Corriente alterna

Una baja frecuencia facilita el diseño de motores eléctricos, especialmente para aplicaciones de elevación, trituración y laminación, así como de motores de tracción con conmutador para aplicaciones como ferrocarriles . Sin embargo, la baja frecuencia también provoca un parpadeo perceptible en lámparas de arco y bombillas incandescentes . El uso de frecuencias más bajas también ofrece la ventaja de menores pérdidas de transmisión, que son proporcionales a la frecuencia.

Los generadores originales de las Cataratas del Niágara se construyeron para producir  energía a 25 Hz, como un compromiso entre la baja frecuencia para la tracción y los motores de inducción pesados, permitiendo a la vez el funcionamiento de la iluminación incandescente (aunque con un parpadeo perceptible). La mayoría de los  clientes residenciales y comerciales de 25 Hz de las Cataratas del Niágara se convirtieron a 60  Hz a finales de la década de 1950, aunque algunos clientes industriales de 25 Hz todavía existían a principios del siglo XXI. La energía a 16,7 Hz (anteriormente 16 2/3 Hz) todavía se utiliza en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega , Suecia y Suiza .   

En aplicaciones marinas, militares, textiles, navales, aeronáuticas y espaciales, a veces se utiliza la  frecuencia de 400 Hz para reducir el peso de los equipos o aumentar la velocidad de los motores. Los sistemas informáticos centrales solían alimentarse con 400  Hz o 415  Hz para reducir la ondulación de la señal y utilizar unidades internas de conversión de CA a CC más pequeñas.

Para frecuencias bajas a medias, los conductores se pueden dividir en hilos trenzados, cada uno aislado de los demás, con las posiciones relativas de los hilos individuales dispuestas de forma especial dentro del haz de conductores. El hilo construido con esta técnica se denomina hilo Litz . Esta medida ayuda a mitigar parcialmente el efecto pelicular al forzar una corriente más uniforme en toda la sección transversal de los conductores trenzados. El hilo Litz se utiliza para fabricar inductores de alto factor Q , reduciendo las pérdidas en conductores flexibles que transportan corrientes muy altas a bajas frecuencias, y en los devanados de dispositivos que transportan corrientes de radiofrecuencia más altas (hasta cientos de kilohercios), como fuentes de alimentación conmutadas y transformadores de radiofrecuencia .

Como se indicó anteriormente, una corriente alterna se compone de carga eléctrica sometida a aceleración periódica , lo que provoca la emisión de ondas electromagnéticas . La energía irradiada se pierde. Dependiendo de la frecuencia, se utilizan diferentes técnicas para minimizar las pérdidas debidas a la radiación.

A continuación se asume una forma de onda de CA (sin componente de CC ).

El voltaje RMS es la raíz cuadrada del valor medio , durante un ciclo, del cuadrado del voltaje instantáneo.

La relación entre el voltaje y la potencia suministrada es:

${\displaystyle p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}}$,

dónde${\displaystyle R}$representa una resistencia de carga.

En lugar de utilizar energía instantánea,${\displaystyle p(t)}$, es más práctico utilizar una potencia promediada en el tiempo (donde el promedio se realiza sobre cualquier número entero de ciclos). Por lo tanto, el voltaje de CA a menudo se expresa como un valor cuadrático medio (RMS), escrito como${\displaystyle V_{\text{rms}}}$, porque

${\displaystyle P_{\text{promedio}}={\frac {{V_{\text{rms}}}^{2}}{R}}.}$

oscilación de potencia

${\displaystyle {\begin{aligned}v(t)&=V_{\text{pico}}\sin(\omega t)\\i(t)&={\frac {v(t)}{R}}={\frac {V_{\text{pico}}}{R}}\sin(\omega t)\\p(t)&=v(t)i(t)={\frac {(V_{\text{pico}})^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)={\frac {(V_{\text{pico}})^{2}}{2R}}\ (1-\cos(2\omega t))\end{aligned}}}$

Por esta razón, la forma de onda de la corriente alterna se convierte en una onda sinusoidal rectificada de onda completa , y su frecuencia fundamental es el doble que la del voltaje.

Para ilustrar estos conceptos, consideremos una fuente  de alimentación de CA de 230 V utilizada en muchos países del mundo. Se denomina así porque su valor eficaz es de 230 V. Esto significa que la potencia media en el tiempo suministrada ${\displaystyle P_{\text{promedio}}}$es equivalente a la potencia suministrada por un voltaje de CC de 230  V. Para determinar el voltaje pico (amplitud), podemos reorganizar la ecuación anterior de la siguiente manera:

${\displaystyle V_{\text{pico}}={\sqrt {2}}\ V_{\text{rms}}}$

${\displaystyle P_{\text{pico}}={\frac {(V_{\text{rms}})^{2}}{R}}{\frac {(V_{\text{pico}})^{2}}{(V_{\text{rms}})^{2}}}={\text{P}}_{\text{promedio}}{\sqrt {2}}^{2}={\text{2}}P_{\text{promedio}}.}$

Para 230  V CA, el voltaje pico${\displaystyle V_{\text{pico}}}$es por lo tanto${\displaystyle 230{\text{ V}}\times {\sqrt {2}}}$, que es aproximadamente 325  V, y la potencia máxima${\displaystyle P_{\text{pico}}}$es${\displaystyle 230\times R\times W\times 2}$, es decir, 460  RW. Durante un ciclo (dos ciclos como potencia), el voltaje sube de cero a 325  V, la potencia de cero a 460  RW, y ambas caen por cero. A continuación, el voltaje desciende en sentido inverso, a -325  V, pero la potencia vuelve a subir a 460  RW, y ambas regresan a cero.

The development of the alternating current transformer to change voltage from low to high level and back, allowed generation and consumption at low voltages and transmission, over great distances, at high voltage, with savings in the cost of conductors and energy losses. A bipolar open-core power transformer developed by Lucien Gaulard and John Dixon Gibbs was demonstrated in London in 1881, and attracted the interest of Westinghouse. They exhibited an AC system powering arc and incandescent lights was installed along five railway stations for the Metropolitan Railway in London and a single-phase multiple-user AC distribution system Turin in 1884.^[8] These early induction coils with open magnetic circuits were inefficient at transferring power to loads. Until about 1880, the paradigm for AC power transmission from a high voltage supply to a low voltage load was a series circuit. Open-core transformers with a ratio near 1:1 were connected with their primaries in series to allow use of a high voltage for transmission while presenting a low voltage to the lamps. The inherent flaw in this method was that turning off a single lamp (or other electronic device) affected the voltage supplied to all others on the same circuit. Many adjustable transformer designs were introduced to compensate for this problematic characteristic of the series circuit, including those employing methods of adjusting the core or bypassing the magnetic flux around part of a coil.^[9] The direct current systems did not have these drawbacks, giving it significant advantages over early AC systems.

In the UK, Sebastian de Ferranti, who had been developing AC generators and transformers in London since 1882, redesigned the AC system at the Grosvenor Gallery power station in 1886 for the London Electric Supply Corporation (LESCo) including alternators of his own design and open core transformer designs with serial connections for utilization loads - similar to Gaulard and Gibbs.^[10] In 1890, he designed their power station at Deptford^[11] and converted the Grosvenor Gallery station across the Thames into an electrical substation, showing the way to integrate older plants into a universal AC supply system.^[12]

En el otoño de 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri (ZBD), tres ingenieros asociados con Ganz Works de Budapest, determinaron que los dispositivos de núcleo abierto eran poco prácticos, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. ^{[ 13 ]} Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones de derivación en paralelo , y Déri había realizado los experimentos; ^{[ 14 ]} En sus solicitudes de patente conjuntas de 1885 para transformadores novedosos (más tarde llamados transformadores ZBD), describieron dos diseños con circuitos magnéticos cerrados donde los devanados de cobre estaban enrollados alrededor de un núcleo anular de alambres de hierro o bien rodeados por un núcleo de alambres de hierro. ^{[ 9 ]} En ambos diseños, el flujo magnético que unía los devanados primario y secundario viajaba casi completamente dentro de los confines del núcleo de hierro, sin una trayectoria intencional a través del aire (ver núcleos toroidales ). Los nuevos transformadores eran 3,4 veces más eficientes que los dispositivos bipolares de núcleo abierto de Gaulard y Gibbs. ^{[ 15 ]} La fábrica Ganz envió en 1884 los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo. ^{[ 16 ]} Esta primera unidad se había fabricado con las siguientes especificaciones: 1400 W, 40  Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásico, en forma de carcasa. ^{[ 16 ]}

Las patentes de ZBD incluían otras dos innovaciones importantes interrelacionadas: una relativa al uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de en serie, y la otra relativa a la capacidad de tener transformadores de alta relación de espiras, de modo que la tensión de la red de suministro pudiera ser mucho mayor (inicialmente de 140 a 2000  V) que la tensión de las cargas de utilización (100  V inicialmente preferida). ^{[ 17 ] [ 18 ]} Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron técnica y económicamente factible proporcionar energía eléctrica para la iluminación en hogares, negocios y espacios públicos. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El otro hito esencial fue la introducción de los sistemas de "fuente de voltaje, de voltaje intensivo" (VSVI) ^{[ 21 ]} mediante la invención de generadores de voltaje constante en 1885. ^{[ 22 ]} A principios de 1885, los tres ingenieros también eliminaron el problema de las pérdidas por corrientes parásitas con la invención de la laminación de núcleos electromagnéticos. ^{[ 23 ]} Ottó Bláthy también inventó el primer medidor de electricidad de CA. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

En mayo de 1885, en la Exposición Nacional Húngara de Budapest, Deri, Blathy y Zipernowski realizaron una demostración a gran escala de lo que se considera el prototipo de los sistemas de iluminación de corriente alterna modernos. Su sistema utilizaba 75 transformadores conectados en paralelo, que alimentaban 1067 lámparas incandescentes Edison desde un generador de corriente alterna que proporcionaba 1350 V. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 13 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

El sistema de alimentación de CA se desarrolló y adoptó rápidamente después de 1886. En marzo de ese año, el ingeniero de Westinghouse, William Stanley , diseñando un sistema basado en el transformador Gaulard y Gibbs, ^{[ 33 ]} demostró un sistema de iluminación en Great Barrington : el voltaje de 500 voltios de un generador Siemens se convirtió en 3000 voltios, y luego el voltaje se redujo a 500 voltios mediante seis transformadores Westinghouse. Con esta configuración, la compañía Westinghouse logró alimentar treinta bombillas incandescentes de 100 voltios en veinte tiendas a lo largo de la calle principal de Great Barrington. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Para el otoño de ese año, los ingenieros de Ganz instalaron un sistema de alimentación con transformador ZBD y generadores de CA en Roma . ^{[ 36 ]}

Basándose en el éxito de Stanley, la nueva Westinghouse Electric ^{[ 37 ]} pasó a desarrollar infraestructura eléctrica de corriente alterna (CA) en todo Estados Unidos. La expansión de los sistemas de CA de Westinghouse y otros provocó una reacción adversa a finales de 1887 por parte de Thomas Edison (un defensor de la corriente continua), quien intentó desacreditar la corriente alterna por considerarla demasiado peligrosa en una campaña pública llamada la " guerra de las corrientes ".

En 1888, los sistemas de corriente alterna ganaron mayor viabilidad con la introducción de un motor de CA funcional , algo de lo que carecían hasta entonces. El diseño, un motor de inducción , fue inventado independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla (el diseño de Tesla fue licenciado por Westinghouse en los EE. UU.). Este diseño fue desarrollado posteriormente de forma independiente hasta su forma práctica trifásica moderna por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown en Alemania, por un lado, ^{[ 38 ]} y Jonas Wenström en Suecia, por el otro, aunque Brown prefería el sistema bifásico.

La central hidroeléctrica de Ames , construida en 1890, fue una de las primeras centrales hidroeléctricas de corriente alterna. Una transmisión de larga distancia de electricidad monofásica desde una central hidroeléctrica en Willamette Falls, Oregón, envió energía catorce millas río abajo hasta el centro de Portland para el alumbrado público en 1890. ^{[ 39 ]} En 1891, se instaló otro sistema de transmisión en Telluride, Colorado. ^{[ 40 ]} El primer sistema trifásico se estableció en 1891 en Frankfurt , Alemania. La transmisión Tivoli - Roma se completó en 1892. ^{[ 41 ]} El generador de San Antonio Canyon fue la tercera central hidroeléctrica comercial monofásica de CA en los Estados Unidos en proporcionar electricidad de larga distancia. Fue completada el 31 de diciembre de 1892 por Almarian William Decker para proporcionar energía a la ciudad de Pomona, California , que estaba a 14 millas de distancia. Mientras tanto, en la mina Grängesberg de Suecia se exploró la posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia .Se seleccionó una caída de 45 m  en Hällsjön, Smedjebackens kommun, donde se ubicaba una pequeña fundición de hierro. En 1893, se construyó un sistema trifásico. Se utilizó un sistema de 9,5 kV para transferir 400 caballos de fuerza a una distancia de15 km  , convirtiéndose en la primera aplicación comercial. ^{[ 42 ]} En 1893, Westinghouse construyó un sistema de corriente alterna para la Exposición Mundial de Chicago . ^{[ 41 ]} En 1893, Decker diseñó la primera central eléctrica trifásica comercial estadounidense que utilizaba corriente alterna: la central hidroeléctrica Mill Creek n.° 1 cerca de Redlands, California . El diseño de Decker incorporó  una transmisión trifásica de 10 kV y estableció los estándares para el sistema completo de generación, transmisión y motores que se utiliza en los EE. UU. en la actualidad. La central hidroeléctrica original de Niagara Falls Adams , con tres generadores bifásicos, entró en funcionamiento en agosto de 1895, pero no se conectó al sistema de transmisión remoto hasta 1896. La central hidroeléctrica de Jaruga, en Croacia, se puso en funcionamiento dos días después, el 28 de agosto de 1895. Su generador (42  Hz, 240  kW) fue fabricado e instalado por la empresa húngara Ganz , mientras que la línea de transmisión desde la central hasta la ciudad de Šibenik tenía 11,5 kilómetros (7,1 millas) de longitud, y la red de distribución municipal de 3000 V/110 V incluía seis estaciones transformadoras. ^{[ 41 ]}   

La teoría de circuitos de corriente alterna se desarrolló rápidamente a finales del siglo XIX y principios del XX. Entre los principales contribuyentes a la base teórica de los cálculos de corriente alterna se encuentran Charles Steinmetz , Oliver Heaviside y muchos otros. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Los cálculos en sistemas trifásicos desequilibrados se simplificaron mediante los métodos de componentes simétricas descritos por Charles LeGeyt Fortescue en 1918.