Conceptos Básicos de Electricidad PDF

Sección 02 Conceptos Básicos de Electricidad Voltaje Resistencia Eléctrica El VOLTAJE, TENSIÓN O DIFERENCIA DE Llamamos RESISTENCIA ELÉCTRICA (R), de un POTENCIAL (V) Representan en material, a la oposición que encuentr...

Sección 02 Conceptos Básicos de Electricidad Voltaje Resistencia Eléctrica El VOLTAJE, TENSIÓN O DIFERENCIA DE Llamamos RESISTENCIA ELÉCTRICA (R), de un POTENCIAL (V) Representan en material, a la oposición que encuentra la corriente electricidad, la capacidad de generar una eléctrica durante su recorrido. corriente eléctrica a través de un conductor. Unidad Unidad Ohmios u Ohmns (Ω). Voltio o Volts (V). Instrumento de medición Instrumento de medición Óhmetro Voltímetro Intensidad Ley de OHM La INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA (I) La Intensidad (I)que circula por un circuito Es la carga eléctrica (o cantidad de electrones) eléctrico cerrado, es directamente proporcional que pasa a través de una sección de un conductor a la Tensión (V) aplicada, e inversamente por unidad de tiempo (segundo). proporcional a la Resistencia (R) de la carga que tiene conectada Unidad I=V/R Amperio o Ampere (A). Instrumento de medición Amperímetro  Tensión Llamaremos TENSIÓN CONTINUA a la Tensión (V) que se mantiene constante en el tiempo (t). Tensión (Volts) V Tiempo (segundos) Corriente Continua Si conectamos esa fuente con tensión continua a un circuito eléctrico cerrado, tendremos una CORRIENTE CONTINUA Intensidad de Corriente (Ampers) I Tiempo (segundos) Tensión Alterna Llamaremos TENSIÓN ALTERNA a la Tensión (V) que varía con el tiempo (t) en forma de onda sinusoidal. Tensión (Volts) V Tiempo (segundos) Corriente Alterna Si conectamos esa fuente con tensión alterna a un circuito eléctrico cerrado, tendremos una CORRIENTE ALTERNA I Intensidad de Corriente V (Ampers) Tiempo (segundos) Tensión (Volts) I Intensidad de Corriente V (Ampers) Tiempo (segundos) Tensión (Volts) ф V =V₀ x sen (wt) I =I₀ x sen (wt+ф) w =2πf con f =50Hz o 60Hz según el País siendo ф el desfasaje en el tiempo que genera el equipo receptor entre la sinusoide de la Intensidad de Corriente y la Tensión Voltaje y Corriente eficaz Un instrumento de medidas de tensión (voltímetro), medirá lo que llamamos voltaje eficaz y que es suficiente para conocer los parámetros de la red, ya que la frecuencia f es conocida y fija para cada país. El voltaje o tensión eficaz representa el valor cuadrático medido en el tiempo. Veff = V₀ √2 Por ejemplo: Veff= 230V V₀ =325V Un instrumento de medida de corriente (amperímetro) medirá la corriente eficaz con características similares a las del voltaje. Ieff = I₀ √2 Tipos de Receptores En corriente alterna se distinguen tres tipos de receptores: Receptores Óhmico Receptores inductivos Receptores capacitivos representados por R (ohmios) representados por XL (ohmios) representados por Xc (ohmios) Tipo: resistencias eléctricas puras Tipo: Motores; Bombas; equipos de AA. Tipo: Capacitores o bancos de condensadores Los receptores óhmicos puros no Los receptores inductivos puros producen desfasaje ф. Observando producen un desfasaje ф de +90° entre Los receptores capacitivos puros con un osciloscopio, ф =0. la tensión y la corriente: producen un desfasaje ф de - 90° entre la tensión y la corriente: Toda la energía suministrada a Ieff = Veff Ieff = Veff este tipo de receptor se transforma en calor, por ejemplo, lámparas XL incandescentes, estufas, cocinas eléctricas y resistencias eléctricas Los equipos inductivos reales, son los Xc de calefones o termo tanques que cuentan con bobinados, por Estos receptores capacitivos reales eléctricos. ejemplo, motores eléctricos, balastos y típicos son los capacitores. transformadores. Los capacitores actúan como En este caso: acumuladores ya que se cargan de Estos receptores no son inductivos electricidad a medida que la tensión puros, sino que tienen según el caso aumenta y se descarga generando Ieff = Veff una importante componente óhmica: una circulación de corriente contraria R al sentido del voltaje: Ieff = V eff Ieff = V eff √R²+X L² √R²+X c² Potencia Aparente La potencia eléctrica se define como el producto entre el voltaje (V) y la corriente (I) para cada instante y se calcula de la siguiente manera: P =V₀ sen w t x I₀ sen (wt+ф) P =V₀ x I₀ sen w t x sen (wt+ф) Como podrá verse, la potencia instantánea P puede llegar a ser negativa en algunos casos, esto es, en determinados momentos el receptor devuelve potencia a la fuente de energía. Definiciones de Potencia Potencia Aparente Producto de los valores eficaces de la tensión y de la intensidad Pap =Veffx Ieff→voltamper (VA) Potencia Activa Es la potencia que realmente consume un receptor para realizar un trabajo (calor, desplazamiento, etc.). Pa =Pap x cos ф →vatio (W) Potencia Reactiva Solo una parte de la potencia aparente es realmente útil y genera un trabajo. La potencia restante se denomina Potencia Reactiva y es requerida por equipos de tipo inductivos (motores, balastos o transformadores) para generar a su vez un trabajo. Pr =Pap x sen ф →voltamperio reactivo (VAR) Triángulo de Potencia Es posible representar las potencias así definidas por el llamado “Triángulo de Potencias” donde observamos que se cumplen las definiciones anteriores. Pap Pa =Pap x cos ф Pr Pr = Pap x sen ф ф Pa Observamos que si aumentamos la potencia reactiva, también aumenta la potencia aparente, manteniéndose la Potencia Activa, consecuentemente, aumenta la Ieff. Pap =Veff x Ieff→voltamper (VA) Energía Activa y Reactiva La aplicación de la potencia en el tiempo genera los consumos eléctricos de Energía (E). Energía Activa E (Wh)=Pa(W)x t(h)=Pap(VA)x cos ф x t(h)=VeffxIeff x cos ф x t(h) E (Wh)= Veff x Ieff x cos ф x t (h) Energía Reactiva E (Wh)= Veff x Ieff x sen ф x t (h)e Factor de Potencia Se define factor de potencia al cos ф de la instalación. Las empresas productoras de Energía Eléctrica no admiten instalaciones que consuman Energía Activa con factores de potencia inferiores a 0.92. Debemos compensar los consumos de Energía Reactiva reduciendo la Energía Inductiva mediante capacitores. En el “Triángulo de Potencia” observamos: P capacitor P aparente nal a re n te fi P ap ф ф final P reactiva P activa Por lo que si agregamos un receptor con consumo de Potencia Reactiva, reduciremos el cos ф. Estos receptores son los capacitores o condensadores: Sección 03 Formas de distribución de la energía eléctrica Distribución Eléctrica en Baja Tensión Las empresas distribuidoras de energía eléctrica en baja tensión (en Uruguay: UTE), tienen a su alcance diferentes formas de distribución eléctrica y tensiones de suministro. UTE ha adoptado dos tipos de distribución eléctrica que hasta la fecha coexisten: Red de distribución triángulo en 230 Voltios Red de distribución estrella en 400Voltios trifásicos +un trifásicos (3 conductores), de la cual obtenemos conductor de Neutro aterrado en la SSEE de UTE (4 para su uso en el edifficio: conductores), de la cual obtenemos para su uso en el edifficio: Tensión trifásica en 230V, para que funcionen los Tensión trifásica en 400V, para que funcionen los motores con motores con tensiones en 230V (motores de tensiones en 400V (motores de bombas, motores de ascensores, bombas, motores de ascensores, etc.) etc.) Ejemplo: FADU, Facultades de Medicina y de Ejemplo: Facultades de Ciencias , de Comunicaciones, Edificio Derecho, etc.) Polifuncional Ing. José Luis Massera (Aulario), Regional Norte en Salto de la UdelaR y futura Facultad de Veterinaria sobre ruta 8, etc. Tensión monofásica en 230V, tomando la tensión entre dos fases, para que funcionen las puestas Tensión monofásica en 230V, tomando la tensión entre una fase y el monofásicas (tomacorrientes, electrodomésticos, neutro, para que funcionen las puestas monofásicas luminarias, computadoras, etc.) (tomacorrientes, electrodomésticos, luminarias, computadoras, etc.) Red de distribucion triángulo En la Red de Distribución Triángulo de UTE: V línea =230V Generador Tensión de Línea trifásico (Fase - Fase) fase R V línea V línea fase S V línea fase T Red de distribucion estrella En la Red de Distribución Estrella de UTE: V línea =400V Generador Tensión de Línea trifásico (Fase - Fase) fase R V línea V línea fase S V línea fase T  Generador Tensión de Línea trifásico (Fase - Fase) fase R V línea fase S V línea fase T V línea neutro Para éstas Redes se cumple: Vlínea =√3 x Vfase Si Vlínea =400V, Vfase =Vlínea /√3 =400V /√3 =230V Potencia Trifásica Potencia Activa Pa =√ 3VI x cos ф →Vatio (W) Potencia Reactiva Pr =√ 3VI x sen ф →Voltamper reactivo (VAr) Potencia Aparente Pap =√ 3VI =√Pa² +Pr² →Voltamper (VA) Potencia Trifásica Pa =√ 3VI x cos ф →Vatio (W) Ejemplo 1 Ejemplo 2 Si alimento una electrobomba de agua de Si el edificio se alimenta en 400V, tenemos: 15000Vatios (15000W) que posee un coseno Ø de 0,85; desde un Tablero de mi edificio el cual se P =1,73 x V x Ix 0,85 ; 15000 (W) =1,73 x 400 (V) x I(A) x 0,85 ; alimenta en 230V trifásicos, la corriente que pasa I =15000/ (1,73 x 400x 0,85) =25,5 Amperios =25,5 A por el conductor queda determinada por: P =1,73 x V x Ix 0,85 ; 15000 (W) =1,73 x 230 (V) x I(A) x 0,85 ; Por el conductor que alimenta dicha electrobomba va a pasar una corriente de 25,5A. I =15000/ (1,73 x 230x 0,85) =44,3 Amperios =44,3 A Conclusión: para la misma potencia en un suministro Por el conductor que alimenta dicha electrobomba en 400V, las cargas trifásicas consumen menos va a pasar una corriente de 44,3A. corriente y por lo tanto los conductores serán de menor sección. Potencia Monofásica P =V I (Vatios) Ejemplo 1 Ejemplo 2 Si alimento una electrobomba de agua de Si el edificio se alimenta en 400V, tenemos: 15000Vatios (15000W) que posee un coseno Ø de 0,85; desde un Tablero de mi edificio el cual se P =1,73 x V x Ix 0,85 ; 15000 (W) =1,73 x 400 (V) x I(A) x 0,85 ; alimenta en 230V trifásicos, la corriente que pasa I =15000/ (1,73 x 400x 0,85) =25,5 Amperios =25,5 A por el conductor queda determinada por: P =1,73 x V x Ix 0,85 ; 15000 (W) =1,73 x 230 (V) x I(A) x 0,85 ; Por el conductor que alimenta dicha electrobomba va a pasar una corriente de 25,5A. I =15000/ (1,73 x 230x 0,85) =44,3 Amperios =44,3 A Conclusión: para la misma potencia en un suministro Por el conductor que alimenta dicha electrobomba en 400V, las cargas trifásicas consumen menos va a pasar una corriente de 44,3A. corriente y por lo tanto los conductores serán de menor sección. Tipos de suministros de UTE en Baja Tensión En Baja Tensión, UTE puede suministrar Energía Eléctrica en las siguientes Tensiones: Monofásica 230V Sistema Triángulo: entre Fase y Fase (2 conductores) Monofásica 230V Sistema Estrella: entre Fase y Neutro (2 conductores) Trifásica 230V Sistema Triángulo: 3 Fases (3 conductores) Trifásica 400V Sistema Estrella: 3 Fases +neutro (4 conductores) Conductores Eléctricos Un conductor eléctrico consiste en un alambre o un conjunto de hilos de cobre o aluminio, forrados con una vaina de PVC o Polietileno reticulado de aislante eléctrico, puede ser también una barra maciza de cobre o aluminio. Color de la vainas Rojo, Blanco, Marrón →RBT - UTE Celeste →Neutro Amarillo con verde →Tierra Conductores Eléctricos FUCELAL FUCELUM FUCELUM PVC FUCELUM PVC FUSTIX CF FUSTIX CF MULTIPOLAR Conductores Eléctricos Barras colectoras de un tablero Conductores Eléctricos Blindo Barras Conductores electricos Los conductores se instalan de diversas formas: Los conductores eléctricos se utilizan para distribuir la corriente eléctrica por Dentro de cañerías (de PVC rígido o corrugado, parte de UTE hasta los edificios donde hierro, hierro galvanizado). tenemos la instalación de enlace (UTE- Edificio), luego los conductores Dentro de conductos metálicos o de mampostería, alimentan Tableros y estos las puestas. parrillas, bandejas, etc Deffiniciones Expuestos en el exterior (distribución aérea de UTE). Línea se denomina al conductor Suspendidos en el interior. eléctrico que realiza la alimentación eléctrica a un Tablero. Por lo tanto, los conductores se seleccionan de Catálogos de los Fabricantes para cada aplicación Circuito o derivación se denomina al (según el tipo y uso) teniendo en cuenta la corriente conductor que realiza la alimentación admisible que admite (corriente máxima que admite eléctrica desde un Tablero a una el conductor. Sin estropearse). puesta (luminaria, tomacorriente, motor, etc.). Sección 04 Dimensionado de Conductores Por Resistencia Mecánica Un conductor eléctrico debe soportar su tracción mecánica cuando se instala dentro de una canalización o se suspende, por lo que las normas recomiendan una sección mínima de conductor, por su comportamiento mecánico.- (Ver Repartido pág.17 o RBT de UTE). Circuitos de Iluminación - 0,75 mm2 Circuitos de Tomacorrientes - 1.5 mm2 Líneas Repartidoras - 6 mm2 Dimensionado de Conductores Por Calentamiento Admisible Un conductor eléctrico de cobre o aluminio es una resistencia eléctrica. Al circular corriente por él, se calienta y libera calor. Este calor es directamente proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a la conductividad del material y a la sección del conductor: I= W W Monofásico I= Trifásico V √3xV Existen normas con las corrientes admisibles por sección de conductor (ver Repartido Tabla 2.2.3 o RBT de UTE) Dimensionado de Conductores Por Caída de Tensión En un conductor de cobre o aluminio, existe una caída de tensión de acuerdo a su longitud, pretendemos dimensionar el conductor para que dicha caída de tensión se encuentre entre rangos admisibles: L xW para circuitos Monofásicos: S =2 kxexV LxW para circuitos Trifásicos: S= kxexV Siendo: W potencia en vatios L Longitud en metros S Sección en mm² K Conductividad del cobre (56,7) o aluminio (34,7) V Tensión de suministro en voltios ( monof. o trif.) e Caída de tensión máxima admisible en voltios Dimensionado de Conductores En general las instalaciones y circuitos deben dimensionarse teniendo en cuenta que la máxima caída de tensión admisible debe ser inferior a: 3% para circuitos de iluminación; es decir, 3% de la tensión: Si la tensión es 230V: 3% de 230V es: 0,03x230=6,9V Si la tensión es 400V: 3% de 400V es: 0,03x400= 12V 5% para líneas, circuitos a motores y tomacorrientes; es decir, 5% de la tensión: Si la tensión es 230V: 5% de 230V es: 0,05x230=11,5V Si la tensión es 400V: 5% de 400V es: 0,05x400=20V Dimensionado de Conductores En resumen, e, que es la caída de tensión máxima admisible será: Para circuitos monofásicos de iluminación: 6,9V Para circuitos monofásicos de líneas y tomacorrientes: 11,5V Para circuitos trifásicos en 400V,de iluminación: 12V Para circuitos trifásicos en 400V de líneas y tomacorrientes: 20V Nota: En el presente curso se asumirá que el edificio a proyectar es nuevo y si se alimenta en forma trifásica la tensión será de 400V. (nueva tensión de suministro en baja de UTE) Ejercicio! Ver planta y derivaciones Dada una torre de 25 pisos destinada a vivienda, con 9 apartamentos por piso, Cálculo de línea se pide: Cálculo de un circuito o derivación El Edificio cuenta con tres ascensores Establecer protecciones de 12Kw de potencia cada uno, cuyo Tablero General se ubicará en la Azotea. Establecer canalizaciones Calcule el conductor que alimenta este tablero, desde el Tablero de Servicios Generales ubicado en la Planta Baja. La altura entre pisos es de 3m. Conductores eléctricos - Dimensionado 1) Dimensionado por Resistencia Mecánica 25 24 ¿Qué tipo de línea es ? Circuitos de Iluminación 0,75 mm2 Líneas Repartidoras Circuitos de Tomacorrientes 1.5 mm2 Líneas Repartidoras 6 mm2 ¿Es trifásico o monofásico ? La línea de alimentación es es trifásica 3 3 ascensores de 12 Kw c/u =Trifásico 2 1 3 x 6 mm2 + N + T Conductores eléctricos - Dimensionado 2) Dimensionado por 25 Calentamiento Admisible 24 ¿Es trifásico o monofásico ? Líneas Repartidoras I= W I= W V √3xV monofásico trifásico 3 ascensores de 12 Kw c/u =36 Kw 3 W =36.000 W V =230V o 400V I =52 A 2 (toda instalación nueva es 400V) 1 Conductores eléctricos - Dimensionado Tabla EVI. Corriente máxima admisible según sección (Cobre). Sección Conductor al aire libre PVC Temperatura 25⁰C Nominal en mm2 2 Unipolar 3 Unipolar 1Bipolar 1Tri o Trepolar 0.75 15 11 15 13 1 18 14 18 15 1.5 23 18 23 20 2 28 22 27 23 2.5 32 25 32 26 4 43 35 42 36 6 56 45 54 46 10 78 64 74 64 16 105 87 100 85 25 139 117 126 107 I= W 3 x 10 mm2 + N + T √3xV I = 52 A Imáx. = 64 A trifásico Conductores eléctricos - Dimensionado 3) Dimensionado de conductores por 25 3m 75m caída de Tensión Admisible 24 ¿Es trifásico o monofásico ? Líneas Repartidoras S =2 L x W S= LxW kxexV kxexV monofásico trifásico L =75 m W =36.000 w 3 K =56,7 (Cobre) S =5,95 mm2 (6 mm2) 3 x 10 mm2 + N + T 2 e =400 x 0,05 (5%)= 20 1 V =400 V Conductores eléctricos - Dimensionado 1) Dimensionado por Resistencia Mecánica 25 24 3 x 6 mm2 + N + T 2) Dimensionado por Calentamiento Admisible Líneas Repartidoras 3 x 10 mm2 + N + T 3) Dimensionado de conductores por caída de Tensión Admisible 3 x 6 mm2 + N + T 3 Nota: Elijo el mayor de los tres calculados 2 1  Conductores eléctricos - Dimensionado 3 x 10 mm2 + N + T Dimensionado de NEUTRO S ≤ 16 mm2 S S =10 S16 mm2 S/2 Dimensionado de conductor de TIERRA S ≤ 16 mm2 S mm2 - mínimo 2 mm2 S =10 S 35 mm2 S/2 mm2 con un máximo de 50 mm2 3 x 10 mm2 + 10 mm2 N + 10mm2 T Revisión del ejercicio Tabla EVI. Corriente máxima admisible según sección (Cobre). Sección Conductor al aire libre PVC Temperatura 25⁰C Nominal en mm2 2 Unipolar 3 Unipolar 1Bipolar 1Tri o Trepolar 0.75 15 11 15 13 W I= 1 18 14 18 15 √3xV 1.5 23 18 23 20 trifásico 2 28 22 27 23 2.5 32 25 32 26 I =52 A 4 43 35 42 36 Imáx. =64 A 6 56 45 54 46 10 78 64 74 64 16 105 87 100 85 25 139 117 126 107 Para el dimensionado del conductor por Calentamiento admisible se utilizó la Tabla de Conductores al Aire libre, pero como se trata de un conductor que alimenta un Tablero interior; debió utilizarse la Tabla para conductores en canalizaciones. Veremos a continuación si utilizamos dicha Tabla que conductor nos da: Revisión del ejercicio Tabla EXIII. Corriente máxima admisible para cables unipolares y tripolares Conductore aislados con PVC o similares, instalados dentro de conductos. Sección Conductores unipolares Nominal Corriente máxima admisible (A) en mm2 2 conductores p/cir. 3 conductores p/cir. 0.75 12 10 I= W I =52 A 1.00 1.50 14 19 13 16 √3xV Imáx. de 10 mm2 =64 A 2.00 22 20 2.50 25 22 trifásico 4.00 34 30 6.00 43 38 10.00 60 53 Vemos que si bien 16.00 81 72 cumple el conductor 25.00 107 94 35.00 133 118 queda muy exigido 50.00 160 142 trabajando casi al límite 70.00 204 181 de su Imáx. 95.00 246 219 120.00 285 253 150.00 328 292 Por lo tanto elegimos el 185.00 375 332 siguiente de 16 mm2. 240.00 440 391 300.00 506 449 400.00 605 538 3 x 16 mm2 + 16 mm2 N + 16 mm2 T Nota: de reglamento de Baja Tensión de UTE. Corriente máxima admisible en A, para cables unipolares con conductores de cobre aislados con Policloruro de Vinilo (PVC) o similares a temperatura ambiente de 250C.