Frecuencia de utilidad

La frecuencia de la red eléctrica , frecuencia de la línea eléctrica ( en inglés americano ) o frecuencia de la red eléctrica ( en inglés británico ) es la frecuencia nominal de las oscilaciones de la corriente alterna (CA) en una red síncrona de área amplia transmitida desde una central eléctrica hasta el usuario final . En gran parte del mundo es de 50  Hz , aunque en América y partes de Asia suele ser de 60 Hz. El uso actual por país o región se da en la lista de red eléctrica por país .

Durante el desarrollo de los sistemas de energía eléctrica comercial a finales del siglo XIX y principios del XX, se habían utilizado muchas frecuencias (y voltajes) diferentes. Las grandes inversiones en equipos de una frecuencia hicieron que la estandarización fuera un proceso lento. Sin embargo, a principios del siglo XXI, los lugares que ahora utilizan la frecuencia de 50 Hz tienden a utilizar 220-240  V , y los que ahora utilizan 60 Hz tienden a utilizar 100-127 V. Ambas frecuencias coexisten hoy en día (Japón utiliza ambas) sin grandes razones técnicas para preferir una sobre la otra ^[1] y sin ningún deseo aparente de una estandarización mundial completa.

En la práctica, la frecuencia exacta de la red varía en torno a la frecuencia nominal, reduciéndose cuando la red está muy cargada y acelerándose cuando está poco cargada. Sin embargo, la mayoría de las empresas de servicios públicos ajustarán la generación en la red a lo largo del día para garantizar que se produzca un número constante de ciclos. ^[2] Algunos relojes utilizan esto para mantener la hora con precisión.

Varios factores influyen en la elección de la frecuencia en un sistema de CA. ^[3] La iluminación, los motores, los transformadores, los generadores y las líneas de transmisión tienen características que dependen de la frecuencia de la red. Todos estos factores interactúan y hacen que la selección de una frecuencia de red sea una cuestión de considerable importancia. La mejor frecuencia es un compromiso entre requisitos en pugna.

A finales del siglo XIX, los diseñadores elegían una frecuencia relativamente alta para sistemas con transformadores y luces de arco , a fin de economizar materiales de transformadores y reducir el parpadeo visible de las lámparas, pero elegían una frecuencia más baja para sistemas con líneas de transmisión largas o que alimentaban principalmente cargas de motor o convertidores rotativos para producir corriente continua . Cuando las grandes centrales generadoras se volvieron prácticas, la elección de la frecuencia se hizo en función de la naturaleza de la carga prevista. Finalmente, las mejoras en el diseño de las máquinas permitieron utilizar una única frecuencia tanto para la iluminación como para las cargas de los motores. Un sistema unificado mejoró la economía de la producción de electricidad, ya que la carga del sistema era más uniforme a lo largo de un día.

Las primeras aplicaciones de la energía eléctrica comercial fueron la iluminación incandescente y los motores eléctricos de tipo conmutador . Ambos dispositivos funcionan bien con corriente continua, pero no se podía cambiar fácilmente el voltaje de la corriente continua y, por lo general, solo se producía con el voltaje de uso requerido.

Si una lámpara incandescente funciona con una corriente de baja frecuencia, el filamento se enfría en cada semiciclo de la corriente alterna, lo que produce un cambio perceptible en el brillo y el parpadeo de las lámparas; el efecto es más pronunciado con las lámparas de arco y las posteriores lámparas de vapor de mercurio y las lámparas fluorescentes . Las lámparas de arco abierto producían un zumbido audible con corriente alterna, lo que dio lugar a experimentos con alternadores de alta frecuencia para elevar el sonido por encima del rango de audición humana. ^{[ cita requerida ]}

Los motores de tipo conmutador no funcionan bien con corriente alterna de alta frecuencia, porque los cambios rápidos de corriente se oponen a la inductancia del campo del motor. Aunque los motores universales de tipo conmutador son comunes en los electrodomésticos y herramientas eléctricas de corriente alterna, son motores pequeños, de menos de 1 kW. Se descubrió que el motor de inducción funcionaba bien en frecuencias de alrededor de 50 a 60 Hz, pero con los materiales disponibles en la década de 1890 no funcionaría bien a una frecuencia de, digamos, 133 Hz. Existe una relación fija entre el número de polos magnéticos en el campo del motor de inducción, la frecuencia de la corriente alterna y la velocidad de rotación; por lo tanto, una velocidad estándar dada limita la elección de la frecuencia (y viceversa). Una vez que los motores eléctricos de corriente alterna se volvieron comunes, fue importante estandarizar la frecuencia para que fuera compatible con el equipo del cliente.

Los generadores operados por motores alternativos de baja velocidad producirán frecuencias más bajas, para un número dado de polos, que los operados por, por ejemplo, una turbina de vapor de alta velocidad . Para velocidades de motor primario muy lentas, sería costoso construir un generador con suficientes polos para proporcionar una frecuencia de CA alta. Además, se descubrió que sincronizar dos generadores a la misma velocidad era más fácil a velocidades más bajas. Si bien las transmisiones por correa eran comunes como una forma de aumentar la velocidad de los motores lentos, en clasificaciones muy grandes (miles de kilovatios) eran costosas, ineficientes y poco confiables. Después de aproximadamente 1906, los generadores impulsados ​​directamente por turbinas de vapor favorecieron frecuencias más altas. La velocidad de rotación más constante de las máquinas de alta velocidad permitió un funcionamiento satisfactorio de los conmutadores en convertidores rotativos. ^[3] La velocidad sincrónica N en RPM se calcula utilizando la fórmula,

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

donde f es la frecuencia en hercios y P es el número de polos.

La corriente continua no fue totalmente reemplazada por la corriente alterna y fue útil en procesos electroquímicos y ferroviarios. Antes del desarrollo de los rectificadores de válvulas de arco de mercurio , se utilizaban convertidores rotativos para producir corriente continua a partir de corriente alterna. Al igual que otras máquinas de tipo conmutador, estos funcionaban mejor con frecuencias más bajas.

Con la CA, los transformadores se pueden utilizar para reducir los altos voltajes de transmisión y así reducir el voltaje de uso del cliente. El transformador es efectivamente un dispositivo de conversión de voltaje sin partes móviles y que requiere poco mantenimiento. El uso de CA eliminó la necesidad de hacer girar los motores-generadores de conversión de voltaje de CC que requieren un mantenimiento y monitoreo regulares.

Dado que, para un nivel de potencia dado, las dimensiones de un transformador son aproximadamente inversamente proporcionales a la frecuencia, un sistema con muchos transformadores sería más económico a una frecuencia más alta.

La transmisión de energía eléctrica a través de líneas largas favorece las frecuencias más bajas. Los efectos de la capacitancia e inductancia distribuidas de la línea son menores a baja frecuencia.

Los generadores solo pueden interconectarse para funcionar en paralelo si tienen la misma frecuencia y forma de onda. Al estandarizar la frecuencia utilizada, los generadores de una zona geográfica pueden interconectarse en una red , lo que proporciona confiabilidad y ahorro de costos.

En el siglo XIX se utilizaron muchas frecuencias eléctricas diferentes. ^[4]

Los primeros esquemas de generación de CA aislados utilizaban frecuencias arbitrarias según la conveniencia para el diseño de motores de vapor , turbinas de agua y generadores eléctricos . Las frecuencias entre 16+2 ⁄ 3  Hz y 133+ Se utilizaban 1 ⁄ 3 ^{Hz en diferentes sistemas. Por ejemplo, la ciudad de Coventry, Inglaterra, en 1895 tenía un sistema de distribución monofásico único de 87 Hz que estuvo en uso hasta 1906. [5]} La proliferación de frecuencias surgió del rápido desarrollo de las máquinas eléctricas en el período de 1880 a 1900.

En el período temprano de la iluminación incandescente, la corriente alterna monofásica era común y los generadores típicos eran máquinas de 8 polos que funcionaban a 2000 RPM, lo que daba una frecuencia de 133 hercios.

Aunque existen muchas teorías y unas cuantas leyendas urbanas entretenidas , hay poca certeza en los detalles de la historia de los 60 Hz frente a los 50 Hz.

La empresa alemana AEG (descendiente de una empresa fundada por Edison en Alemania) construyó la primera instalación generadora alemana que funcionaba a 50 Hz. En ese momento, AEG tenía un monopolio virtual y su estándar se extendió al resto de Europa. Después de observar el parpadeo de las lámparas que funcionaban con la energía de 40 Hz transmitida por el enlace Lauffen-Frankfurt en 1891, AEG aumentó su frecuencia estándar a 50 Hz en 1891. ^[6]

Westinghouse Electric decidió estandarizar una frecuencia más alta para permitir el funcionamiento tanto de la iluminación eléctrica como de los motores de inducción en el mismo sistema generador. Aunque 50 Hz era adecuado para ambos, en 1890 Westinghouse consideró que los equipos de iluminación de arco existentes funcionaban ligeramente mejor a 60 Hz, por lo que se eligió esa frecuencia. ^[6] El funcionamiento del motor de inducción de Tesla, autorizado por Westinghouse en 1888, requería una frecuencia más baja que los 133 Hz comunes para los sistemas de iluminación en ese momento. ^{[ verificación necesaria ]} En 1893, General Electric Corporation, que estaba afiliada a AEG en Alemania, construyó un proyecto de generación en Mill Creek para llevar electricidad a Redlands, California, utilizando 50 Hz, pero cambió a 60 Hz un año después para mantener la participación de mercado con el estándar de Westinghouse.

Los primeros generadores del proyecto de las Cataratas del Niágara , construidos por Westinghouse en 1895, eran de 25 Hz, porque la velocidad de la turbina ya se había fijado antes de que se hubiera seleccionado definitivamente la transmisión de energía con corriente alterna . Westinghouse habría seleccionado una frecuencia baja de 30 Hz para impulsar las cargas del motor, pero las turbinas para el proyecto ya se habían especificado a 250 RPM. Las máquinas podrían haberse fabricado para entregar 16+Potencia de 2 ⁄ 3  Hz adecuada para motores pesados ​​de tipo conmutador, pero la empresa Westinghouse objetó que esto no sería deseable para la iluminación y sugirió 33+1 ⁄ 3  Hz. Finalmente, se optó por un compromiso de 25 Hz, con generadores de 250 RPM y 12 polos. ^[3] Debido a que el proyecto Niagara fue tan influyente en el diseño de sistemas de energía eléctrica, 25 Hz prevaleció como el estándar norteamericano para CA de baja frecuencia.

Un estudio de General Electric concluyó que 40 Hz habría sido un buen compromiso entre las necesidades de iluminación, motor y transmisión, dados los materiales y equipos disponibles en el primer cuarto del siglo XX. Se construyeron varios sistemas de 40 Hz. La demostración de Lauffen-Frankfurt utilizó 40 Hz para transmitir energía a 175 km en 1891. Una gran red interconectada de 40 Hz existió en el noreste de Inglaterra (la Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company , NESCO) hasta la llegada de National Grid (Reino Unido) a fines de la década de 1920, y los proyectos en Italia utilizaron 42 Hz. ^{[7] La ​​central} hidroeléctrica comercial en funcionamiento continuo más antigua de los Estados Unidos, la planta hidroeléctrica de Mechanicville , todavía produce energía eléctrica a 40 Hz y suministra energía al sistema de transmisión local de 60 Hz a través de variadores de frecuencia . Las plantas industriales y las minas en América del Norte y Australia a veces se construyeron con sistemas eléctricos de 40 Hz que se mantuvieron hasta que fue demasiado antieconómico continuar. Aunque las frecuencias cercanas a 40 Hz encontraron mucho uso comercial, fueron superadas por frecuencias estandarizadas de 25, 50 y 60 Hz preferidas por los fabricantes de equipos de mayor volumen.

La empresa Ganz de Hungría había estandarizado 5000 alternancias por minuto (41 2 ⁄ 3  Hz) para sus productos, por lo que los clientes de Ganz tenían sistemas de 41 2 ⁄ 3  Hz que en algunos casos funcionaron durante muchos años. ^[8]

En los primeros tiempos de la electrificación se utilizaban tantas frecuencias que no prevalecía un valor único (en 1918, Londres tenía diez frecuencias diferentes). A medida que avanzaba el siglo XX, se producía más energía a 60 Hz (América del Norte) o 50 Hz (Europa y la mayor parte de Asia). La estandarización permitió el comercio internacional de equipos eléctricos. Mucho después, el uso de frecuencias estándar permitió la interconexión de redes eléctricas. No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial, con la llegada de bienes de consumo eléctricos asequibles, que se promulgaron normas más uniformes.

En el Reino Unido, la frecuencia estándar de 50 Hz se declaró ya en 1904, pero se continuó con un desarrollo significativo en otras frecuencias. ^[9] La implementación de la Red Nacional a partir de 1926 obligó a la estandarización de frecuencias entre los numerosos proveedores de servicios eléctricos interconectados. El estándar de 50 Hz se estableció por completo recién después de la Segunda Guerra Mundial .

Hacia 1900, los fabricantes europeos ya habían adoptado la frecuencia de 50 Hz para las nuevas instalaciones. La Asociación Alemana de Electricidad (VDE), en su primera norma para máquinas eléctricas y transformadores de 1902, recomendó 25 Hz y 50 Hz como frecuencias estándar. La VDE no vio mucha aplicación de la frecuencia de 25 Hz y la eliminó de la edición de 1914 de la norma. Las instalaciones restantes en otras frecuencias persistieron hasta mucho después de la Segunda Guerra Mundial. ^[8]

Debido al costo de la conversión, algunas partes del sistema de distribución pueden continuar operando en frecuencias originales incluso después de que se elija una nueva frecuencia. La energía de 25 Hz se utilizó en Ontario , Quebec , el norte de los Estados Unidos y para la electrificación ferroviaria . En la década de 1950, muchos sistemas de 25 Hz, desde los generadores hasta los electrodomésticos, se convirtieron y estandarizaron. Hasta 2006, todavía existían algunos generadores de 25 Hz en Sir Adam Beck 1 (estos se modernizaron a 60 Hz) y las centrales generadoras Rankine (hasta su cierre en 2006) cerca de las cataratas del Niágara para proporcionar energía a grandes clientes industriales que no querían reemplazar el equipo existente; y existen algunos motores de 25 Hz y una central eléctrica de 25 Hz en Nueva Orleans para bombas de agua de inundación. ^[10] Las redes ferroviarias de CA de 15 kV , utilizadas en Alemania , Austria , Suiza , Suecia y Noruega , todavía funcionan a 16+2 ⁄ 3  Hz o 16,7 Hz.

En algunos casos, cuando la mayor parte de la carga debía ser ferroviaria o de motor, se consideró que era económico generar energía a 25 Hz e instalar convertidores rotativos para la distribución a 60 Hz. ^[11] Los convertidores para la producción de CC a partir de corriente alterna estaban disponibles en tamaños más grandes y eran más eficientes a 25 Hz en comparación con 60 Hz. Los fragmentos remanentes de sistemas más antiguos pueden conectarse al sistema de frecuencia estándar a través de un convertidor rotativo o un cambiador de frecuencia de inversor estático . Estos permiten intercambiar energía entre dos redes eléctricas a diferentes frecuencias, pero los sistemas son grandes, costosos y desperdician algo de energía en su funcionamiento.

Los variadores de frecuencia de las máquinas rotativas que se utilizaban para convertir entre sistemas de 25 Hz y 60 Hz eran difíciles de diseñar; una máquina de 60 Hz con 24 polos giraba a la misma velocidad que una de 25 Hz con 10 polos, lo que hacía que las máquinas fueran grandes, lentas y caras. Una relación de 60/30 habría simplificado estos diseños, pero la base instalada a 25 Hz era demasiado grande para que fuera económicamente inaceptable.

En Estados Unidos, Southern California Edison había estandarizado la frecuencia en 50 Hz. ^[12] Gran parte del sur de California operaba con 50 Hz y no cambió completamente la frecuencia de sus generadores y equipos de clientes a 60 Hz hasta alrededor de 1948. Algunos proyectos de Au Sable Electric Company utilizaron 30 Hz en voltajes de transmisión de hasta 110.000 voltios en 1914. ^[13]

Inicialmente, en Brasil, la maquinaria eléctrica se importaba de Europa y Estados Unidos, lo que implicaba que el país tenía estándares de 50 Hz y 60 Hz según cada región. En 1938, el gobierno federal hizo una ley, el Decreto-Lei 852 , destinada a llevar a todo el país a 50 Hz en ocho años. La ley no funcionó, y a principios de la década de 1960 se decidió que Brasil se unificaría bajo el estándar de 60 Hz, porque la mayoría de las áreas desarrolladas e industrializadas usaban 60 Hz; y una nueva ley Lei 4.454 fue declarada en 1964. Brasil se sometió a un programa de conversión de frecuencia a 60 Hz que no se completó hasta 1978. ^[14]

En México, las áreas que operaban con una red de 50 Hz se convirtieron durante la década de 1970, uniendo al país bajo 60 Hz. ^[15]

En Japón, la parte occidental del país (Nagoya y el oeste) utiliza 60 Hz y la parte oriental (Tokio y el este) utiliza 50 Hz. Esto tiene su origen en las primeras compras de generadores a AEG en 1895, instalados para Tokio, y a General Electric en 1896, instalados en Osaka. El límite entre las dos regiones contiene cuatro subestaciones HVDC consecutivas que convierten la frecuencia; estas son Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu y el convertidor de frecuencia Higashi-Shimizu .

Frecuencias de servicios públicos en América del Norte en 1897 ^[16]

Frecuencias de servicios públicos en Europa hasta 1900 ^[8]

Incluso a mediados del siglo XX, las frecuencias de los servicios públicos aún no estaban totalmente estandarizadas en los 50 Hz o 60 Hz, que son los más comunes hoy en día. En 1946, un manual de referencia para diseñadores de equipos de radio ^[17] enumeraba las siguientes frecuencias, que ahora están obsoletas, como las que se utilizan. Muchas de estas regiones también tenían fuentes de alimentación de 50 ciclos, 60 ciclos o de corriente continua.

Frecuencias en uso en 1946 (así como 50 Hz y 60 Hz)

Cuando las regiones están marcadas (*), esta es la única frecuencia de utilidad que se muestra para esa región.

Todavía se utilizan otras frecuencias de potencia. Alemania, Austria, Suiza, Suecia y Noruega utilizan redes de energía de tracción para ferrocarriles, distribuyendo CA monofásica a 16+2 ⁄ 3  Hz o 16,7 Hz. ^[18] Se utiliza una frecuencia de 25 Hz para el ferrocarril austriaco Mariazell , así como para los sistemas de tracción de Amtrak y SEPTA en los Estados Unidos. Otros sistemas ferroviarios de CA se energizan a la frecuencia de energía comercial local, 50 Hz o 60 Hz.

La energía de tracción puede derivarse de fuentes de alimentación comerciales mediante convertidores de frecuencia o, en algunos casos, puede producirse mediante centrales eléctricas de tracción dedicadas . En el siglo XIX, se contemplaron frecuencias tan bajas como 8 Hz para el funcionamiento de ferrocarriles eléctricos con motores de conmutación. ^[3] Algunas tomas de corriente en los trenes llevan el voltaje correcto, pero utilizando la frecuencia de la red ferroviaria original como 16+2 ⁄ 3  Hz o 16,7 Hz.

Las frecuencias de potencia de hasta 400 Hz se utilizan en aeronaves, naves espaciales, submarinos, salas de servidores para la alimentación de ordenadores , ^[19] equipos militares y máquinas herramienta portátiles. Estas frecuencias tan altas no se pueden transmitir económicamente a largas distancias; la mayor frecuencia aumenta en gran medida la impedancia en serie debido a la inductancia de las líneas de transmisión, lo que dificulta la transmisión de potencia. En consecuencia, los sistemas de potencia de 400 Hz suelen estar confinados en un edificio o un vehículo.

Los transformadores , por ejemplo, pueden hacerse más pequeños porque el núcleo magnético puede ser mucho más pequeño para el mismo nivel de potencia. Los motores de inducción giran a una velocidad proporcional a la frecuencia, por lo que una fuente de alimentación de alta frecuencia permite obtener más potencia para el mismo volumen y masa del motor. Los transformadores y motores para 400 Hz son mucho más pequeños y ligeros que los de 50 o 60 Hz, lo que es una ventaja en aviones y barcos. Existe una norma militar de los Estados Unidos, MIL-STD-704, para el uso de energía de 400 Hz en aviones.

La regulación de la frecuencia del sistema eléctrico para la precisión del cronometraje no era algo común hasta después de 1916, cuando Henry Warren inventó el reloj maestro de la central eléctrica Warren y el motor sincrónico de arranque automático. Nikola Tesla demostró el concepto de relojes sincronizados por frecuencia de línea en la Feria Mundial de Chicago de 1893. El órgano Hammond también depende de un motor de reloj de CA sincrónico para mantener la velocidad correcta de su generador interno de "rueda fónica", manteniendo así todas las notas con un tono perfecto.

En la actualidad, los operadores de redes eléctricas de CA regulan la frecuencia media diaria para que los relojes se mantengan a unos pocos segundos de la hora correcta. En la práctica, la frecuencia nominal se aumenta o se reduce en un porcentaje específico para mantener la sincronización. A lo largo de un día, la frecuencia media se mantiene en un valor nominal dentro de unos pocos cientos de partes por millón. ^[20] En la red síncrona de Europa continental , la desviación entre el tiempo de fase de la red y el UTC (basado en el Tiempo Atómico Internacional ) se calcula a las 08:00 cada día en un centro de control en Suiza . La frecuencia objetivo se ajusta entonces hasta ±0,01 Hz (±0,02%) a partir de 50 Hz según sea necesario, para garantizar una frecuencia media a largo plazo de exactamente 50 Hz × 60  s / min × 60 min/ h × 24 h/ d =4 320 000 ciclos por día. ^[21] En América del Norte , siempre que el error supere los 10 segundos para la Interconexión del Este , los 3 segundos para la Interconexión de Texas o los 2 segundos para la Interconexión del Oeste , se aplica una corrección de ±0,02 Hz (0,033%). Las correcciones de error de tiempo comienzan y terminan a la hora o a la media hora. ^{[22] [23]}

Los medidores de frecuencia en tiempo real para la generación de energía en el Reino Unido están disponibles en línea: uno oficial para la Red Nacional y uno no oficial mantenido por Dynamic Demand. ^{[24] [25]} Los datos de frecuencia en tiempo real de la red síncrona de Europa continental están disponibles en sitios web como www.mainsfrequency.com . La Red de Monitoreo de Frecuencia (FNET) de la Universidad de Tennessee mide la frecuencia de las interconexiones dentro de la red eléctrica de América del Norte, así como en varias otras partes del mundo. Estas mediciones se muestran en el sitio web de FNET. ^[26]

En los Estados Unidos, la Comisión Federal Reguladora de Energía hizo obligatoria la corrección de errores de tiempo en 2009. ^[27] En 2011, la Corporación de Confiabilidad Eléctrica de América del Norte (NERC) analizó un experimento propuesto que relajaría los requisitos de regulación de frecuencia ^[28] para las redes eléctricas, lo que reduciría la precisión a largo plazo de los relojes y otros dispositivos que utilizan la frecuencia de red de 60 Hz como base de tiempo. ^[29]

Las redes de corriente alterna modernas utilizan un control de frecuencia preciso como una señal fuera de banda para coordinar los generadores conectados a la red. La práctica surgió porque la frecuencia de un generador mecánico varía con la fuerza de entrada y la carga de salida experimentada. El exceso de carga retira energía rotacional del eje del generador, lo que reduce la frecuencia de la corriente generada; el exceso de fuerza deposita energía rotacional, lo que aumenta la frecuencia. El control automático de generación (AGC) mantiene la frecuencia programada y los flujos de potencia de intercambio ajustando el regulador del generador para contrarrestar los cambios de frecuencia, generalmente dentro de varios decasegundos . ^[30]

La física del volante de inercia no se aplica a los parques solares conectados a inversores ni a otras fuentes de alimentación conectadas a CC . Sin embargo, dichas plantas de energía o sistemas de almacenamiento se pueden programar para seguir la señal de frecuencia. ^[31] De hecho, un ensayo de 2017 para CAISO descubrió que las plantas solares podían responder a la señal más rápido que los generadores tradicionales, porque no necesitaban acelerar una masa giratoria . ^[32]

Los cambios de frecuencia pequeños y temporales son una consecuencia inevitable de la demanda cambiante, pero los cambios de frecuencia rápidos y dramáticos a menudo indican que una red de distribución está cerca de los límites de capacidad. Se han producido ejemplos excepcionales antes de cortes importantes . Durante una falla grave de generadores o líneas de transmisión, el desequilibrio de generación de carga resultante inducirá una variación en las frecuencias del sistema eléctrico local. La pérdida de una interconexión hace que la frecuencia del sistema aumente (debido al exceso de generación) aguas arriba de la pérdida, pero puede causar un colapso en la frecuencia o el voltaje (debido al exceso de carga) aguas abajo de la pérdida. ^{[ cita requerida ]} En consecuencia, muchos relés de protección del sistema eléctrico se activan automáticamente en caso de subfrecuencia grave (normalmente0,5–2 Hzdemasiado bajo, dependiendo de la tolerancia a perturbaciones del sistema y la severidad de las medidas de protección). Estos inician el deslastre de carga o disparan las líneas de interconexión para preservar el funcionamiento de al menos parte de la red . ^[33]

Los sistemas de energía más pequeños, que no están interconectados extensamente con muchos generadores y cargas, no mantendrán la frecuencia con el mismo grado de precisión. Cuando la frecuencia del sistema no está regulada estrictamente durante períodos de carga pesada, los operadores del sistema pueden permitir que la frecuencia del sistema aumente durante períodos de carga ligera para mantener una frecuencia promedio diaria de precisión aceptable. ^{[34] [35]} Los generadores portátiles, que no están conectados a un sistema de servicios públicos, no necesitan regular estrictamente su frecuencia porque las cargas típicas son insensibles a pequeñas desviaciones de frecuencia.

El control de frecuencia de carga (LFC) es un tipo de control integral que restablece la frecuencia del sistema respetando los contratos de suministro o consumo de energía a las áreas circundantes. El esquema de generación automática descrito en § Frecuencia y carga establece una amortiguación que minimiza la magnitud del error de frecuencia promedio, Δ f , donde f es la frecuencia, Δ se refiere a la diferencia entre los valores medidos y deseados, y las líneas superiores indican promedios temporales.

LFC incorpora la transferencia de potencia entre diferentes áreas, conocida como "potencia neta de interconexión ", en la cantidad minimizada. Para una constante de polarización de frecuencia particular B , laEl error de control de área (ACE) asociado con LFC en cualquier momento en el tiempo es simplemente donde P _T se refiere a la potencia de la línea de enlace. ^[36] Este error instantáneo se integra numéricamente para dar el promedio de tiempo y los reguladores se ajustan para contrarrestar su valor. ^{[37] [38]} El coeficiente B tradicionalmente tiene un valor negativo, de modo que cuando la frecuencia es menor que el objetivo, la producción de potencia de área debería aumentar; su magnitud suele ser del orden de MW / dHz . ^[39]$${\displaystyle \Delta(P_{T}-Bf){\text{,}}}$$

El control de carga-frecuencia con polarización de línea de enlace se conocía desde la década de 1930, pero rara vez se utilizó hasta el período de posguerra . En la década de 1950, Nathan Cohn popularizó la práctica en una serie de artículos, argumentando que el control de carga-frecuencia minimizaba el ajuste necesario para los cambios en la carga. ^[40] En particular, Cohn supuso que todas las regiones de la red compartían un régimen lineal común , con un cambio de frecuencia invariante en la ubicación ^[41] por cada carga adicional ( ⁠df​/El L⁠ ). Si la empresa de servicios públicos seleccionaday una región experimentara una falla temporal u otro desajuste entre generación y carga, entonces los generadores adyacentes observarían una disminución en la frecuencia pero un aumento compensatorio en el flujo de energía de la línea de enlace de salida, sin generar ACE. Por lo tanto, no harían ajustes del regulador en el (presuntamente) breve período antes de que la región fallada se recuperara. ^[42]$${\displaystyle B={\frac {1}{2}}{\frac {dL}{df}}{\text{,}}}$$

La tasa de cambio de frecuencia (también RoCoF ) es simplemente una derivada temporal de la frecuencia de la red eléctrica ( ), medida habitualmente en Hz por segundo, Hz/s. La importancia de este parámetro aumenta cuando los generadores síncronos tradicionales son reemplazados por los recursos basados ​​en inversores (IBR) de energía renovable variable ( VRE ). El diseño de un generador síncrono proporciona inherentemente la respuesta inercial que limita el RoCoF. Dado que los IBR no están acoplados electromecánicamente a la red eléctrica, un sistema con alta penetración de VRE puede exhibir grandes valores de RoCoF que pueden causar problemas con el funcionamiento del sistema debido a la tensión ejercida sobre los generadores síncronos restantes, la activación de los dispositivos de protección y el deslastre de carga . ^[43]$Estilo de visualización: df/dt$

A partir de 2017, las regulaciones para algunas redes exigieron que las plantas de energía toleraran un RoCoF de 1 a 4 Hz/s, siendo el límite superior un valor muy alto, un orden de magnitud más alto que el objetivo de diseño de un generador de turbina de gas típico más antiguo. ^[44] Probar equipos de alta potencia (múltiples MW ) para la tolerancia al RoCoF es difícil, ya que una configuración de prueba típica se alimenta fuera de la red y, por lo tanto, la frecuencia no se puede variar arbitrariamente. En los EE. UU., la interfaz de red controlable en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable es la única instalación que permite probar unidades de varios MW ^[45] (hasta 7 MVA ). ^[46] No es posible probar unidades térmicas grandes. ^[45]

Los aparatos que funcionan con corriente alterna pueden emitir un zumbido característico, a menudo llamado " zumbido de red ", en los múltiplos de las frecuencias de la corriente alterna que utilizan (consulte Magnetostricción ). Generalmente, se produce por las láminas del núcleo del motor y del transformador que vibran al ritmo del campo magnético. Este zumbido también puede aparecer en sistemas de audio, donde el filtro de la fuente de alimentación o el blindaje de la señal de un amplificador no son adecuados.

La mayoría de los países eligieron que la frecuencia de sincronización vertical de su televisión fuera la misma que la frecuencia de la red eléctrica local. Esto ayudó a evitar que el zumbido de la línea eléctrica y la interferencia magnética causaran frecuencias de batido visibles en la imagen mostrada por los primeros receptores de TV analógica, particularmente las provenientes del transformador de la red eléctrica. Aunque había cierta distorsión en la imagen, ésta pasaba casi inadvertida porque era estacionaria. La eliminación de los transformadores mediante el uso de receptores de CA/CC y otros cambios en el diseño del equipo ayudaron a minimizar el efecto y algunos países ahora usan una frecuencia vertical que es una aproximación a la frecuencia de suministro (sobre todo en áreas de 60 Hz).

Otro uso de este efecto secundario es como herramienta forense. Cuando se realiza una grabación que captura audio cerca de un aparato o toma de corriente de CA, el zumbido también se registra incidentalmente. Los picos del zumbido se repiten en cada ciclo de CA (cada 20 ms para CA de 50 Hz o cada 16,67 ms para CA de 60 Hz). La frecuencia exacta del zumbido debe coincidir con la frecuencia de una grabación forense del zumbido en la fecha y hora exactas en las que se alega que se realizó la grabación. Las discontinuidades en la coincidencia de frecuencia o la falta de coincidencia en absoluto delatarán la autenticidad de la grabación. ^[47]

• Red eléctrica
• Indicador de demanda máxima
• Analizador de red (corriente alterna)
• Telecron

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