Puede que sea una sorpresa al menos para algunos de ustedes saber que los sistemas de transporte masivo, como aviones jet, barcos, submarinos y naves espaciales no usan los estándares de CA de 50 Hz (220-240 V) o 60 Hz (100-127 V) que actualmente son casi universales para la energía “eléctrica” (y que los convertidores universales de CA a CC manejan con aplomo, junto con un conjunto de adaptadores de enchufe de CA). En cambio, estas opciones de transporte soportan una transmisión de energía de CA de 400 Hz; por ejemplo, el estándar militar MIL-STD-704 de EE. UU., especifica un enfoque de CA de 400 Hz a 115 V. ¿Por qué?
Historial de utilidades
Los primeros días de la energía de utilidad de CA en realidad estuvieron marcados por una diversidad de tensiones, frecuencia, corriente y otras combinaciones de especificaciones. Esto ocurrió porque todos intentaron optimizar y comprometer los requisitos de energía a menudo contradictorios:
1. Generación en el origen
2. Transmisión desde origen hasta destino, y
3. Uso en el destino
Por ejemplo, los primeros sistemas de algún modo elegían arbitrariamente una frecuencia óptima para cualquier máquina de vapor, turbina de agua u otro generador eléctrico en uso. Otro factor importante a considerar es el efecto “piel”, que se manifiesta como la tendencia de que los electrones crucen cada vez más un cable usando solo su región exterior (versus su área transversal completa) a medida que aumenta le frecuencia. El aumento resultante en la impedancia en serie con el aumento de la frecuencia, en virtud del no uso ineficiente del núcleo del cable, conlleva mayores pérdidas de transmisión a largas distancias. Para las compañías de servicios públicos con motivación de proporcionar la mayor cantidad de energía posible a sus clientes al menor costo posible, la transmisión de alta eficiencia es fundamental.
Los motores en el destino también tienden históricamente a preferir frecuencias de transmisión más bajas. Esto se debe a que la inductancia del campo magnético del motor se opone a cambios rápidos de corriente. Los materiales usados específicamente en los diseños de los primeros motores que datan de fines del siglo XIX y principios del siglo XX, no funcionan bien a más de 60 Hz. Irónicamente, estos problemas históricos de materiales han mejorado mucho y ahora ocurre que los 50 o 60 Hz (versus 400 Hz o alguna otra tensión más alta) ponen un límite superior en la RPM máxima de un motor de inducción.
Por el contrario, la iluminación de CA en el destino históricamente ha preferido frecuencias de transmisión más altas. Esto ocurre porque filamento de una lámpara incandescente se enfría en cada medio ciclo de corriente alterna; mientras más lenta sea la frecuencia (es decir, más largo sea el ciclo), más perceptible será el parpadeo de la lámpara. Tomó muchas décadas resolver la mezcla de estándares de energía incompatibles, a veces entre servicios públicos competidores dentro de la misma ciudad, no dentro de un país o entre países. La consolidación fue impulsada por factores tales como las fusiones de varios servicios públicos, la mercantilización de la producción en masa de aparatos eléctricos y los deseos comprensibles de los consumidores de no tener que volver a comprar esos aparatos al mudarse. En la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, en gran parte del mundo se habían instalado ampliamente los dos estándares dominantes actualmente.
Divergencia de sistema cerrado
¿Por qué, entonces, los sistemas de transporte antes mencionados se desviaron de esta convergencia? Por un lado, como lo indica el título de esta sección, son sistemas cerrados. No necesitan interactuar, por ejemplo, con las redes eléctricas cercanas ensambladas con otras utilidades. Prácticamente la única aprobación (ineficiente) que necesitan proporcionar a los estándares de las “redes eléctricas” es, por ejemplo, proporcionar tomacorrientes compatibles con 50 y 60 Hz para que los pasajeros puedan alimentar los equipos que lleven a bordo y generados por rectificadores de CA a CC seguidos de inversores de CC a CA. Además, en ese sentido, los 400 Hz tienen ventajas sobre los 50 Hz y 60 Hz desde un punto de vista de generación de CC; el tiempo de ciclo más corto permite el uso de un capacitor “en caída” más pequeño como parte del circuito rectificador.
Tenga en cuenta también, que los juegos de cables de transporte de energía en este tipo de sistemas de transporte miden cientos de pies, no cientos de millas; los efectos atenuantes de la inductancia en serie a frecuencias de CA más altas son una preocupación menor en tales casos. Por el contrario, el peso es una gran inquietud.
Los buques, submarinos, naves espaciales y otros vehículos tienen las mismas preocupaciones y motivaciones que los aviones; quieren minimizar el peso para maximizar la cobertura de viaje con una determinada cantidad de combustible almacenado a bordo.
Como tal, los transformadores y otros circuitos necesarios para convertir las salidas inconsistentes del alternador impulsado por motor en energía de CA consistente, y para variar la tensión con el fin de alimentar diversos subsistemas de aviones u otros vehículos, son inherentemente menores y más livianos en un enfoque de 400 Hz que en una alternativa de 50 o 60 Hz. Dado que la EMF (fuerza electromotriz) generada en una bobina es proporcional al flujo y la frecuencia, las frecuencias más altas requieren menos flujo, por lo tanto se necesita menos hierro en el núcleo del transformador. Y mientras más transformadores haya en uso, mayor será el efecto de ahorro de peso acumulativo.
Específicamente, cuando la ley de inducción de Faraday se aplica para describir un transformador:
VP = -NP (dΦ/dt)
VS = -NS (dΦ/dt)
Revela (entre otras cosas) que la EMF (fuerza electromotriz) de un transformador varía con el derivado de flujo magnético del núcleo entre los terminales primarios y secundarios con respecto al tiempo, donde VP y VS son respectivamente las tensiones primarias y secundarias, NP y NS son la cantidad de “turnos” de los devanados primarios y secundarios, Φ es el flujo magnético, y t es tiempo. Por lo tanto, dicho de otra manera, la EMF de un transformador en una densidad de flujo determinada aumenta con la frecuencia... o dicho de una tercera manera, para una EMF determinada necesaria para implementar una tensión primaria a secundaria específica, la tensión y la transformación de corriente:
• La cantidad de densidad de flujo, es decir, de material del núcleo y
• La cantidad de turnos de devanados primarios y secundarios, es decir, la cantidad total de cable enrollado alrededor de ese núcleo puede disminuir su tamaño (y peso) al aumentar la frecuencia de operación.