Conceptos básicos para instalación eléctrica en baja tensión. Introducción: En el cálculo de las instalaciones eléctricas prácticas ya sea del tipo residencial, comercial o industrial se requiere del conocimiento básico de algunos conceptos de electricidad que permitan entender mejor los problemas específicos que plantean dichas instalaciones. Aquí sólo estudiaremos los conceptos mínimos requeridos para el proyecto de instalaciones eléctricas con un nivel de matemáticas elemental que se reduce a la algebra. Partes componentes de un circuito Todo circuito eléctrico práctico, sin importar que tan simple o que tan complejo sea, requiere de cuatro partes básicas: a) Una fuente de energía eléctrica que puede forzar el flujo de electrones (corriente eléctrica) a fluir a través de un circuito. b) Conductores que trasportan el flujo de electrones a través de todo el circuito. c) La carga que es el dispositivo a los cuales se les suministra energía eléctrica. d) Un dispositivo de control que permita conectar o desconectar el circuito. Circuito Elemental Norma Oficial Mexicana NOM – 001 – SEDE – 1994 ACSR = Cable quebradizo por el alma de acero localizado al centro, se hace más expandible. Corriente Eléctrica Para trabajar con circuitos eléctricos es necesario conocer la capacidad de conducción de electrones a través del circuito, es decir cuantos electrones libres pasan por un punto dado del circuito en un segundo. El cable normalmente utilizado en las instalaciones eléctricas de la casa habitación es del #14. A la capacidad de flujo de electrones libres se le llama Corriente, y se designa con la letra “I”. Voltaje o Diferencia de Potencial Cuando una fuente de energía elétrica se conecta a través de las terminales de un circuito, se crea un exceso de electrones libres en una terminal y una deficiencia en el otro; la terminal que tiene exceso se le llama carga negativa (-) y la que tiene deficiencia carga positiva (+). En la terminal cargada positiva los electrones libres se encuentran más espaceados de lo normal y las fuerzas de repulsión que actuan entre ellos se reducen. Esta fuerza de repulsión es una forma de energía potencial llamada también energía de posición. Los electrones en un conductor poseen energía potencial y realizan un trabajo en el conductor poniendo a otros electrones en el mismo conductor en una nueva posición; es evidente que la energía potencial de los electrones libres en la terminal positiva del circuito es menor de los de la terminal negativa, por lo tanto hay una “diferencia de energía potencial” que es la que hace circular la corriente en el circuito. La unidad básica de la emisión de la diferencia de potencial es el Volt, y en general se le designa con la letra V o E y se mide por medio de aparatos llamados Voltimetros que se conectan con paralelo a la fuente. Concepto de la Resistencia Eléctrica Debido a que los electrones libres adquieren velocidad en su movimiento a lo largo del conductor, la energía potencial de la fuente de voltaje se transforma en energía cinética,es decir energía de movimiento. Antes de que los electrones se desplazen muy lejos se producen colisiones con los iones del conductor; un ión es simplemente un átomo o grupos de átomos que por la pérdida o ganancia de electrones libres adquiere una carga eléctrica. Los iones toman posiciones fijas y dan al conductor metálico su forma característica y como resultado de las colisiones entre los electrones libres y los iones, los electrones libres seden parte de su energía cinética en forma de calor o energía calorífica a los iones. Al pasar de un punto a otro en un circuito eléctrico un electrón que produce muchas colisiones y dada que la corriente es el movimiento de electrones libres, las colisiones se oponen a la corriente, un sinónimo de oponer es resistir de manera que se puede establecer formalmente que la resistencia es la propiedad de un circuito eléctrico de oponerse a la corriente. La unidad de resistencia es el Ohm y se designa con la letra R, el aparato para medirlo es el Ohmetro. Todas las componentes que se usan en los circuitos eléctricos tienen alguna resistencia, siendo de particular interés en las instalaciones eléctricas la resistencia de los conductores. 4 factores afectan la resistencia metálica de los conductores: 1. Su longitud 2. El área o sección transversal 3. El tipo de material del conductor 4. La temperatura Ley de Ohm En 1825 el científico alemán George Simon Ohm realizó experimentos que condujeron al establecimiento de una de las más importantes leyes de los circuitos eléctricos. Tanto la ley como la unidad de resistencia eléctrica llevan su nombre en su honor. Las tres maneras de expresar la ley de Ohm son las siguientes: Resistencia = Voltaje, R = V Corriente I Corriente = Voltaje, I = V Resistencia R Voltaje = Resistencia x Corriente, V = I x R Dado que la ley de Ohm presenta los conceptos básicos de la electricidad, es importante tener práctica en su uso, por esta razón se pueden usar diferentes formas gráficas de ilustrar esta ley simplificando notablemente su aplicación como se presenta en las siguientes figuras: Algunos ejemplos simples permitirán comprender la aplicación y la clasificación de la ley de Ohm 1: Sea el voltaje igual a 30V y la corriente igual a 6A, cuál es el valor de la resistencia. R = V/I = 30V/6A = 5 Omhs 2: Si la resistencia en un circuito eléctrico es 20 Ohms y el voltaje es de 20V, cuál es el valor de la corriente. I = V/R = 100V/20 Ohms = 5A 3: Si el valor de la corriente en un circuito es de 5A y la resistencia es de 20 Ohms, cuál es el voltaje. V = IR = 5A x 20 Ohms = 100V Potencia y Energía Eléctrica En los circuitos eléctricos la capacidad de realizar un trabajo se conoce como la potencia; por lo general se le asigna con la letra P y en honor a la memoria de James Watt que inventó la máquina de vapor, la unidad de potencia eléctrica es el Watt y se designa con la letra W. Para calcular la potencia en un circuito eléctrico se usa la relación P = VI P es la potencia en Watts V es el voltaje o fuerza electromotriz en Volts I es la corriente en Amperes Es común en algunos dispositivos como lámparas, calentadores, secadoras, etc., expresen su potencia en Watts, por lo que en ocasiones es necesario manejar la fórmula anterior en distintas maneras en forma semejante a la ley de Ohm. P = VI, Watts = Volts x Amperes I = P/V, Amperes = Watts/Volts V= P/I, Volts = Watts/Amperes 1: Supóngase que se tiene una lámpara (foco) incandescente conectada a 127V y toma una corriente de 0.47 A, cuál será la potencia de ese foco. P = VI = 127V x 0.47 A = 60W Debido a que la potencia es disipada por la resistencia de cualquier circuito eléctrico es conveniente expresarla en términos de la R de la ley de Ohm, de modo que se sustituye esta expresión en la fórmula P = VI, se obtiene que P = I²R. Se puede derivar otra expresión util para la potencia sustituyendo I = V/R en P = VI, se obtiene que P = V²/R. Así por ejemplo si la lámpara tiene una resistencia de 271.6 Ohms, su potencia se puede calcular a partir de su voltaje de operación como P = 127²/271.6 Ohms = 60W. Cuál es el valor de potencia que consume, y qué corriente circula por una lámpara que tiene una R = 268.5 Ohms y se conecta a una alimentación de 127V. P = V²/R = 127V²/268.5 Ohms = 60W I = V/R = 127V/268.5 Ohms = 0.47 A En una parrilla eléctrica están legibles algunos datos de placa y no se puede leer la potencia, pero cuando se conecta a una alimentación de 127V que manda una corriente de 11.81 A, calcular la R y la P de la parrilla. R = V/I = 127V/11.81 A = 10.75 Ohms P = V²/R = 127V²/10.75 Ohms = 1500W Circuitos en conexión serie Los circuitos eléctricos en las aplicaciones diarias pueden aparecer con sus elementos conectados en distinta forma, una de estas es la llamada conexión serie; un ejemplo de lo que significa una conexión serie en un circuito eléctrico son las llamadas series de navidad que son un conjunto de focos conectados por conductores y que terminan en una clavija. La corriente en estas series circula por un foco después de otro antes de regresar a la fuente de suministro, es decir que una conexión serie circula la misma corriente por todos los elementos. Un circuito equivalente a la conexión serie es el siguinete: Con relación a los circuitos eléctricos conectados en serie se tienen ciertas características: 1: La corriente que circula por todos los elementos es la misma. 2: Si algún elemento se desconecta se interrumpe la corriente en todo el circuito. 3: La magnitud de la corriente que circula es inversamente proporcional a la resistencia de los elementos conectados al circuito y la resistencia total del circuito es igual a la suma de las resistencias de cada uno de los componentes. 4: El voltaje total aplicado es igual a la suma de las caídas de voltaje de los elementos. Calcular la corriente que circula por dos lámparas de 60W conectadas en serie y alimentadas a 112V, cada lámpara tiene una resistencia de 268.5 Ohms. Rt = 268.5 + 268.5 = 537 Ohms I = 127/537 = 0.24 A Circuitos en conexión paralelo La mayoría de las instalaciones eléctricas prácticas tiene sus elementos conectados en paralelo, en la siguiente figura se muestra esta conexión. En el circuito anterior está conectada en subcircuito del total, que conecta a todas las lámparas con la fuente de alimentación. Las características principales de los circuitos conectados en paralelo son: 1: La corriente que circula por los elementos o trayectorias principales es igual a las sumas de las corrientes de los elementos en derivación, también llamadas ramas en paralelo, lo anterior se ilustra en la figura: It = I1 + I2 + I3 = 5 + 6 + 3 = 14 A 2: A diferencia de los circuitos en serie, si por alguna razón hay necesidad de remover o desconectar alguno de los elementos paralelos, esto no afecta a los otros es decir no se interrumpe el flujo de la corriente. Por esto, esta conexión es la que se usa más en las instalaciones eléctricas. Debe observarse que la corriente total que circula por el circuito en paralelo depende del número de elementos que estén conectados. 3: El voltaje de cada uno de los elementos en paralelo es igual al voltaje de la fuente de alimentación. En resumen de las principales características de los circuitos en paralelo se dan en la figura: En la figura siguiente se tiene un circuito alimentado a 127V con corriente alterna además tiene conectado en paralelo los siguientes elementos: una lámpara de 60W, una de 75W, una plancha de de 1500W, y una parrilla eléctrica de 1000W, se desea calcular la resistencia equivalente y la corriente total del circuito. I1 = P/V = 60/127 = 0.47 I2 = 75/127 = 0.59 I3 = 1500/127 = 11.81 I4 = 1000/127 = 7.87 It = 0.47 + 0.59 + 11.81 + 7.87 = 20.75 A R1 = V²/P = 127²/60 = 269 Ohms R2 = 127²/75 = 215 Ohms R3 = 127²/1500 = 10.75 Ohms R4 = 127²/1000 = 16.15 Ohms 1/Rt = 1/269 + 1/215 + 1/10.75 + 1/16.15 = 1/0.163 Rt = 6.123 Ohms Circuitos de conexión serie paralelo Las así llamadas son fundamentalmente una combinación de los arreglos serie y paralelo y de hecho combina las características de ambos. Por ejemplo un circuito típico en serie paralelo se muestra en la siguiente figura: En este circuito las R1, R2, R3 y R4 que están en serie y forma una rama del circuito; las resistencias R5, R6, y R7 también están en serie y forman otra rama del circuito, digamos la rama 2; ambas ramas están en paralelo y la rama resultante está en serie con R1. Esto se puede explicar mejor y con mayor claridad en el siguiente ejemplo. Calcular la corriente total que alimenta al circuito serie paralelo mostrado en la figura con los datos indicados. Para el ramal AB los elementos se encuentran conectados en serie de manera que la resistencia equivalente es Re1 = 4 + 6 = 10 Ohms Para el ramal AC, se tienen las resistencias en serie y la resistencia es Re2 = 3 + 7 = 10 Ohms Ahora se tienen 2 ramas con R de 10 Ohms c/u en paralelo por lo que la R equivalente de las 2 ramas es: 1/Re1 + 1/Re2 = 1/10 + 1/10 = 0.2 R = 5 Ohms El nuevo circuito equivalente es: R = 5 + 5 = 10 Ohms La I total es I = 100/10 = 10 A Concepto de caída de voltaje Cuando la corriente fluye por un conductor, parte del voltaje aplicado se pierde en superar la resistencia del conductor. Si esta pérdida es excesiva y es mayor de cierto porcentaje que fija la norma oficial mexicana, lámparas y algunos otros aparatos tienen problemas en su operación. Por ejemplo, las lámparas incandescentes reducen su brillantez o intensidad luminosa, los motores eléctricos de inducción tienen problemas para erradicar y los sistemas de calefacción reducen su calor producido a la salida. Para calcular la caída de voltaje se puede aplicar la ley de Ohm que se ha estudiado con anterioridad en su forma V = RI. Por ejemplo, si la resistencia de un condcutor es de 0.5 Ohms y la corriente que circula por él es de 20 A, la caída de voltaje o tensión es 0.5 (20) = 10V. Para el caso de los conductores usados en la energía eléctrica se usa la designación norteamericana AWG que señala a cada conductor por un número o calibre y que está relacionado con su tamaño o diámetro. A cada calibre de conductor le corresponde un dato de su resistencia que normalmente está expresado en Ohms/m, lo que permite calcular la resistencia total del conductor como R = r x L, r = resistencia en Ohms/m y L = longitud total del conductor. Por ejemplo la caída de voltaje en un conductor de cobre forrado con aislamiento TW del No. 12 AWG por el que va a circular una corriente de 10 A y que tiene una longitud de 100m., con un valor de resistencia obtenido en tablas de 5.35 Ohms/km se calcula como V = RI, donde la resistencia total es R = r x L r = 5.35 Ohms/km = 0.00532 Ohms/m para L = 100m. R = 0.00532 x 100 = 0.532 Ohms V = 0.532 x 10 = 5.32V 5.32/127 = 0.0448 x 100 = 4.48% debe ser menor al 3% Resistencia en Ohms/km de los conductores No. 14 = 10.1 12 = 6.33 10 = 3.97 8 = 2.51 6 = 1.61 4 = 1.1 2 = 0.535 1/0 = 0.4 Ejemplo: calcular la caída de tensión en el conductor TW del #14 AWG que alimenta a un taladro de 900W a 127V si tiene una longitud de 5m. I = P/V = 900/127 = 7.1 A r = 10.1 Ohms/km del #14 = 0.0101 Ohms/m R = r x L = 0.0101 x 5 = 0.0505 Ohms V = 0.0505 x 7.1 = 0.359V 0.359/127 = 0.0028 x 100 = 0.28% Símbolos en las instalaciones eléctricas Para una fácil interpretación de los circuitos y sus componentes, así como la evaluación e interpretación de planos, se usa los llamados símbolos convencionales; algunos de los más usuales son los siguientes: Salida de centro incandescente Arbotante incandescente interior Arbotante incandescente interperie Arbotante fluorescente interior Lámpara fluorescente Contacto sencillo en muro Contacto sencillo en piso Contacto sencillo controlado con apagador Contacto múltiple en muro Contacto sencillo en interperie Salida especial Apagador sencillo Apagador de puerta Apagador de cadena Apagador de tres vías o de escalera Apagador de 4 vías o de paso Tablero de alumbrado Tablero de fuerza Timbre de campana Zumbador Interruptor de flotador Timbre Ventilador Salida para televisión Registro en muro o losa Teléfono directo Teléfono de extensión Transformador de timbre Tablero de portero eléctrico Teléfono de portero eléctrico Tubería por losa o muro Tubería por piso Tubería para teléfono Cuadro indicador Medidor de energía eléctrica Interruptor termomagnético Fusible Interruptor de navajas de un polo Interruptor de presión para flotador en posición abierta Interruptor de presión para flotador en posición cerrada Sube tubería, se marca número de conductores y el diámetro de la tubería Baja tubería Diagramas de conexión de lámparas, apagadores y contactos En el siguiente diagrama se da la instalación correcta de un foco; se está prescindiendo del porta-alarmas o socket para marcar en forma más clara en que partes debe hacer contacto tanto la fase como el neutro. La fase siempre debe de ir a la parte alta del casquillo, o sea, el punto central y el neutro al casquillo, con lo anterior se evita que al aflojar la lámpara la persona toque accidentalmente el hilo de corriente al hacer contacto con la parte roscada siendo ello peligroso, máxime si se está sobre parte húmeda o buena conductora de la electricidad. Respecto a la posición que las cajas de conexión en que se deban instalar apagadores y contactos hay necesidad de hacer incapié en lo siguiente: La altura de los apagadores en forma general se ha establecido para comodidad de su operación entre 1.20 y 1.35m sobre el nivel de piso terminado. La altura de las cajas de conexión en las que se deban instalar solamente contactos está sujeto a las características ambientales de los locales y es así como se tienen 3 alturas promedio con nivel al NPT completamente definidas. 1. En área o locales secos como se ha hablado en calificar a las salas, comedores, recámaras, cuartos de costura, salones de juego, pasillos, salas de exposición, videotecas, oficinas, salas de belleza, salas de televisión, estancias lugares similares, la altura de los contactos debe ser entre 30 y 50cms. del NPT, logrando con ello ocultar las extensiones de los aparatos eléctricos, electrónicos, lámparas de pie o buró, etc., conectadas de forma natural o definitiva. Se recomienda usar 4 ó 6 tomas por recámara. 2. En locales o áreas con pisos o burós húmedos como lo son cocina, baños, cuartos de lavado y planchado, etc., se debe disponer de 2 alturas promedio para la localización de contactos con respecto al NPT originadas ambas por el servicio específico al que se destinen para evitar en lo posible la humedad en las cajas de conexión. a) En baños: en general es recomendable instalar apagadores y contactos a la misma altura y de ser posible en la misma caja de conexión. b) En cocinas: principalmente en aquellas construcciones económicas que actualmente se conocen como de interés social es común disponer de un solo contacto y este instalarlo en la misma caja de conexión donde se colocan los apagadores. Cuando se dispone de un máximo de dos contactos en cocinas que pueden ser amplias pero en lo que se está previendo disponer de un mínimo de aparatos eléctricos: uno se localiza en la misma caja de conexiones que los apagadores, el restante debe conservar la misma altura como consecuencia de que los dos contactos van a prestar un servicio múltiple. En cocinas de casa habitación con todos los servicios y residencias en general es aconsejable instalar los contactos a dos diferentes alturas con respecto al nivel de piso terminado. 1. Unos contactos a la misma altura de los apagadores, inclusive en las mismas cajas de conexión para prestar servicios múltiples a aparatos eléctricos portátiles. 2. Otros contactos deben localizarse aproximadamente entre 70 y 80cms. de NPT, altura que se considera ideal para ocultar la extensión de los aparatos eléctricos fijos. Ejemplos de conexión de circuitos Conexión de una lámpara controlada con un apagador sencillo indicando la llegada de la línea. Conexión de una lámpara controlada con un apagador sencillo indicando la llegada de la línea, instalado junto a un contacto sencillo. Apagador de escalera de 3 vías Tres vías utilizando puentes comunes Conexión de un timbre con un solo botón de llamada Conexión de un timbre controlado con 2 botones Cálculo de Instalaciones Eléctricas Residenciales El cálculo de las instalaciones eléctricas se efectua por métodos relativamente simples, pero siempre respetando las disposiciones reglamentarias de la NOM – 007 – SEDE – 1999. En este caso la elaboración de planos del sistema eléctrico es un punto de partida para el proyecto de detalle referente a la aplicación en cuanto a simbología, asimbología, técnicas de alumbrado, etc. La determinación de las necesidades de cada una de las áreas que constituyen una casa habitación se puede hacer sobre la base de las necesidades típicas del tipo eléctrico que se deben satisfacer y tomando en consideración los requerimientos específicos de diseño de la casa habitación o de la dependencia encargada de financiar la construcción en el caso de los edificios multifamiliares. Como una idea general de los requerimientos básicos se puede mencionar lo siguiente: • Cocina: por lo general alumbrado incandescente y se deben proveer salidas para contactos en donde se conectarán aparatos eléctricos como refrigerador, microondas, etc.; en cierto tipo de casas habitación se pueden instalar algunos aparatos eléctricos no muy comunes, como son lavadora de platos, procesadora de desperdicios, etc., para los cuales se instalan contactos especiales. • Recámaras: los servicios eléctricos requeridos en las recámaras son alumbrado incandescente y contactos para poner aparatos como planchas eléctricas y en buros como televisores, calefactores eléctricos y aparatos similares, así como salida telefónica. • Baños: los baños tienen salidas para alumbrados general y de espejo, también puede tener un sistema de extracción de aire y existen contactos dobles para conexión de aparatos como secadoras de pelo, rasuradoras, tenazas de peinado, etc. El alumbrado puede ser una combinación de fluorescente e incandescente. • Sala y comedor: se debe tener salidas para alumbrar, esto puede ser por medio de luminarias o candelabros, en algunos casos cierto tipo especial de cortalámparas. Además se requiere de salidas para teléfono en algunos casos y desde luego contactos para conectar aparatos eléctricos como televisores, calentadores, radios, aspiradoras, pulidoras de piso, etc. • Pasillos: se requiere de salidas para alumbrado, contactos para conexión de algunos aparatos como pulidoras, aspiradoras, etc.; aun cuando en todos los lugares en donde existe alumbrado se menciona implícitamente a los apagadores en el caso de pasillos y escaleras es común colocar apagadores de tres vías. • Cuarto de servicios: en casa donde existe el llamado cuarto de servicio se debe disponer en estos de salida para alumbrado, así como contactos para cargas como radio, televisor, plancha, etc. • Patios: cuando disponen de esto, se instala alumbrado tipo exterior con control interno y externo, así como contactos interperie con frecuencia a prueba de agua, para la conexión de elementos como cortadores de césped, taladros, cepillos, se debe disponer también de salidas especiales para conectar bombas para agua y alumbrado a base de spots. En resumen se debe de elaborar un plano de trabajo en donde se debe de indicar las necesidades que tendrá en las distintas áreas sobre alumbrado, contactos, piso, apagadores de tres y cuatro vías, contactos controlados con apagadores, polarizados, arbotantes de pasillo, salidas para TV y teléfonos, alumbrado de jardín, salidas especiales, salidas para intercomunicación. En el plano se debe de indicar el lugar de cada uno de los elementos que formarán la instalación eléctrica residencial, y a partir de esto se hace el llamado proyecto o cálculo de la instalación. Para tener una idea de la capacidad que deben tener los conductores que van a alimentar distintos tipos de carga, se dan a continuación algunos valores de consumo a 127V de alimentación monofásica: Licuadora = 500W Plancha eléctrica = 800 a 1000W Refrigerador = 1000W Tostador de pan = 1200W Secadora de pelo = entre 500 y 1000W Radio = 100W Televisor = 100 a 1000W Aspiradora = 200 a 1000W Pulidora de pisos = 200 a 500W Rasuradora = 20W Reloj eléctrico = 5W Lavadora de ropa = 800W Máquina de coser = 150W Parrilla eléctrica = 750W Extractor de jugos = 300W Cálculo de Carga Una buena instalación eléctrica puede requerir una mayor capacidad en los circuitos. La carga que se calcule debe representar toda la carga necesaria para alumbrar, aplicaciones diversas, es decir contactos y otras cargas como bomba para agua, aire acondicionado, secadora de ropa, etc. Carga de Alumbrado De acuerdo con las especificaciones de las normas oficiales mexicanas, las especificaciones técnicas para instalaciones eléctricas la carga de alumbrado se puede calcular sobre la base de 20 V.A (Watts)/m² de área ocupada. El área del piso se calcula de las dimensiones externas de la casa, edificio o espacio que se considere y por el número de pisos tratándose de casas de más de un piso o edificios con varios departamentos; por lo general las áreas externas: cochera, así como parte de esta densidad de carga. El valor de 20 V.A (Watts)/m² se basa en condiciones media de carga y para factor de protección del 100%, por lo que puede existir casos en que este valor sea excedido y en los que habrá que dimensionar la instalación para que opere en forma segura y eficiente usando conductores de mayor capacidad de conducción de corriente. En aquellos casos que usen lámparas fluorescentes para alumbrado, es necesario que éstas se compren del alto factor de potencia, a fin de evitar usar conductores de mayor sección. La llamada cara continua es un valor de carga cuyo máximo de corriente se espera permanezcan durante 3 ó 4 horas y que está alimentada por lo que se conoce como un circuito derivado, no debe exceder a un 80% de la capacidad de conducción de ese circuito. El braker de 15 A es el más pequeño. En el párrafo anterior mencionamos el concepto “circuito derivado”, se entenderá a los receptores (lámparas, contactos, salidas especiales) y tiene como función principal dividir la carga total conectada en las distintas partes de la instalación, para individualizar los circuitos de manera que cuando ocurra una falla en uno, los otros no se afecten. Ejemplo; para determinar los requerimientos de una instalción residencial típica supóngase que las dimensiones externas de una casa de una planta son 8 x 18m, estas dimensiones se consideran como finales, calcular el número de circuitos para calcular las cargas a 127V. Solución: considerando 20 V.A (W)/m², la carga considerada es W = 8 x 18 x 20 = 2880 V.A (W), la corriente a 127V con alimentación monofásica. I = W/V = 2880/127 = 22.68 A = 23 A Para fines básicos se pueden considerar 23 A. Como la corriente permisible por circuito es de 15 A, el No. de circuitos es: 23/15 = 1.53 = 2 circuitos. El tablero máximo es de 42 circuitos. Cargas de Contactos para Instalaciones Eléctricas Estas cargas no influyen cargas fijas tales como procesadoras de basura, lavatrastes, y aparatos similares, para las cargas normales que se conectan en cocinas, salas, comedor, recámaras, etc., se considera que cada contacto debe ser capaz de soportar cargas hasta de 1500 V.A (W), por lo que se pueden considerar circuitos de 15 A. De acuerdo a lo anterior, en el cálculo de la instalación eléctrica se deben considerar los siguinetes puntos. 1. Determinación de la carga general. 2. Determinación del número de circuitos y división de los mismos en función de las necesidades de la instalación. 3. Que las salidas de alumbrados y de contactos no sean mayores de 1500 V.A (W) que es valor recomendado. 4. La máxima caída de voltaje permisible. 5. Que el material para emplear sea el adecuado en cada caso a las necesidades del proyecto. Circuitos Derivados y Alimentadores Circuito derivado: se define como el conjunto de conductores y de más elementos de cada uno de los circuitos que se extienden desde los últimos dispositivos de protección contra sobrecorriente en donde termina el circuito alimentador hasta la salida de la carga. Los circuitos derivados que alimentan varias cargas pueden ser 15, 20, 30 y 40 A. Cuando las cargas individuales son mayores de 50 A se deben alimentar con circuitos derivados individuales. Los circuitos derivados de 15 y 20 A se pueden usar en cualquier tipo de local para alimentar unidades de alumbrado o aparatos portátiles o fijos y los de 30 A se pueden usar en unidades de alumbrado fijas en locales que no sean casa habitación. Los circuitos derivados individuales pueden alimentar cualquier tipo de carga en todo tipo de local. Se recomienda que las fotolámparas que se conecten a circuitos derivados de más de 20 A sean del tipo de servicio pesado, y se consideran a los que tienen una capacidad mayor de 60 W, para los contactos se recomienda que un contacto único conectado a un circuito derivado individual tenga una capacidad nominal no menor que la del mismo circuito. La carga de alumbrado que se debe usar en los cálculos de circuitos derivados para determinar el número necesario de circuitos, debe ser mayor que los valores obtenidos usando: a) La carga actual b) Una carga mínima en W/m² c) En el caso general la carga de alumbrado debe considerarse igual al 100% de la carga conectada al circuito. En casas habitación y cuartos de hotel para efectos de cálculo se debe asignar una carga mínima de 125 V.A (W) por cada salida de alumbrado y de 180W mínimo a cada uno de los contactos. Como una idea de la carga para una casa habitación pueden estimar las siguientes cargas para cada una de las áreas, considerando un alumbrado normal de los servicios necesarios: Sala: de 1000 a 2000W Comedor: 500 a 1000W Recámaras: 500 a 1000W Cocina: 1000 a 2500W Baño: 400 a 500W Exteriores y jardín: 1000 a 1500W En todos los casos se debe respetar las cargas máximas permisibles ya que los alimentadores están limitados a la potencia que pueden suministrar a una carga a su corriente nominal y voltaje especificado. Por ejemplo; un alimentador de 127V y 15 A puede alimentar una carga máxima de 1905W. La norma permite únicamente 15 o 20 A por circuito derivado para alimentar unidades de alumbrado. En ciertos casos se requiere determinar el número de circuitos derivados necesarios para alimentar una carga dada. El número de circuitos derivados que queda determinado por la carga es Número de circuitos = Carga total en W / capacidad de cada circuito en W; así por ejemplo un circuito de 15 A, 127V tiene una capacidad de 1905W, si el circuito está dimensionado para 20 A, su capacidad es de 2540W. Ejemplo, calcular el número de circuitos derivados de 15 A para alimentar una carga de alumbrado de 8000W a 127V. Sol. Como 15 A = 127V, la capacidad del circuito derivado es 1905W, el número de circuitos es 4.2 circuitos, o sea 5 circuitos. Suponiendo que se conocen el número y potencia probable de las lámparas y que estas van a ser 80 lámparas de 100W, para calcular el No. de lámparas por circuito se pueden usar los siguientes métodos: a) Cuando se conocen los Watts por lámpara, y se ha determinado la capacidad por circuito, el No. de lámparas por circuitos es: Capacidad / W x lamps. = 1905/100 = 19 lamps/circuito b) Otro método puede ser usado para verificar el problema y se parte de la consideración de que cada circuito sólo tiene capacidad para 15 A, la corriente que demanda cada lámpara de 100W a 127V es: I = 100/127 = 0.79 A. El circuito puede alimentar entonces de 15 A/0.79 A = 19 lamps/circuito. Conductores Alimentadores Se entiende como circuito alimentador al conjunto de los conductores y demás elementos de un circuito. Los conductores de los circuitos alimentadores deben tener una capacidad de corriente no menor que la correspondiente a la carga por servir. El calibre de los conductores alimentadores no debe ser menor al 8 AWG en los siguientes casos: 1. Cuando un alimentador bifilar alimente a 2 o más circuitos. 2. Cuando un alimentador trifilar abastesca a 3 o más circuitos. El cálculo de los alimentadores se hace de acuerdo con los siguientes conceptos: 1. Demanda máxima: se puede calcular sumando las cargas de los circuitos derivados que estarán alimentados por él efectuando en el siguiente factor de demanda en el caso de casas habitación. Primeros 3000W o menos al 100%. Exceso sobre 3000W al 35%. Para hoteles, primeros 20,000W al 100%. Exceso sobre 20,000 al 40%. Para edificios de oficinas o escuelas. Primeros 20,000W o menos al 100%. Exceso sobre 20,000W al 70%. Para otros locales carga total de alumbrado general al 100%. Con respecto a las tomas no consideradas en la carga de alumbrado, la carga de estos contactos de uso general en cualquier tipo de local con un mínimo de 180 V.A (W) por salida que puede sumarse a la carga de alumbrado y sujetarse a los mismos factores de demanda anteriores. Para determinar el tamaño o capacidad de un circuito alimentador, se determina la carga a partir de este dato se calcula el tamaño o capacidad de conducción del conductor, así como la capacidad del dispositivo de protección. Con el siguiente ejemplo de cálculo con la capacidad de un alimentador y su protección contra sobrecorriente se muestra el procedimiento para el cálculo de alimentadores para tomas mixtas de alumbrado y contactos ; en este caso el alimentador suministra cargas a 127V una fase: El área de una casa habitación de dos plantas con 120m² de área y 10 contactos dobles a 127V para usos especiales. Solución: la carga de alumbrado considerando también los contactos de uso general y una densidad de carga 20 W/m² es W1 = 120 x 20 = 2400W. De acuerdo a lo visto anteriormente se pueden considerar los contactos para usos especiales con una capacidad de 180 W c/u y un factor de demanda del 100% por lo que la carga por este concepto es W2 = 10 x 180 = 1800W. La carga total conectada es Wt = W1 + W2 = 4200W. La carga total en amperes I = 4200/127 = 33.07 A = 40 A = #8 33.07/0.8 = 41.33 = 40 A. Instalaciones Eléctricas en Edificios de Vivienda La parte anterior que está dirigida al cálculo de las instalaciones eléctricas en casas habitación en esta parte se trata el problema en edificios de más de un departamento. Ahora se hará un estudio más detallado de las técnicas usadas para la instalación eléctrica de alimentación a los departamentos y algunos otros servicios que tengan los edificios de vivienda. El cálculo de circuitos derivados y alimentadores para edificios con varios departamentos o unidades habitacionales no difiere esencialmente de los métodos empleados para las casas individuales; si se considera para cada departamento se calcula como si se tratara de una casa habitación individual y al conjunto de departamentos se les considera como cargas individuales desde el punto de vista del cálculo de la instalación eléctrica del edificio. Es común encontrar también otras cargas eléctricas en edificios múltifamiliares como son: alumbrado de pasillos, alimentación, bombas para agua, lavandería, pequeños locales comerciales, etc. Esto hace que la capacidad o carga total del edificio sea tal que se necesita alimentar en forma trifásica en lugar de monofásica. Existen dos métodos para el cálculo del servicio de alimentadores para departamentos, uno se conoce como el método normal y el otro es un método opcional, aplicando cuando la carga total sea de más de 100 A y alimentación trifásica. Para calcular el circuito derivado de un departamento individual o bien de un conjunto de departamentos, el primer problema de diseño es determinar el número y capacidad de los circuitos derivados. Se puede considerar la carga mínima para alumbrado basada en las cargas de los departamentos calculados sobre la base de 20 W/m²; para las áreas de circulación como son pasillos y escaleras se asigna una carga de 3 W/m² para alumbrado general; y de aquí se obtiene los circuitos necesarios para alumbrado. Con el criterio de usar 20 W/m² para los departamentos igual que con las casas habitación, para un área de departamentos de 400 m² se requerirá una capacidad de 8000W, esta capacidad se debe suministrar con circuitos de 15 o 20 A a 127V que deben tener una capacidad en circuitos de 15 A = 1905W, y en 20 A = 2540W. Para alimentar la carga de 8000W con circuitos de 15 A se requieren de Capacidad en Watts / Capacidad de Circuitos de 15 A = 8000 / 1905 = 4.2 = 5 Además se deben proveer otros circuitos derivados como son contactos especiales para lavadoras, secadoras, etc. Ejemplo: calcular los circuitos derivados para un conjunto de departamentos de 200 m² de área y 12 KW adicionales de carga para otros servicios como bomba para agua, alumbrado de pasillos, cuarto de lavado. Se usará alambre TW de cobre y se considera que se pueden usar circutos derivados de 15 A. Solución: el número de circuitos derivados de 15 A a 127V es: 20 W/m² x 200 = 2.10 15 A x 127 V Se pueden usar 3 circuitos de 15 A. Para los servicios adicionales de 12 KW 12,000 / 15 x 127 = 6.30 Se usan 7 circuitos Cálculo de alimentadores por el método standard Para cada departamento el alimentador de la carga para dar a los circuitos derivados y la carga base por circuito a 127V, si la corriente es de 15 A, la carga base de circuitos es de 1905 W. Para la carga total se aplica un factor de demanda debido a la no simultaneidad de las cargas de alumbrado y contactos en los distintos departamentos de un edificio, así como los circuitos derivados para cargas pequeñas de contactos especiales para aplicaciones específicas en algunos casos. Por ejemplo: para un departamento de 180 m² de superficie es de 20 W/m² x 180 = 3600 W; circuitos de influencia especial (2 x 1905) = 3810; carga total conectada de 7410 W. Para calcular la corriente máxima calculada del departamento es necesario aplicar los factores de demanda y decir, los primeros 3000 W se les considera al 100%, y después al exceso se le considera sobre un 35%. Primeros 3000W al 100%, los restantes 4410 al 35% de la demanda de carga 3000 W = 1543.5 W = 4543.5 W. Y como se observa es menor que la carga total conectada de 7410 W. El valor de la demanda de la carga sirve de la base para el cálculo de alimentadores a cada departamento del conjunto. Ejemplo: cálculo para 20 departamentos considerando que cada uno tiene las siguientes cargas: área para alumbrado de 120 m², dos salidas especiales de 1.2 KW, el edificio se alimenta con un servicio trifásico de 220/127V con conductor TW; para el servicio del edificio se consideran 4 motores de 3Hp para el servicio de las bombas para agua. Solución: la carga total es: 120 x 20 W/m² x 20 dptos. = 48,000 W La carga para salidas especiales para 1.2 KW (2 dpto.) = 2.4 x 20 = 48,000 W Los motores trifásicos para el servicio de las bombas para agua, demandan cada uno, una corriente a 220V de I = Hp x 746 (Watts en caballos) / V x 3 I = 3 x 746 / 220 x 1.732 = 5.87 A x 4 = 23.49 A La potencia total que demandan los motores = 4 x 3Hp x 746 = 8952 W x 60 = 5372 W. Carga total conectada: 48,000 + 48,000 + 8952 = 104,952 W = 105 KW Aplicando factores de demanda, primeros 3000 W al 100% = 3000 W, el resto al 35% 104,952 – 3000 = 101,952 x 0.35 = 35,683.2 W, carga para el cálculo = 3000 + 35,683 = 38,683 W 3 fases a 220V para alimentar la carga de motores de 8952 + el resto de alumbrado y servicios especiales se debe balancear entre fase y neutro. El alimentador general es para la carga aplicando los factores de demanda de 3000 + 35,683 = 38,863 W La I que demanda el alimentador general, I =38,863 / 3 x 220 = 101.5 A = 102 A #2 – 120 A La carga conectada correspondiente a los 20 departamentos es de 48,000 + 48,000 = 96,000 W. La carga conectada de fase a neutro de forma equilibrada sería 96,000 / 3 = 32,000 W/circuito Como son 20 departamentos y la carga conectada por dpto. es de 20 W/m² x 120 m² + 2 (tomas específicas) x 1200 = 4800 W Por cada fase se alimentan 32,000 / 4800 = 6.67 dptos. Como no es posible tener fracciones por departamento, se presenta que una fase alimenta a 6 dptos. 28,800 W + 5372 = 34,172 W, dos fases, 7 dptos. 67200 W. El despalme de fase sería entonces 33,600 – 34,172 / 34,172 = 0.0167 x 100 = 1.67 % Datos relativos a las instalaciones de edificios de viviendas Acometidas a edificios: se recomienda que sea preferentemente por cable subterránea, procurando que la distancia entre el punto de conexión de la alimentación de la compañía suministradora y el interruptor principal de la instalación del edificio sea pequeña para evitar caídas de voltaje innecesarias. En caso de edificios grandes se debe tomar en consideración los lugares para las instalaciones telefónicas y de televisión. Disposición de los medidores de energía eléctrica: en las instalaciones eléctricas para viviendas, los medidores instalados por la compañía suministradora se deberán localizar en la planta baja o sótano del edificio en un lugar destinado para jardín y juntos, es decir en forma centralizada. Alumbrado en pasillos y escaleras: en la instalación eléctrica para alumbrado de escaleras en los accesos a los departamentos, es conveniente instalar interruptores automáticos de escalera con apagadores pulsadores por medio de los cuales se acciona el alumbrado apagándose automáticamente después de cierto tiempo; estos apagadores pueden tener posibilidad de quedar permanentemente conectados para las ocasiones en que se requieran del servicio continuo. La alimentación de este alumbrado se hace del interruptor de servicios propios del edificio. Instalación eléctrica para el sistema de bombeo de agua a los tinacos superiores En edificios de departamentos es necesario suministrar agua a varias edificaciones habitacionales individuales, es decir el problema del bombeo de agua a una casa habitación se multiplica sólo que no se bombea agua en forma individual, más bien se hace a conjunto de recipientes o tinacos de los cuales se alimentará a los departamentos, por lo que los motores de las bombas deberán tener capacidad para llevar el agua desde la cisterna inferior hasta la altura correspondiente. La alimentación a los motores de las bombas se hace desde el sistema de servicios del edificio mediante un circuito individual por motor. Tablero de distribución por departamento Instalaciones en grandes edificios de viviendas La tendencia en los últimos años de las grandes ciudades es construir edificios multifamiliares con un elevado número de departamentos y en consecuencia tienen elevada demanda de servicios con requerimiento de energía eléctrica elevada también para alimentar alumbrado, bombeo de agua, elevadores, clima acondicionado. Por lo tanto una diferencia importante puede ser el voltaje de alimentación que en lugar de ser a baja tensión como en donde se alimentan cargas pequeñas, se debe hacer con media tensión para alimentar cargas mayores, es decir se requiere de una subestación eléctrica cuya ubicación puede ser en un sótano o planta baja del edificio. Lo mínimo manejado es de 13,200V en un transformador. Subestación tipo: diferentes medidas. Cuando se trata de grandes edificios es común que la parte superior de los mismos se encuentran grandes cargas como por ejemplo motores para elevadores, equipos de calefacción y aire acondicionado que por conveniencia deben tener la energía tan cerca como sea posible, por los que con frecuencia se instalan también subestaciones en los pisos superiores. Por lo general estas subestaciones constan de 3 secciones: una denominada de alta tensión, otra de transformación que de hecho es el transformador reductor de voltaje y una sección de baja tensión que contiene a los gabinetes de los interruptores principales y de carga alimentadora. Un tipo de subestación muy usado en grandes edificios por departamentos, en edificios de centros comerciales y en industrias pequeñas o ciertas áreas industriales es la llamada subestación compacta, subestación unitaria cuya presentación es en forma de paquete a base de módulos o gabinetes. En la figura siguiente se muestra una de estas subestaciones: Diagrama Unifilar Em = Equipo de Medición A = Acometida de la cia. Suministradora I = Interruptor alta tensión T = Transformador TM = Interruptores Termomagnéticos Sistemas de Alimentación A diferencia de los edificios con un número de departamentos relativamente reducido, el tipo de alimentación a edificios con gran número de viviendas o departamentos depende principalmente de: a) Las dimensiones del edificio. b) La magnitud de la carga. c) La longitud de los alimentadores y la distribución de los departamentos. De acuerdo con estos factores se distinguen dos tipos de sistemas: 1. Alimentación vertical (para los alimentadores principales). 2. Alimentación horizontal para la alimentación de cada piso. A continuación se describen algunos de los tipos más comunes de sistemas de alimentación en grandes edificios: a) Sistemas de alimentación con abastecedor principal continuo: Este tipo de alimentación es relativamente económico y se usa en aquellas instalaciones en donde sea aceptable una cierta inseguridad en el suministro de la energía eléctrica, ya que el incoveniente de que en caso de que el alimentador principal falle, entonces se afecta el suministro a todos los pisos del edificio. Además de llevar el alimentador principal prácticamente el total de la carga requiere de conductores de gran sección y su montaje además de costoso se dificulta. Tiene la ventaja de que su construcción es relativamente sencilla, se puede compensar las cargas de los distintos pisos y no requiere de instalaciones complicadas en baja tensión. Alimentador principal continuo b) Sistema de alimentación con abastecedores por grupos: Este sistema es una variante del anterior pero ofrece ventajas en cuanto a continuidad de alimentación, ya que cada alimentador abastece departamentos por grupos o por pisos, de manera que en caso de falla de algún alimentador sólo afecta a los departamentos de un grupo o bien a los distintos pisos de un grupo. Por ser de menor sección los conductores de cada alimentador, su instalación es más sencilla. Este sistema tiene el incoveniente de que las diferentes cargas de cada piso se balancean o compensan sólo dentro de cada uno, también se requiere mayor número de conductores al haber mayor número de circuitos. Alimentadores por grupos c) Sistemas de alimentación con abastecedores individuales: Las principales ventajas de este sistema son que en caso de falla en un alimentador, estas sólo afecta al piso correspondiente por ser menor la sección de los conductores de los alimentadores su montaje es más sencillo; su uso es recomendable en edificios donde los medidores, se localizan en un punto central, como es el caso de la mayoría de los edificios de departamentos. El sistema tiene la desventaja de que sólo se balancean o equilibran las cargas de cada piso, por lo que los conductores se calculan para las cargas máximas de cada piso, su montaje es costoso y requieren usar tubo conduit, conductos con suficiente espacio para alimentar al conjunto de abastecedores. Alimentadores individuales d) Sistemas de alimentación en anillos Este sistema de alimentación se usa en grandes edificios, no sólo para viviendas en general sino para otro tipo de uso: tiene la gran ventaja sobre los anteriores de que ofrecen gran seguridad en la alimentación, se dimensionan los alimentadores adecuadamente y además en caso de falla se pueden seccionar, manteniendo en operación, ya que sólo se desconecta la parte que tiene falla; los alimentadores son de menor sección que en los casos anteriores. Además el sistema requiere también de pocas instalaciones en baja tensión con número reducido de salidas. Alimentación en anillo Instalación de Elevadores En los edificios de departamentos con bastantes pisos y en donde existe también un elevado número de departamentos, es obligatorio instalar elevadores. En general se dice que los elevadores o asensores son medios de transporte para desplazar verticalmente objetos o personas en el interior de edificios de viviendas o bien de oficinas y se clasifican de las siguientes categorías: Categoría A: para transporte de personas. Categoría B: para transporte de personas acompañadas de objetos. Categoría C: para transporte de personas acompañadas de objetos con cabina accesible para operaciones de carga y descarga. Categoría E: con cabina múltiple para movimiento continuo para transportar personas. * Categoría D: montacargas En edificios de viviendas u oficinas se instalan los llamados elevadores o asensores de manera universal en los cuales el mando se puede efectuar ya sea en la cabina o en el piso de espera. El número de elevadores necesarios así como su tamaño, fuerza de tracción y velocidad depende de la densidad de tráfico de personas y de su finalidad. Por ejemplo en un edificio de diez pisos se pueden usar uno o dos elevadores con una velocidad de 1.2 a 1.5m/s y una fuerza de tracción de 4410 a 5880N, en tanto que si se trata de un edificio de oficinas con el mismo número de pisos se pueden usar hasta cuatro elevadores con velocidades de 1.2 a 1.8m/s y con la misma fuerza de tracción. Desde el punto de vista del servicio y de las instalaciones es conveniente localizar los elevadores en un lugar centralizado en lugar de distribuirlos en distintos puntos del edificio. El tamaño de la cabina o caja del elevador se determina tomando en consideración la capacidad de carga expresada en kilogramos, velocidad, tipo de puerta de la cabina y disposición del llamado contrapeso además de la información que proporcione el fabricante. Bibliografía: Instalaciones Eléctricas Ing. Becerril Diego Onésimo El ABC de las Instalaciones Eléctricas Ing. Gilberto Enríquez Harper Instalaciones Eléctricas Prácticas
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