La corriente alterna ( CA ) es una corriente eléctrica que periódicamente invierte su dirección y cambia su magnitud continuamente con el tiempo, a diferencia de la corriente continua (CC), que fluye solo en una dirección. La corriente alterna es la forma en que se suministra energía eléctrica a empresas y residencias, y es la forma de energía eléctrica que los consumidores suelen utilizar cuando enchufan electrodomésticos de cocina , televisores, ventiladores y lámparas eléctricas a un enchufe de pared . Las abreviaturas AC y DC se suelen utilizar para significar simplemente alterna y directa , respectivamente, como cuando modifican la corriente o el voltaje . [1] [2]
La forma de onda habitual de la corriente alterna en la mayoría de los circuitos de energía eléctrica es una onda sinusoidal , cuyo semiperíodo positivo se corresponde con la dirección positiva de la corriente y viceversa (el período completo se llama ciclo ) . En determinadas aplicaciones, como amplificadores de guitarra , se utilizan diferentes formas de onda, como ondas triangulares u ondas cuadradas . Las señales de audio y radio transmitidas por cables eléctricos también son ejemplos de corriente alterna. Estos tipos de corriente alterna transportan información como sonido (audio) o imágenes (vídeo) que a veces se transmiten mediante la modulación de una señal portadora de CA. Estas corrientes suelen alternarse a frecuencias más altas que las utilizadas en la transmisión de energía.
La energía eléctrica se distribuye como corriente alterna porque el voltaje de CA se puede aumentar o disminuir con un transformador . Esto permite que la energía se transmita a través de líneas eléctricas de manera eficiente a alto voltaje , lo que reduce la energía perdida en forma de calor debido a la resistencia del cable y se transforma a un voltaje más bajo y más seguro para su uso. El uso de un voltaje más alto conduce a una transmisión de energía significativamente más eficiente. Las pérdidas de potencia ( ) en el cable son producto del cuadrado de la corriente ( I ) y la resistencia (R) del cable, descrita por la fórmula:
Esto significa que al transmitir una potencia fija por un cable determinado, si la corriente se reduce a la mitad (es decir, el voltaje se duplica), la pérdida de potencia debido a la resistencia del cable se reducirá a una cuarta parte.
La potencia transmitida es igual al producto de la corriente y el voltaje (suponiendo que no haya diferencia de fase); eso es,
En consecuencia, la potencia transmitida a un voltaje más alto requiere menos corriente que produce pérdidas que para la misma potencia a un voltaje más bajo. La energía a menudo se transmite a cientos de kilovoltios en torres de alta tensión y se transforma a decenas de kilovoltios para transmitirse en líneas de nivel inferior y, finalmente, se transforma a 100 V – 240 V para uso doméstico.
Los altos voltajes tienen desventajas, como el mayor aislamiento requerido y, en general, una mayor dificultad para su manejo seguro. En una central eléctrica , la energía se genera a un voltaje conveniente para el diseño de un generador y luego se eleva a un voltaje alto para su transmisión. Cerca de las cargas, el voltaje de transmisión se reduce a los voltajes utilizados por el equipo. Los voltajes de los consumidores varían un poco según el país y el tamaño de la carga, pero generalmente los motores y las luces están diseñados para usar hasta unos pocos cientos de voltios entre fases. El voltaje entregado a equipos como iluminación y cargas de motores está estandarizado, con un rango permitido de voltaje sobre el cual se espera que funcione el equipo. Los voltajes de utilización de energía estándar y el porcentaje de tolerancia varían en los diferentes sistemas de energía eléctrica que se encuentran en el mundo.
Los sistemas de transmisión de energía eléctrica de corriente continua de alto voltaje (HVDC) se han vuelto más viables a medida que la tecnología ha proporcionado medios eficientes para cambiar el voltaje de la energía CC. La transmisión con corriente continua de alto voltaje no era factible en los primeros días de la transmisión de energía eléctrica , ya que entonces no había una forma económicamente viable de reducir el voltaje de CC para aplicaciones de usuario final, como la iluminación de bombillas incandescentes.
La generación eléctrica trifásica es muy común. La forma más sencilla es utilizar tres bobinas separadas en el estator del generador , físicamente desplazadas en un ángulo de 120° (un tercio de una fase completa de 360°) entre sí. Se producen tres formas de onda de corriente que son iguales en magnitud y desfasadas 120° entre sí. Si se añaden bobinas opuestas a éstas (espaciado de 60°), generan las mismas fases con polaridad inversa y, por lo tanto, pueden conectarse simplemente entre sí. En la práctica, se utilizan habitualmente "órdenes de polos" superiores. Por ejemplo, una máquina de 12 polos tendría 36 bobinas (espaciado de 10°). La ventaja es que se pueden utilizar velocidades de rotación más bajas para generar la misma frecuencia. Por ejemplo, una máquina de 2 polos que funciona a 3600 rpm y una máquina de 12 polos que funciona a 600 rpm producen la misma frecuencia; la velocidad más baja es preferible para máquinas más grandes. Si la carga en un sistema trifásico está equilibrada por igual entre las fases, no fluye corriente a través del punto neutro . Incluso en el peor de los casos, carga desequilibrada (lineal), la corriente neutra no excederá la más alta de las corrientes de fase. Las cargas no lineales (por ejemplo, las fuentes de alimentación de modo conmutado que se utilizan ampliamente) pueden requerir un bus neutro y un conductor neutro de gran tamaño en el panel de distribución aguas arriba para manejar los armónicos . Los armónicos pueden hacer que los niveles de corriente del conductor neutro excedan los de uno o todos los conductores de fase.
Para tensiones de utilización trifásicas se suele utilizar un sistema de cuatro hilos. Cuando se reduce el voltaje trifásico, a menudo se usa un transformador con un primario Delta (3 cables) y un secundario en Estrella (4 cables, con conexión a tierra central), por lo que no hay necesidad de un neutro en el lado de suministro. Para los clientes más pequeños (el tamaño varía según el país y la antigüedad de la instalación), solo se lleva a la propiedad una fase y un neutro, o dos fases y un neutro. Para instalaciones más grandes, las tres fases y el neutro se llevan al panel de distribución principal. Del cuadro principal trifásico pueden salir circuitos tanto monofásicos como trifásicos. Los sistemas monofásicos de tres hilos , con un único transformador con derivación central que proporciona dos conductores vivos, son un esquema de distribución común para edificios residenciales y comerciales pequeños en América del Norte. A veces se hace referencia incorrectamente a esta disposición como "dos fases". Se utiliza un método similar por un motivo diferente en las obras de construcción en el Reino Unido. Las herramientas eléctricas pequeñas y la iluminación deben ser alimentadas por un transformador local con toma central con una tensión de 55 V entre cada conductor de alimentación y tierra. Esto reduce significativamente el riesgo de descarga eléctrica en caso de que uno de los conductores activos quede expuesto debido a una falla del equipo y al mismo tiempo permite un voltaje razonable de 110 V entre los dos conductores para hacer funcionar las herramientas.
Un tercer cable , llamado cable de conexión (o de tierra), a menudo se conecta entre gabinetes metálicos que no transportan corriente y tierra. Este conductor brinda protección contra descargas eléctricas debido al contacto accidental de los conductores del circuito con el chasis metálico de aparatos y herramientas portátiles. Unir todas las piezas metálicas que no transportan corriente en un sistema completo garantiza que siempre haya una ruta de baja impedancia eléctrica a tierra suficiente para transportar cualquier corriente de falla durante el tiempo que el sistema necesite para solucionar la falla. Esta ruta de baja impedancia permite la máxima cantidad de corriente de falla, lo que hace que el dispositivo de protección contra sobrecorriente (disyuntores, fusibles) se dispare o se queme lo más rápido posible, llevando el sistema eléctrico a un estado seguro. Todos los cables de conexión están conectados a tierra en el panel de servicio principal, al igual que el conductor neutro/identificado, si está presente.
La frecuencia del sistema eléctrico varía según el país y, a veces, dentro de un país; la mayor parte de la energía eléctrica se genera a 50 o 60 Hertz . Algunos países tienen una combinación de suministros de 50 Hz y 60 Hz, en particular la transmisión de energía eléctrica en Japón . Una baja frecuencia facilita el diseño de motores eléctricos, particularmente para aplicaciones de elevación, trituración y rodadura, y motores de tracción de tipo conmutador para aplicaciones como ferrocarriles . Sin embargo, la baja frecuencia también provoca un parpadeo notable en las lámparas de arco y en las bombillas incandescentes . El uso de frecuencias más bajas también proporcionó 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 de 25 Hz, como un compromiso entre la baja frecuencia para la tracción y los motores de inducción pesados, al mismo tiempo que permitían el funcionamiento de la iluminación incandescente (aunque con un parpadeo notable). La mayoría de los clientes residenciales y comerciales de 25 Hz para la energía de las Cataratas del Niágara se convirtieron a 60 Hz a fines de la década de 1950, aunque algunos [ ¿cuáles? ] A principios del siglo XXI todavía existían clientes industriales de 25 Hz. La potencia de 16,7 Hz (anteriormente 16 2/3 Hz) todavía se utiliza en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega , Suecia y Suiza . Las aplicaciones en alta mar, militares, de la industria textil, marinas, aeronáuticas y de naves espaciales a veces utilizan 400 Hz, para obtener beneficios de peso reducido de los aparatos o velocidades de motor más altas. Los sistemas de computadora central a menudo se alimentaban con 400 Hz o 415 Hz para obtener beneficios de reducción de ondas mientras se usaban unidades internas de conversión de CA a CC más pequeñas. [ cita necesaria ]
Una corriente continua fluye uniformemente a lo largo de la sección transversal de un cable conductor de electricidad homogéneo . Una corriente alterna de cualquier frecuencia se aleja del centro del cable hacia su superficie exterior. Esto se debe a que una corriente alterna (que es el resultado de la aceleración de una carga eléctrica ) crea ondas electromagnéticas (fenómeno conocido como radiación electromagnética ). Los conductores eléctricos no son conductores de ondas electromagnéticas (un conductor eléctrico perfecto prohíbe todas las ondas electromagnéticas dentro de su límite), por lo que un cable que está hecho de un conductor no perfecto (un conductor con conductividad eléctrica finita, en lugar de infinita) empuja la corriente alterna. corriente, junto con sus campos electromagnéticos asociados, lejos del centro del cable. El fenómeno de la corriente alterna que se aleja del centro del conductor se llama efecto piel , y una corriente continua no presenta este efecto, ya que una corriente continua no crea ondas electromagnéticas.
A frecuencias muy altas, la corriente ya no fluye en el cable, sino que efectivamente fluye en la superficie del cable, dentro de un espesor de unas pocas profundidades de la piel . La profundidad de la piel es el espesor en el que la densidad de corriente se reduce en un 63%. Incluso a frecuencias relativamente bajas utilizadas para la transmisión de energía (50 Hz – 60 Hz), todavía se produce una distribución no uniforme de la corriente en conductores suficientemente gruesos . Por ejemplo, la profundidad de la piel de un conductor de cobre es de aproximadamente 8,57 mm a 60 Hz, por lo que los conductores de alta corriente suelen ser huecos para reducir su masa y costo. Esta tendencia de la corriente alterna a fluir predominantemente en la periferia de los conductores reduce la sección transversal efectiva del conductor. Esto aumenta la resistencia CA efectiva del conductor, ya que la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. La resistencia de CA de un conductor es mayor que su resistencia de CC, lo que provoca una mayor pérdida de energía debido al calentamiento óhmico (también llamada pérdida I 2 R).
Para frecuencias bajas a medias, los conductores se pueden dividir en cables trenzados, cada uno aislado de los demás, con las posiciones relativas de los hilos individuales dispuestas especialmente dentro del haz de conductores. El alambre construido mediante esta técnica se llama alambre Litz . Esta medida ayuda a mitigar parcialmente el efecto superficial al forzar una corriente más igual en toda la sección transversal total de los conductores trenzados. El alambre Litz se utiliza para fabricar inductores de alta Q , lo que reduce las pérdidas en conductores flexibles que transportan corrientes muy altas a frecuencias más bajas y en los devanados de dispositivos que transportan corrientes de radiofrecuencia más altas (hasta cientos de kilohercios), como las fuentes de alimentación de modo conmutado. y transformadores de radiofrecuencia .
Como se escribió anteriormente, una corriente alterna está formada por una carga eléctrica sometida a una aceleración periódica , lo que provoca la radiación de ondas electromagnéticas . La energía que se irradia se pierde. Dependiendo de la frecuencia se utilizan diferentes técnicas para minimizar la pérdida por radiación.
En frecuencias de hasta aproximadamente 1 GHz, los pares de hilos se entrelazan formando un cable, formando un par trenzado . Esto reduce las pérdidas por radiación electromagnética y acoplamiento inductivo . Se debe utilizar un par trenzado con un sistema de señalización balanceado , de modo que los dos cables transporten corrientes iguales pero opuestas. Cada cable en un par trenzado irradia una señal, pero es efectivamente cancelada por la radiación del otro cable, lo que resulta en casi ninguna pérdida de radiación.
Los cables coaxiales se utilizan comúnmente en frecuencias de audio y superiores por conveniencia. Un cable coaxial tiene un hilo conductor dentro de un tubo conductor, separado por una capa dieléctrica . La corriente que fluye sobre la superficie del conductor interior es igual y opuesta a la corriente que fluye sobre la superficie interior del tubo exterior. Por lo tanto, el campo electromagnético está completamente contenido dentro del tubo y (idealmente) no se pierde energía por radiación o acoplamiento fuera del tubo. Los cables coaxiales tienen pérdidas aceptablemente pequeñas para frecuencias de hasta aproximadamente 5 GHz. Para frecuencias de microondas superiores a 5 GHz, las pérdidas (debidas principalmente a que el dieléctrico que separa los tubos interior y exterior no es un aislante ideal) se vuelven demasiado grandes, lo que convierte a las guías de ondas en un medio más eficiente para transmitir energía. Los cables coaxiales suelen utilizar una capa dieléctrica perforada para separar los conductores internos y externos con el fin de minimizar la potencia disipada por el dieléctrico.
Las guías de ondas son similares a los cables coaxiales, ya que ambos constan de tubos, con la mayor diferencia que las guías de ondas no tienen conductor interno. Las guías de ondas pueden tener cualquier sección transversal arbitraria, pero las secciones transversales rectangulares son las más comunes. Debido a que las guías de ondas no tienen un conductor interno para transportar una corriente de retorno, las guías de ondas no pueden entregar energía mediante una corriente eléctrica , sino mediante un campo electromagnético guiado . Aunque las corrientes superficiales fluyen por las paredes internas de las guías de ondas, esas corrientes superficiales no transportan energía. La energía es transportada por campos electromagnéticos guiados. Las corrientes superficiales son creadas por los campos electromagnéticos guiados y tienen el efecto de mantener los campos dentro de la guía de ondas y evitar fugas de los campos al espacio fuera de la guía de ondas. Las guías de ondas tienen dimensiones comparables a la longitud de onda de la corriente alterna a transmitir, por lo que sólo son viables en frecuencias de microondas. Además de esta viabilidad mecánica, la resistencia eléctrica de los metales no ideales que forman las paredes de la guía de ondas provoca la disipación de potencia (las corrientes superficiales que fluyen sobre conductores con pérdidas disipan la potencia). A frecuencias más altas, la potencia perdida por esta disipación se vuelve inaceptablemente grande.
A frecuencias superiores a 200 GHz, las dimensiones de la guía de ondas se vuelven imprácticamente pequeñas y las pérdidas óhmicas en las paredes de la guía de ondas se vuelven grandes. En su lugar, se puede utilizar fibra óptica , que es una forma de guías de ondas dieléctricas. Para tales frecuencias, ya no se utilizan los conceptos de voltajes y corrientes.
Las corrientes alternas van acompañadas (o causadas) por tensiones alternas. Un voltaje CA v se puede describir matemáticamente como función del tiempo mediante la siguiente ecuación:
dónde
El valor pico a pico de un voltaje CA se define como la diferencia entre su pico positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de es +1 y el valor mínimo es −1, un voltaje de CA oscila entre y . Por lo tanto , el voltaje pico a pico, generalmente escrito como o , es .
A continuación se supone una forma de onda de CA (sin componente de CC ).
El voltaje RMS es la raíz cuadrada de la media en un ciclo del cuadrado del voltaje instantáneo.
La relación entre el voltaje y la potencia entregada es:
donde representa una resistencia de carga.
En lugar de utilizar potencia instantánea, 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 , porque
Por esta razón, la forma de onda de la energía CA se convierte en onda sinusoidal rectificada de onda completa y su período fundamental es la mitad del de la tensión.
Para ilustrar estos conceptos, considere una fuente de alimentación de 230 V CA utilizada en muchos países del mundo. Se llama así porque su valor cuadrático medio es 230 V. Esto significa que la potencia entregada promediada en el tiempo es equivalente a la potencia entregada por un voltaje CC de 230 V. Para determinar el voltaje pico (amplitud), podemos reorganizar el ecuación anterior a:
Para 230 V CA, el voltaje máximo es, por lo tanto , aproximadamente 325 V, y la potencia máxima es , es decir, 460 RW. Durante el transcurso de un ciclo (dos ciclos como potencia), el voltaje aumenta de cero a 325 V, la potencia de cero a 460 RW, y ambos caen hasta cero. A continuación, el voltaje desciende en sentido inverso, -325 V, pero la potencia vuelve a ascender a 460 RW, y ambos vuelven a cero.
La corriente alterna se utiliza para transmitir información , como en los casos del teléfono y la televisión por cable . Las señales de información se transmiten a través de una amplia gama de frecuencias de CA. Las señales telefónicas POTS tienen una frecuencia de aproximadamente 3 kHz, cercana a la frecuencia de audio de banda base . La televisión por cable y otras corrientes de información transmitidas por cable pueden alternarse en frecuencias de decenas a miles de megahercios. Estas frecuencias son similares a las frecuencias de ondas electromagnéticas que se utilizan a menudo para transmitir los mismos tipos de información por el aire .
El primer alternador que produjo corriente alterna fue un generador eléctrico basado en los principios de Michael Faraday construido por el fabricante de instrumentos francés Hippolyte Pixii en 1832. [3] Más tarde, Pixii añadió un conmutador a su dispositivo para producir la (entonces) más comúnmente utilizada corriente directa. actual. La primera aplicación práctica registrada de la corriente alterna es la de Guillaume Duchenne , inventor y desarrollador de la electroterapia . En 1855, anunció que la CA era superior a la corriente continua para la activación electroterapéutica de las contracciones musculares. [4] La tecnología de corriente alterna fue desarrollada aún más por la empresa húngara Ganz Works (década de 1870) y, en la década de 1880, por Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard y Galileo Ferraris .
En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación en el que se instalaban conjuntos de bobinas de inducción a lo largo de una línea de CA de alto voltaje. En lugar de cambiar el voltaje, los devanados primarios transfirieron energía a los devanados secundarios que estaban conectados a una o varias 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño, [5] [6] utilizadas para evitar que la falla de una lámpara deshabilitara todo el circuito. [5] En 1878, la fábrica Ganz , Budapest, Hungría, comenzó a fabricar equipos para iluminación eléctrica y, en 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de CA utilizaban lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros equipos. [7]
Los sistemas de corriente alterna pueden utilizar transformadores para cambiar el voltaje de bajo a alto nivel y viceversa, permitiendo la generación y el consumo en bajos voltajes pero la transmisión, posiblemente a grandes distancias, en alto voltaje, con ahorros en el costo de los conductores y pérdidas de energía. En 1881 se demostró en Londres un transformador de potencia bipolar de núcleo abierto desarrollado por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs , que atrajo el interés de Westinghouse . También exhibieron la invención en Turín en 1884. Sin embargo, estas primeras bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos eran ineficaces a la hora de transferir energía a las cargas . Hasta aproximadamente 1880, el paradigma para la transmisión de energía CA desde un suministro de alto voltaje a una carga de bajo voltaje era un circuito en serie. Se conectaron transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 con sus primarios en serie para permitir el uso de un voltaje alto para la transmisión y al mismo tiempo presentar un voltaje bajo a las lámparas. El defecto inherente de este método era que apagar una sola lámpara (u otro dispositivo eléctrico) afectaba el voltaje suministrado a todos los demás en el mismo circuito. Se introdujeron muchos diseños de transformadores ajustables para compensar esta característica problemática del circuito en serie, incluidos aquellos que emplean métodos para ajustar el núcleo o desviar el flujo magnético alrededor de parte de una bobina. [8] Los sistemas de corriente continua no tenían estos inconvenientes, lo que les otorgaba ventajas significativas sobre los primeros sistemas de CA.
En el Reino Unido, Sebastian de Ferranti , que había estado desarrollando generadores y transformadores de CA en Londres desde 1882, rediseñó el sistema de CA en la central eléctrica de Grosvenor Gallery en 1886 para la London Electric Supply Corporation (LESCo), incluyendo alternadores de su propio diseño y abiertos. diseños de transformadores de núcleo con conexiones en serie para cargas de utilización, similares a Gaulard y Gibbs. [9] En 1890, diseñó su central eléctrica en Deptford [10] y convirtió la estación Grosvenor Gallery al otro lado del Támesis en una subestación eléctrica , mostrando la manera de integrar plantas más antiguas en un sistema de suministro de CA universal. [11]
En el otoño [ ambiguo ] de 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri (ZBD), tres ingenieros asociados con la fábrica Ganz de Budapest, determinaron que los dispositivos de núcleo abierto no eran prácticos, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. [12] Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones en derivación paralelas y Déri había realizado los experimentos; [13] 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 rodeados por un núcleo de alambres de hierro. [8] En ambos diseños, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajó casi en su totalidad dentro de los límites del núcleo de hierro, sin ningún recorrido 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. [14] La fábrica de Ganz en 1884 envió los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo. [15] Esta primera unidad se había fabricado con las siguientes especificaciones: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásico, forma de carcasa. [15]
Las patentes ZBD incluían otras dos innovaciones importantes interrelacionadas: una relacionada con el uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de conectadas en serie, la otra relacionada con la capacidad de tener transformadores de alta relación de transformación, de modo que el voltaje de la red de suministro podría ser mucho mayor (inicialmente 1400 V a 2000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (inicialmente se prefiere 100 V). [16] [17] Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron que fuera técnica y económicamente viable proporcionar energía eléctrica para la iluminación de hogares, empresas y espacios públicos. [18] [19] El otro hito esencial fue la introducción de los 'sistemas de fuente de voltaje, voltaje intensivo' (VSVI)' [20] mediante la invención de generadores de voltaje constante en 1885. [21] A principios de 1885, los tres ingenieros también Eliminó el problema de las pérdidas por corrientes parásitas con la invención de la laminación de núcleos electromagnéticos. [22] Ottó Bláthy también inventó el primer contador de electricidad de CA. [23] [24] [25] [26]
El sistema de alimentación de CA se desarrolló y adoptó rápidamente después de 1886 debido a su capacidad para distribuir electricidad de manera eficiente a largas distancias, superando las limitaciones del sistema de corriente continua . En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron la primera central eléctrica del mundo que utilizaba generadores de CA para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo: la central eléctrica de vapor Rome-Cerchi. [27] La fiabilidad de la tecnología de CA recibió impulso después de que Ganz Works electrificara una gran metrópolis europea: Roma en 1886. [27]
Aprovechando el avance de la tecnología de CA en Europa, [28] George Westinghouse fundó Westinghouse Electric en Pittsburgh, Pensilvania, el 8 de enero de 1886. [29] La nueva empresa se volvió activa en el desarrollo de infraestructura eléctrica de corriente alterna (CA) en todo Estados Unidos. Estados. Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses de los transformadores Ganz ZBD, lo que exigía que Westinghouse buscara diseños alternativos basados en los mismos principios. George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs por 50.000 dólares en febrero de 1886. [30] Asignó a William Stanley la tarea de rediseñar el transformador de Gaulard y Gibbs para uso comercial en Estados Unidos. [31] El 20 de marzo de 1886, Stanley llevó a cabo un experimento demostrativo en Great Barrington : el voltaje de un generador Siemens de 500 voltios se convirtió en 3000 voltios, y luego seis transformadores Westinghouse redujeron el voltaje a 500 voltios. Con esta configuración, la empresa Westinghouse encendió con éxito treinta bombillas incandescentes de 100 voltios en veinte tiendas a lo largo de la calle principal de Great Barrington. [32] La difusión de Westinghouse y otros sistemas de CA provocó un retroceso a finales de 1887 por parte de Thomas Edison (un defensor de la corriente continua), quien intentó desacreditar la corriente alterna como 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 estos sistemas habían carecido hasta entonces. El diseño, un motor de inducción , fue inventado de forma independiente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla (y el diseño de Tesla obtuvo la licencia de Westinghouse en los EE. UU.). Este diseño fue desarrollado de forma independiente hasta la forma trifásica práctica moderna por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown en Alemania por un lado, [33] y Jonas Wenström en Suecia por el otro, aunque Brown favoreció el sistema de dos fases. .
La central hidroeléctrica Ames y la central eléctrica Adams de las Cataratas del Niágara originales estuvieron entre las primeras centrales hidroeléctricas de corriente alterna. La primera transmisión de electricidad monofásica a larga distancia se realizó desde una planta generadora hidroeléctrica en Oregon en Willamette Falls, que en 1890 envió energía catorce millas río abajo hasta el centro de Portland para el alumbrado público. [34] En 1891, se instaló un segundo sistema de transmisión en Telluride Colorado. [35] El generador del Cañón de San Antonio fue la tercera central hidroeléctrica monofásica comercial de CA en los Estados Unidos que proporcionó electricidad a larga distancia. Fue completado 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 de Grängesberg , en Suecia , se exploró la posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia . ASe seleccionó una caída de 45 m en Hällsjön, comunidad de Smedjebackens, donde se encontraba una pequeña herrería. En 1893, un trifásicoSe utilizó un sistema de 9,5 kv para transferir 400 caballos de fuerza a una distancia de15 km , convirtiéndose en la primera aplicación comercial. [36] En 1893, Decker diseñó la primera planta de energía trifásica comercial estadounidense que utiliza corriente alterna: la planta hidroeléctrica Mill Creek No. 1 cerca de Redlands, California . El diseño de Decker incorporó transmisión trifásica de 10 kV y estableció los estándares para el sistema completo de generación, transmisión y motores utilizados hoy en Estados Unidos. La central hidroeléctrica de Jaruga en Croacia se puso en funcionamiento el 28 de agosto de 1895. Los dos generadores (42 Hz, 550 kW cada uno) y los transformadores fueron fabricados e instalados por la empresa húngara Ganz . La línea de transmisión desde la central eléctrica hasta la ciudad de Šibenik tenía 11,5 kilómetros (7,1 millas) de largo sobre torres de madera, y la red de distribución municipal de 3000 V/110 V incluía seis estaciones transformadoras.
La teoría de circuitos de corriente alterna se desarrolló rápidamente a finales del siglo XIX y principios del XX. Entre los contribuyentes notables a la base teórica de los cálculos de corriente alterna se incluyen Charles Steinmetz , Oliver Heaviside y muchos otros. [37] [38] Los cálculos en sistemas trifásicos desequilibrados se simplificaron mediante los métodos de componentes simétricos discutidos por Charles LeGeyt Fortescue en 1918.
![{\displaystyle V_{\text{rms}}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}} }.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ef708d0af8135ef76f3d2398403e698f8e7b98ba)
![{\displaystyle {\begin{aligned}V_{\text{rms}}&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{\text{ pico}}\sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{\text{pico}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _ {0}^{T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{\text{pico}}{\sqrt {{\frac {1} {2T}}\int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{\text{pico}}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d702e731c7dae922caedc8378d246e417f156f5)
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