CALCULOS Y FORMULAS ELECTRICOS UTILES

En este documento se recopilan algunas fórmulas útiles en cálculos eléctricos típicos para

diseñar sistemas con motores, bombas, ventiladores, etc. Tambien se plantean algunos

criterios básicos para el diseño de instalaciones eléctricas industriales.

Transportadores

Para ventiladores y sopladores

Efecto de la velocidad en potencia

Para bombas

Gravedad específica del agua = 1,0

1 ft3 por seg = 448 GPM

1 PSI = Es la altura de 2.309 ft de agua pesando 62,36 lb/ft3 a 62 ºF

Bombas de desplazamiento constante

Efecto de la velocidad en la potencia (hp)  = k x velocidad (RPM)

La potencia y capacidad varían directamente con la velocidad.

Las bombas de desplazamiento bajo calor constante requieren un par aproximadamente

constante en todas las velocidades.

Bombas centrífugas

Efecto de la velocidad en la potencia de frenado de entrada

Eficiencia de bombas centrífugas

 500 a 1000 gal/min = 70 % a 75 %

1000 a 1500 gal/min = 75 % a 80 %

Mayor que 1500 gal/min = 80 % a 85 %

La eficiencia de las bombas puede variar entre un 50 % y un 80 % dependiendo del tamaño

de las bombas.

Potencia requerida

Potencia en circuitos DC

Potencia en circuitos AC

Kilovoltio-amperios

Kilovatios (kW)

Circuitos AC trifásicos

Bibliografía

         Variable frequency drives. Energy Efficiency Reference Guide. Natural Resources Canada

Guía de cálculo para procesos con bombas centrífugas

Las bombas centrífugas son equipos omnipresentes en la vida diaria, y conocer la ingeniería de su funcionamiento proporciona interesantes oportunidades para la mejora de los procesos. En muchos artículos hemos incluido recopilaciones diversas que ayudan a entender estas máquinas (VerCalculadores y utilidades de fluidos, Calculadores gratuitos para diseños con bombas,  Calculadores gratuitos de eficiencia energética en bombas y Artículos sobre transporte de fluidos).

En esta ocasión vamos a exponer en detalle pero de forma sencilla aquellas ecuaciones de ingeniería que nos permiten calcular en detalle los procesos en los que trabajamos con bombas centrífugas. Como siempre, evitaremos exposiciones teóricas complejas y buscaremos la simplificación de los cálculos que permiten determinar las variables del proceso con facilidad.

1)      Punto de mejor eficiencia (BEP)

Una bomba no convierte completamente la energía cinética a energía de presión. Alguna energía es siempre perdida interna y externamente en la bomba.

Pérdidas internas

Pérdidas hidráulicas – Fricción del disco en el impulsor, pérdidas debidas al rápido cambio en dirección y velocidades a través de la bomba.

Pérdidas volumétricas – recirculación interna en anillas y cojinetes desgastados.

Pérdidas externas

 Pérdidas mecánicas – fricción en sellos y rodamientos.

La eficiencia de la bomba en el punto de diseño es normalmente máxima y se llama el Punto de Mejor Eficiencia (Best Effciency Point – BEP).Es posible operar la bomba a otros puntos distintos que el BEP, pero la eficiencia de la bomba siempre será más baja que en BEP.

2)      Cálculo de la potencia de una bomba

La potencia hidráulica ideal de una bomba hidráulica depende del caudal, de la densidad del líquido y de la altura diferencial.

La elevación estática de una altura a otra, puede calcularse:

Ph = q ρ gh / (3,6 106)

Donde:

Ph = Potencia eléctrica (kW)

q = Capacidad de caudal (m3/h)

 ρ = Densidad del fluido (kg/m3)

g = Gravedad (9,81 m/s2)

h = Altura diferencial (m)

Potencia de la bomba en el eje

La potencia del eje requerida para ser transferida desde el motor al eje de la bomba – depende de la eficiencia de la bomba y puede calcularse como:

Ps = Ph /η

Donde:

Ps = Potencia del eje (kW)

η = Eficiencia de la bomba.

Calculador de bomba online

El siguiente calculador puede usarse para calcular la potencia hidráulica y la potencia del eje en una bomba.

Los cálculos pueden realizarse con unidades del sistema internacional o unidades imperiales. Se introduce la capacidad de caudal (m3/h), densidad del fluido (kg/m3), gravedad (m/s2), altura diferencial (m) y eficiencia de la bomba (η). Se obtiene la potencia hidráulica en kw o la potencia en el eje (kW).

3)      Energía ganada por un fluido

La potencia ganada por el fluido de una bomba o ventilador puede ser expresado como:

P = m w

Donde:

P = Potencia

m = Caudal másico

w = Trabajo específico

Trabajo específico

El trabajo específico – w – puede expresarse como:

w = g h

Donde:

 h = Altura

g = Aceleración de la gravedad

Caudal másico

El caudal másico – m – puede expresarse:

m = ρ Q

Donde:

ρ = Densidad

Q = Caudal volumétrico

La potencia ganada por el fluido de una bomba o ventilador puede expresarse como:

γ = ρ g

Donde:

γ = Peso específico

La ecuación de la potencia puede modificarse de forma que la potencia ganada por el fluido de una bomba o ventilador puede expresarse como:

P = γ Q hYa que la altura puede expresarse como:

h = (p2 – p1) / γEn consecuencia,

P = Q (p2 – p1)

Donde:

P = Potencia

m = Caudal másico

w = Trabajo específico

4)      Cálculos de par y velocidad en bombas centrífugas

La característica teórica de una bomba centrífuga es una parábola que comienza en el origen y es proporcional al cuadrado de la velocidad.

El par puede expresarse como:

T = k n2

Donde:

T = Par (Nm, lbf ft)

K = Constante

 n = Velocidad de la bomba (rpm)

P = Potencia (kW)

5)      Cálculo del trabajo específico de una bomba o ventilador

El trabajo específico de una bomba o ventilador trabajando con un fluido incompresible puede expresarse de la siguiente forma:

w = (p1 – p2) / ρDonde:

w = Trabajo específico (Nm/kg = J/kg = m2/s2)

p = Presión (N/m2)

ρ = Densidad (kg/m3)

Leyes de afinidad

Las leyes de afinidad se usan en hidráulica para expresar las relaciones entre las variables de una bomba o el rendimiento del ventilador (tales como altura, caudal volumétrico, velocidad del eje) y potencia. Se aplican a bombas, ventiladores y turbinas hidráulicas. En estos implementos rotatorios, las leyes de afinidad se aplican tanto a caudales centrífugos como axiales.

Las leyes de afinidad son útiles para predecir las características de descarga de altura de una bomba o ventilador desde una característica conocida medida a una velocidad diferente o diámetro del impulsor. El único requerimiento es que las dos bombas o ventiladores son dinámicamente similares, por lo que el ratio del fluido forzado es el mismo.

Se usan para recalcular el rendimiento de una bomba al cambiar de una velocidad a otra. La ley afirma que para condiciones similares de caudal (es decir, sustancialmente la misma eficiencia) la capacidad variará directamente con el ratio de la velocidad y/o el diámetro del impulsor y la altura con el cuadrado de este ratio en el punto de mejor eficiencia. Otros puntos que queden a la izquierda o derecha del punto de mejor eficiencia corresponderán similarmente. El punto de corte de la bomba usualmente se determina por las condiciones de succión de la bomba. A partir de esta definición, las fórmulas siguientes pueden ser usadas para recalcular el rendimiento de la bomba con el diámetro del impulsor o cambio de velocidad.

Ejemplo de cálculo

Una bomba operando a 3.550 rpm tiene un rendimiento como el que se muestra en la línea sólida de la figura anterior. Calcular el nuevo rendimiento de la bomba cuando la velocidad de operación se incrementa a 4.000 rpm.

Paso 1

De la curva de rendimiento, tabulamos el rendimiento a 3.550 rpm.

Paso 2

Establecemos los factores de corrección para la operación a 4.000 rpm.

4.000/3.550 = f = 1,13

 f2 = 1,27

f3 = 1,43

Paso 3

Calculamos las nuevas condiciones a 4.000 rpm de: Q2 = Q1 X 1,13

H2 = H1 X 1,27

bhp2 = bhp1 X 1,43

Los resultados son tabulados a continuación y representados como línea de puntos. ´Nótese que le eficiencia de la bomba queda la misma con el incremento de velocidad.

GPM H(ft) Eff. % Bhp

0 350 0 25100 349 28 31200 345 48 36300 337 52 42400 325 70 46500 300 74 51600 260 73 54650 235 72 53

Para estimar las eficiencias de la bomba esperadas a los puntos de mejor eficiencia, muchos libros representan diagramas mostrando la eficiencia como una función de la velocidad específica (N5) y capacidad (GPM).

Capacidad de volumen

La capacidad de volumen de una bomba centrífuga puede expresarse como:

q1/q2 = (n1 / n2)(d1 /d2)Donde: q = Capacidad de caudal volumétrico (m3/s, gpm, cfm..)

n = Velocidad de giro – revoluciones por minuto – (rpm)

d = Diámetro del impulsor

Altura o presión

La altura o presión de una bomba centrífuga puede expresarse como:

dp1 / dp2 = (n1 / n2)2 (d1 /d2)2

Donde:

dp = Altura o presión (m, ft, Pa, psi,…)

Potencia

El consumo de potencia de una bomba centrífuga puede expresarse como:P1 / P2 = (n1 / n2)3 (d1 /d2)3

Donde:

P = Potencia (W, bhp,…)

Cambiando la velocidad del impulsor

Si el diámetro del impulsor es constante – el cambio en la velocidad del impulsor de la bomba puede simplificar las leyes de afinidad

Capacidad de volumen

q1 /q2 = (n1 / n2)

Altura o presión

dp1 / dp2 = (n1 / n2)2

Potencia

P1 / P2 = (n1 / n2)3

Nótese que si la velocidad de una bomba se incrementa un 10 % El caudal volumétrico se incrementa en un 10 %

La altura se incrementa un 21 %

La potencia se incrementa un 33 %

Si deseamos incrementar la capacidad volumétrica de un sistema con un 10 % tendremos que incrementar el suministro de energía en un 33 %.

Calculador de las leyes de afinidad de la bomba

Cambiando la velocidad del impulsor de una bomba podremos variar el comportamiento de la misma. En el siguiente calculador podremos calcular caudales, altura final y potencia cambiando la velocidad del impulsor.

Cambiando el diámetro del impulsor

Si la velocidad del impulsor es constante un cambio en el diámetro del impulsor puede simplificar las leyes de afinidad.

Capacidad de volumen

q1 / q2 = d1 / d2

Altura o presión

dp1 / dp2 = (d1 /d2)2

Potencia

P1 / P2 = (d1 / d2)3

1)      Cálculo de los costes de bombeo de agua

Los costes del bombeo de agua podemos estimarlos usando la siguiente expresión:

Donde: C = Coste por hora

Q = Caudal (gpm)

h = Altura (ft)

c = Coste por kWh

2)      Cálculos de los costes por fricción

La energía consumida para superar la altura estática en un sistema de bombeo varía linealmente con el caudal y poco puede hacerse para reducir el componente estático del sistema. Sin embargo, varias oportunidades de ahorro existen si trabajamos sobre el componente de fricción del sistema de bombeo.

La energía por fricción es dependiente del caudal, tamaño de tubería (diámetro), longitud de la tubería, características de la tubería (rugosidad de la superficie, material, etc.) y propiedades de los líquidos bombeados.

Donde el Factor de Fricción, se basa en la rugosidad de la tubería, diámetro de la tubería, y el número de Reynolds. Para la mayoría de las aplicaciones, el valor de este factor de fricción estará entre 0,015 y 0,0225.

3)      Adaptación de las capacidades de la bomba a la demanda del proceso

A menudo es necesario adaptar la capacidad de la bomba a un cambio permanente en la demanda del proceso. La capacidad de una bomba centrífuga puede recularse a: Velocidad constante, o

Velocidad variable

Regulación de la capacidad por velocidad variable

La regulación de velocidad es eficiente energéticamente ya que la energía en el bombeo se reduce cuando decrece la velocidad.

La velocidad de la bomba puede variar con:

Transmisión hidráulica/hidrostática – El acoplamiento hidráulico entre el eje de entrada y salida – ratio de velocidad 5 a 1 es controlado ajustando el volumen de aceite en el acoplamiento.

Transmisión mecánica – Transmisión de correa y polea.

Embrague/transmisión de corrientes de Eddy – El acoplamiento magnético transfiere el par de carga entre el eje de entrada y salida.

Variadores de velocidad variable – inversores – variadores AC – variadores de frecuencia ajustable – operan variando la frecuencia y el voltaje del motor eléctrico.

Los cambios en los consumos pueden estimarse usando las leyes de afinidad.

Regulación de la capacidad por velocidad variable

La capacidad puede regularse a velocidad constante por: Estrangulación.

Bypass del caudal.

Cambiando el diámetro del impulsor.

Modificando el impulsor.

Estrangulación

La estrangulación puede llevarse a cabo abriendo y cerrando una válvula de descarga.

La estrangulación es ineficiente en energía ya que la energía no se reduce al bombear. La energía es derrochada incrementando la pérdida dinámica.

Bypass en el caudal

La capacidad de descarga puede regularse llevando una parte del caudal de descarga a la bomba del lado de succión.

Cambiando el diámetro del impulsor

Reduciendo el diámetro de los impulsores es un cambio permanente y el método puede usarse donde el cambio en la demanda del proceso no es temporal. El método puede ser eficiente en energía si el motor cambia y el consumo de energía se reduce.

El cambio en el consumo de energía, altura y caudal pueden estimarse mediante las leyes de afinidad.

Modificando el impulsor

El caudal y la altura pueden modularse cambiando el paso de los álabes. Complicado y raramente usado.

4)      Uso de bombas centrífugas con fluidos viscosos

La viscosidad de un fluido es una propiedad importante en el comportamiento de un líquido. La viscosidad es la resistencia a fluir y es causada por la fricción intermolecular ejercida cuando las capas de los fluidos intentan deslizarse entre sí.

Cuando un fluido viscoso es manejado por una bomba centrífuga: Se incrementan los requerimientos de potencia de frenado.

La altura generada se reduce.

La capacidad se reduce.

La eficiencia de la bomba se reduce y el punto de mejor eficiencia BEP se mueve.

La altura, caudal a otras viscosidades que las usadas en la documentación original pueden ser modificadas por coeficientes.

Caudal

qv = cq q

Donde: qv = caudal compensado por viscosidad (m3/h, gpm)

cq = Coeficiente de caudal de viscosidad

q = Caudal original de acuerdo con la curva de la bomba (m3/h, gpm).

Altura

hv = ch h

Donde: hv = Altura compensada por viscosidad (m, ft)

ch = Coeficiente de altura por viscosidad

h = Altura  original de acuerdo con la curva de la bomba (m, ft).

Eficiencia

Potencia corregida por viscosidad

Donde: Pv = Potencia compensada por viscosidad (kW)

 ρv = Densidad de fluido viscoso (kg/m3)

g = Aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)

Bibliografía:

ANSI/API 610-1995 - Centrifugal Pumps for General Refinery Service - Covers the minimum requirements for centrifugal pumps, including pumps running in reverse as hydraulic power recovery turbines, for use in petroleum, heavy duty chemicals, and gas industry services. The pump types covered by this standard can be broadly classified as overhung, between bearings, and vertically suspended.

ASME B73.1-2001 - Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps for Chemical Process - This standard covers centrifugal pumps of horizontal, end suction single stage, centerline discharge design. This Standard includes dimensional interchangeability requirements and certain design features to facilitate installation and maintenance. It is the intent of this Standard that pumps of the same standard dimension designation from all sources of supply shall be interchangeable with respect to mounting dimensions, size and location of suction and discharge nozzles, input shafts, baseplates, and foundation bolt holes

ASME B73.2-2003 - Specifications for Vertical In-Line Centrifugal Pumps for Chemical Process

BS 5257:1975 - Specification for horizontal end-suction centrifugal pumps (16 bar) - Principal dimensions and nominal duty point. Dimensions for seal cavities and base plate installations.

DIN EN ISO 5199 - Technical specifications for centrifugal pumps

Reduce Pumping Costs through Optimum Pipe Sizing. Energy Tips. Office of Industrial Technologies Energy Efficiency and Renewable Energy. U.S. Department of Energy

The engineering ToolBox.

Palabras clave:  Estimating Frictional Pumping Costs, efficiency  as a function of specific speed (Ns) and capacity (GPM)

Aprendiendo a diseñar aplicaciones con variadores de frecuencia variable

El uso de variadores de frecuencia variable está cada vez más extendido y las aplicaciones comunes son bien conocidas y fáciles de implementar en las instalaciones. Pero el diseño de aplicaciones específicas que solucionen problemas concretos ya no resulta tan sencillo y es todo un mundo por desarrollar en infinidad de situaciones comunes.

La utilización de un VFD a una aplicación específica no es un misterio cuando comprendemos los requerimientos de la carga. Simplemente el VFD debe tener una capacidad de corriente amplia para el motor de forma que el motor pueda producir el par requerido para la carga. Debemos recordar que el par de la máquina es independiente de la velocidad del motor y que la potencia de la carga se incrementa linealmente con rpm.

Las aplicaciones VFD pueden dividirse en los siguientes tipos de carga individuales.

Cargas de par constante. Estas cargas representan un 90 % de todas las máquinas industriales generales (otras cargas de par constante). Ejemplos de estos tipos de carga incluyen maquinaria general, elevadores, transportadores, prensas de impresión, bombas de desplazamiento positivo, algunas mezcladoras y extrusoras, compresores recíprocos, además de compresores rotatorios.

Cargas de potencia constante. Estas máquinas son las más a menudo utilizadas en la industria de máquina de herramienta y aplicaciones con bobinadoras. Ejemplos de cargas de potencia constante incluyen cepilladoras, tornos, taladradoras, máquinas taladradoras y extrusoras.

Tradicionalmente, estas cargas se consideran aplicaciones de variadores DC. Con VFD de vector de flujo de alto rendimiento ahora disponible, muchas aplicaciones de variadores DC de este tipo pueden manejarse mediante VFDs.

Cargas de par variable. Las cargas de par variable a menudo se encuentran en aplicaciones de flujo variable, tales como ventiladores y bombas. Ejemplos de aplicaciones incluyen ventiladores, ventiladores centrífugas, bombas de impulsión, bombas de turbina, agitadores, y compresores axiales. VFDs ofrecen la mayor oportunidad de ahorro energético porque la potencia varía con el

cubo de la velocidad y el par varía con el cuadrado de la velocidad para estas cargas. Por ejemplo, si la velocidad del motor se reduce un 20 %, la potencia del motor se reduce por una relación cúbica (8 x 8 x8) o un 51 %.

Dimensionando VFDs para la carga

Cuando dimensionamos un VFD primero debemos comprender los requerimientos de la carga. Esto ayuda a comprender la diferencia entra potencia y par.

El par es una fuerza aplicada que tiende a producir la rotación. Todas las cargas tienen unos requerimientos de par que deben ser cubiertos por el motor.

Cuando dimensionamos el tamaño de un variador de frecuencia variable para una aplicación necesitamos conocer la confianza que nos dará el equipo en el trabajo que va a realizar. Primero, debemos comprender los requerimientos de la carga. Esto nos ayuda a comprender la diferencia entre potencia y par. Los técnicos en electricidad, tienden a pensar en las capacidades para las cargas en vez de para el par. ¿Algún ingeniero ha dimensionado algo basándose en el par? Para realizar un diseño correcto debemos examinar tanto el par como la potencia.

Par. El par es la fuerza aplicada que tiende a producir la rotación. Todas las cargas tienden a tener unos requerimientos de par que debe cumplir el motor. El propósito del motor es desarrollar bastante par para cumplir los requerimientos de la carga.

Potencia. La potencia es la capacidad para realizar un trabajo.

Conocer los requerimientos de par de carga. Cada carga tiene requerimientos de par distintos que varían con la operación de carga; estas cargas deben ser suministradas por el motor vía el VFD. Deberemos comprender bien estos pares.

Par break-away. Es el par requerido para comenzar una carga en movimiento (típicamente mayor que el par para mantener el movimiento).

Par de aceleración. Par requerido para mantener la carga en movimiento en todas las velocidades.

Par pico. Par pico ocasional requerido para mantener la carga moviéndose a todas las velocidades.

Par de retención. Par requerido por el motor cuando opera como un freno, tal como las cargas colina abajo y las máquinas de inercia altas.

Las siguientes orientaciones nos ayudarán a asegurar un correcto acoplamiento de VFD y motor.

1. Definimos el perfil de operación de la carga a la que se aplica el VFD. Incluimos cualquiera de los pares discutidos más arriba. Lo primero que debemos hacer es registrar la corriente del motor bajo todas las condiciones de operación. Obtendremos las lecturas más altas bajo las peores condiciones. Asimismo, veremos si el motor ha estado trabajando en una condición de sobrecarga controlando los amperios a plena carga (FLA). Un motor sobrecargado operando a velocidades reducidas puede no sobrevivir las temperaturas incrementadas como resultado del efecto de enfriamiento reducido del motor a estas velocidades más bajas.

2. Determinamos por qué la operación de carga necesita ser cambiada. Muy a menudo los VFDs tienen que aplicarse a aplicaciones donde todo lo que se requiere es un controlador de voltaje reducido de arranque suave. La necesidad de un VFD se basará en

la habilidad para cambiar las cargas según se requiera. En aquellas aplicaciones donde sólo se requiere un cambio de velocidad, un VFD puede no ser necesario o práctico.

3. El tamaño de un VFD al motor se basa en los máximos requerimientos de corriente bajo demandas de par pico. No debemos dimensionar el VFD basándonos en la potencia nominal. Muchas aplicaciones han fallado debido a esto. Recordemos, la demanda máxima que impone al motor la carga debe también ser cumplida por el VFD.

4. Evaluemos la posibilidad del sobredimensionado requerido por el VFD.

Debemos ser conscientes que el rendimiento del motor (por ejemplo, par break-away) se basa en la capacidad de usar el VFD y la cantidad de corriente que puede producir. Dependiendo del tipo de carga y del trabajo esperado. Puede requerirse sobredimensionar el VFD.

Especificaciones clave del VFD

Si bien hay muchas especificaciones asociadas con los variadores, las siguientes son las más importantes.

Corriente de funcionamiento en continuo. Es la máxima corriente rms que el variador puede manejar con seguridad bajo las condiciones de operación en una temperatura ambiente fija (usualmente 40 ºC). Las corrientes de onda deben ser igual o menos que esta corriente.

Relación de corriente de sobrecarga. Es la relación tiempo/corriente inversa que es la máxima corriente que el VFD puede producir en un tiempo dado. Las relaciones típicas son una sobrecorriente de 110 a 150 % de sobrecorriente para un minuto, aunque depende del fabricante. Pueden obtenerse relaciones de sobrecorriente más altas sobredimensionando el VFD. Esta relación es muy importante cuando dimensionamos el VFD para las corrientes necesarias en el motor para el par break-away.

 Voltaje de línea: Como con cualquier controlador de motor, el voltaje de operación debe ser especificado. VFDs están diseñados para operar a un voltaje nominal tal como 240 VAC o 480 VAC, con una variación de voltaje permitida de más o menos el 10 %. La mayoría de los arrancadores operarán más allá de esta variación del 10 %. Una lectura de voltaje registrada de las desviaciones de potencia de línea son altamente recomendadas para cada aplicación.

Algunas cuestiones a evaluar en la aplicación

Al diseñar aplicaciones con VFD deberemos tener en cuenta un buen número de consideraciones. Las más comunes son las siguientes:

¿Operará el VFD más de un motor? Las corrientes pico totales de todas las cargas de motores bajo las peores condiciones de operación deben ser calculadas. El VFD debe ser dimensionado basándonos en estos máximos requerimientos de corriente. Adicionalmente, protecciones de motores individuales deben ser proporcionadas para cada motor.

¿La carga estará girando o deslizándose cuando arranca el variador? Este caso es común con las aplicaciones de ventiladores. Cuando arranca un VFD, comienza primero a operar a baja frecuencia y voltaje y gradualmente ascendiendo hasta una velocidad preseleccionada. Si la carga ya está en movimiento, estará fuera de sincronización con el VFD. El VFD intentará llevar al motor a la frecuencia inferior, lo cual puede requerir altos niveles de corriente, causando usualmente un disparo por sobrecorriente. Debido a esto, los fabricantes de variadores ofrecen variadores con una opción de sincronización con una carga girando; Estos VFD comienzan a girar a una frecuencia diferente.

¿La fuente de potencia será conmutada mientras el VFD está funcionando? Esto ocurre en muchos edificios, tales como hospitales, donde las cargas conmutan a generadores en caso de un corte de fluido eléctrico. Algunos variadores trabajan bien con estas conmutaciones mientras que otros no.

¿Es la carga difícil de arrancar? Al arrancar algunos motores veremos cómo parpadean las luces del edificio al darle al botón de arranque. Recordemos, el VFD tiene limitada la cantidad de sobrecorriente que puede producir para un periodo de tiempo. Estas aplicaciones pueden requerir sobredimensionar el VFD para demandas de corriente más altas.

¿El tiempo de arranque o parada es crítico? Algunas aplicaciones pueden requerir arranques rápidos o paradas de emergencia de la carga. En cualquier caso, pueden requerirse altas corrientes en el variador. De nuevo, el VFD puede tener que ser sobredimensionado.

¿Se requiere una desconexión externa entre el motor y el variador? Las desconexiones en las cargas del motor son muy a menudo usadas para propósitos de mantenimiento. Normalmente, quitando una carga del VFD mientras opera no supone un problema al VFD. Sin embargo, introducir una carga al VFD cerrando la desconexión del motor mientras el VFD está operacional puede ser fatal para el VFD. Cuando un motor arranque al máximo voltaje, como puede ocurrir en este caso, se generan altas corrientes, usualmente alrededor de seis veces la carga máxima en amperios de la corriente del motor. El VFD vería estas altas corrientes más allá de sus capacidades y entraría en estado de protección o fallaría completamente. Una solución simple para esta condición es enclavar el circuito que permite el funcionamiento del variador con la desconexión de servicio vía un contacto auxiliar en la desconexión de servicio. Cuando la desconexión se cierra, una señal de funcionamiento permite arrancar el variador a voltaje y frecuencia bajos.

¿Los condensadores de corrección del factor de potencia conmutan o son necesarios en las cargas del motor previstas? La conmutación de los condensadores de factor de potencia usualmente genera perturbaciones de potencia en el sistema de distribución. Muchos VFDs pueden y serán afectados por esto. Pueden requerirse transformadores de aislamiento o reactores de línea para estas aplicaciones.  La corrección del factor de potencia en cargas de motores alimentadas con variadores no es necesaria ya que el VFD en sí mismo hace esto usando corriente continua internamente y luego invirtiéndola en la salida AC al motor. Todos los fabricantes de VFD avisan contra la instalación de condensadores en la salida del VFD.

La correcta instalación del variador de frecuencia variable demanda atención a factores vitales tales como localización y condiciones ambientales, puesta a tierra de las conexiones eléctricas, voltaje de alimentación y dispositivos de protección.Alrededor del 50 % de los fallos del variador son el resultado de instalación y arranque inapropiados. Como tal, podemos evitar muchos problemas por una planificación cuidadosa de la

instalación del VFD antes de comenzar el trabajo actual. Hay varios factores clave que deben ser considerados para asegurar una instalación de VFD apropiada.

Consideraciones de calidad de la energía y refrigeración

Hay muchas consideraciones importantes para todos los equipos electrónicos industriales, los dos más importantes son la calidad de la energía de línea y refrigeración.

Las unidades de control VFD se instalarán en localizaciones donde la temperatura ambiental máxima no exceda de 40 ºC. Esta temperatura es común para la mayoría de las unidades.

Evitaremos instalar unidades en mezzanines, luz solar directa, o fuentes de calor externas ya que en estas localizaciones usualmente tienen elevaciones de temperatura impredecibles. Si debemos instalar VFDs en tales áreas, daremos los pasos para proporcionar la refrigeración necesaria.

La refrigeración apropiada del heat sink del VFD es esencial para una operación exitosa. Las unidades montadas en la pared emplean un efecto chimenea para refrigerar el heat sink y deben ser montadas en una superficie vertical plana y uniforme. Los VFDs más grandes requieren suficiente espacio a través de ellos para que circule suficiente caudal de aire a través de ellos, asegurando adecuada refrigeración.

La altitud también afecta la capacidad de disipación de calor del heat sink y las unidades en localizaciones por encima de 1000 m por encima del nivel del mar deben ser desclasificadas. Una norma común es considerar una desclasificación del 2 % por cada 300 m de altitud.

Calidad de la energía en la línea de alimentación. El voltaje de línea a la entrada del variador no variará más o menos un 10 % debido a que la mayoría de los variadores dispararán un fallo de protección. Esta estabilidad de voltaje debe considerarse en el recorrido de los conductores al variador calculando las caídas de voltaje en largos recorridos.

Muy a menudo se usan señales de control externas para comenzar/parar y controlar la velocidad de un VFD. Los tipos de señales de control pueden variar dependiendo de la aplicación. Las señales de control deben tener un recorrido independiente del cableado de potencia. Los ruidos inducidos pueden producir un comportamiento del variador errático que es muy difícil de localizar.

Otras consideraciones de instalación del VFD

Hay otras consideraciones de instalación para VFDs. Estas incluyen conexiones eléctricas, puesta a tierra, protección contra el fallo, protección de motores y parámetros ambientales tales como la humedad.

Consideraciones eléctricas. El dimensionado e instalación de la línea VFD y los conductores de carga deben ser conformes a los códigos de aplicación.

Puesta a tierra. Para una operación segura todos los VFDs deben estar puestos a tierra convenientemente. La puesta a tierra del motor directa al VFD es requerida para minimizar la interferencia y para que la función de protección de fallo a tierra del variador opere apropiadamente.

Protección contra el fallo. Muchos VFDs tienen protección de cortocircuito (usualmente en forma de fusibles) ya instalados por el fabricante. Éste es usualmente el caso de unidades de potencia grandes. Las unidades pequeñas (1/3 a 5 CV) normalmente requieren protección de fusible externa. En cualquier caso, la selección y dimensionado de estos fusibles es crítica para la protección de semiconductores en caso de fallo.

Protección de motores. Todos los motores requieren protección contra sobrecarga. La práctica más común es el uso de un sistema de relé de sobrecorriente que protegerá todas las fases y protegerá contra fase simple. Este tipo de protección responderá contra las condiciones de sobrecorriente del motor en un motor sobrecargado, pero no detectará las condiciones de sobre-temperatura.

Un motor operando a velocidades reducidas verá disminuida su refrigeración, como resultado puede fallar debido a la descomposición térmica de los devanados del motor. De esta forma, la protección óptima para un motor es detección térmico del devanado del motor. Esta detección luego se enclava con el circuito de control del VFD. Esto es altamente recomendable para cualquier motor que opera en periodos extendidos de tiempo de baja velocidad.

Humedad. Como es el caso con todos los equipos eléctricos y electrónicos, la alta humedad y la atmósfera corrosiva es una preocupación. Las unidades de variadores se instalarán en una localización no corrosiva siempre que sea posible, con un ambiente de no condensación que va de 0 a 95 %.

Completando la instalación

La instalación de un VFD no es tan diferente que en otros tipos de control de motores.

Un procedimiento de arranque debe ser seguido por un arranque correcto y seguida del VFD.

Un procedimiento de arranque cuidadosamente organizado asegura mejor la operación del equipo y la fiabilidad del sistema a la vez que se simplifica la solución de futuros problemas.

Los procedimientos de arranque de los VFDs son de importancia fundamental para el uso último y la operación efectiva de la instalación de VFD. En realidad, la instalación exitosa de casi cualquier equipo eléctrico o sistema se beneficia de un proceso bien planificado similar al procedimiento aquí presentado.

Adicionalmente a un arranque rápido y uniforme, otros beneficios mayores de un procedimiento de arranque bien organizado son los siguientes.

Mejor comprensión de todos los componentes y funciones del sistema.

Documentación de datos para propósitos de garantías.

Acumulación de información y valores para acelerar la solución de problemas de mantenimiento.

Por supuesto, durante las etapas de diseño iniciales y antes del arranque, debemos desarrollar una buena comprensión de la aplicación y sus variaciones para asegurar el mejor rendimiento posible de la carga. En ese momento, tendremos un buen conocimiento de las características del VFD y ajustes para la aplicación.

Antes del arranque

En primer lugar, debemos tener cuidado de las recomendaciones del fabricante del VFD.

Seguidamente, leeremos el manual del VFD y resaltaremos las características y ajustes que esperamos se use.

Además del VFD en sí mismo, tendremos que hacer una inspección visual del sistema completo, incluyendo motores, conmutadores de desconexión, interruptores de circuito, controles, componentes de carga, dispositivos de control (interruptores de presión, flotación, límite), etc.

Finalmente, haremos un control minucioso de los siguientes ítems.

Conexiones (línea, carga, y tierra).

Motor (potencia, corriente a plena carga, voltaje y rotación).

VFD (voltajes de entrada/salida, corriente de salida máxima).

Dispositivos de protección (interruptores de circuito, fusibles, sobrecargas, dispositivos térmicos).

Desconexiones (están en su lugar y dimensionadas correctamente).

Mediciones del voltaje de potencia de línea entrante al VFD (fase A-B, fase B-D, fase C-A).

Palabras clave:

Pulse width modulation (PWM), current source inverter (CSI), and voltage source inverter (VSI), IGBT PWM (pulse width modulated using insulated gate bipolar transistors), Silicon Controlled Rectifiers (SCRs), Permanent Split Capacitor (PSC) motors, total harmonic distortion (THD), Flux vector PWM drives, flux vector drive, full-load amps (FLA). 

Criterios de diseño de instalaciones eléctricas industriales

A la hora de abordar un proyecto industrial son múltiples los conceptos que debemos tener en cuenta para el diseño de una instalación eléctrica eficiente. Los criterios comunes utilizados en el sector terciario no son aquí aplicables y es por ello necesario un análisis detallado si queremos obtener resultados satisfactorios para nuestro cliente. Iniciamos varias entregas en las que exponemos la secuencia de ideas que a nuestro parecer son más importantes a la hora de diseñar este tipo de instalaciones.

Actualmente, más allá del mero cumplimiento de los reglamentos industriales, es muy importante hoy en día el conocimiento detallado de cómo se van a comportar las cargas y los consumos de la instalación de cara a conseguir disminuir el consumo energético del centro industrial.

Características de las cargas eléctricas industriales

El examen de los valores reales de la potencia aparente que necesita cada carga permite el establecimiento de:

Una demanda de potencia declarada que determina el contrato del suministro de energía y por lo tanto los costes del consumo eléctrico.

La especificación del transformador de alta/baja tensión, cuando sea aplicable (teniendo en cuenta la previsión de aumento de cargas)

Los niveles de corriente de carga en cada cuadro de distribución.

Motores de inducción

La intensidad absorbida proporcionada al motor viene dada por las siguientes ecuaciones:

Motor trifásico.

Motor monofásico.

Donde:

Ia: Intensidad absorbida en amperios.

Pn: Potencia nominal en kW de potencia activa.

U: Tensión entre fases para el motor trifásico y tensión entre los terminales de los motores monofásicos (en V). Un motor monofásico puede estar conectado fase a neutro o fase a fase.

η: rendimiento del motor. kW de salida/kW de entrada.

cos ϕ: factor de potencia. kW de entrada/kVA de entrada.

Corriente subtransitoria El valor punta de la corriente subtransitoria puede ser muy alto; el valor típico está entre 12 y 15 veces el valor eficaz nominal Inm. A veces este valor puede alcanzar 25 veces Inm.

Los interruptores automáticos, los contactores y los relés térmicos están diseñados para resistir arranques de motor con una corriente subtransitoria muy alta (el valor punta subtransitorio puede ser hasta de 19 veces el valor eficaz nominal Inm).

Si se produce un disparo inesperado de la protección contra sobreintensidad durante el arranque, esto significa que la corriente de arranque excede de los límites normales. Como resultado, se puede alcanzar alguna resistencia máxima de los aparatos, se puede reducir la vida útil e incluso se pueden destruir algunos dispositivos. Para evitar tales situaciones, debe considerarse sobredimensionar el aparato.

La utilización del arrancador estrella-triángulo, arrancador estático suave o variador de velocidad permite reducir el valor de la intensidad de arranque (ej. 4 Ia en lugar de 7,5 Ia).

Compensación de potencia reactiva (kVAr) proporcionada a motores de inducción

La compensación de la potencia reactiva es ventajosa por motivos técnicos y económicos ya que se consigue la reducción de la intensidad proporcionada a los motores de inducción. Esto se puede alcanzar mediante la utilización de condensadores sin que afecte a la potencia de salida de los motores.

La compensación de potencia reactiva se recomienda principalmente para motores que funcionan durante largos períodos con potencia reducida.

La corriente proporcionada al motor después de la corrección del factor de potencia viene dada por:

Donde cos φ es el factor de potencia antes de la compensación y cos  φ´ es el factor de potencia después de la compensación, siendo Ia la intensidad original. Se tiene que tener en cuenta que un variador de frecuencia proporciona una compensación de energía reactiva.

Aparatos de calefacción de tipo resistivo y lámparas incandescentes (convencionales o halógenas)

La intensidad absorbida de un aparato de calefacción o de una lámpara incandescente se puede obtener con facilidad a partir de la potencia nominal Pn determinada por el fabricante (ej. cos φ = 1).

Las intensidades vienen dadas por:

Lámparas fluorescentes, lámpara de descarga y equipo relacionado

La potencia Pn (vatios) indicada en el tubo de una lámpara fluorescente no incluye la potencia absorbida por el balasto (reactancia).

La intensidad viene dada por:

Donde U = la tensión aplicada a la lámpara completa con su equipo relacionado.

Con (a no ser que se indique de otro modo):

cos φ = 0,6 sin condensador de corrección del factor de potencia (FP). cos φ = 0,86 con corrección FP (tubos sencillos o dobles). cos ϕ = 0,96 para balastos electrónicos.

Si no se indica ningún valor de pérdida de potencia para la reactancia, se puede utilizar una cifra del 25% de Pn.

Lámparas fluorescentes compactas

Las lámparas fluorescentes compactas tienen las mismas características de rentabilidad y larga duración que los tubos clásicos. Normalmente se utilizan en lugares públicos con iluminación permanente (por ejemplo: pasillos, vestíbulos, bares, etc.) y se puede montar en los mismos lugares que las lámparas incandescentes.

Demanda de una instalación

Para diseñar una instalación se debe evaluar la demanda máxima de potencia que se puede solicitar al sistema. La potencia instalada es la suma de las potencias nominales de todos los dispositivos eléctricos de la instalación. Esta no es en la práctica la potencia absorbida realmente. Este es el caso de los motores eléctricos, en los que la potencia nominal se refiere

a la potencia de salida en el eje principal. El consumo de potencia de entrada será evidentemente superior.

Las lámparas fluorescentes y de descarga asociadas a resistencias de estabilización son otros casos en los que la potencia nominal indicada en la lámpara es inferior a la potencia consumida por la lámpara y su resistencia.

Potencia instalada (kW)

La potencia instalada es la suma de las potencias nominales de todos los dispositivos eléctricos de la instalación. Esta no es en la práctica la potencia absorbida realmente. Este es el caso de los motores eléctricos, en los que la potencia nominal se refiere a la potencia de salida en el eje principal. El consumo de potencia de entrada será evidentemente superior.

Las lámparas fluorescentes y de descarga asociadas a resistencias de estabilización son otros casos en los que la potencia nominal indicada en la lámpara es inferior a la potencia consumida por la lámpara y su resistencia.

Para una alimentación de una red de alimentación pública de baja tensión o a través de un transformador de alta/baja tensión, la cantidad significativa es la potencia aparente en kVA.

Potencia aparente instalada (kVA)

Normalmente se asume que la potencia aparente instalada es la suma aritmética de los kVA de las cargas individuales. Los kVA máximos estimados que se van a proporcionar sin embargo no son iguales a los kVA totales instalados.

La demanda de potencia aparente de una carga (que puede ser un dispositivo sencillo) se obtiene a partir de su potencia nominal (corregida si es necesario, como se dice anteriormente con los motores, etc.) y de la aplicación de los siguientes coeficientes:

η = rendimiento = kW de salida/kW de entrada.

cos φ = el factor de potencia = kW/kVA

La demanda en kVA de potencia aparente de la carga:

A partir de este valor, la corriente de carga completa Ia (A) que toma la carga será:

Para una carga conectada entre fase y neutro.

Para la carga trifásica equilibrada, en la que:

V = tensión fase-neutro (voltios).

U = tensión fase-fase (voltios).

Se tiene que tener en cuenta que los kVA totales de potencia aparente no son la suma aritmética de los kVA calculados de las cargas individuales (a no ser que todas las cargas tengan el mismo factor de potencia).

Estimación de la demanda máxima real de kVA

Factor de utilización máxima (ku)

En condiciones normales de funcionamiento, el consumo de potencia de una carga es a veces inferior que la indicada como potencia nominal, por ello se aplica un factor de utilización (ku) en la estimación de los valores reales. Este factor se le debe aplicar a cada carga individual, con especial atención a los motores eléctricos, que raramente funcionan con carga completa. En una instalación industrial, este factor se puede estimar en una media de 0,75 para los motores.

Para cargas de luz incandescente, el factor siempre es igual a 1.

Para circuitos con tomas de corriente, los factores dependen totalmente del tipo de aplicaciones a las que ofrecen suministro las tomas implicadas.

Factor de simultaneidad (ks)

Es una práctica común que el funcionamiento simultáneo de todas las cargas instaladas de una instalación determinada nunca se produzca. Este hecho se tiene en cuenta a nivel de estimación mediante el uso del factor de simultaneidad (ks).

El factor ks se aplica a cada grupo de cargas (por ejemplo, obtener el suministro de un cuadro de distribución o subdistribución). El diseñador es el responsable de la determinación de estos factores, ya que precisa un conocimiento detallado de la instalación y de las condiciones en las que se van a explotar los circuitos individuales.

Selección de la potencia del transformador

Cuando una instalación se va a alimentar directamente desde un transformador de alta/baja tensión y la carga de potencia aparente máxima de la instalación se ha determinado, se puede decidir un calibre adecuado para el transformador.

La corriente nominal de carga completa In en la parte de baja tensión de un transformador trifásico viene determinada por:

Donde:

S = Potencia kVA del transformador.

U = Tensión fase-fase en vacío en voltios (237 o 410 v).

In está en amperios.

Conexión a la red de distribución de alta tensión

Características de una red de distribución con alimentación en AT

Los sistemas de distribución en AT son por lo general trifásicos con 3 conductores de fase y sin conductor de neutro, a menos que se indique lo contrario. A continuación se detallan algunas definiciones relacionadas con la tensión y basadas en el RAT:

Tensión de servicio: Es el valor de la tensión realmente existente en un punto cualquiera de una instalación en un momento determinado.

Tensión más elevada de una red trifásica: Es el valor más elevado de la tensión entre fases, que puede presentarse en un instante y en un punto cualquiera de la red, en las condiciones normales de explotación. Este valor no tiene en cuenta las variaciones transitorias (por ejemplo, maniobras en la red) ni las variaciones temporales de tensión debidas a condiciones anormales de la red (por ejemplo, averías o desconexiones bruscas de cargas importantes).

Tensión más elevada para el material (Um): Es el valor más elevado de la tensión entre fases para el que material (aparamenta, transformador, etc.), está especificado en lo que respecta a su aislamiento, así como a otras características relacionadas con esta tensión en las normas propuestas para cada material.

Tensión nominal: Valor convencional de la tensión con la que se denomina un sistema o instalación y para el que ha sido previsto su funcionamiento y aislamiento. La tensión nominal expresada en kilovoltios, se designa por Un.

Tensión nominal de una red trifásica: Es el valor de la tensión entre fases por el cual se denomina la red, y a la cual se refieren ciertas características de servicio de la red.

Tensión nominal para el material: Es la tensión más elevada para el material (aparamenta, transformador, etc.) asignada por el fabricante.

Tensión soportada: Es el valor de la tensión especificada, que un aislamiento debe soportar sin perforación ni contorneamiento, en condiciones de ensayo preestablecidas.

Tensión soportada nominal a los impulsos tipo maniobra o tipo rayo: Es el valor de cresta de la tensión soportada a los impulsos tipo maniobra o tipo rayo prescrita para un material, al cual caracteriza el aislamiento de este material en lo relativo a los ensayos de tensión soportada.

Tensión soportada nominal a frecuencia industrial: Es el valor eficaz más elevado de una tensión alterna sinusoidal a frecuencia industrial, que el material considerado debe ser capaz de soportar sin perforación ni contorneamiento durante los ensayos realizados en las condiciones especificadas.

Corriente de cortocircuito

Los valores asignados del poder de corte en cortocircuito de los interruptores automáticos se indican normalmente en kiloamperios (kA).

Estos valores se refieren a una condición de cortocircuito trifásico y se expresan como el valor eficaz (en kA) del componente periódico (Ca) de cortocircuito en corriente en cada una de las tres fases.

Para los interruptores automáticos de los niveles de tensión nominal considerados en este capítulo, la Figura B4 proporciona las especificaciones estándar del poder de corte de cortocircuito.

Cálculo de la corriente de cortocircuito

Las reglas para calcular las corrientes de cortocircuito en las instalaciones eléctricas se indican en la norma IEC 60909.

Esta norma general, aplicable a todos los sistemas radiales y mellados, de 50 o60 Hz y hasta 550 kV, es extremadamente precisa y conservadora.

Se puede utilizar para tratar diferentes tipos de cortocircuitos (simétricos o asimétricos) que se pueden producir en una instalación eléctrica:

Cortocircuito trifásico (las tres fases), que por lo general es el que genera las corrientes más elevadas.

Cortocircuito bifásico (entre dos fases), con corrientes inferiores a los defectos trifásicos.

Cortocircuito de dos fases a tierra (entre dos fases y la tierra).

Cortocircuito de fase a tierra (entre una fase y la tierra), el tipo más común (el 80% de los casos).

Características específicas de los dispositivos

Las funciones que ofrece la aparamenta de corte y sus requisitos principales se indican en la siguiente figura.

DispositivoAislamiento de dos redes 

activas

Condiciones de corteCaracterísticas principales

Normal Defecto

Seccionador Si No No Aislamiento eléctrico aguas

Interruptor No Si NoCorte y cierre de corriente 

de carga normal.

Contactor No Si No

Poder de cierre y corte en condiciones normales. Poder de cierre y corte máximo. Alta endurancia 

eléctrica.

Interruptor automático

No Si SiPoder de corte de 

cortocircuito. Poder de cierre de cortocircuito

Fusible No No Si

Poder de corte de cortocircuito mínima. 

Máxima intensidad de corte limitada.

Intensidad nominal

La intensidad nominal o asignada se define como “el valor eficaz de la corriente que se puede transportar continuamente a la frecuencia nominal con un aumento de temperatura que no supere el especificado por la norma del producto correspondiente”.

Los requisitos de intensidad nominal para los aparatos se deciden en la etapa de diseño de la subestación o centro de transformación. La especificación de intensidad asignada más común para la aparamenta eléctrica de MT es de 400 o 630 A.

En las áreas industriales y distritos urbanos de gran densidad de carga, los circuitos de 630 A son a veces necesarios, mientras que en las subestaciones de alimentación de gran potencia

que alimentan las redes de MT, la aparamenta de 800 A, 1.250 A, 1.600 A, 2.500 A y 4.000 A se prescribe para los circuitos de entrada, juego de barras y acoplamiento de barras. Los transformadores de MT/BT con una intensidad de servicio de hasta 60 A aprox., se pueden proteger con fusibles combinados con interruptor. Para intensidades de servicio superiores, la combinación de interruptor-fusible no tiene el rendimiento necesario.

No existen tablas de especificaciones de corriente normal recomendadas por IEC para la combinación en estos casos. La especificación real la proporciona el fabricante del interruptor-fusible, de acuerdo con las características del fusible del transformador, tales como:

Intensidad en servicio normal.

Máxima intensidad admitida y su duración.

Pico máximo y duración de la intensidad magnetizante de entrada de puesta en tensión del transformador.

Posición del cambiador de tomas del transportador tal y como se indica en el ejemplo del anexo A de la IEC 62271-105.

En un esquema de estas características, el interruptor de corte en carga debe estar diseñado adecuadamente para abrir automáticamente, p. ej., por relés, a niveles de corriente de defecto bajos que deben cubrir (con un margen adecuado) la corriente de corte mínima especificada de los fusibles de AT. De esta forma, los valores de la corriente de defecto que superan la capacidad de corte del interruptor de carga se eliminarán por los fusibles, mientras que los valores de la corriente de defectos bajos, que los fusibles no pueden eliminar correctamente, se eliminan por el interruptor de corte de carga dirigido por el relé.

Influencia de la temperatura ambiente en la corriente nominal

Las especificaciones de intensidad asignada se definen para todos los aparatos eléctricos; los límites superiores se deciden en función del aumento de temperatura aceptable causado por la I2R (vatios) disipados en los conductores (donde I = intensidad eficaz en amperios y R = la resistencia del conductor en ohmios), junto con el calor producido por la histéresis magnética y las pérdidas de corriente de Foucault en motores, transformadores, etc., y las pérdidas dieléctricas en cables y condensadores, cuando proceda.

Un aumento de temperatura superior a la temperatura ambiente depende principalmente de la velocidad con la que se elimina el calor. Por ejemplo, las grandes corrientes pueden atravesar los devanados de motores eléctricos sin que éstos se sobrecalienten, simplemente porque un ventilador de refrigeración fijado aleje del motor elimina el calor a la misma velocidad a la que se genera, por lo que la temperatura alcanza un valor estable por debajo de la que podría dañar el aislamiento y quemar el motor.

Los transformadores de refrigeración de aire o aceite se encuentran entre los ejemplos más conocidos de estas técnicas de “refrigeración forzada”. Los valores de intensidad asignada recomendados por la IEC se basan en temperaturas ambientes comunes en climas templados a altitudes que no superan los 1.000 metros, de forma que los elementos que dependen de la refrigeración natural por radiación y convección de aire se sobrecalientan si funcionan a la intensidad asignada en un clima tropical o a altitudes superiores a los 1.000 metros.

En tales casos, se debe reducir el valor nominal/asignado del equipo, es decir, se debe asignar un valor inferior de intensidad asignada.

El caso del transformador se trata en la norma UNE-EN 60076-2.

Aparamenta de tierra

Las conexiones a tierra y las conexiones de equipos requieren una consideración especial, especialmente en relación con la seguridad del consumidor conectado en BT durante un cortocircuito a tierra en el sistema de MT.

Electrodos de tierra

Por lo general, es preferible, cuando sea físicamente posible, separar el electrodo de cierre para las partes metálicas de una instalación que no estén en tensión normalmente (cierre de protección) del electrodo previsto para la conexión a tierra del conductor neutro de BT. Se trata de una práctica común en los sistemas rurales, en los que el electrodo de tierra del conductor neutro de BT (cierre de servicio) se instala en uno o dos segmentos de la línea de distribución de BT separada de la subestación.

En la mayoría de los casos, el espacio limitado disponible en las subestaciones urbanas impide esta práctica, es decir, no hay posibilidad de separar un electrodo de AT lo suficiente de un electrodo de BT para evitar la transferencia de tensiones (posiblemente peligrosas) al sistema de BT.

Corriente de defecto a tierraLos niveles de corriente de defecto a tierra a altas tensiones se pueden por lo general comparar (a menos que se restrinja deliberadamente) con los de un cortocircuito trifásico. Las corrientes que atraviesen un electrodo de tierra aumentarán su tensión a un valor elevado en relación con la “tierra remota” (la tierra que rodea al electrodo aumentará a un potencial elevado; la “tierra remota” tiene potencial cero). Por ejemplo, 10.000 A de corriente de defecto

a tierra que atraviesan un electrodo con una resistencia (inusualmente baja) de 0,5 ohmios aumentará su tensión a 5.000 V.

Siempre y cuando todas las partes metálicas de la subestación estén conectadas todas juntas al electrodo de tierra, y éste tenga la forma de (o esté conectado a) una instalación de una malla de líneas de tierra que cubra todo el suelo de la subestación, no existe riesgo para el personal, puesto que esta distribución forma un sistema equipotencial en el que todo el material conductor, incluido el personal, están al mismo potencial.

Redes de distribución pública en pequeña y mediana industria (con líneas de BT dedicadas directas desde un centro de transformación de MT/BT)

Los consumidores industriales pequeños o medianos pueden recibir un suministro satisfactorio a baja tensión. En el caso de cargas que superen el límite máximo permitido de servicio de un distribuidor, normalmente se puede ofrecer un cable dedicado desde el cuadro de fusibles (o de interruptores) de distribución de BT, en el centro de transformación de servicio de electricidad.

Por lo general, el límite de carga superior que se puede suministrar por estos medios se limita únicamente por la capacidad disponible del transformador de repuesto en el CT.

Sin embargo, en la práctica:

Las cargas grandes (por ejemplo > 300 kVA) requieren cables de gran longitud, de modo que, a menos que el centro de la carga se encuentre cerca del centro de transformación, este método puede que no resulte económico.

Muchas empresas de servicios prefieren suministrar cargas que superen 200 kVA (esta cifra varía en función de los diferentes proveedores) a alta tensión. Por estos motivos, las líneas de suministro dedicado de BT generalmente se aplican (a 220/380 V y hasta 240/415 V) a una gama de cargas de 80 kVA a 250 kVA.

Entre los consumidores a los que se les suministra a baja tensión se incluyen los siguientes: Hogares domésticos.

Establecimientos y edificios comerciales.

Fábricas, talleres y estaciones de servicio de pequeño tamaño.

Restaurantes.

Granjas, etc.

Es obligatorio un interruptor automático de caja moldeada que incorpore una función protectora de defecto a tierra de corriente residual sensible en el origen de cualquier instalación de BT que forme parte de la aparamenta a tierra TT.Otro motivo por el que es necesario este dispositivo es que el consumidor no puede superar su carga (contractual) máxima declarada, ya que el ajuste de disparo por sobrecarga, sellado por la autoridad encargada del suministro, cortará el suministro que se encuentre por encima del valor declarado. El consumidor puede cerrar o disparar libremente el interruptor, de modo que, si el interruptor se sobrecarga o se dispara sin querer, o debido a un defecto del dispositivo, los suministros se pueden restablecer rápidamente tras la corrección de la anomalía.

Dada la incomodidad tanto para el personal de la compañía suministradora como para el consumidor, actualmente los equipos de medida suelen ubicarse fuera de las instalaciones de diferentes modos:

En una envolvente conforme a las normas de la empresa suministradora.

En un espacio dentro de un edificio pero con la terminación de los cables y los fusibles de la empresa suministradora ubicado en un armario empotrado resistente a la intemperie y al que se puede acceder desde la vía pública.

Para consumidores domésticos privados, el equipo se instala en un armario resistente a la intemperie montado verticalmente en un marco metálico en el jardín frontal, o empotrado en el muro divisor, y al que puede acceder el personal autorizado desde la acera.

Calidad de la tensión de suministro eléctrico

La calidad del suministro de la red de BT en su sentido más amplio implica lo siguiente:

Cumplimiento de los límites reglamentarios de magnitud y de frecuencia.

Libertad de fluctuación continua dentro de esos límites.

Suministro ininterrumpido de alimentación, excepto en el caso de cortes programados por motivos de mantenimiento, o como resultado de defectos del sistema u otras emergencias.

Conservación de una forma de onda casi sinusoidal.

Selección de arquitecturas de MT y BT

El diseño de una arquitectura de distribución eléctrica puede describirse a través de un proceso de tres fases, con posibilidades iterativas. En este proceso se tienen en cuenta las características de la instalación y los criterios que deben cumplirse.

Características de la instalación eléctrica

Estas son las características de instalación principales que permiten la definición de los fundamentos y detalles de la arquitectura de distribución eléctrica. Para cada una de estas características, ofrecemos una definición y las diferentes categorías o posibles valores.

Actividad

Actividad económica principal realizada en las instalaciones. Para los edificios industriales consideramos fabricación, alimentos y bebidas, logística. En los edificios terciarios consideramos oficinas, hipermercados o centros comerciales.

Topología

Características arquitectónicas de los edificios, teniendo en cuenta el número de edificios, el número de plantas y la superficie de cada planta. Las categorías que nos encontramos son edificios de un solo nivel, edificios de varios niveles, Instalaciones de varios edificios y edificios de gran altura

Latitud de disposición

Se tendrán en cuenta las características, teniendo en cuenta las limitaciones en cuanto a la disposición de los equipos eléctricos en el edificio: estética, accesibilidad, presencia de ubicaciones dedicadas, uso de pasillos técnicos (por planta) y uso de conductos técnicos (verticales).

Fiabilidad del servicio

Es la capacidad de un sistema de alimentación de cumplir su función de suministro en las condiciones establecidas durante un periodo de tiempo específico.

Categorías diferentes

Mínima: este nivel de fiabilidad de servicio implica el riesgo de interrupciones relacionadas con las limitaciones geográficas (red aparte, área alejada de los centros de producción de energía), técnicas (línea aérea, sistema incorrectamente mallado) o económicas (mantenimiento insuficiente, generación subdimensionada).

Estándar.

Mejorada: este nivel de fiabilidad de servicio puede obtenerse a través de medidas especiales tomadas para reducir la probabilidad de interrupción (red subterránea, mallado resistente, etc.).

Flexibilidad de instalación

Es la posibilidad de desplazar fácilmente los puntos de suministro eléctrico dentro de la instalación o de incrementar la alimentación suministrada en determinados puntos.

La flexibilidad es un criterio que también aparece debido a la incertidumbre del edificio durante la fase de resumen del proyecto previo.

Categorías diferentes

Sin flexibilidad: la posición de las cargas se fija durante el ciclo de vida, debido a las grandes limitaciones relacionadas con la construcción del edificio o el elevado peso del proceso ofrecido. P. ej. trabajos de fundición.

Flexibilidad de diseño: el número de puntos de suministro, la potencia de las cargas o su ubicación no se conocen con precisión.

Flexibilidad de implantación: las cargas pueden instalarse tras la puesta en marcha de la instalación.

Flexibilidad de funcionamiento: la posición de las cargas oscilará, según la reorganización del proceso.

Demanda de potencia

La suma de la potencia de carga aparente (en kVA), a la que se aplica un coeficiente de uso, representa la potencia máxima que puede consumirse en un momento determinado en las instalaciones, con la posibilidad de sobrecargas limitadas que sean de corta duración.

Distribución de cargas

Las características relacionadas con la uniformidad de la distribución de cargas (en kVA/m²) en una zona determinada o en todo el edificio.

Categorías diferentes

Distribución uniforme: las cargas son normalmente de potencia media o baja y se extienden por toda la superficie o en una gran extensión del edificio (densidad uniforme). P. ej. iluminación, estaciones de trabajo individuales.

Distribución intermedia: las cargas son normalmente de potencia media, localizadas en grupos por toda la superficie del edificio. P. ej. máquinas de montaje, transporte, estaciones de trabajo, “instalaciones” de logística modulares.

Cargas localizadas: las cargas son normalmente de alta potencia y se localizan en diversas zonas del edificio (densidad no uniforme). P. ej. sistema HVAC.

Sensibilidad a las interrupciones de alimentación

Es la capacidad de un circuito de aceptar una interrupción de alimentación. Las categorías existentes son:

Circuito “deslastrable”: posibilidad de corte en cualquier momento durante un periodo de tiempo indefinido.

Interrupción larga aceptada: tiempo de interrupción > 3 minutos.

Interrupción corta aceptada: tiempo de interrupción < 3 minutos.

Ninguna interrupción aceptada.

Podemos distinguir diversos niveles de gravedad de una interrupción de alimentación, según las posibles consecuencias:

Sin consecuencias importantes.

Pérdida de producción.

Deterioro de las instalaciones de producción o pérdida de información confidencial.

Peligro mortal.

Se expresa en términos de criticidad de suministro de cargas o circuitos:

No crítica. La carga o el circuito pueden “deslastrarse” en cualquier momento. P. ej. circuito de calefacción de aguas sanitarias.

Baja criticidad. Una interrupción de alimentación ocasiona una molestia temporal para los ocupantes de un edificio, sin ninguna consecuencia económica. Si la interrupción se prolonga y supera el periodo de tiempo crítico puede ocasionar una pérdida de producción o una reducción de la productividad. P. ej. circuitos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Criticidad media. Una interrupción de alimentación ocasiona una breve parada en el proceso o servicio. Si la interrupción se prolonga y supera el periodo de tiempo crítico, puede ocasionar un deterioro de las instalaciones de producción o un coste de arranque para la nueva puesta en funcionamiento. P. ej. unidades refrigeradas, ascensores.

Alta criticidad. Cualquier interrupción de alimentación ocasiona un daño mortal o pérdidas económicas inaceptables. P. ej. sala de teatro en funcionamiento, departamento informático, departamento de seguridad.

Sensibilidad a las perturbaciones

Es la capacidad de un circuito de funcionar correctamente en presencia de una perturbación de alimentación eléctrica. Una perturbación puede ocasionar diversos grados de mal funcionamiento. P. ej. interrupción del funcionamiento, funcionamiento incorrecto, desgaste acelerado, aumento de pérdidas, etc.

Tipos de perturbaciones que afectan a las operaciones del circuito:

Apagones parciales.

Sobretensiones.

Distorsión de tensión.

Fluctuaciones de tensión.

Desequilibrio de tensión.

Categorías diferentes

Sensibilidad baja: las perturbaciones en las tensiones de suministro afectan de forma mínima a las operaciones. P. ej. dispositivo de calentamiento.

Sensibilidad media: las perturbaciones de tensión ocasionan un importante deterioro de las operaciones. P. ej. motores, iluminación.

Alta sensibilidad: las perturbaciones de tensión pueden ocasionar interrupciones en el funcionamiento o incluso el deterioro de los equipos suministrados. P. ej. equipos de IT.

La sensibilidad de los circuitos a las perturbaciones determina el diseño de los circuitos de alimentación compartidos o dedicados. En efecto, conviene separar lascargas “sensibles” de las cargas “perturbadoras”. P. ej. separación de los circuitos de iluminación de los circuitos de suministro de motores.

Esta elección también depende de las características de funcionamiento. P. ej. suministro de alimentación independiente de los circuitos de iluminación para permitir la medición del consumo de potencia.

Capacidad de perturbación de los circuitos

Es la capacidad de un circuito de perturbar el funcionamiento de los circuitos de alrededor debido a fenómenos tales como: armónicos, corriente de entrada, desequilibrio, corrientes de alta frecuencia, radiación electromagnética, etc.

Categorías diferentes

Sin perturbación: no hay que tomar ninguna precaución especial.

Perturbación moderada u ocasional: puede ser necesaria una fuente de alimentación aparte en presencia de circuitos de sensibilidad alta o media. P. ej. circuito de iluminación que genere corrientes armónicas.

Perturbación elevada: para el correcto funcionamiento de la instalación, resulta esencial contar con un circuito de alimentación dedicado o con medios para atenuar las perturbaciones. P. ej. motor eléctrico con una fuerte corriente de arranque, equipos de soldadura con corriente fluctuante.

Otras consideraciones o limitaciones

Entorno. P. ej. clasificación de iluminación, exposición al sol.

Normas específicas. P. ej. hospitales, edificios de gran altura, etc.

Norma del distribuidor de energía. P. ej. límites de potencia de conexión para BT, acceso a subestación MT, etc.

Cargas de acoplamiento. Cargas acopladas a dos circuitos independientes por motivos de redundancia.

Limitaciones de fuente de alimentación de carga. Nivel de tensión (230 V, 400 V, 690 V), sistema de tensión (monofásico, trifásico con o sin neutro, etc.).

Características tecnológicas

Las soluciones técnicas consideradas corresponden a los diversos tipos de equipos MT y BT, así como a las canalizaciones eléctricas prefabricadas.

La elección de soluciones tecnológicas se realiza tras elegir un esquema unifilar y de acuerdo con las características que se indican a continuación.

Entorno y atmósfera

Recopilación de todas las limitaciones ambientales (temperatura ambiente media, altitud, humedad, corrosión, polvo, impactos, etc.) y agrupación de los índices de protección IP e IK.

Categorías diferentes:

Estándar: sin limitaciones ambientales especiales.

Mejorada: entornos difíciles, varios parámetros ambientales generan importantes limitaciones para los equipos instalados.

Específica: entorno atípico, que requiere mejoras especiales.

Índice de servicios

El índice de servicios (IS) es un valor que nos permite caracterizar un cuadro de distribución BT según las necesidades de funcionamiento, mantenimiento y escalabilidad del usuario. Los diferentes valores del índice se indican en la figura con la que abrimos el artículo.

Elección de detalles de arquitectura

Esta es la segunda fase en el diseño de la instalación eléctrica. Durante esta fase se realizan las siguientes elecciones:

Disposición.

Distribución centralizada o descentralizada.

Presencia de generadores de reserva.

Presencia de fuentes de alimentación sin interrupción.

Configuración de circuitos BT.

 Combinaciones de arquitecturas

Disposición

Posición de los equipos MT y BT principales en las instalaciones o en el edificio. Esta elección de disposición se aplica a los resultados de la fase 1.

Guía de elección:

Colocación de las fuentes de alimentación lo más cerca posible del baricentro de los consumidores de potencia.

Reducción de las limitaciones atmosféricas: instalaciones dedicadas del edifi cio si la disposición en el taller es demasiado restrictiva (temperatura, vibraciones, polvo, etc.).

Colocación de equipos pesados (transformadores, generadores, etc.) cerca de las paredes o las salidas principales para facilitar el mantenimiento.

En el siguiente diagrama se ofrece un ejemplo de disposición. 

Esquemas de distribución en baja tensión

En una instalación típica de baja tensión los circuitos de distribución se originan en un cuadro general de baja tensión desde el que los conductores alimentan cargas a través de cuadros de distribución secundarios y/o cuadros terminales.

Niveles de distribución de baja tensión

En las instalaciones medianas y grandes se utilizan por lo general tres niveles de distribución para suministrar alimentación de baja tensión a todas las cargas:

         Distribución desde el cuadro general de baja tensión (CGBT).

En este nivel, se distribuye la alimentación de uno o más transformadores de media/baja tensión conectados a la red de media tensión de la compañía eléctrica-

o   Diferentes áreas de la instalación: talleres de una fábrica, zonas de producción

homogéneas de instalaciones industriales, plantas de edificios de oficinas, etc.

o   Cargas centralizadas de gran potencia como compresores de aire y unidades de

refrigeración por agua en procesos industriales o sistemas de aire acondicionado y ascensores de edificios de oficinas

         Distribución secundaria utilizada para distribuir la electricidad en cada zona.

         Distribución terminal, utilizada para suministrar las diversas cargas.

Topologías básicas.

Todos los esquemas de distribución son combinaciones de dos topologías básicas que se muestran en la siguiente figura:

o   Topología de estrella: distribución radial (o centralizada).

o   Topología de bus: distribución mediante canalizaciones eléctricas (también se denominan

sistemas de canalización eléctrica).

Selección del esquema de distribución

El esquema de distribución de baja tensión se selecciona de acuerdo con una serie de criterios que incluyen:

Requisitos de disponibilidad de energía.

Tamaño de la instalación (superficie y alimentación total que debe distribuirse).

Disposición de las cargas (equipos y densidad de la alimentación).

Requisitos de flexibilidad de la instalación.

Requisitos de disponibilidad de energía.

La creación de circuitos independientes para diferentes partes de una instalación permite:

Limitar las consecuencias de un defecto en el circuito en cuestión.

Simplificar la localización de defectos.

Llevar a cabo trabajo de mantenimiento o extensiones de los circuitos sin interrumpir el suministro de alimentación a toda la instalación.

Por lo general se necesitan los siguientes grupos de circuitos:

Circuitos de iluminación (en los que se produce la mayoría de los defectos de aislamiento).

Circuitos de tomas de corriente.

Circuitos de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Circuitos para la fuerza motriz.

Circuitos de suministro eléctrico para servicios auxiliares (indicación y control).

Circuitos para sistemas de seguridad (iluminación de emergencia, sistemas de protección contra incendios y circuitos de fuentes de alimentación sin interrupción (UPS) para sistemas informáticos, etc.), cuya instalación está sujeta normalmente a normativas y códigos profesionales estrictos.

Tamaño de la instalación:

Los emplazamientos pequeños se suministran directamente desde la red de baja tensión de la instalación, y el tamaño y los requisitos de alimentación de la instalación eléctrica no justifican el uso de un sistema de distribución de 3 niveles. La distribución eléctrica en instalaciones pequeñas (tiendas, hogares, oficinas pequeñas, etc.) a menudo sólo implica uno o dos niveles.

Disposición de las cargas en el emplazamiento

Requisitos de flexibilidad de la instalación.

La flexibilidad de la instalación es un requisito cada vez más importante, especialmente en instalaciones comerciales e industriales. Esta necesidad afecta principalmente a las cargas distribuidas y está presente en cada nivel de distribución:

Nivel de cuadro de distribución general de baja tensión: flexibilidad de diseño, que permite distribuir la alimentación eléctrica a diferentes áreas de la instalación sin un conocimiento detallado de las necesidades al nivel de distribución secundaria.

Nivel de distribución secundaria: flexibilidad de instalación y funcionamiento.

Nivel de distribución terminal: flexibilidad de utilización.

Ubicación del centro de transformación y el cuadro de distribución general de baja tensión.

El punto de partida del diseño de una instalación eléctrica, y la ubicación física de los cuadros de distribución secundaria y terminal, es un plano del edificio en cuestión en el que se indique la ubicación de las cargas junto con sus requisitos de alimentación. Por razones tanto técnicas como económicas, el CT de media/baja tensión, las alimentaciones auxiliares y el cuadro de distribución general de baja tensión deberían situarse lo más cerca posible del centro eléctrico de la zona de cargas. En una gran instalación industrial es posible ubicar de la misma manera una serie de centros de transformación de media/baja tensión y CGBT, es decir, en función del centro eléctrico de la zona de cargas.

Pueden utilizarse canalizaciones, denominadas asimismo sistemas de canalización eléctrica prefabricada, para garantizar un alto grado de flexibilidad de cara a las futuras extensiones o modificaciones del sistema de distribución eléctrica. Para asegurar que la mayor flexibilidad de cara a las futuras modificaciones no afecte negativamente a la facilidad de uso, podrá ser necesario instalar dispositivos de protección lo más cerca posible de las cargas.

Ejemplos de esquemas de distribución

Distribución radial arborescente.

Este esquema de distribución es el más utilizado y por lo general sigue disposiciones similares a las mostradas a continuación:

Ventajas:

En caso de producirse un defecto sólo se desactiva un circuito.

Los defectos se localizan con facilidad.

El mantenimiento o las extensiones de los circuitos se pueden llevar a cabo mientras el resto de la instalación sigue prestando servicio. Los tamaños de los conductores se pueden reducir para adaptarlos a los menores niveles de corriente hacia los circuitos secundarios finales.

Inconvenientes:

Un defecto que ocurra en uno de los conductores procedentes del cuadro de distribución general de BT cortará el suministro a todos los circuitos de los cuadros  de distribución secundaria y de distribución terminal relacionados situados aguas abajo.

Cableado convencional.

El cableado convencional resulta adecuado para edificios destinados a un uso específico en los que el sistema de distribución eléctrica es relativamente estable,

Canalización prefabricada para distribución secundaria: Las canalizaciones son una solución excelente para instalaciones en los sectores industrial y comercial que estarán sometidas a cambios en el futuro. Es una instalación flexible y sencilla en grandes zonas diáfanas.

Canalización prefabricada para distribución terminal: Para oficinas, laboratorios y todas las instalaciones modulares sometidas a cambios frecuentes.

Distribución radial pura

Este esquema se utiliza para fines de control centralizado, gestión, mantenimiento y supervisión de una instalación o un proceso dedicado a una aplicación concreta:

Ventajas:

Si se produce un defecto (excepto a nivel de embarrado), sólo se interrumpirá un circuito.

Inconvenientes:

Exceso de cobre debido al número y la longitud de los circuitos.

Elevadas prestaciones mecánicas y eléctricas de los dispositivos de protección (proximidad de la fuente, que depende de la corriente de cortocircuito en el punto considerado).

Distribución mixta desde los cuadros generales de baja tensión (CGBT) y canalizaciones eléctricas de gran potencia

Se pueden utilizar unas canalizaciones eléctricas de gran potencia conectadas al CGBT para suministrar a los alimentadores en otros lugares de la instalación. Estos alimentadores suministran a los cuadros de distribución secundaria y/o a las canalizaciones eléctricas de distribución secundaria. Para requisitos de gran potencia, los transformadores y CGBT también pueden estar repartidos por la instalación. En este caso se pueden utilizar canalizaciones eléctricas para interconectar los diferentes CGBT. Veamos algún ejemplo:

Ventajas

Mayor flexibilidad de diseño, independencia de diseño y de instalación a nivel de cuadro de distribución general de baja tensión con respecto al nivel de distribución secundaria, mayor disponibilidad de energía en la instalación.

La utilización de fuentes en paralelo garantizan la disponibilidad de la alimentación eléctrica si se produce un defecto en una de ellas. También permiten tener en cuenta la falta de uniformidad en la distribución de la potencia de las cargas en la instalación.

Cambio de sistemas de neutro

En las grandes instalaciones se utilizan dos niveles de tensión, 400 voltios para motores en procesos y 230 V para circuitos de iluminación y tomas de corriente.

380, 400 o 415 V (o en casos excepcionales 480 V), principalmente para motores (aplicaciones de procesos).

220, 230 o 240 V (o en casos excepcionales 277 V) para circuitos de iluminación y de tomas de corriente.

Cuando el neutro no está distribuido, se instalan transformadores de media/baja tensión allí donde se necesite un neutro. Estos transformadores proporcionan un aislamiento galvánico de los circuitos y hacen posible cambiar el sistema de neutro y mejorar las características de aislamiento principales

División de las instalaciones

Para los requisitos de gran potencia se pueden utilizar varios transformadores para separar cargas sensibles o generadoras de perturbaciones, por ejemplo:

Sistemas informáticos, que son sensibles a la oscilación de la tensión (caídas y picos) y a la distorsión de las formas de onda (armónicos).

Circuitos que generan armónicos, como lámparas de descarga, convertidores eléctricos de diversos tipos (rectificadores controlados mediante tiristores, inversores, controladores de la velocidad de motores, etc.).

Circuitos que generan variaciones de tensión excesivas, como motores grandes, hornos de arco, etc. Circuitos sometidos a variaciones de la resistencia de aislamiento.

Equipos auxiliares

Entre los ejemplos cabe citar el suministro duplicado desde CT de MT/BT, unidades generadoras de emergencia, estaciones de alimentación privadas, UPS y unidades de iluminación de emergencia independientes.

Subdivisión de los circuitos

Los circuitos se pueden subdividir de acuerdo con las normativas, normas y necesidades de explotación aplicables. De esta manera, un defecto que afecte a un circuito no esencial no interrumpirá el suministro de alimentación a un circuito esencial.

Elección de la aparamenta de tierra

Cuando las consideraciones relativas a la continuidad de suministro son primordiales, p. ej. en la fabricación por procesos continuos por lo general se adopta el esquema de conexión a tierra IT. Este esquema permite que continúe el funcionamiento normal (y seguro) del sistema en caso de producirse un defecto inicial de conexión a tierra (con mucho, el tipo más habitual de defecto de aislamiento). Más adelante, en un momento oportuno, podrá realizarse una parada para localizar y reparar el defecto (por ejemplo, al final de un proceso de fabricación). Sin embargo, un segundo defecto de conexión a tierra (si ocurre en una fase diferente o en un

conductor neutro) constituirá un defecto de cortocircuito, que provocará que los relés de protección contra sobreintensidades disparen el circuito o los circuitos.

Selectividad

El objetivo principal de cualquier esquema de protección automática contra defectos de aislamiento, sobrecargas, etc., es disparar el interruptor automático o fundir el fusible o los fusibles que controlan el circuito defectuoso únicamente, sin que se vean afectados los demás interruptores automáticos y fusibles.

En instalaciones radiales arborescentes, esto significa disparar el interruptor automático o los fusibles aguas arriba más próximos, con lo que todas las cargas situadas aguas abajo se ven privadas inevitablemente del suministro.

La corriente de cortocircuito (o sobrecarga) pasará por lo general a través de uno o más interruptores automáticos o fusibles situados aguas arriba del interruptor automático (o los fusibles) que controlan el cable defectuoso.

Por “selectividad” se entiende que ninguno de los dispositivos de protección aguas arriba a través de los cuales pasa la corriente de defecto (o sobrecarga) funcionará antes de que entre en acción el dispositivo de protección que controla el circuito defectuoso. Por lo general, la selectividad se consigue incrementando el tiempo de funcionamiento de los dispositivos de protección a medida que su ubicación en una red se acerca a la fuente de alimentación. Así, si el dispositivo de protección más próximo al defecto no entra en funcionamiento, el siguiente dispositivo situado aguas arriba entrará en funcionamiento algo más tarde.

Calidad de la energía eléctrica

Otra cuestión a considerar en el diseño son las redes de suministro eléctrico públicas y privadas están sometidas a diversas perturbaciones cuyo nivel y frecuencia deben controlarse y mantenerse dentro de límites aceptables. Entre las más graves cabe mencionar las siguientes:

1. Curvas de tensión o picos y caídas repentinos.

2. Sobretensiones.

3. Armónicos, especialmente los impares (3.º, 5.º, etc.).

4. Fenómenos de alta frecuencia.

Para asegurar el suministro de aplicaciones que son especialmente sensibles a estas perturbaciones (p. ej. los ordenadores), se puede instalar un circuito de distribución de alimentación de alta calidad en el esquema de distribución de baja tensión normal.

Caídas de tensión de corta duración

Según la duración de la condición de mínima tensión, una caída puede originarse debido a una de las siguientes causas:

Menos de 0,1 segundos: defectos de cortocircuito que ocurren en cualquier punto de las redes de baja tensión locales y se eliminan por medio de dispositivos de protección (interruptores automáticos, fusibles, etc.). Este tipo de caída es el más habitual en los sistemas “estándar”, a diferencia de las redes situadas cerca de instalaciones de industria pesada, donde son frecuentes grandes perturbaciones.

Entre 0,1 y 0,5 segundos: la mayoría de los defectos que se producen en los sistemas de media tensión corresponden a esta categoría.

Más de 0,5 segundos: en las redes rurales, donde son habituales los interruptores de reenganche automático, podrán experimentarse varias caídas sucesivas hasta que se elimine el defecto. Otra razón por la que las caídas de tensión pueden tener una duración superior a 0,5 segundos es el arranque de motores eléctricos locales (por ejemplo, los ascensores o las sirenas de las alarmas de incendios de las estaciones centrales producen caídas cíclicas en la red de distribución vecina).

Algunas consecuencias y soluciones

Entre las numerosas consecuencias no deseadas de las caídas de tensión pueden citarse las siguientes:

En función de la gravedad de la caída y del tipo de cargas en una determinada instalación, existe el riesgo de que se produzca un aumento considerable de la intensidad cuando se restablezca la tensión normal, con el consiguiente disparo de los interruptores automáticos principales.

Una solución posible sería un esquema con deslastrado automático y reconexión escalonada de los aparatos que requieran elevadas corrientes de rearranque.

En aplicaciones completamente informatizadas, control de máquinas-herramientas, procesos, etc., las caídas de tensión resultan inaceptables, puesto que puede perderse la información o destruirse un programa, con consecuencias catastróficas. Se puede tolerar un cierto grado de variación de la tensión y con este fin se incorporan circuitos estabilizadores de la tensión, pero la solución universal para instalaciones importantes es el uso de sistemas de alimentación sin interrupción (UPS) basados en acumuladores de carga lenta e inversores y asociados con generadores diesel controlados automáticamente.

En el caso de un motor eléctrico, la deceleración durante una caída de tensión provocará que su fuerza electromotriz probablemente se encuentre desfasada cuando se restablezca la tensión. Esto constituye una condición de cortocircuito, con el consiguiente flujo elevado de corriente. En algunos casos pueden producirse pares transitorios excesivos, con el riesgo de que se dañen los ejes, acoplamientos, etc. Una solución habitual consiste en instalar motores de gran inercia y elevado par máximo siempre que lo permita la carga accionada.

Algunos tipos de lámparas de descarga (especialmente las lámparas de vapor de mercurio) utilizadas en el alumbrado público se apagan por debajo de un determinado nivel de tensión y requieren varios minutos (para enfriarse) antes de volver a encenderse. La solución consiste en utilizar otros tipos de lámparas o mezclar lámparas que no se apaguen, en un número suficiente para mantener un nivel de iluminación seguro. Véase el capítulo N (UPS).

Sobretensiones

Se pueden evitar los efectos dañinos de las sobretensiones.

En el caso de sobretensiones a la frecuencia del sistema de alimentación:

Asegurando que los equipos en cuestión cuenten con una capacidad adecuada de resistencia a sobretensiones.

Mediante el uso de dispositivos limitadores de tensión cuando resulte necesario, en un esquema de aislamiento coordinado adecuadamente. Estos dispositivos siempre son necesarios en las aparamentas a tierra IT.

Para sobretensiones transitorias (por lo general de tipo impulso), mediante:

Una coordinación eficaz del esquema de aislamiento.

Pararrayos.

Tensiones y corrientes armónicas

Fuentes y tipos de armónicos

Todas las cargas no lineales consumen corrientes no sinusoidales. Las principales fuentes de armónicos son dispositivos electrónicos de alimentación (convertidores estáticos, fuentes de alimentación, atenuadores, etc.).

Máquinas y dispositivos electromagnéticos, como: bobinas saturadas, transformadores (corrientes de magnetización), motores y generadores, etc.

Lámparas de descarga y resistencias.

Hornos de arco que generan un espectro continuo de perturbaciones. Si el arco se suministra a través de rectificadores estáticos controlados por tiristor (hornos de arco de CC), las perturbaciones tienen una amplitud media más baja, pero los rectificadores producen armónicos.

Consecuencias

Las consecuencias principales de los armónicos son:

La necesidad de sobredimensionar determinados componentes de la red y de la instalación: Conductores en tensión y Conductores neutros (de un sistema trifásico de 4 hilos), especialmente para circuitos de iluminación de descarga o fluorescente y cargas de ordenadores. Alternadores (p. ej. en generadores diesel) y Baterías de condensadores.

Sobrecalentamiento local de circuitos magnéticos de motores.

Posibilidad de resonancia entre las capacidades e inductancias de la red (ferrorresonancia) o entre bancos de condensadores y la impedancia fuente del sistema (principalmente inductiva).

Soluciones

armónicos: normalmente se utiliza un valor máximo del 5% para los armónicos de tensión y del 10%(1) para los armónicos de corriente.

Los armónicos se pueden atenuar mediante:

La instalación de transformadores de baja tensión/baja tensión triángulo/estrella en zigzag para aislar el tercer armónico y sus múltiplos impares.

La instalación de filtros.

Fenómenos de alta frecuencia

Este problema se refiere a las sobretensiones y todos los fenómenos electromagnéticos conducidos o radiados. Determinados dispositivos o toda una instalación eléctrica pueden ser sensibles a tales perturbaciones o provocarlos, por ejemplo, en forma de:

Descargas electrostáticas.

Radiación, por ejemplo, interferencias causadas por transmisores de radio, walkie-talkies, etc.

Perturbaciones transmitidas por la conducción en los conductores de una instalación.

Por ejemplo: la apertura de bobinas de contactores o bobinas de disparo de interruptores automáticos. La directiva europea 89/336/CEE relativa a la compatibilidad electromagnética impone niveles máximos de emisiones y mínimos de inmunidad para las instalaciones eléctricas y sus componentes.

Energía de calidad

Se puede instalar un circuito de distribución de alta calidad dedicado en el esquema de distribución de baja tensión normal. El objetivo es alimentar a los equipos sensibles (ordenadores, cajas registradoras, microprocesadores, etc.) desde una fuente que esté exenta de las perturbaciones. El suministro de energía de alta calidad se consigue por medio de UPS y sus acumuladores y rectificadores-cargadores asociados, que en condiciones normales reciben su suministro de una salida del cuadro de distribución general de baja tensión.

La continuidad de suministro se asegura mediante un generador diesel y un sistema de conmutación automático de fuente, de tal modo que una fuente de alimentación sin interrupción se pueda mantener indefinidamente (siempre que haya disponible personal para llenar el depósito de combustible) o durante varias horas en el caso de un centro de transformación sin supervisión.

Conexiones a tierra

Las conexiones de un sistema de tierra son las siguientes:

El sistema principal de conexión equipotencial

La conexión se lleva a cabo mediante conductores de protección y el objetivo consiste en asegurar que, en caso de que un conductor extraño entrante (como una tubería de gas, etc.) desarrolle un potencial debido a un defecto externo al edificio, no pueda ocurrir una diferencia de potencial entre las partes conductoras extrañas en la instalación.

La conexión se debe realizar lo más cerca posible de los puntos de entrada al edificio y conectarse al terminal principal de conexión a tierra.

Sin embargo, las conexiones a tierra de las cubiertas metálicas de los cables de comunicaciones requieren la autorización de los propietarios de tales cables.

Conexiones equipotenciales suplementarias

Estas conexiones tienen como finalidad conectar todas las partes conductoras accesibles y todas las partes conductoras extrañas que sean accesibles simultáneamente, cuando no se cumplen las condiciones de protección adecuadas, es decir, cuando los conductores de conexión originales presentan una resistencia inaceptablemente alta.

Conexión de las partes conductoras accesibles a los electrodos de tierra

La conexión se lleva a cabo por medio de conductores de protección con el fin de proporcionar una ruta de baja resistencia para las corrientes de fuga que fluyen a tierra.

Esquemas de conexión a tierra normalizados

El esquema de conexión a tierra debe cumplir los criterios de tres opciones, originalmente independientes, elegidas por el proyectista de un esquema de distribución eléctrica o una instalación:

El tipo de conexión del sistema eléctrico (por lo general, del conductor neutro) y las partes accesibles que llegan a los electrodos de tierra.

Un conductor de protección independiente o un conductor de protección y un conductor neutro como un único conductor.

El uso de una protección contra defectos a tierra de la aparamenta con protección contra sobreintensidades, que elimine únicamente corrientes de defecto relativamente elevadas, o el uso de relés adicionales capaces de detectar y eliminar a tierra pequeñas corrientes de defecto de aislamiento.

En la práctica, estas opciones están agrupadas y normalizadas de la forma descrita a continuación. Cada una de estas opciones ofrece sistemas normalizados de conexión a tierra que presentan tres ventajas e inconvenientes:

La conexión de las partes conductoras accesibles de los equipos y del conductor neutro al conductor PE da como resultado una equipotencialidad y sobretensiones más bajas, pero incrementa las corrientes de defecto a tierra.

Un conductor de protección independiente resulta costoso, aunque su sección transversal sea pequeña, pero es mucho menos probable que se vea contaminado por caídas

de tensión, armónicos, etc., que un conductor neutro. También se evitan las corrientes de fuga en las partes conductoras extrañas.

Los relés de protección contra corriente diferencial o los dispositivos de supervisión del aislamiento son mucho más sensibles y su instalación permite en muchos casos eliminar los defectos antes de que se produzcan daños graves (motores, incendios, electrocución).

La protección que ofrecen también es independiente respecto de los cambios realizados en una instalación existente.

                                                                  Esquema TN-C

Esquema TT (conductor neutro conectado a tierra)

Un punto de la fuente de alimentación se conecta directamente a tierra. Todas las partes conductoras accesibles y extrañas se conectan a una toma de tierra independiente de la instalación. Este electrodo puede o no ser eléctricamente independiente del electrodo de la fuente. Ambas zonas de influencia pueden solaparse sin que se vea afectado el funcionamiento de los dispositivos de protección.

Esquemas TN (partes conductoras accesibles conectadas al conductor neutro)

La fuente se conecta a tierra de la misma manera que con el esquema TT descrito anteriormente. En la instalación, todas las partes conductoras accesibles y extrañas se conectan al conductor neutro. A continuación se muestran las diversas versiones de esquemas TN.

Esquema TN-C

El conductor neutro también se utiliza como un conductor de protección y se denomina conductor PEN (neutro y puesta a tierra de protección). Este sistema no está permitido para conductores de menos de 10 mm2 ni para equipos portátiles. El esquema TN-C requiere un entorno equipotencial eficaz en la instalación, con electrodos de tierra dispersos y separados a intervalos que sean lo más regulares posible, puesto que el conductor PEN es el conductor

neutro y también conduce corrientes con desequilibrios de fases, así como corrientes armónicas de tercer orden (y sus múltiplos).

Por tanto, el conductor PEN debe conectarse a una serie de electrodos de tierra en la instalación.

Puesto que el conductor neutro también es el conductor de protección, cualquier corte en el conductor representa un riesgo para las personas y los bienes.                                      

El esquema TN-S (5 hilos) es obligatorio para los equipos portátiles con circuitos con secciones transversales inferiores a 10 mm2.

El conductor de protección y el conductor neutro son independientes. En los sistemas de cables subterráneos en los que existen cables forrados de plomo, el conductor de protección es por lo general el revestimiento de plomo. El uso de conductores PE y N independientes (5 hilos) es obligatorio para los equipos portátiles con circuitos con secciones transversales inferiores a 10 mm2.

Esquema TN-C-S

Los esquemas TN-C y TN-S se pueden utilizar en la misma instalación. En el esquema TN-C-S, el esquema TN-C (4 hilos) nunca se debe utilizar aguas abajo del esquema TN-S (5 hilos), puesto que cualquier interrupción accidental en el conductor neutro en la parte aguas arriba provocaría una interrupción en el conductor de protección en la parte aguas abajo y, por tanto, presentaría un peligro.

Esquema IT (neutro aislado o neutro impedante)

Esquema IT (neutro aislado)

No se realiza ninguna conexión entre el punto neutro de la fuente de alimentación y tierra.

Las partes conductoras accesibles y extrañas de la instalación se conectan a una toma de tierra.

En la práctica, todos los circuitos tienen una impedancia de fuga a tierra, puesto que ningún aislamiento es perfecto. En paralelo con esta ruta de fuga resistiva (distribuida) se encuentra la ruta de la corriente capacitiva distribuida, y juntas constituyen la impedancia de fuga normal a tierra.

Esquema IT (neutro con conexión a tierra de impedancia)

Todas las partes conductoras accesibles y extrañas se conectan a una toma de tierra. Lo que se pretende con esta forma de conectar la fuente de alimentación a tierra es fijar el potencial de una red pequeña con respecto a tierra (Zs es pequeña en comparación con la impedancia de fuga) y reducir el nivel de sobretensiones, como las que se transmiten desde los devanados de alta tensión.

Esquema TT

Las características principales son:

La solución más sencilla de diseñar y de instalar. Se utiliza en instalaciones suministradas directamente por la red pública de distribución de baja tensión.

No requiere una supervisión continua durante el funcionamiento (puede ser necesaria una comprobación periódica de los DDR).

La protección se garantiza por medio de dispositivos especiales, los dispositivos de corriente diferencial (DDR), que también evitan el riesgo de incendio cuando están regulados a ≤ 500 mA.

Cada defecto de aislamiento provoca una interrupción del suministro eléctrico; sin embargo, el corte se limita al circuito defectuoso mediante la instalación de DDR en serie (DDR selectivos) o en paralelo (selección de circuito).

Las cargas o partes de la instalación que, durante el funcionamiento normal, provocan corrientes de fuga elevadas requieren medidas especiales para evitar los disparos intempestivos, por ejemplo, instalando un transformador de separación para las cargas o utilizando DDR específicos.

Esquema TN

Características principales:

En términos generales, el esquema TN:

 Requiere la instalación de electrodos de tierra a intervalos regulares en toda la instalación.

Requiere que la comprobación inicial del disparo eficaz al producirse el primer defecto de aislamiento se lleve a cabo mediante cálculos durante la fase de diseño, seguidos de mediciones obligatorias para confirmar el disparo durante la puesta en marcha.

Requiere que un instalador cualificado diseñe y lleve a cabo cualquier modificación o ampliación.

Puede causar, en caso de defectos de aislamiento, daños más graves a los devanados de las máquinas giratorias.

Puede representar, en instalaciones que presentan un riesgo de incendio, un peligro mayor debido a las corrientes de defecto más altas.

Además, el esquema TN-C:

A primera vista puede parecer más económico (eliminación de un polo de dispositivo y un conductor).

Requiere el uso de conductores fijos y rígidos.

Está prohibido en determinados casos: Instalaciones que presentan un riesgo de incendio y para equipos informáticos (presencia de corrientes armónicas en el conductor neutro).

Además, el esquema TN-S:

Puede utilizarse incluso con conductores flexibles y conductos pequeños.

Debido a la separación entre el neutro y el conductor de protección, proporciona un PE limpio (para sistemas informáticos e instalaciones que presentan riesgos especiales).

Esquema IT

Esta solución ofrece la mejor continuidad de servicio durante el funcionamiento.

La indicación del primer defecto de aislamiento, seguida de su localización y eliminación obligatorias, asegura la prevención sistemática de los cortes del suministro.

Se utiliza por lo general en instalaciones suministradas por un transformador privado de media tensión/baja tensión o de baja tensión/baja tensión.

Requiere personal de mantenimiento para su supervisión y explotación.

      Requiere un alto nivel de aislamiento de la red (supone la división de la red si es muy extensa y el uso de transformadores de separación de circuitos para alimentar a las cargas con corrientes de fuga elevadas).

        La comprobación del disparo eficaz al producirse dos defectos simultáneos debe llevarse a cabo mediante cálculos realizados en la fase de diseño, seguidos de mediciones obligatorias durante la puesta en marcha para cada grupo de partes conductoras accesibles 

Cuadros de distribución

Un cuadro de distribución es el punto en el que una fuente de alimentación entrante se divide en circuitos independientes, cada uno de los cuales se controla y se protege mediante los fusibles o interruptores del cuadro. Un cuadro de distribución se divide en una serie de unidades funcionales, cada una de las cuales incluye todos los elementos eléctricos y mecánicos que contribuyen a la realización de una determinada función.

La envolvente del cuadro de distribución aporta una doble protección:

Protección de los interruptores, instrumentos de medida, relés, fusibles, etc., contra impactos mecánicos, vibraciones y otras influencias externas que puedan interferir con la integridad operativa (EMI, polvo, humedad, animales e insectos, etc.).

La protección de las personas contra la posibilidad de descargas eléctricas directas e indirectas.

Tipos de cuadros de distribución

Los tipos principales de cuadros de distribución son:

El cuadro de distribución general de baja tensión, o CGBT.

Centros de control de motores, o MCC.

Cuadros de distribución secundaria.

Cuadros de distribución terminal.

Aparamenta de baja tensión

Las funciones principales de la aparamenta son:

Protección eléctrica.

 Aislamiento eléctrico de las secciones de una instalación.

Conmutación local o remota.

La protección eléctrica a baja tensión (aparte de los fusibles) normalmente se incorpora en los interruptores automáticos en forma de dispositivos magnetotérmicos y/o dispositivos de disparo accionados por la corriente residual (menos frecuentemente, dispositivos accionados por la tensión residual, que resultan aceptables, aunque no están recomendados por IEC).También realizan otras funciones:

Protección contra las sobretensiones.

La protección contra tensión mínima la suministran dispositivos específicos (pararrayos y otros tipos de disipadores de sobretensiones, relés asociados a contactores e interruptores automáticos controlados de forma remota, y mediante interruptores automáticos/aislantes combinados, etc). 

Protección eléctrica contra Aislamiento Control

Corriente de sobrecarga Corriente de cortocircuito Defecto de aislamiento.

Aislamiento indicado claramente por un indicador mecánico seguro autorizado. Una separación o una barrera aislante interpuesta entre los contactos abiertos, claramente visible.

Conmutación funcional. Conmutación de emergencia Parada de emergencia. Apagado para la realización de tareas de mantenimiento mecánico.

 Protección eléctrica

El objetivo es evitar o limitar las consecuencias destructivas o peligrosas de las corrientes excesivas (cortocircuito) o causadas por sobrecargas y defectos de aislamiento, y separar el circuito defectuoso del resto de la instalación.

Se hace una distinción entre la protección de:

Los elementos de la instalación (cables, hilos, aparamenta, etc).

Personas y animales.

Equipos y dispositivos suministrados por la instalación.

 La protección de circuitos: Contra sobrecargas; una situación en la que se limita una corriente excesiva de una instalación en buen estado (sin defectos) y contra corrientes de cortocircuito causadas por el defecto completo del aislamiento entre los conductores de diferentes fases o (en los sistemas TN) entre una fase y un conductor neutro (o PE).

En estos casos, la protección la proporcionan fusibles o interruptores automáticos en el cuadro de distribución en el que se origina el circuito final.

Protección de personas: Contra defectos de aislamiento. Según la aparamenta a tierra de la instalación (TN, TT o IT), la protección la proporcionan fusibles o interruptores automáticos, dispositivos de corriente residual y/o una supervisión permanente de la resistencia de aislamiento de la instalación a tierra.

Protección de motores eléctricos: Contra sobrecalentamiento, causado, por ejemplo, por una sobrecarga a largo plazo, un rotor parado, una sola fase, etc. Se utilizan relés térmicos, diseñados especialmente para adaptarse a las características concretas de los motores. Si es necesario, estos relés también pueden proteger el cable del circuito del motor contra sobrecargas. La protección contra cortocircuitos la proporcionan fusibles a un interruptor automático del que se ha retirado el elemento protector térmico (sobrecarga), o en el que se ha desactivado este elemento.

Si es necesario, estos relés también pueden proteger el cable del circuito del motor contra sobrecargas. La protección contra cortocircuitos la proporcionan fusibles aM o un interruptor automático del que se ha retirado el elemento protector térmico (sobrecarga), o en el que se ha desactivado este elemento.

Dispositivos de conmutación elementales

Seccionador

Este conmutador es un dispositivo de dos posiciones (abierto/cerrado) enclavable y accionado manualmente que proporciona un aislamiento seguro de un circuito cuando está enclavado en la posición abierta. Sus características se definen en IEC 60947-3. Un seccionador no está diseñado para abrir o cerrar el paso de la corriente.

Interruptor de carga

Este interruptor de control se suele accionar manualmente (aunque a veces dispone de disparo eléctrico para mayor comodidad del usuario) y es un dispositivo no automático de dos posiciones (abierto/cerrado).

Se utiliza para cerrar y abrir circuitos cargados en condiciones normales de circuitos sin defectos.

Cuando se elige un interruptor para poner en tensión un circuito siempre existe la posibilidad de que exista un cortocircuito (insospechado) en el circuito. Por este motivo se asigna a los interruptores de carga un índice de conexión de corriente de defecto, es decir, se asegura el cierre correcto frente a las fuerzas electrodinámicas de la corriente de cortocircuito. Tales interruptores se denominan habitualmente interruptores “de carga con conexión de defecto”. Los dispositivos de protección situados aguas arriba son los encargados de eliminar el defecto de cortocircuito.

Interruptor biestable (telerruptor)

Este dispositivo se utiliza extensamente para el control de circuitos de iluminación, en los que al presionar un pulsador (en una posición de control remota), se abre un interruptor ya cerrado o se cierra un interruptor abierto en una secuencia biestable.

Las aplicaciones típicas son:

Conmutación de dos vías en escaleras de edificios grandes.

Sistemas de iluminación de escenarios.

Iluminación de fábricas, etc.

Hay disponibles dispositivos auxiliares que proporcionan:

Indicación remota de su estado en cualquier momento.

Funciones de temporización.

Funciones de mantenimiento de contacto.

Contactor

El contactor es un dispositivo de conmutación accionado por solenoide que por lo general se mantiene cerrado mediante una corriente (reducida) que pasa a través del solenoide de cierre (aunque existen diversos tipos con enclavamiento mecánico para aplicaciones específicas). Los contactores están diseñados para realizar numerosos ciclos de apertura/cierre y se suelen controlar de forma remota por medio de pulsadores de activación/desactivación. 

Discontactor (contactor + relé térmico)

Un contactor equipado con un relé de tipo térmico que aporta protección contra sobrecargas se define como un “discontactor”. Los discontactores se utilizan extensamente para el control remoto de circuitos de iluminación mediante pulsadores, por ejemplo, y también se pueden considerar un elemento esencial de un controlador de motor.

El discontactor no es el equivalente a un interruptor automático, puesto que su capacidad de desconexión de corriente de cortocircuito está limitada a 8 o 10 In. Por lo tanto, para aportar protección contra cortocircuitos es necesario incluir fusibles o un interruptor automático en serie con los contactos del discontactor y aguas arriba de los mismos.

Fusibles

Las principales diferencias entre los fusibles de uso doméstico e industrial son los niveles de tensión y de corriente nominal (que requieren dimensiones físicas mucho mayores) y su capacidad de desconexión de corrientes de defecto.

Elementos combinados de la aparamenta

Por lo general, la aparamenta individual no cumple todos los requisitos de las tres funciones básicas, a saber, protección, control y aislamiento.

Cuando la instalación de un interruptor automático no resulta adecuada (en particular, cuando la velocidad de conmutación es elevada durante periodos prolongados), se utilizan combinaciones de unidades diseñadas específicamente para aportar este tipo de rendimiento. A continuación se describen las combinaciones utilizadas habitualmente.

Combinaciones de interruptor y fusible

Se pueden distinguir dos casos:

 Cuando el funcionamiento de uno o más fusibles hace que se abra el interruptor.

Cuando un interruptor no automático está asociado a un conjunto de fusibles integrados en un envolvente común.

Características de un interruptor automático

Las características fundamentales de un interruptor automático son:

Su tensión nominal Ue.

Su corriente nominal In.

Sus márgenes de ajuste del nivel de corriente de disparo para protección contra sobrecargas (Ir  o Irth) y para protección contra cortocircuitos (Im).

Su poder de corte de la corriente de cortocircuito (Icu para interruptores automáticos industriales e Icn para interruptores automáticos de uso doméstico).

Tensión nominal de funcionamiento (Ue)

Es la tensión a la que funciona el interruptor automático en condiciones normales (inalteradas). También se asignan al interruptor automático otros valores de tensión que corresponden a condiciones perturbadas.

Corriente nominal (In)

Es el valor de corriente máximo que un interruptor automático equipado con un relé de disparo por sobreintensidad puede transportar indefinidamente a la temperatura de referencia indicada por el fabricante, sin superar los límites de temperatura especificados de los componentes conductores de corriente.

Ajuste de la corriente de disparo del relé de sobrecarga (Irth o Ir)

Especificación del tamaño de trama

A los interruptores automáticos que pueden estar equipados con unidades de disparo por sobreintensidad con diferentes márgenes de ajuste del nivel de la corriente se les asigna una especificación que se corresponde con la de la unidad más alta de disparo por ajuste del nivel de la corriente que se puede instalar.

Ajuste de la corriente de disparo del relé de sobrecarga (Irth o Ir)

A parte de los interruptores automáticos pequeños que se pueden sustituir con suma facilidad, los interruptores automáticos de uso industrial están equipados con relés de disparo por sobreintensidad extraíbles, es decir, intercambiables. Además, para adaptar un interruptor automático a los requisitos del circuito que controla y para eliminar la necesidad de instalar cables de gran tamaño, los relés de disparo son por lo general ajustables. El ajuste de la corriente de disparo Ir o Irth (designaciones ambas de uso habitual) es la corriente por encima de la cual disparará el interruptor automático. También representa la corriente máxima que puede conducir el interruptor automático sin disparar. Ese valor debe ser mayor que la corriente de carga máxima IB, pero menor que la corriente máxima permitida en el circuito Iz.

Los relés de disparo térmico son por lo general ajustables entre 0,7 y 1,0 veces el valor de I n, pero cuando se utilizan dispositivos electrónicos para realizar esta operación, el margen de ajuste es mayor, normalmente entre 0,4 y 1 veces el valor de In.

Selección de un interruptor automático

A la hora de elegir un interruptor automático deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

Características eléctricas de la instalación en la que se utilizará el interruptor automático.

Su entorno previsto: temperatura ambiente, en una cabina o una envolvente de cuadro de distribución, condiciones climáticas, etc.

Requisitos de conexión y desconexión de la corriente de cortocircuito.

Especificaciones operativas: disparo selectivo, requisitos (o no) de control remoto e indicación, contactos y bobinas de disparo auxiliares, conexiones, etc.

Normas de instalación, en particular: protección de las personas.

Características de carga, como motores, iluminación fluorescente, transformadores de baja tensión/baja tensión.

Elección de la corriente nominal en cuanto a la temperatura ambiente

La corriente nominal de un interruptor automático se define para su funcionamiento a una determinada temperatura ambiente, que por lo general es de:

30 °C para interruptores automáticos regidos según la norma doméstica.

 40 °C para interruptores automáticos regidos según la norma industrial.

El rendimiento de estos interruptores automáticos a temperaturas ambiente diferentes depende principalmente de la tecnología de sus unidades de disparo.

Unidades de disparo magnetotérmicas no compensadas

Los interruptores automáticos con elementos de disparo térmicos no compensados disponen de un nivel de corriente de disparo que depende de la temperatura ambiente. Si se instala el interruptor automático en una envolvente o en un lugar donde la temperatura es elevada (sala de calderas, etc.), la corriente necesaria para disparar el interruptor automático en caso de sobrecarga se reducirá sensiblemente. Cuando la temperatura del lugar donde se encuentra el interruptor automático supere su temperatura de referencia, se “reducirá”. Por este motivo, los fabricantes de interruptores automáticos proporcionan tablas que indican los factores que se deben aplicar a temperaturas diferentes de la temperatura de referencia del interruptor automático.

Unidades de disparo magnetotérmicas compensadas

Estas unidades de disparo incluyen una pletina de compensación bimetálica que permite ajustar la corriente de disparo de sobrecarga (Ir o Irth) en un margen especificado, independientemente de la temperatura ambiente.

Unidades de disparo electrónicas

Una ventaja importante de las unidades de disparo electrónicas es su rendimiento estable en condiciones de temperatura cambiantes. Sin embargo, la propia aparamenta a menudo impone limitaciones operativas a temperaturas elevadas, y por ello los fabricantes suelen proporcionar una tabla en la que se indican los valores máximos de los niveles de corriente de disparo permisibles a temperatura ambiente.