corriente alterna con transformadores de distribución.

Esta idea permitía elevar la tensión en el punto de generación con un transformador y volver a reducirla en el punto de consumo. Reduciendo las pérdidas de energía y la sección del cable, y con ello el coste de inversión.

Así comenzó una guerra entre empresas en pro de la corriente continua y corriente alterna. Uno de los puntos fuertes para la continua era que los principales motores que existían eran los de corriente continua.

Fue Tesla quien terminó de decantar la balanza creando el motor de inducción en 1888, el cual funciona alimentándolo con una red alterna trifásica y era mucho más barato y simple.

Tras unos años más de disputa, terminó imponiéndose la alterna tras el triunfo de unas centrales hidroeléctricas que generaban en alterna a partir de unos alternadores (los cuales se habían creado décadas atrás).

Como hemos visto, la corriente alterna se impuso por la simplicidad de los motores de inducción y de los alternadores y sus reducidos costes y la facilidad para elevar y reducir la tensión, con los beneficios económicos que esto conllevaba.

Además, dentro de la alterna se han impuesto los sistemas trifásicos, ya que permiten usar hilos de menor tamaño con respecto a los que necesitaría un sistema monofásico de la misma potencia.

¿Qué es la frecuencia de la red eléctrica?

las redes eléctricas actuales funcionan en corriente alterna trifásica. A continuación se muestra un ejemplo de las tres señales que componen una red alterna trifásica:

Puede observarse en la imagen que las señales oscilan entre valores positivos y negativos con una forma de onda senoidal.

Esta onda es periódica, es decir, se repite de forma idéntica cada cierto periodo de tiempo. Este periodo es la inversa de la frecuencia, por lo que cuanto más tarda en repetirse mejor es la frecuencia.

En cuanto a las distintas fases, puede verse como la segunda fase tiene el mismo valor que la primera pero cuando transcurre un tiempo igual a la tercera parte del periodo. Y lo mismo sucede con la tercera con respecto a la segunda. Así se obtiene un sistema trifásico equilibrado.

¿Qué frecuencias de red se utilizan y por qué?

En los grandes sistemas eléctricos en el mundo la frecuencia es de 50 ó de 60 Hz. Lo que quiere decir que la onda se repite cada segundo 50 ó 60 veces.

Estos valores se establecieron durante la primera mitad del siglo XX. Algo después de la disputa entre corriente continua y alterna comenzó la disputa por la frecuencia de la red.

En un principio el valor de la frecuencia lo imponía el tipo de generador que se diseñaba por primera vez por entonces.

Todos los generadores en alterna mantienen el mismo principio físico, y es que la frecuencia de salida es proporcional al número de pares de polos que se utilice en el rotor y a la velocidad que éste gira. Así, un rotor de dos polos (un par) que gira 50 veces por segundo generará una corriente de 50 Hz. Si, en cambio, el rotor fuera de 20 polos la frecuencia de la corriente sería de 5 Hz para esa misma velocidad.

Por esto, en un principio la frecuencia fue marcada por la velocidad y el número de polos que podía conseguirse por aquel entonces en un generador.

En Europa la principal red eléctrica estaba en Alemania y funcionaba a 40 Hz. Ésta se mantuvo así desde 1890 hasta que en 1891 se decidió cambiar a 50 Hz por los problemas de destellos que tenían las lámparas.

Por otro lado, en Estados Unidos fue la empresa Westinghouse en 1890 la que pasó a generar en 60 Hz, ya que se acoplaban perfectamente a los motores de inducción que estaban diseñando.

La diferencia principal entre Europa y Estados Unidos fue los distintos puntos de vista de las empresas que desarrollaban las líneas. En Europa estaba prácticamente AEG solamente, por lo que impuso su criterio. En Estados Unidos tuvieron algunos años de disputa entre compañías y frecuencias, pero el peso de Westinghouse hizo que la competencia terminara adaptándose a los 60 Hz.

Estabilidad de la frecuencia de red

Para que la frecuencia de la red eléctrica se mantenga estable la generación debe ser igual a la demanda en todo momento.

Si en determinado momento se desconecta una central de generación, se produce una caída de la frecuencia de la red. Por el contrario, si la generación es mayor que la demanda la frecuencia de la red aumentará. Estas casuísticas se dan muchas veces por daños que se producen en la red y que impiden el transporte de la energía por ese punto dañado.

Para ambos casos el operador de red controla la frecuencia en los puntos de generación y de consumo y establece protocolos de actuación para añadir o quitar generación o consumo rápidamente.

Si no se actúa con la velocidad requerida, el sistema colapsará en cuestión de segundos y se producirá un apagón general. Cuanto más inteligente sea el sistema eléctrico, más fácil será paliar estos episodios.

Esto con los sistemas eléctricos convencionales no supone un mayor problema por la gran inercia del sistema eléctrico. Sin embargo con la introducción de energías renovables como la fotovoltaica o la eólica, esta inercia cada vez es menor. Por como se produce la energía solar y otras renovables con electrónica de potencia esta inercia se intenta establecer de forma sintética, pero son necesarios sistemas de almacenamiento para que sean los algoritmos realmente efectivos.