miniaturadaimagem| Formato de onda de 230 V / 50 Hz, em comparação com 120 V / 60 Hz A frequência elétrica é a frequência nominal das oscilações de corrente alternada (CA) em uma rede síncrona de transmissão de uma usina elétrica ao consumidor. Na maior parte do mundo, a frequência é de 50 Hz, embora em boa parte das Américas e em alguns países da Ásia essa frequência tipicamente seja de 60 Hz. O uso atual por país ou região é fornecido na lista de eletricidade doméstica por país .
Durante o desenvolvimento de sistemas comerciais de energia elétrica no final do século XIX e início do século XX, muitas frequências e tensões diferentes foram usadas. O grande investimento em equipamentos com determinada frequência tornou a padronização um processo lento. No entanto, na virada do século XXI, os lugares que agora usam frequência de 50 Hz tendem a usar 220-240 V, e aqueles que agora usam 60 Hz tendem a usar 100-127 V, salvo exceções, dentre elas o Brasil, que usa frequência unificada em 60 Hz e duas tensões - 127 V e 220 V. Ambas as frequências coexistem hoje (o Japão usa ambas) sem grandes razões técnicas para preferir uma sobre a outraA.C. Monteith, C.F. Wagner (ed), Electrical Transmission and Distribution Reference Book 4th Edition, Westinghouse Electric Corporation 1950, page 6 e nenhum desejo de realizar uma padronização mundial completa.
Na prática, a frequência exata da rede elétrica varia em torno da frequência nominal, reduzindo-se quando a rede está fortemente carregada e acelerando-se quando levemente carregada. No entanto, a maioria das concessionárias ajusta a frequência da grade ao longo do dia para garantir um número constante de ciclos. Isso é usado por alguns relógios para manter o tempo com precisão.
Fatores operacionais Vários fatores influenciam a escolha da frequência em um sistema de corrente alternada.B. G. Lamme, The Technical Story of the Frequencies, Transactions AIEE January 1918, reprinted in the Baltimore Amateur Radio Club newsletter The Modulator January -March 2007 iluminação, motores, transformadores, geradores e linhas de transmissão têm características dependentes da frequência de energia. Todos esses fatores interagem entre eles e tornam a seleção de uma frequência de potência uma questão de considerável importância. A melhor frequência é um compromisso entre requisitos contraditórios.
No final do século XIX, os projetistas costumavam escolher uma frequência relativamente alta para sistemas com transformadores e luzes a arco voltaico, para economizar em materiais de transformadores e reduzir a oscilação visível das lâmpadas, mas escolhiam uma frequência mais baixa para sistemas com longas linhas de transmissão ou que alimentavam principalmente cargas de motores ou conversores rotativos para produzir corrente contínua . Quando as grandes centrais geradoras tornaram-se viáveis, a escolha da frequência foi feita com base na natureza da carga pretendida. Eventualmente, melhorias no projeto das máquinas permitiram que uma única frequência fosse usada tanto para iluminação quanto para motores. Os sistemas unificados melhoraram a economia da produção de eletricidade, uma vez que a carga do sistema tornou-se mais uniforme durante o curso do dia.
Iluminação As primeiras aplicações da energia elétrica comercial foram a iluminação com lâmpadas incandescentes e os motores elétricos do tipo comutador. Ambos os dispositivos operam bem em corrente contínua, mas a corrente contínua não podia ser facilmente alterada em voltagem (o que na corrente alternada se resolve com transformadores) e geralmente era produzida apenas na voltagem de utilização requerida na rede.
Se uma lâmpada incandescente for operada com uma corrente de baixa frequência, o filamento esfria a cada meio ciclo da corrente alternada, levando a uma mudança perceptível no brilho e causando tremulação das lâmpadas; o efeito é mais pronunciado com lâmpadas a arco voltaico, e com tecnologias posteriores, tais como as lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas fluorescentes. As lâmpadas de arco aberto emitiam um zumbido audível na corrente alternada, levando a experimentos com alternadores de alta frequência para elevar o som acima da faixa da audição humana.
Máquinas rotativas Os motores do tipo comutador não funcionam bem em corrente alternada de alta frequência, porque as mudanças rápidas de corrente são opostas pela indutância do campo do motor. Embora os motores universais do tipo comutador sejam comuns em eletrodomésticos e ferramentas elétricas CA, eles são de menor potência elétrica, com menos de 1 kW. Verificou-se que o motor de indução funciona bem em frequências entre 50 e 60 Hz, mas com os materiais disponíveis na década de 1890 não funcionaria bem com uma frequência de 133 Hz. Existe uma relação fixa entre o número de polos magnéticos no campo do motor de indução, a frequência da corrente alternada e a velocidade de rotação; portanto, uma determinada velocidade-padrão limita a escolha da frequência e vice-versa. Depois que os motores elétricos CA tornaram-se comuns, era importante padronizar a frequência para garantir a compatibilidade com o equipamento do consumidor.
Os geradores operados por motores alternativos de baixa velocidade produzirão frequências mais baixas, para um determinado número de polos, do que aqueles operados por exemplo, uma turbina a vapor de alta velocidade. Para velocidades muito baixas em motores primários, seria caro construir um gerador com polos suficientes para fornecer uma alta frequência em CA. Além disso, a sincronização de dois geradores com a mesma velocidade era mais fácil em velocidades mais baixas. Embora os acionamentos por correia fossem comuns como uma maneira de aumentar a velocidade dos motores mais lentos, em potência muito grandes (milhares de quilowatts), eles eram caros, ineficientes e não confiáveis. Após 1906, os geradores acionados diretamente por turbinas a vapor favoreceram frequências mais altas. A velocidade de rotação constante das máquinas de alta velocidade permitiu a operação satisfatória dos comutadores em conversores rotativos.B. G. Lamme, The Technical Story of the Frequencies, Transactions AIEE January 1918, reprinted in the Baltimore Amateur Radio Club newsletter The Modulator January -March 2007 A velocidade síncrona N em RPM é calculada usando a fórmula:
onde f é a frequência em Hertz e P é o número de polos. + Velocidades síncronas de motores em CA para algumas frequências atuais e históricas Polos RPM a 133,33 Hz RPM a 60 Hz RPM a 50 Hz RPM a 40 Hz RPM a 25 Hz RPM a 16,7 Hz 2 8.000 3.600 3.000 2.400 1.500 1.000 4 4.000 1.800 1.500 1.200 750 500 6 2.666,7 1.200 1.000 800 500 333,3 8 2.000 900 750 600 375 250 10 1.600 720 600 480 300 200 12 1.333,3 600 500 400 250 166,7 14 1142,9 514,3 428,6 342,8 214,3 142,9 16 1.000 450 375 300 187,5 125 18 888,9 400 333,3 266,7 166,7 111,1 20 800 360 300 240 150 100 A energia em corrente contínua não foi totalmente substituída pela corrente alternada, mantendo-se útil em sistemas metroviários e ferroviários, assim como para processos eletroquímicos. Antes do desenvolvimento de retificadores de válvulas de arco de mercúrio, conversores rotativos eram usados para produzir energia em corrente contínua a partir da corrente alternada. Como outras máquinas do tipo comutador, elas funcionavam melhor em frequências mais baixas.
Transmissão e transformadores Com a CA, os transformadores podem ser usados para reduzir as altas tensões de transmissão e reduzir a tensão para utilização pelos consumidores finais. O transformador é efetivamente um dispositivo de conversão de tensão sem partes móveis e exigindo pouca manutenção. O uso de corrente alternada eliminou a necessidade de geradores de motores de conversão de tensão CC que requerem manutenção e monitoramento regulares.
Como, para um determinado nível de potência, as dimensões de um transformador são aproximadamente inversamente proporcionais à frequência, um sistema com muitos transformadores seria mais econômico a uma frequência mais alta.
A transmissão de energia elétrica em linhas de longa extensão é favorecida na operação com frequências mais baixas. Os efeitos da capacitância distribuída e da indutância da linha são menores em baixa frequência.
Interconexão de sistemas Os geradores só podem ser interconectados para operar em paralelo se tiverem a mesma frequência e formato de onda. Ao padronizar a frequência usada, os geradores em uma área geográfica podem ser interconectados em uma rede de transmissão, proporcionando maior confiabilidade e redução de custos.
História direita|miniaturadaimagem| As frequências elétricas em uso no Japão: (leste e norte) e (oeste e sul) Muitas frequências elétricas diferentes foram usadas no século XIX.Fractional Hz frequencies originated in the 19th century practice that gave frequencies in terms of alternations per minute, instead of alternations (cycles) per second. For example, a machine which produced 8,000 alternations per minute is operating at cycles per second.
Os esquemas iniciais de geração de energia em corrente alternada isolados usavam frequências arbitrárias com base na conveniência de projetos de utilização de motores a vapor, turbinas hidráulicas e geradores elétricos. Frequências entre 16,7 Hz e 133,3 Hz foram utilizados em diferentes sistemas. Por exemplo, a cidade de Coventry, na Inglaterra, em 1895, possuía um sistema único, monofásico com frequência de 87 Hz, que esteve em uso até 1906.Gordon Woodward, City of Coventry Single and Two Phase Generation and Distribution, https://web.archive.org/web/20071031063316/http://www.iee.org/OnComms/pn/History/HistoryWk_Single_&_2_phase.pdf 30 de outubro de 2007 A proliferação de frequências surgiu do rápido desenvolvimento de máquinas elétricas no período de 1880 a 1900.
Embora existam muitas teorias e muitas lendas urbanas, há pouca certeza nos detalhes da história da "guerra" entre as frequências de 60.Hz e 50 Hz.
A empresa alemã AEG (sucessora de uma empresa fundada por Edison na Alemanha) construiu a primeira instalação geradora alemã com 50 Hz. Na época, a AEG possuía um monopólio na prática e seu padrão se espalhou para o resto da Europa. A decisão por essa frequência se deu após a observação do piscar das lâmpadas que funcionavam no sistema de 40 Hz operada durante a Exposição Internacional de Eletricidade, a AEG elevou sua frequência padrão para 50 Hz em 1891.
A Westinghouse Electric decidiu pela padronização com uma frequência mais alta para permitir a operação de motores elétricos de iluminação e de indução num mesmo sistema de geração. Embora os 50 Hz fossem adequados para ambos, em 1890 a Westinghouse considerou que o equipamento de iluminação a arco voltaico existente operava ligeiramente melhor em 60 Hz e, portanto, essa frequência foi escolhida. A operação do motor de indução de Tesla, licenciado pela Westinghouse em 1888, exigia uma frequência mais baixa que a de 133 Hz, comum para sistemas de iluminação na época. Em 1893, a General Electric Corporation, afiliada à AEG na Alemanha, construiu um projeto de geração em Mill Creek para levar eletricidade a Redlands, Califórnia, usando 50 Hz, mas alterou para 60 Hz um ano depois, para manter a participação de mercado com o padrão estabelecido pela Westinghouse.
As origens do padrão de 25 Hz