SÍ que existen motivos técnicos para decir que 60Hz es mejor que 50Hz en muchas aplicaciones. Por ejemplo estas son algunas: 

1º Algunas bombillas, como las incandescentes y sobretodo las bombillas LED que no dispongan de un buen circuito de rectificación de la corriente eléctrica (bombillas LED de baja calidad por ejemplo) tendrán un menor parpadeo y por tanto se verán más naturales a 60Hz que a 50Hz. Lo ideal en este aspecto sería que la corriente funcionara a 100Hz o más, pues de esa forma la percepción de parpadeo se vería casi completamente eliminada. Sin embargo que yo sepa todos los paises usan redes eléctricas que funcionan entre 40Hz y 60Hz 

2º Los transformadores de corriente alterna (utilizados por ejemplo en las subestaciones eléctricas, en los electrodomésticos, en las fuentes de alimentación de los aparatos eletrónicos...) son más eficaces trabajando con corrientes de 60Hz que con corrientes de 50Hz. A igualdad de potencia, el tamaño necesario del transformador es inversamente proporcional a la frecuencia de la corriente eléctrica que lo atraviesa. Por tanto, aquí lo ideal serían frecuencias mucho más altas para disminuir los costes y volumen de los transformadores. Por poner un ejemplo, en los aviones, según leí, utilizan frecuencias de 400Hz debido a la gran importancia que tiene el peso del equipamiento. 

3º Los circuitos rectificadores que transforman la corriente alterna en contínua trabajan mejor a 60Hz que a 50Hz, ya que el condensador necesario para filtrar la corriente pulsante obtenida mediante el circuito rectificador (que puede ser un sencillo puente de diodos) es mayor cuanto menor sea la frecuencia de la corriente. De hecho, las fuentes de alimentación modernas de los ordenadores transforman la corriente alterna de 230V a corriente "contínua" (con un rizado o variación en el voltaje en torno al 5-10%) de 320V aprox. para luego volverla a transformar en alterna cuadrada de 20.000Hz o más, y de esa forma poder trasformarla y filtrarla más fácilmente a 12V, 5V, 3,3V etc usando transformadores y condensadores pequeños. Si no se utilizara este truco, el tamaño del condensador y del transformador no cabrían en una torre de ordenador!!! 

Ahora bien, la corriente alterna que hoy día usamos parece ser que en las próximas décadas se va a ir sustituyendo por corriente contínua de alto voltaje, pues con la tecnología moderna es posible e incluso conveniente transportar energía eléctrica a grandes distancias usando la contínua en vez de la alterna. Una de las ventajas es la menor pérdida de energía y por tanto una mayor eficiencia.

La definición de la frecuencia y niveles de tensión de las redes eléctricas tal como hoy los conocemos, tienen su razón y orígenes en consideraciones fundamentalmente técnicas. Sin embargo, también se basaron en la conveniencia y voluntad de las personas y empresas que fueron pioneros en la investigación y fabricación de estos sistemas. Recorriendo la historia mundial veremos que fueron Tesla, Edison y las empresas Westinghouse, General Electric y AEG, quienes más enérgicamente han participado en las decisiones e imposiciones para el avance de los sistemas de generación y transmisión eléctrica.Hacia 1886 en Norte América, G. Westinghouse realiza su ingeniería de generación a 133 ⅓ Hz con un impulsor a vapor de 2000 rpm (generador de 8 polos), cuya aplicación era eficiente en iluminación pues no se percibían efectos de parpadeo, pero no así en aplicaciones de fuerza motriz por su elevada frecuencia. También ya se contaba en la época con un generador de 8 polos de muy baja frecuencia 16 ⅔ Hz impulsado a 250 rpm. Cuando Tesla se incorpora a Westinghouse, que en su momento utilizaba los 133 ⅓ Hz, insiste en reducir a los 60 Hz debido a que tenía diseñado un motor de inducción a esa frecuencia y que no funcionaría a 133 ⅓ Hz. Hacia fines de 1892, el equipo de ingeniería de Westinghouse determina, a partir de experiencias prácticas dos frecuencias: 60 Hz para iluminación y 30 Hz para fuerza motriz y conversión a CC.

¿Redes con frecuencia de 25 Hz?

Ya a principios del año 1890, Westinghouse se presenta en la oferta de los generadores para la represa de las cataratas del Niágara, cuya compañía de ingeniería, Cataract Company había seleccionado las turbinas a 250 rpm. Así entonces no había números de polos que cumplieran con los 60 o 30Hz (16 polos - 33 ⅓ Hz; 12 polos – 25 Hz; 8 polos – 16 2/3). Además de ello la Cataract Company tenia un compromiso de generación a 25 Hz. ¿Por qué?. Las industrias siderúrgicas eran beneficiadas debido a que los trenes de laminación de baja velocidad eran más eficientes y a 60 Hz presentarían muy bajo factor de potencia. 

¿Redes con frecuencia de 40 Hz?

Así también para esta fecha, General Electric realiza el esfuerzo de ingresar al mercado con generación a 40 Hz, difícilmente pudiendo superar la estructura ya emplazada de 60 / 25 Hz. A pesar de ello GE no queda afuera del mercado eléctrico y luego de unificar patentes con Westinghouse, llevan a cabo sistemas a 60 Hz de gran escala. 

¿Finalmente Redes con frecuencia de 25 y 60 Hz?

Para el año 1910 dos frecuencias se imponían, 60 Hz para iluminación y usos generales, y 25 Hz para transmisión y fuerza motriz. Pero a hacia 1920 los problemas de transmisión a 60Hz se logran resolver adoptando entonces en Estados Unidos los 60 Hz como única frecuencia. Si bien los 50Hz eran también apropiados, en 1890 Westinghouse demuestra que los equipos de iluminación de arco funcionan mejor a 60Hz. Frecuencias menores a 50 Hz generan parpadeo perceptible al ojo humano sobre la iluminación incandescente y de arco. 

¿Los 25 Hz desaparecieron totalmente?

Debido a los costos de la conversión a 60 Hz, actualmente existen partes del sistema de distribución en 25Hz en funcionamiento en zonas de Ontario, Quebec, Norte de USA y en trenes eléctricos. Algunos generadores de 25 Hz siguen en servicio como ser el Beck1 y la Estación de generación Rankine cercanos a las cataratas del Niágara, que proveen de energía a industrias. Así también en New Orleans el sistema de bombeo de aguas a 25 Hz. Del otro lado del Atlántico, en Suiza la electrificación del tren opera a 16⅔ Hz. 

¿Qué ocurría al otro lado del Atlántico?

En Europa, AEG de bandera alemana, fundada por Edison, desarrolla el generador a 50 Hz en el año 1891. La razón se supone hasta la actualidad que los 60Hz de Norte America no eran un número “métricamente amigable”. Además de ello, ya en Europa existía una transmisión de 40 Hz que presentaba parpadeo a causa del enfriamiento periódico del filamento del bulbo que provoca un cambio en el brillo y flujo luminoso. (Este mismo efecto ocurre sobre lámparas de arco y en las actuales de vapor de mercurio y fluorescentes, con distinto nivel de severidad). También tenía demostrada la eficiencia en la transmisión de energía a 50 Hz por grandes distancias. Así entonces tuvo la libertad de imponer sus estándares de generación a 50 Hz.Europa para la década de 1910 esta eléctricamente más fragmentada que Norte America. En 1918, solamente Londres tenía 70 autoridades eléctricas con 50 sistemas diferentes que incluían 10 valores de frecuencias y 24 niveles de tensión. Hacia los años 1920 y 1930, toda Europa estaba progresando al sistema de 50 Hz. Inglaterra inicia en 1926 la implementación de la red nacional que obligaba a la estandarización de las frecuencias del sistema interconectado. Los 50 Hz ya estaban completamente establecidos para antes de la segunda guerra mundial.

¿Qué niveles de tensión se emplazaban?

Los niveles iniciales de tensión en los Estados Unidos y Europa han sido ente 100 y 110 V de corriente continua, debido al éxito que encontraba Edison en el reemplazo de la iluminación a gas por las lámparas eléctricas. Si bien, no fue el único en el estudio y desarrollo de éste tipo de iluminación, generación y transmisión, fue quien lograba ensamblar todas las piezas del rompe cabezas de la electrificación. Edison imponía los 110V de continua debido a la competencia que tenía que ganar contra la iluminación a gas, ya que este nivel de tensión no debilitaba el filamento del bulbo. En Europa, comienza en Berlín bajo la dirección de la empresa Berlín Electric Works (perteneciente a AEG) con 110V de alterna y luego duplica su nivel de tensión para aumentan la capacidad de carga del sistema de distribución. Este cambio de 110 a 220V no surgió en los Estados Unidos debido a que no era económicamente viable realizar las modificaciones necesarias en un sistema que ya se encontraba relativamente avanzado.

En la siguiente tabla vemos algunas de las frecuencias y niveles de voltaje actuales: 

País Voltaje FrecuenciaArgentina 220 V 50 Hz

Belice 110/220V 60 HzBolivia 220/230V 50 HzBrasil 110/220V 60 HzChile 220 V 50 Hz

Colombia 110V 60 HzCosta Rica 120 V 60 Hz

Ecuador 120-240V* 60 HzEl Salvador 115 V 60 Hz

Ecuatorial Guinea 220V 50 HzEspaña 127/220V 50 Hz

Islas Baleares 127/220V  Islas Canarias 127 V 50 Hz

Maldives 230 V 50 HzMéxico 127 V 60 Hz

Nicaragua 120 V 60 HzPanamá 110V** 60 Hz

Paraguay 220 V 50 HzPerú 220V*** 60 Hz***

Portugal 220 V 50 HzRep. Dominicana 110 V 60 Hz

Puerto Rico 120 V 60 HzTurquía 220 V 50 Hz

Inglaterra 230V 50 HzEEUU 120 V 60 Hz

Uruguay 220 V 50 HzVenezuela 120 V 60 Hz*

*120/240V área rural se puede encontrar ambos **Ciudad de Panamá 220V ***Talara 110/220V; Arequipa 50 Hz

Una de mis alumnas, Nazaret Sinde Lorenzo, me remitió esta respuesta, que me parece interesante y técnicamente correcta:

La utilización de diferentes frecuencias en las diferentes zonas geográficas desarrolladas es más bien una razón de tradición, que una razón técnica. Desde el punto de vista técnico y en comparativa de las frecuencias de 50 Hz y 60 Hz no se puede decir que una frecuencia sea muy ventajosa con respecto a la otra, y si así fuera no habría ambas frecuencias, se utilizaría la mejor. Pero también es cierto que si se observan ciertas diferencias entre ambas; por ejemplo en algunas lámparas que utilizan rectificadores, el parpadeo se aprecia menos en el caso de frecuencias de 60 Hz que 50 Hz, debido a que el ciclo se repite cada menos tiempo.

Otro ejemplo donde existen diferencias es en las máquinas eléctricas de  inducción, en las que la velocidad de giro depende de la frecuencia de la corriente, esto puede ser una ventaja o inconveniente dependiendo de la aplicación para la que se diseñe la máquina (aunque hoy en dia cada vez es menos importante al existir variadores de frecuencia para el control de la velocidad). En este tipo de máquinas, así como en transformadores, el valor de la  frecuencia también afecta al tamaño de la máquina según la siguiente expresión:

E = 4.44· Numero de espiras · Flujo magnetico · frecuencia

Si analizamos la anterior expresión (aplicable a un transformador) podemos ver que para un mismo número de espiras y un mismo voltaje, el flujo disminuye con el aumento de lafrecuencia; esto implica a su vez una disminución de la sección del núcleo ferromagnético, y por tanto disminución del tamaño de la máquina (este es uno de los motivos por los que ciertas áreas de la ingeniería como la aeronáutica utilizan frecuencias elevadas), que repercute en el coste del equipo. Otros equipos que verían afectados sus magnitudes nominales son las reactancias y condensadores para los mismos valores de L y C cuando los conectamos a redes de distinta frecuencia.

Finalmente una curiosidad (poco apreciable en la comparativa de frecuencias de 50 Hz y 60 Hz) es el efecto pelicular o kelvin que se observa en los conductores; para frecuencias elevadas la corriente tiende a circular más por la superficie, lo que supone un aumento de la resistencia efectiva del conductor (como consecuencia de la reducción de  sección efectiva del conductor).

Conclusión: Ambas frecuencias presentan ventajas e inconvenientes una sobre otra que no son de la magnitud suficiente como para imponerse una de ellas.

Cuestión 4: ¿No sería más favorable que la tensión oscilara a 25 Hz?

La tensión oscila a 50 Hz o 60 Hz, dependiendo del país, aunque no siempre fue así. De los 130 Hz iniciales empleados por Westinghouse, o los 40 Hz de AEG en

Europa, se ha pasado a la normalización en 50 o 60 Hz. Tratando de averiguar qué es mejor (50 o 60 Hz) conviene analizar qué ocurre si bajamos la frecuencia

mucho, hasta 25 Hz. ¿Mejora o empeora la situación? 

 

Por Santiago García Garrido  

www.santiagogarciagarrido.com  

La respuesta a la cuestión planteada, es decir, si no sería más favorable que la tensión oscilara a 25 Hz, es claramente NO. Y vamos a analizar para ello cuatro factores: el parpadeo de luminarias, la velocidad de motores eléctricos, la tensión de generación y el tamaño de los transformadores. Seguramente hay otros factores, pero esos ya dan suficientes pistas como para descartar 25 Hz como frecuencia de oscilación de la tensión, en favor de los 50 o 60 Hz actuales.

Parpadeo de luminarias

Las luminarias que utilizan gases fluorescentes se apagan cada vez que la tensión llega a cero, lo que ocurre 50 o 60 veces por segundo en las redes actuales. Si la tensión oscilara a 25 Hz, se apagaría 25 veces por segundo, que está en el límite de lo apreciable por el ojo humano (si una cosa cambia más de 24 veces por segundo, el ojo lo ve como movimiento continuo). Es decir, el apagado de luces fluorescentes sería prácticamente apreciable, resultaría muy molesto y podría provocar dolores de cabeza y cansancio en la vista. Cuanto mayor sea la frecuencia, menos se aprecia este efecto.

Velocidad de motores

Los motores no equipados con variadores de tensión girarían mucho más despacio que a 50 o 60 Hz, por lo que dependiendo de la aplicación del motor, podría resultar un inconveniente. La utilización de variadores ha matizado mucho este inconveniente.

Tamaño de transformadores 

En transformadores, el valor de la frecuencia afecta al tamaño de la máquina según la siguiente expresión:

V = 4,44NIf

Siendo V=Voltaje

N=Número de espiras

I= Flujo magnético

f= frecuencia

Analizando la anterior expresión puede verse que para un mismo número de espiras y un mismo voltaje del transformador, el flujo magnético necesario es menor cuanto mayor sea la frecuencia. Esto supone una disminución de la sección del núcleo ferromagnético, y por tanto disminución del tamaño de la máquina (este es uno de los motivos por los que ciertas áreas de la ingeniería como la aeronáutica utilizan frecuencias elevadas), que repercute en el coste del equipo. Por tanto, menor frecuencia supone mayor núcleo, y mayor coste de los transformadores que trabajaran en una hipotética red de 25 Hz.

Tensión de generación

La tensión de generación en un generador síncrono es proporcional a la velocidad de giro y a la intensidad del campo magnético, según se ha visto en el apartado anterior. El flujo magnético depende a su vez de la corriente de excitación.

Por la misma expresión anterior, para el mismo generador, menor velocidad de giro supondría menor tensión generada en bornas del generador. Para aumentarla, sería necesario aumentar la corriente de excitación, lo que supone hacer un rotor más caro y consumir más energía para excitar el generador