¿Por qué usamos corriente alterna (CA) para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia?
Sé que la corriente alterna es aquella que cambia de polaridad (magnitud y dirección) y tiene polos fijos.
El primer punto a tener en cuenta es: No siempre usamos corriente alterna. Existe algo llamado corriente continua de alto voltaje para la transmisión de energía a larga distancia. Sin embargo, su uso era raro hasta las últimas décadas, cuando se desarrollaron técnicas de conversión de CC a CA relativamente eficientes.
El segundo punto es desacreditar la respuesta común dada, que es "porque la CC no se transmite a largas distancias". Claro que sí. De hecho, a veces la CC es mejor para distancias largas (porque no tienes pérdidas capacitivas o de radiación electromagnética).
Sí, la CA se ha utilizado tradicionalmente. El "por qué" se debe a una serie de "a lleva a b lleva a c lleva a…":
Quieres perder la menor cantidad de energía posible en las líneas de transmisión. Y todo lo demás siendo igual, cuanto mayor sea la distancia, más energía perderás. Por lo tanto, cuanto mayor sea la distancia, más importante es reducir las pérdidas de la línea al mínimo.
La forma principal en que las líneas de transmisión pierden energía es en pérdidas por resistencia. No son conductores perfectos (su resistencia es diferente de cero), por lo que un poco de la energía que pasa a través de ellas se pierde en forma de calor, ¡como en un calentador eléctrico, solo que ahí, por supuesto, ¡el calor es lo que queremos! Ahora bien, cuanto más potencia se transporte, más se perderá. Para una cantidad dada de potencia transferida, la pérdida resistiva en la línea de transmisión es proporcional al cuadrado de la corriente. (Esto se debe a que la potencia (en vatios) disipada en una resistencia es igual a la corriente en amperios, al cuadrado, multiplicada por la resistencia en ohmios. Estas pérdidas se llaman comúnmente pérdidas "I-cuadrado-R", pronunciadas "ai-cuadrado-erre", siendo "I" el símbolo usual para corriente en trabajos eléctricos.) Por lo tanto, deseas mantener la corriente lo más baja posible. Una corriente baja tiene otra ventaja: puedes usar cables más delgados.
Entonces, si mantienes la corriente baja, entonces para la misma cantidad de energía entregada, querrás un voltaje alto (potencia en vatios = FEM en voltios multiplicado por la corriente en amperios). Por ejemplo, para reducir a la mitad la corriente, tendrás que duplicar tu voltaje. ¡Pero esto reducirá tus pérdidas a una cuarta parte de lo que eran! Eso es una ganancia. Ahora, el alto voltaje tiene sus problemas. Cuanto más alto sea el voltaje, más difícil será protegerse contra el contacto accidental, cortocircuitos, etc. Esto significa torres más altas, mayor separación entre conductores, etc. Por lo tanto, no puedes utilizar el voltaje más alto posible en todas partes; no es económico. Pero en general, cuanto más larga sea la línea de transmisión, mayor será el voltaje que tenga sentido.
Desafortunadamente, no puedes entregar energía al punto de uso final (tomas de pared y zócalos de luz) a los voltajes altos que tienen sentido para las líneas de transmisión a larga distancia. (¡podrían ser varios cientos de miles de voltios!) Los generadores prácticos tampoco pueden generar voltajes extremadamente altos (se arquearían horrendamente). Por lo tanto, necesitas una forma fácil de convertir de un voltaje a otro.
Y la forma más fácil de hacerlo es con la CA y transformadores. Los transformadores pueden ser increíblemente eficientes: los transformadores de distribución de energía rutinariamente alcanzan un 98 o 99 por ciento de eficiencia, mucho más alto que cualquier máquina mecánica.
Por el contrario, para convertir voltajes CC esencialmente tienes que convertir a CA, usar un transformador y luego volver a convertir a CC. El paso de CC a CA, en particular, tendrá pérdidas. Los semiconductores modernos han mejorado mucho esto en los últimos años, pero generalmente no vale la pena hacerlo hasta que estés hablando de líneas de transmisión muy largas, donde las ventajas de la CC superan a las pérdidas de conversión.
Otra razón por la que prevaleció la CA sobre la CC de Edison fue que el sistema de CA se escaló mejor, ya que permitía un pequeño número de plantas de energía lejos de la ciudad, en lugar de un gran número de pequeñas plantas separadas por una milla. Edison no solo quería vender bombillas; él (o, mejor dicho, sus inversores) querían vender sistemas de iluminación a empresas. No había red de distribución de energía y no quería tener que construir una antes de vender bombillas. Al principio vendía sistemas de iluminación a edificios comerciales, tal vez algunos edificios de apartamentos grandes; cada edificio tendría su propio generador independiente en el sótano, al igual que típicamente tienes calentadores de agua hoy en día. Inicialmente tuvo éxito porque (a diferencia de otros desarrolladores de bombillas) estaba vendiendo e instalando sistemas completos, generador y equipo de conmutación y cableado y todo, no solo bombillas.
Esto habría ahorrado gran parte del desorden de cables aéreos en las ciudades, pero estaba claro que esto no funcionaría bien para pequeñas empresas u hogares (¿qué propietario o comerciante quiere preocuparse por mantener un generador funcionando?). Westinghouse quería construir una planta de generación de energía hidroeléctrica en las cataratas del Niágara -una planta para alimentar a toda la ciudad de Nueva York y más allá. Tesla diseñó un sistema de distribución de CA completo que involucraba generadores de inducción de CA, transformadores elevadores para aumentar su salida según sea necesario para distancias largas, luego conversión a través de una serie de transformadores reductores a lo que se llama "voltaje de distribución", y finalmente a las líneas que están conectadas a las casas y edificios comerciales ligeros. Este era un sistema mucho más escalable que el de Edison. Y, por supuesto, la CA funciona tanto para bombillas como para motores.
Hablando de eso... Otra razón para preferir la CA es que la CA, y en particular la CA trifásica que utilizaba el sistema de Westinghouse (en todas partes excepto en la última caída, desde el transformador de distribución en poste hasta la casa), era y sigue siendo mucho mejor para hacer funcionar motores de alta potencia. Todos los motores prácticos son realmente motores de CA en el fondo; los motores "CC" utilizan conmutadores para cambiar la polaridad a las bobinas de un lado a otro según sea necesario, para mantener la rotación, esencialmente producen su propia CA internamente. Pero los conmutadores requieren escobillas, que se desgastan y requieren mantenimiento; hacen chispas (que interfieren con los radios), etc. Mientras que un motor de inducción de CA no necesita conmutador ni anillos deslizantes. Los sistemas de transmisión de energía comienzan con generadores de CA trifásica y mantienen la corriente trifásica hasta el transformador en poste. Por lo tanto, pueden entregar fácilmente una corriente trifásica donde sea necesario (comercial e industrial de tamaño mediano y grande), pero el transformador en poste puede sacar una corriente monofásica para hogares y uso comercial ligero.
La distribución de energía trifásica tiene otra ventaja al no necesitar un cable de "retorno" dedicado. (Solo para su información, el sistema que Tesla diseñó originalmente para Westinghouse era bifásico. Cambiaron a trifásico después del trabajo de Mikhail Dolivo-Dobrovolsky entre 1888 y 1891.)
Durante la "guerra de las corrientes", Edison hizo mucho hincapié en el mayor peligro de la CA. Es cierto que un nivel dado de corriente, a través de un camino dado a través del cuerpo, es más peligroso en CA que en CC. Esto se debe a que la CA a frecuencias de líneas de energía causará contracciones musculares involuntarias -parálisis- y fibrilación cardíaca a corrientes mucho más bajas que en CC (aproximadamente una décima parte). (Ver allaboutcircuits.com) Sin embargo, los conectores de los usuarios finales fueron diseñados para minimizar el riesgo de contacto con partes vivas, y seguimos mejorándolos en ese sentido.
(Anécdota: Siempre he sostenido que el transformador eléctrico debería considerarse como una de las máquinas básicas, junto con la palanca, el plano inclinado, el sistema de poleas, etc. Tienen la misma propiedad de intercambiar una cosa por otra. En el caso de las máquinas básicas mecánicas es potencia intercambiada por distancia, para una cantidad equivalente de trabajo realizado; en el transformador es voltaje por corriente, a una potencia equivalente. Los pares maestro-esclavo de cilindros hidráulicos también deberían estar en la lista de "máquinas simples". ;) )
Encuentro esto insatisfactorio porque la pérdida de potencia en un conductor se puede expresar como $P = I^2 R$ o $P = V^2 / R$.
@DanielSank Ten en cuenta que $V$ indica la caída de voltaje en la línea de transmisión, no el potencial respecto a tierra. Solo porque haya una ecuación que 'parezca correcta', no significa que sea la forma en que se debe aplicar la ecuación.
@sanchises Lo sé, pero otros lectores podrían no saberlo. Esta es una fuente muy común de confusión para muchos estudiantes. La respuesta de Jamie no aclara este problema en absoluto, por eso, como dije, encuentro la respuesta insatisfactoria. En particular, cualquier discusión sobre un circuito eléctrico necesita un diagrama anotado que utilice la misma notación que las ecuaciones. Cualquier cosa menos lleva a confusión en mi experiencia.
La razón por la que usamos corriente alterna (AC) es que el voltaje de AC se puede cambiar fácilmente usando un transformador. Para cambiar el voltaje de corriente continua (DC) se requiere circuitos complejos e ineficientes.
Supongamos que estás enviando cierta potencia $P$ desde la central eléctrica hasta el usuario final. Las líneas de transmisión tienen cierta resistencia $R$, por lo que disipan parte de la potencia original como calor. Específicamente, la potencia disipada se calcula mediante:
$$ P_\text{perdida} = I^2R $$
donde $I$ es la corriente que atraviesa tus líneas de transmisión. Si nuestro voltaje de suministro es $V$, entonces la potencia, el voltaje y la corriente están relacionados por:
$$ P = IV $$
Y si usamos esto para sustituir a $I$ en la ecuación de pérdida de potencia, obtenemos:
$$ P_\text{perdida} = \frac{P^2R}{V^2} $$
El resultado clave es que:
$$ P_\text{perdida} \propto \frac{1}{V^2} $$
Por lo tanto, si aumentamos el voltaje de suministro $V$, disminuimos la potencia perdida. Por eso las líneas de transmisión eléctrica utilizan voltajes muy altos. La electricidad producida por la central eléctrica pasa a través de un transformador para aumentar su voltaje a los $100,000$V o así utilizados en las líneas de transmisión. Luego, cuando llega a tu ciudad, la electricidad pasa por varios transformadores más para reducirlo al voltaje doméstico.
Pero cambiar el voltaje de esta manera solo funciona para AC, porque los transformadores no funcionan para DC. Y por eso la electricidad de red es AC.
En realidad, hasta donde yo sé, las líneas de transmisión de energía a mayor distancia son líneas de corriente continua (DC) (power-technology.com/features/…)
También, por supuesto, la electricidad es generada por maquinaria rotatoria que prefiere generar corriente alterna.
@akhmeteli Tienes toda la razón. La razón de eso es que si tienes un voltaje alterno de $100\;000$ Vrms (el valor importante en cuanto a transmisión de energía) el valor pico del voltaje es aproximadamente $141\;000$ voltios. A ese tipo de voltaje, el aislamiento no es demasiado difícil, pero a medida que los voltajes se aumentan para transmitir más energía sin más pérdidas de transmisión, la diferencia entre rms y pico se vuelve mucho más significativa (2g $2$ MV vs $2.8$ MV) en términos de aislamiento y descarga de corona de los cables de transmisión.
Esto (de una página ahora eliminada) aclara cómo se utilizan las líneas de transmisión de CC para la transmisión de energía a granel:
Opciones de Transmisión
La energía puede ser transmitida utilizando corriente alterna (CA) o corriente continua (CC). Todos los sistemas de energía modernos utilizan CA para generar y entregar electricidad a los clientes a través de líneas de transmisión y luego a través de líneas de distribución hasta donde se necesita. La tecnología ahora existe para usar CC para la transmisión de energía a granel.
La electricidad de CA se convierte en electricidad de CC para la transmisión y luego se convierte de nuevo en electricidad de CA para la distribución a los clientes en la red eléctrica de CA. Se requiere una estación convertidora en cada extremo de la línea para convertir la energía de CA a CC y viceversa para que podamos usar la energía en nuestros hogares, granjas y negocios.
Así que para su uso por el público, la CC tiene que volver a ser CA. Los beneficios de la CC son una mejor eficiencia energética en largas distancias y un menor uso de tierra, como se muestra en el enlace.
Se pueden encontrar declaraciones similares aquí.
Desde el scientific american
A finales del siglo XIX, dos sistemas de electricidad en competencia lucharon por la dominancia en la distribución de energía eléctrica en los Estados Unidos y gran parte del mundo industrializado. La corriente alterna (CA) y la corriente continua (CC) se utilizaron para alimentar dispositivos como motores y bombillas, pero no eran intercambiables.
Una batalla por la red surgía de la Apple y Microsoft de la Era Dorada. Thomas Edison, quien inventó muchos dispositivos que utilizaban energía de CC, desarrolló los primeros sistemas de transmisión de energía utilizando este estándar. Mientras tanto, la CA fue impulsada por George Westinghouse y varias compañías europeas que utilizaron las invenciones de Nikola Tesla para aumentar la corriente a voltajes más altos, facilitando la transmisión de energía a largas distancias usando cables más delgados y baratos.
La rivalidad estuvo llena de acrimonia y trucos publicitarios, como Edison electrocutando un elefante para demostrar que la CA era peligrosa, pero finalmente la CA prevaleció como el estándar de transmisión, reinando durante más de un siglo.
Ahora llega la EMerge Alliance, un consorcio de agencias y grupos industriales que piensan que la CC resurgirá. Con tantos dispositivos electrónicos portátiles y grandes consumidores de electricidad como centros de datos que funcionan con CC, la tecnología puede llenar un nicho en crecimiento mientras reduce el consumo de energía.
Vale la pena leer el artículo.
Los generadores entregan CA y la tecnología finalmente nos dio dispositivos de CA y, por lo tanto, la CA dominó. Parece que esto está cambiando.
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En realidad, la transmisión de corriente continua a veces se utiliza para distancias largas y tiene algunas ventajas sobre la transmisión de corriente alterna (en.wikipedia.org/wiki/…) EDITAR (17/09/2016): Además, las líneas de corriente continua son preferibles para distancias superiores a 800 km (large.stanford.edu/courses/2010/ph240/hamerly1), y las líneas de transmisión de energía más largas son de corriente continua (epcengineer.com/news/post/12191/…)
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Presumo que 'nosotros' se refiere a Estados Unidos aquí. En Europa, usamos HVDC.
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Aspecto interesante mostrado aquí. Nota que es solo $220V$. Como se explica en las respuestas, el voltaje alto es mejor para la transmisión a larga distancia. Ahora imagina arcos como este a diario. En corriente alterna hay un cruce de voltaje cero, por lo que el arco se extingue bien.
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@Mast Bueno, la corriente continua de alta tensión es más común en Europa, pero la mayor parte de la red sigue siendo de corriente alterna. Aunque la corriente continua de alta tensión ciertamente está ganando más popularidad.