La corriente alterna ( CA ) es una corriente eléctrica que periódicamente invierte su dirección y cambia su magnitud continuamente con el tiempo, en contraste con la corriente continua (CC), que fluye solo en una dirección. La corriente alterna es la forma en que se suministra energía eléctrica a las 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 CA y CC se utilizan a menudo para significar simplemente alterna y continua , 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 semiperiodo positivo se corresponde con la dirección positiva de la corriente y viceversa (el periodo completo se denomina ciclo ). En ciertas aplicaciones, como los amplificadores de guitarra , se utilizan formas de onda diferentes, como ondas triangulares u ondas cuadradas . Las señales de audio y radio transportadas por cables eléctricos también son ejemplos de corriente alterna. Estos tipos de corriente alterna transportan información como sonido (audio) o imágenes (vídeo) a veces transportados por modulación de una señal portadora de CA. Estas corrientes normalmente alternan 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 un producto del cuadrado de la corriente ( I ) y la resistencia (R) del cable, descritas por la fórmula:
Esto significa que cuando se transmite una potencia fija a través de un cable determinado, si la corriente se reduce a la mitad (es decir, el voltaje se duplica), la pérdida de potencia debida a la resistencia del cable se reducirá a una cuarta parte.
La potencia transmitida es igual al producto de la corriente por el voltaje (suponiendo que no hay diferencia de fase); es decir,
En consecuencia, la energía transmitida a un voltaje más alto requiere menos corriente que produce pérdidas que para la misma energía 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 ser transmitida 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 en su manejo seguro. En una planta de energía , la energía se genera a un voltaje conveniente para el diseño de un generador y luego se eleva a un alto voltaje para la 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 la iluminación se construyen para usar hasta unos pocos cientos de voltios entre fases. El voltaje entregado a equipos como la iluminación y las cargas de los motores está estandarizado, con un rango permisible de voltaje sobre el cual se espera que funcione el equipo. Los voltajes de utilización de energía estándar y la tolerancia porcentual varían en los diferentes sistemas de energía de red 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 de 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 manera 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 independientes en el estator del generador , desplazadas físicamente entre sí por un ángulo de 120° (un tercio de una fase completa de 360°). Se producen tres formas de onda de corriente que son iguales en magnitud y están desfasadas entre sí 120°. Si se añaden bobinas opuestas a estas (espaciado de 60°), generan las mismas fases con polaridad inversa y, por lo tanto, se pueden conectar entre sí de forma sencilla. En la práctica, se utilizan habitualmente "órdenes de polos" más altos. 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 de forma uniforme entre las fases, no fluye corriente a través del punto neutro . Incluso en el peor de los casos de carga desequilibrada (lineal), la corriente neutra no superará la más alta de las corrientes de fase. Las cargas no lineales (por ejemplo, las fuentes de alimentación conmutadas ampliamente utilizadas) 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 superen los de uno o todos los conductores de fase.
Para las tensiones de utilización trifásicas, se suele utilizar un sistema de cuatro cables. Cuando se reduce la tensión trifásica, se suele utilizar un transformador con un primario en delta (3 cables) y un secundario en estrella (4 cables, con puesta a tierra central), por lo que no es necesario un neutro en el lado de la alimentación. 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. Desde el panel principal trifásico, pueden salir circuitos monofásicos y trifásicos. Los sistemas monofásicos de tres cables , con un solo transformador con toma central que proporciona dos conductores activos, es un esquema de distribución común para edificios residenciales y comerciales pequeños en América del Norte. A veces, esta disposición se denomina incorrectamente "bifásica". Se utiliza un método similar por una razón diferente en las obras de construcción del Reino Unido. Se supone que las pequeñas herramientas eléctricas y la iluminación se alimentan mediante un transformador local con toma central con un voltaje 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 unión (o de tierra), se conecta a menudo entre los gabinetes metálicos que no transportan corriente y la toma de tierra. Este conductor proporciona protección contra descargas eléctricas debido al contacto accidental de los conductores del circuito con el chasis metálico de los aparatos y herramientas portátiles. La unión de 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 tarde en eliminar 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, lo que lleva al sistema eléctrico a un estado seguro. Todos los cables de unión están unidos 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 mismo país; la mayor parte de la energía eléctrica se genera a 50 o 60 hercios . Algunos países tienen una combinación de suministros de 50 Hz y 60 Hz, en particular la transmisión de energía eléctrica en Japón .
Una frecuencia baja facilita el diseño de motores eléctricos, en particular para aplicaciones de elevación, trituración y laminación, y motores de tracción de tipo conmutador para aplicaciones como los ferrocarriles . Sin embargo, la frecuencia baja también provoca un parpadeo notable en las lámparas de arco y las bombillas incandescentes . El uso de frecuencias más bajas también proporcionó la ventaja de pérdidas de transmisión más bajas, 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 tracción y los motores de inducción pesados, al tiempo que permitían que funcionara 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? ] clientes industriales de 25 Hz todavía existían a principios del siglo XXI. La energía de 16,7 Hz (anteriormente 16 2/3 Hz) todavía se usa en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega , Suecia y Suiza .
En aplicaciones marinas, militares, de la industria textil, marina, aeronáutica y espacial, a veces se utilizan 400 Hz, por las ventajas de un peso reducido de los aparatos o de velocidades de motor más altas. Los sistemas de mainframe informáticos solían funcionar a 400 Hz o 415 Hz por las ventajas de la reducción de la ondulación mientras se utilizaban unidades de conversión de CA a CC internas más pequeñas. [ cita requerida ]
Una corriente continua fluye uniformemente a lo largo de la sección transversal de un cable homogéneo que conduce la electricidad . 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 la carga eléctrica ) crea ondas electromagnéticas (un fenómeno conocido como radiación electromagnética ). Los conductores eléctricos no son propicios para las 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, 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 pelicular , 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 fluye efectivamente sobre la superficie del cable, dentro de un espesor de unas pocas profundidades de piel . La profundidad de 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 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 CA de un conductor es mayor que su resistencia CC, lo que causa una mayor pérdida de energía debido al calentamiento óhmico (también llamado 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 especialmente dispuestos dentro del haz de conductores. El cable construido utilizando esta técnica se llama cable Litz . Esta medida ayuda a mitigar parcialmente el efecto pelicular al forzar una corriente más uniforme a lo largo de la sección transversal total de los conductores trenzados. El cable Litz se utiliza para fabricar inductores de alto 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 fuentes de alimentación de modo conmutado y transformadores de radiofrecuencia .
Como se ha escrito anteriormente, una corriente alterna está formada por carga eléctrica bajo 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 cables se trenzan entre sí en un cable, formando un par trenzado . Esto reduce las pérdidas por radiación electromagnética y acoplamiento inductivo . Un par trenzado debe utilizarse con un sistema de señalización equilibrado , de modo que los dos cables transporten corrientes iguales pero opuestas. Cada cable de un par trenzado irradia una señal, pero esta es efectivamente cancelada por la radiación del otro cable, lo que resulta en una pérdida de radiación casi nula.
Los cables coaxiales se utilizan comúnmente en frecuencias de audio y superiores por comodidad. Un cable coaxial tiene un cable conductor dentro de un tubo conductor, separado por una capa dieléctrica . La corriente que fluye en la superficie del conductor interno es igual y opuesta a la corriente que fluye en la superficie interna del tubo externo. El campo electromagnético está así 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 interno y externo es un aislante no ideal) se vuelven demasiado grandes, lo que hace que las guías de ondas sean un medio más eficiente para transmitir energía. Los cables coaxiales a menudo utilizan una capa dieléctrica perforada para separar los conductores interno y externo con el fin de minimizar la potencia disipada por el dieléctrico.
Las guías de ondas son similares a los cables coaxiales, ya que ambas están formadas por tubos, siendo la mayor diferencia que las guías de ondas no tienen un 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 por medio de una corriente eléctrica , sino por medio de un campo electromagnético guiado . Aunque las corrientes superficiales fluyen en las paredes internas de las guías de ondas, esas corrientes superficiales no transportan energía. La energía es transportada por los campos electromagnéticos guiados. Las corrientes superficiales son establecidas por los campos electromagnéticos guiados y tienen el efecto de mantener los campos dentro de la guía de ondas y evitar la fuga 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 que se va a transmitir, por lo que solo son factibles 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 una disipación de potencia (las corrientes superficiales que fluyen por conductores con pérdidas disipan potencia). A frecuencias más altas, la potencia perdida por esta disipación se vuelve inaceptablemente grande.
A frecuencias superiores a 200 GHz, las dimensiones de las guías de ondas se vuelven impracticablemente pequeñas y las pérdidas óhmicas en las paredes de las guías de ondas se vuelven grandes. En su lugar, se pueden utilizar fibras ópticas , que son 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 son causadas) por voltajes alternos. Un voltaje de CA v puede describirse matemáticamente como una función del tiempo mediante la siguiente ecuación:
dónde
El valor pico a pico de un voltaje de CA se define como la diferencia entre su pico positivo y su pico negativo. Como el valor máximo de es +1 y el valor mínimo es −1, un voltaje de CA oscila entre y . El voltaje pico a pico, que normalmente se escribe como o , es por lo tanto .
A continuación se supone una forma de onda de CA (sin componente de CC ).
El voltaje RMS es la raíz cuadrada de la media durante 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 de raíz cuadrada media (RMS), escrito como , porque
Por esta razón, la forma de onda de la alimentación de CA se convierte en una onda senoidal rectificada de onda completa , y su frecuencia fundamental es el doble de la del voltaje.
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 promediada en el tiempo suministrada es equivalente a la potencia suministrada por una tensión de CC de 230 V. Para determinar la tensión pico (amplitud), podemos reorganizar la ecuación anterior de la siguiente manera:
Para 230 V CA, el voltaje pico es , por lo tanto, , que es aproximadamente 325 V, y la potencia pico es , es decir, 460 RW. Durante el transcurso de un ciclo (dos ciclos como la potencia), el voltaje aumenta de cero a 325 V, la potencia de cero a 460 RW, y ambos caen a través de cero. A continuación, el voltaje desciende en dirección inversa, -325 V, pero la potencia asciende nuevamente a 460 RW, y ambos regresan a cero.
La corriente alterna se utiliza para transmitir información , como en los casos de telefonía y televisión por cable . Las señales de información se transmiten en un amplio rango de frecuencias de corriente alterna. 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 alternar 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 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] Pixii luego agregó un conmutador a su dispositivo para producir la corriente continua (entonces) más comúnmente utilizada. La primera aplicación práctica registrada de la corriente alterna es 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: 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 transferían energía a los devanados secundarios que estaban conectados a una o varias "bujías eléctricas" (lámparas de arco) de su propio diseño, [5] [6] utilizadas para evitar que la falla de una lámpara desactivara 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 usaban lámparas de arco e incandescentes, generadores y otros equipos. [7]
Los sistemas de corriente alterna pueden utilizar transformadores para cambiar el voltaje de nivel bajo a alto y viceversa, lo que permite la generación y el consumo a voltajes bajos pero la transmisión, posiblemente a grandes distancias, a alto voltaje, con ahorros en el costo de los conductores y pérdidas de energía. Un transformador de potencia bipolar de núcleo abierto desarrollado por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs se demostró en Londres en 1881 y atrajo el interés de Westinghouse . También exhibieron la invención en Turín en 1884. Sin embargo, estas primeras bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes para transferir energía a las cargas . Hasta aproximadamente 1880, el paradigma para la transmisión de energía CA desde una fuente de alto voltaje a una carga de bajo voltaje era un circuito en serie. Los transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 se conectaban con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión mientras se presentaba un bajo voltaje a las lámparas. La falla inherente en 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 empleaban métodos de ajuste del núcleo o desviaban 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 diseños de transformadores de núcleo abierto 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 de Grosvenor Gallery al otro lado del Támesis en una subestación eléctrica , mostrando la forma 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 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. [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 se enrollaban alrededor de un núcleo de anillo de cables de hierro o estaban rodeados por un núcleo de cables de hierro. [8] En ambos diseños, el flujo magnético que unía los devanados primario y secundario viajaba casi en su totalidad dentro de los confines del núcleo de hierro, sin un camino 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 envió en 1884 los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo. [15] Esta primera unidad había sido fabricada según las siguientes especificaciones: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásica, forma de carcasa. [15]
Las patentes de ZBD incluyeron otras dos innovaciones importantes interrelacionadas: una relacionada con el uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de en serie, y la otra relacionada con la capacidad de tener transformadores de alta relación de vueltas de modo que el voltaje de la red de suministro pudiera ser mucho más alto (inicialmente de 1400 V a 2000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (inicialmente se preferían 100 V). [16] [17] 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 iluminación en 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] con la invención de generadores de voltaje constante en 1885. [21] 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. [22] Ottó Bláthy también inventó el primer medidor de electricidad de CA. [23] [24] [25] [26]
El sistema de alimentación de corriente alterna 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 corriente alterna para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo, la central eléctrica de vapor Roma-Cerchi. [27] La confiabilidad de la tecnología de corriente alterna recibió un impulso después de que las Obras Ganz electrificaran una gran metrópolis europea: Roma en 1886. [27]
Basándose en 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. La Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses para los transformadores Ganz ZBD, lo que requería que Westinghouse buscara diseños alternativos con los mismos principios. George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs por $50,000 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 realizó un experimento demostrativo 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 empresa Westinghouse logró alimentar 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 desencadenó una reacción a finales de 1887 por parte de Thomas Edison (un defensor de la corriente continua), que intentó desacreditar la corriente alterna por ser 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 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 independientemente en 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 de Ames y la central eléctrica original de Adams en las cataratas del Niágara estuvieron entre las primeras centrales hidroeléctricas de corriente alterna. La primera transmisión de larga distancia de electricidad monofásica se realizó desde una central hidroeléctrica en Willamette Falls, en Oregón, 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 de San Antonio Canyon fue la tercera central hidroeléctrica monofásica comercial de CA en los Estados Unidos que proporcionó electricidad a 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, se exploró la posibilidad de transferir energía eléctrica desde una cascada a distancia en la mina Grängesberg en Suecia.Se eligió la caída de 45 m en Hällsjön, Smedjebackens kommun, donde antes había una pequeña fábrica de hierro. En 1893 se construyó unaSe 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 usaba 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 en los EE. UU. hoy. La planta de energía 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 producidos e instalados por la empresa húngara Ganz . La línea de transmisión desde la planta de energía hasta la ciudad de Šibenik tenía 11,5 kilómetros (7,1 mi) 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 en la última parte 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)
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)Transformador ZBD.
