MOTORES ELÉCTRICOS


MÁQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma una forma de energía en otra forma de energía utilizando en algunos casos como puente de comunicación, entre ambas formas de energía, un circuito magnético. Las máquinas eléctricas se clasifican en cinco grandes grupos:

1.    Generadores.

2.    Motores.

3.    Convertidores rotativos.

4.    Transformadores.

5.    Convertidores estáticos.

-         Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica.

-         Los motores transforman la energía eléctrica en mecánica.

-         Los convertidores estáticos convierten una señal AC en DC (fuentes DC) y convierten una señal DC en AC (inversores). Las fuentes DC se clasifican en: Fuentes DC tipo rectificador y fuentes DC conmutadas.

-         Los convertidores rotativos son máquinas eléctricas rotativas que actúan como una fuente DC o un inversor de tipo mecánico. Se utilizaban para convertir corriente alterna en corriente directa y viceversa antes de la llegada los convertidores estáticos.

-         Los transformadores aíslan y en la mayoría de los casos también transforman los niveles de tensión y corriente AC de la entrada (primario) a otros niveles de tensión y corriente AC en la salida (secundario). En los transformadores de aislamiento, los niveles de tensión y corriente del primario y secundario son iguales. Los transformadores con conexión tipo Scott permiten transformar el número de fases desde el sistema eléctrico AC primario a otro número de fases del sistema eléctrico AC secundario.

Las máquinas eléctricas rotativas están conformadas por los convertidores rotativos y los motores y generadores eléctricos. En el presente documento no se estudiarán los convertidores rotativos. Teniendo en cuenta esta aclaración, las máquinas eléctricas rotativas pueden ser DC o AC. Existen motores y generadores DC y AC. Dentro de las máquinas eléctricas rotativas AC existen máquinas eléctricas rotativas síncronas y máquinas eléctricas rotativas de inducción. Existen generadores y motores síncronos y existen motores de inducción. Los motores de inducción se clasifican en motores tipo jaula de ardilla y motores de rotor devanado.


PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS SINCRONAS.

Toda máquina eléctrica rotativa consta de estator y rotor. El estator es la parte fija o estática y el rotor es la parte móvil. El estator en una máquina síncrona tiene forma de cilindro hueco y dispone de ranuras en su superficie interior. Cada ranura contiene un conductor del devanado del estator. Las máquinas síncronas más utilizadas son los generadores síncronos, los cuales están acoplados a las turbinas en las diferentes centrales de generación convencionales, como las hidroeléctricas o las termoeléctricas. Los motores síncronos normalmente son muy grandes y robustos y solo se utilizan en aplicaciones de alto consumo de energía en grandes compañías. Para que el lector entienda la diferencia entre un rotor y un estator puede apreciar la figura que se presenta a continuación:


De acuerdo a la configuración del rotor, los generadores síncronos pueden ser de polos salientes o de rotor liso. En los generadores síncronos de polos salientes las espiras del devanado del rotor abrazan el cuerpo de cada pareja de polos, como se aprecia en la parte a) de la figura que se presenta a continuación que corresponde a una máquina de dos polos. En los generadores síncronos de rotor liso las espiras del devanado del rotor se alojan en ranuras localizadas sobre la superficie lateral del rotor, como se muestra en la parte b) de la figura que se presenta a continuación: 



En cualquiera de los dos casos, los terminales de la bobina del rotor por cada par de polos se conectan a dos anillos rozantes de material conductor (aleación de cobre) fijos sobre el eje pero aislados eléctricamente de él, sobre los que hacen contacto unas escobillas de carbón (grafito) fijas a la carcasa y conectadas a una alimentación exterior de corriente directa.


Entre el rotor y el estator existe un espacio de aire conocido como entrehierro, el cual proporciona la holgura mecánica suficiente para permitir el libre giro del rotor. En toda máquina eléctrica rotativa y en todo transformador eléctrico existe uno o varios circuitos magnéticos. Un circuito magnético es una trayectoria cerrada por la que circulan las líneas de campo magnético. En las máquinas eléctricas rotativas el campo magnético circula a través del entrehierro y a través de las chapas del material ferromagnético que conforman el núcleo del estator y el núcleo del rotor. Las chapas de material ferromagnético permiten un camino de baja reluctancia para el campo magnético. La reluctancia es la oposición al paso del flujo magnético dentro de un circuito magnético. Lógicamente, la reluctancia asociada al núcleo del estator o rotor es mucho menor frente a la reluctancia asociada al entrehierro. El flujo magnético, a nivel general, se define como el producto entre la magnitud del campo magnético multiplicada por el área efectiva que atraviesa el campo magnético, tal como se describe a continuación:


λ = B x A


B = λ / A


Donde:

λ es el flujo magnético total en Weber.

B es el campo magnético o la densidad de flujo magnético en Teslas.

A es el área total que atraviesan las líneas de campo magnético en metros cuadrados.


De la anterior fórmula matemática, el lector puede entender porque al campo magnético también se le conoce como densidad de flujo magnético. Un imán se define como un cuerpo magnetizado de forma permanente. Todo imán tiene un polo norte y un polo sur. El polo norte se define como el área del imán donde salen las líneas de campo magnético. El polo sur se define como el área del imán donde entran las líneas de campo magnético. Para entender más claramente estos conceptos, se anexa la figura que se presenta a continuación:


Como se observa en la figura anterior, las líneas de campo magnético forman trayectorias cerradas. Estas líneas salen del polo norte y retornan a través del polo sur. Experimentalmente, se observa que cuando se colocan dos imanes uno cerca de otro, los polos se repelen si son del mismo signo y se atraen si son de diferente signo. En la figura que se muestra a continuación se puede apreciar un circuito magnético compuesto por un devanado bobinado sobre un núcleo ferromagnético que está alimentado por una fuente de tensión DC de valor V.



De la figura anterior se puede concluir que un devanado tiene dos polos, al igual que un imán. El polo norte corresponde al terminal del devanado por el que salen las líneas de campo magnético o sale el flujo magnético de la bobina. El polo sur corresponde al terminal del devanado por el que entran las líneas de campo magnético o entra el flujo magnético a la bobina. En la figura anterior también se establece la diferencia entre el flujo magnético total y el flujo magnético por espira. Para que el lector comience a entender la forma en la cual un generador síncrono produce energía eléctrica, se va a suponer inicialmente una configuración muy elemental pero muy fácil de entender. Esta configuración corresponde a un generador de polos salientes con un solo par de polos. En la figura que se presenta a continuación se puede apreciar la configuración antes relacionada.

Como se puede apreciar en la anterior figura, el rotor gira en el sentido contrario a las manecillas del reloj a una frecuencia angular w dada en radianes / segundo. Este movimiento es causado por la caída de agua que hace mover una turbina que está acoplada al mismo eje del rotor del generador en el caso de una central hidroeléctrica. En el caso de una central termoeléctrica, el giro del rotor es producido por la velocidad del flujo de vapor de agua caliente que mueve el turbogenerador. El campo magnético que atraviesa perpendicularmente la espira del estator es función del ángulo α y del campo magnético máximo entregado por el devanado del rotor Bmax. Como el rotor gira en todo momento a una frecuencia angular w, el campo magnético que atraviesa perpendicularmente la espira varía con el tiempo. En este caso se obtiene:

coseno α = B / Bmax

Despejando se tiene:

B  = Bmax coseno α 

Si w es la frecuencia en radianes / segundo y t es el tiempo en segundos, se obtiene:

α  =  w t

Reemplazando se tiene:

B  = Bmax coseno (w t)

B  = Bmax coseno (wt)

Donde el campo magnético B que atraviesa la espira del estator es una función del tiempo. Para el caso particular del ejemplo, se tiene:

φ = B x A

Donde:

A es el área transversal del rotor.

φ es el flujo magnético por espira.

Como ya se expresó en una figura anterior:

λ = N x φ

Donde λ es el flujo magnético total producido por N espiras.

Reemplazando:

φ = B x A

λ = N x B x A

Para este caso, el número de espiras del devanado del rotor es igual a NR. Así se obtiene:

λ = NR B A

B = Bmax coseno (wt)

λ = NR A Bmax coseno (wt)

Por la Ley de Faraday se sabe que:

FEM = - d λ / d t

Así se obtiene:

FEMespira = - d λ / d t

Reemplazando se tiene:

FEMespira = - d ( NR A Bmax coseno (wt) ) / d t

FEMespira = - NR A Bmax d ( coseno (wt) ) / d 

FEMespira = - NR A Bmax ( - w seno (wt) )

FEMespira =  NR A Bmax w seno (wt)

Si se considera que el bobinado de cada fase del estator tiene NE espiras, la Fuerza Electromotriz total del devanado del estator por cada fase es igual a:

FEM = NE NR A Bmax w seno (wt)

FEMRMS = ( NE NR A Bmax w ) / RAIZ CUADRADA (2)

Donde:

FEMRMS es el valor efectivo de la fuerza electromotriz o la tensión inducida en los terminales del bobinado de una fase del estator gracias al campo magnético generado por el rotor.

FEM es la función matemática con relación al tiempo de la fuerza electromotriz o la tensión inducida en los terminales del bobinado de una fase del estator gracias al campo magnético generado por el rotor.

NE es el número de espiras del devanado de una fase del estator.

NR es el número de espiras del devanado rotor.

A es el área transversal del rotor.

Bmax es el campo magnético máximo que puede entregar el rotor.

w es la frecuencia en radianes / segundo a la cual gira el rotor.

t es el tiempo en segundos.


Del análisis anterior se comprueba que un generador síncrono produce una salida de tensión AC gracias a la entrada de una fuerza mecánica que se convierte en un movimiento rotacional del rotor del generador síncrono. Al conectar esta salida de tensión AC a una carga se produce la circulación de corriente que requiere la carga para poder funcionar. En el Sistema Interconectado Nacional existen muchas centrales de generación cada una de las cuales cuenta con una o más unidades, las cuales corresponden a grupos turbina generador en el caso de centrales hidroeléctricas, turbogeneradores en el caso de centrales termoeléctricas, aerogeneradores en el caso de parques eólicos, etc. En centrales hidroeléctricas normalmente se utiliza generadores síncronos con polos salientes con un número de pares de polos superior a uno. Si un generador síncrono con polos salientes o rotor liso tiene un número p de pares de polos igual o superior a 1, es necesario establecer una relación matemática entre el número de pares de polos y la velocidad de sincronismo en rpm (revoluciones / minuto). Para este fin, se considera el caso del estudio anterior asignando como frecuencia la frecuencia del sistema eléctrico colombiano que es igual a 60 Hz. En este caso:

f = 60 Hz

Cuando se dice que la frecuencia es igual a 60 Hz significa que la onda de tensión o corriente se repite 60 veces en un segundo. De acuerdo a esto:

Velocidad de sincronismo en rps = n = 60 rps

ns = (60 revoluciones / segundo) x (60 segundos / 1 minuto) = 3600 revoluciones / minuto

ns = 3600 rpm


Que es la velocidad máxima que podría alcanzar un generador síncrono. Los rotores de polos salientes son más económicos de fabricar que los rotores lisos. Los rotores de polos salientes manejan bajas velocidades de sincronismo con un número de pares de polos mayor frente al número de pares de polos asociados a los generadores síncronos de rotor liso. Los rotores de polos salientes no son adecuados para máquinas de alta velocidad debido a las grandes fuerzas centrífugas y a los esfuerzos mecánicos que se desarrollan a velocidades de 3600 rpm y similares. Esta es la razón por la cual en centrales hidroeléctricas se utilizan generadores síncronos de polos salientes. Los generadores síncronos de rotor liso presentan un bajo número de pares de polos y en consecuencia manejan altas velocidades. Esta es la razón por la cual en centrales termoeléctricas se utilizan generadores síncronos de rotor liso.


Para deducir la fórmula matemática que relaciona la velocidad de sincronismo con el número de pares de polos p, se va a suponer un generador síncrono de polos salientes con p parejas de polos. Cada par de polos está montado de forma consecutiva en el sentido contrario a las manecillas del reloj. El primer polo de la primera pareja de polos corresponde al polo norte y segundo polo de la primera pareja de polos corresponde al polo sur y así sucesivamente hasta completar los p pares de polos. De esta manera, se obtiene un diagrama circular que enumera los polos de cada pareja de polos de esta forma: Polo N1, polo S1, Polo N2, polo S2, Polo N3, polo S3, …. polo Np, polo Sp. Como se demostró previamente, por cada par de polos existe un único giro completo en grados eléctricos equivalente a 360 grados. Para el caso de p = 1, los grados eléctricos son iguales a los grados mecánicos porque para una sola pareja de polos la onda de tensión reproduce una única onda completa de tensión. En consecuencia, para p número de parejas polos, la onda de tensión es reproducida p veces. Como la frecuencia del sistema eléctrico no puede cambiar y tiene que permanecer obligatoriamente lo más cerca posible de la frecuencia oficial del sistema eléctrico en Hertz, se hace necesario calcular y establecer una velocidad nominal de sincronismo para cada valor del número de parejas de polos p. De esta manera, se obtiene:

f es un valor constante

1 Hz = 1 rps

A mayor número de polos menor velocidad de sincronismo para mantener la frecuencia en un valor constante. Si n es la velocidad de sincronismo en rps (revoluciones / segundo) y ns es la velocidad de sincronismo en rpm (revoluciones / minuto). Entonces se obtiene que:

f = n p

Despejando:

n = f / p

Para pasar de rps (revoluciones / segundo) a rpm (revoluciones / minuto) se hace la siguiente conversión:

n x (60 segundos / 1 minuto) = ( f / p) x (60 segundos / 1 minuto)

ns = n x (60 segundos / 1 minuto)

Reemplazando:

ns = (60 f ) / p

Donde:

ns es la velocidad nominal en rpm (revoluciones / minuto) del generador síncrono, mejor conocida como velocidad de sincronismo.

f es la frecuencia del sistema eléctrico en Herz.

p es el número de parejas de polos del generador.


Para generadores trifásicos, simplemente, se localizan tres grupos de bobinas monofásicas separadas 120º mecánicos en el estator y de esta manera se obtienen tres tensiones línea a línea y tres tensiones fase neutro que conforman la alimentación típica de una carga trifásica. A continuación se presenta el diagrama básico de un generador síncrono trifásico:



LOS ARMÓNICOS EN UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA

PESOS ARMONICOS USADOS COMUNMENTE

DESCRIPCION

PESO ARMONICO

Luminarias tipo led

1,5

Hornos de Arco, de Inducción

1,6

Ups

1,5

Cargas Resistivas

1

Motores, tomas

1

Aires acondicionados

1,2

Los armónicos son ondas sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo de la frecuencia original del sistema eléctrico. El sistema eléctrico colombiano trabaja a una frecuencia de 60 Hz. Las cargas no lineales tales como: Rectificadores, inversores, variadores de velocidad, etc. absorben de la red corrientes periódicas no senoidales. Estas corrientes están formadas por una componente fundamental de la frecuencia del sistema eléctrico más una serie de corrientes superpuestas de frecuencias que son múltiplos de la fundamental. A estas corrientes se les conoce como ARMÓNICOS ELÉCTRICOS. Los armónicos generan efectos indeseados en la operación del sistema eléctrico. En la tabla anterior se pueden apreciar algunos factores de distorsión de armónicos, los cuales se emplean para garantizar que el futuro calibre del conductor seleccionado para la correspondiente instalación eléctrica pueda soportar la sobrecorriente asociada al efecto armónico. Para visualizar la distorsión causada por las cargas no lineales y dos ejemplos de armónicos indeseados, el lector puede apreciar la figura que se muestra a continuación:



BREVE EJEMPLO DE CÁLCULO DE INSTALACIONES INDUSTRIALES.

Calcular las canalizaciones, las protecciones y los conductores de fase, neutro y tierra para los circuitos ramales y para el alimentador y la acometida del siguiente tablero de distribución para una pequeña industria textil de acuerdo al RETIE y al Código Eléctrico Colombiano (Norma NTC 2050).


Tener en cuenta que:

    - El circuito de Bordadora plana alimenta 1 bordadora plana, la cual tiene un consumo de potencia activa igual a 3 kW, es bifásica y está alimentada a 220 V. El factor de potencia  del motor de la bordadora es igual a 0,9 y la eficiencia es igual al 85%. Suponga un factor de distorsión de armónicos igual a 1,5. Este circuito ramal está embebido en la pared.

 

   - El circuito de alumbrado monofásico tiene 10 lámparas de 18 Watt. Suponga un factor de potencia igual a 0,9. El número máximo de conductores activos por canalización para este circuito es igual a 3 conductores. La canalización de este circuito está a la vista.

 

   - El circuito de alimentación de la Máquina de coser alimenta una máquina de coser bifásica a 220 V que consume una potencia aparente igual a 450 VA. No se conoce la corriente de arranque del servomotor. No se conoce la eficiencia del servomotor. Se supone un factor de potencia igual a 0,9. Suponga un factor de distorsión de armónicos igual a 1,5.  Este circuito ramal está embebido en la pared.

 

   - El circuito de tomas generales alimenta 5 tomacorrientes embebidos en la pared.

 

   - La temperatura ambiente oscila entre 25 y 30°C.

   - Las protecciones escogidas son de la marca Legrand / Luminex.

   - La canalización del alimentador está en tubería EMT.

SOLUCIÓN:


1.   Conductor circuito Bordadora plana. Este circuito alimenta un motor bifásico. Para un motor bifásico se tiene:

 

P = VLL x Inominal x cos θ x η

 

Donde:

P es la potencia activa nominal en Watt (W). La potencia activa es la potencia que genera un trabajo útil.

 

VLL es la tensión línea a línea en Voltios. Esta tensión es la que existe nominalmente entre las dos fases que alimentan la carga.

 

Inominal es la corriente nominal en Amperios. La corriente nominal es la corriente que consume la carga bajo condiciones de trabajo nominales en estado estable.

 

cos θ es el factor de potencia que corresponde al coseno del ángulo que existe entre la tensión y la corriente a las cuales está conectada la carga.


η es la eficiencia del motor.


Despejando:


Inominal  = P / ( VLL x cos θ x η )


Inominal  = 3000 / ( 220 x 0,9 x 0,85 )


Inominal  = 17,825 A


De acuerdo a la NTC 2050:

 

Factor de seguridad = 1,25


Utilizando el factor de seguridad de la NTC 2050 y el factor de distorsión armónica para la bordadora, se obtiene:

 

Icon factor de seguridad = Inominal  x 1,25 = 17,825 x 1,25

 

Icon factor de seguridad = 22,28 A

 

Icon distorsion armónica = Inominal x Factor de Distorsión Armónica = 17,825 x 1,5

 

Icon distorsion armónica = 26,74 A

 

La corriente de diseño se calcula como el mayor valor entre:

 

Icon factor de seguridad  versus  Icon distorsion armónica

 

Así, se obtiene:

 

Idiseño = 26,74 A


 

De acuerdo a la Tabla 310-16 del CEC (Código Eléctrico Colombiano: Norma NTC 2050):

 

“Si no se permite otra cosa específicamente en otro lugar de este Código, la protección contra sobrecorriente de los conductores marcados con un asterisco (*), no debe superar los 15 A para el conductor de sección transversal 2,08 mm2(14AWG);20 A para 3,3 mm2 (12 AWG) y 30 A para 5,25 mm2 (10 AWG), todos de cobre; o 15 A para 3,3 mm2 AWG) y 25 A para5,25 mm2 (10 AWG) de aluminio y aluminio recubierto de cobre, una vez aplicados todos los factores de corrección por temperatura ambiente y por número de conductores”

 

Esto significa que los valores prácticos de ampacidad máxima de los calibres No 12 y No 14 AWG cambian como se muestra en la siguiente figura. Según esta figura, la capacidad de corriente del calibre No 12 a 60°C es igual a 20 A y la capacidad de corriente del calibre No 14 a 60°C es igual a 15 A. 


NOTA IMPORTANTE: TENER EN CUENTA QUE PARA CORRIENTES INFERIORES A 100 A SE UTILIZA LA COLUMNA A 60°C. PARA CORRIENTES IGUALES O SUPERIORES A 100 A SE UTILIZA LA COLUMNA A 75°C.



Como la corriente de diseño supera los 20 A, a primera vista el conductor seleccionado corresponde al calibre No 10 AWG. De acuerdo al texto anterior, el conductor No 10 AWG presenta una capacidad de corriente para 60°C igual a 30 A. Esta capacidad se ve disminuida por la temperatura ambiente. De esta manera y de acuerdo a la tabla 310-16 del CEC, la corriente máxima que soporta el conductor No 10 AWG a 60 °C a este nivel de temperatura ambiente es:

 

INo 10 AWG para temperatura ambiente = 26-30°C = 30 x 1,0 = 30 A

 

Como 30 A > 26.74 A, hasta ahora el calibre No 10 AWG se mantiene como el conductor oficial del circuito ramal de la Bordadora plana.


Se debe tener en cuenta, de acuerdo al CEC, que ninguna canalización puede contener más de tres conductores portadores de corriente (conductores activos) so pena de ser sometidas las capacidades de corriente de los conductores a un factor de ajuste, tal como aparece en la sección 310-15 en el numeral 8 correspondiente a los factores de ajuste. Como el número máximo de conductores activos por canalización para el circuito ramal de la bordadora es igual a 2, el conductor No 10 AWG no sufre ningún tipo de derrateo en su capacidad de corriente por número máximo de conductores activos. No se debe olvidar que los conductores activos corresponden a los cables portadores de corriente. La tierra no se toma como conductor activo, puesto que bajo condiciones de estado estable no hay circulación de corriente por el conductor de la tierra.

 

La última verificación se realiza calculando la máxima caída de potencial en este conductor para una distancia máxima de 20 metros. Para este caso, se utiliza la tabla 9 del capítulo 9 del CEC. Esta tabla aparece en unidades de ohmios por cada 1000 pies.

 

Por la teoría de circuitos eléctricos:

 

|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

    Aplicando la anterior fórmula a la tabla 9 del capítulo 9 del CEC se obtiene:

TABLA 9 DE LA NTC 2050. RESISTENCIA, REACTANCIA E IMPEDANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE PVC

CALIBRE AWG

REACTANCIA XL (Ohmios / kpie)

RESISTENCIA R (Ohmios / kpie)

IMPEDANCIA Z (Ohmios / kpie)

14 AWG

0,190

10,170

10,172

12 AWG

0,177

6,560

6,562

10 AWG

0,164

3,940

3,943

8 AWG

0,171

2,560

2,566

6 AWG

0,167

1,610

1,619

4 AWG

0,157

1,020

1,032

2 AWG

0,148

0,623

0,640

 

|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

|ΔV| = |Z| |I|


Donde:

 

|ΔV| es la magnitud de la caída de tensión en Volt


|Z| es la magnitud de la impedancia del conductor en Ohmios


|I| es la magnitud de la corriente que circula por el conductor cuya magnitud de impedancia es igual a |Z|. En este caso corresponde a la corriente nominal del circuito ramal


R es la resistencia del conductor en Ohmios.


XL es la reactancia inductiva del conductor en Ohmios.

 

De la tabla anterior se obtiene:


Z10 AWG = 3,943 Ohmios / kpie


Como se trata de un circuito bifásico compuesto por dos conductores activos que son las dos fases, la corriente recorre una distancia equivalente a 20 m x 2 = 40 m. De esta manera, se obtiene: 


|Z| = (3,943 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 40 m


|ΔV| = |Z| |I|


|ΔV| = |Z| |Inominal|


|ΔV| = |Z| |Inominal| 


|Z| |Inominal| = (3,943 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 40 m x 17,825 A


|ΔV| = 9,22 V

 

De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:

 

Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)

 

Donde:


Vs es la magnitud de la tensión de envío. En este caso es la magnitud de la tensión línea a línea en el tablero de distribución. Para este ejemplo: Vs = 220 V

 

Vr es la magnitud de la tensión en el recibo. En este caso es la magnitud de la tensión línea a línea en el tomacorriente de la Bordadora plana.

 

Para este ejemplo:

 

Vr = Vs - |ΔV| = 220 - 9,22 = 210,78 V


Regulación = ( |ΔV| / Vr ) x 100 = (9,22 /  210,78) x 100


Regulación = 4.37%

 

De acuerdo a la Sección 210-19, Inciso a), Nota 4 del CEC:


“Los conductores de circuitos ramales como están definidos en la sección 100, con una sección que evite una caída de tensión superior al 3% en las salidas más lejanas de fuerza, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramal hasta la salida más lejana no supere al 5%, ofrecen una eficacia razonable de funcionamiento. Para la caída de tensión en los conductores del alimentador, véase el artículo 215-2”

 

De la anterior sección del CEC se establece que la máxima caída de tensión permisible para circuitos ramales es del 3%. Como la caída de tensión en el circuito ramal es del 4.37%, entonces el conductor No 10 AWG no cumple por regulación. 


Teniendo en cuenta la tabla anterior y realizando la verificación de regulación para No 8 AWG se obtiene:

 

Z8 AWG = 2,566 Ohmios / kpie

 

|Z| = (2,566 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 40 m

 

|ΔV| = |Z| |Inominal|


|Z| |Inominal| = (2,566 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 40 m x 17,825 A

 

|Z| |Inominal| = 6 V


De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:


Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)


Vr = Vs - |ΔV| = 220 - 6 = 214 V


Regulación = (6 / 214) x 100


Regulación = 2,8%

 

Con lo cual queda seleccionado el conductor No 8 AWG para el circuito ramal de la Bordadora plana.


BREAKER COMERCIALES BIFÁSICOS BIPOLARES DE INCRUSTAR MARCA LEGRAND/LUMINEX

CAPACIDAD NOMINAL DE INTERRUPCIÓN DE CORRIENTE POR FASE (A)

DENOMINACIÓN DEL BREAKER TERMOMAGNÉTICO

15

2 X 15

20

2 X 20

30

2 X 30

40

2 X 40

50

2 X 50

60

2 X 60

70

2 X 70

90

2 X 90

100

2 X 100

 

 

2.    Protección del circuito ramal de Bordadora plana.

Como la Bordadora plana corresponde a un motor eléctrico, la capacidad de corte del breaker asociado a este circuito debe estar inmediatamente por encima de la corriente de arranque del motor de la Bordadora Plana. Como no se conoce la corriente de arranque, la norma NTC 2050 establece que:

 

Iarranque de motor = 2,5 x Inominal



Iarranque de motor = 2,5 x 17,825 A = 44,56 A

 

De esta manera y teniendo en cuenta la tabla anterior, la protección escogida para el circuito de la Bordadora plana es:


2 X 50 A

 

 

3.    Conductor de tierra para circuito ramal de Bordadora plana.

Teniendo en cuenta que:


Protección = 2 X 50 A

 

De acuerdo a la Tabla 250-95 del CEC se tiene que el conductor de tierra sería el calibre AWG de cobre asociado a la corriente igual o inmediatamente superior a 50 A. En este caso, el calibre se selecciona de la fila de 60 A. Así se obtiene:


Calibre seleccionado para el conductor de tierra del circuito ramal de la Bordadora es el No 10 AWG.

 

 

4.   Canalización para circuito ramal de la Bordadora plana. Para canalización embebida en pared se utiliza la tubería PVC tipo TL. Esta tubería presenta las características que se muestran en la tabla de Datos técnicos tubería PVC tipo TL. De acuerdo al numeral 352-45 de la NTC 2050:

 

“El número de conductores permitido en una canalización de columna no debe superar los porcentajes de la Tabla 352-45 ni las dimensiones del diámetro exterior (d.e.) de los cables de los tipos y secciones dados en las Tablas del Capítulo 9”

 

De acuerdo a la Tabla 352-45 y a la sección 352-49 del CEC: El área total de los conductores que se encuentran alojados en una canalización no puede superar el 40% del área transversal de la canalización.

  

Datos técnicos tubería PVC tipo TL

 

Calibre tubería PAVCO

Diámetro exterior (mm)

Espesor pared (mm)

Diámetro interior (mm)

Área (mm cuadrados)

1/2"

21,34

1,52

18,30

263,02

3/4"

26,67

1,52

23,63

438,55

1"

33,40

1,52

30,36

723,92

1 1/4"

42,16

1,78

38,60

1170,21

1 1/2"

48,26

2,03

44,20

1534,39

2"

60,32

2,54

55,24

2396,61

 


Para el circuito ramal de la Bordadora plana se tienen tres conductores:


2 No 8 AWG y 1 No 10 AWG tipo THHN/THWN.


De acuerdo a la Tabla 310-16:

 

Área cable No 10 AWG = 5,25 milímetros cuadrados


Área cable No 8 AWG = 8,36 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 5,25 + (2 x 8,36) = 21.97 milímetros cuadrados

 

En la práctica, el porcentaje de ocupación de los conductores dentro de la canalización debe estar muy por debajo del 40% puesto que los conductores normalmente requieren una holgura suficiente que garantice su fácil introducción dentro de la tubería. En este sentido, se pueden usar las tablas que aparecen en la NTC 2050 para saber cuántos conductores caben en una determinada tubería. Un porcentaje máximo de ocupación obtenido de la experiencia que puede ser útil para diseño es igual al 8,1%.

 

De acuerdo a la tabla de Datos técnicos tubería PVC tipo TL y para el calibre de tubería más pequeño se tiene:

 

Area ducto de ½” = 263,02 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 21,97 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en ½” = (21,97 / 263,02) x 100 = 8,3%

 

Como 8,3% > 8,1% se recomienda verificar el calibre siguiente que es el de ¾”. Así:

 

Area ducto de ¾” = 438,55 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 21,97 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en ½” = (21,97 / 438,55) x 100 = 5%

 

Como 5% < 8,1%, se obtiene que:


Calibre de la tubería PVC tipo TL circuito de la Bordadora plana = ¾”


5.    Conductor circuito ramal de Alumbrado.

Para un circuito ramal monofásico se tiene:

 

P = VFN x Inominal x cos θ

 

Donde:

P es la potencia activa nominal en Watt (W). La potencia activa es la potencia que genera un trabajo útil. Esta potencia también reúne el calor producido por el equipo de utilización y las pérdidas por calentamiento de los conductores asociadas al efecto Joule ( P = i2 R ) .

 

VFN es la tensión fase a neutro en Voltios. Esta tensión es la que existe nominalmente entre la fase y el neutro que alimenta la carga.


cos θ es el factor de potencia de la carga.


La tensión nominal fase neutro en el sector residencial colombiano es igual a 120 V. En nuestro caso se trata de un tablero industrial cuya tensión línea a línea es igual a 220 V. De acuerdo a la teoría de circuitos:

 

VLL = RAIZ CUADRADA(3) x VFN

 

VFN = VLL / RAIZ CUADRADA(3)

 

De esta forma, si se tiene:

 

VLL = 220 V   ENTONCES     VFN = 127 V

 

Si se tiene:

 

VLL = 208 V   ENTONCES     VFN = 120 V

 

Por tanto, en nuestro caso la tensión fase neutro nominal es igual a:


VFN = 127 V

 

Para un circuito ramal monofásico se tiene:

 

P = VFN x Inominal x cos θ


Donde:


Inominal es la corriente nominal en Amperios. La corriente nominal es la corriente que consume la carga bajo condiciones de trabajo nominales en estado estable.

 

VFN es la tensión fase a neutro en Voltios. Esta tensión es la que existe nominalmente entre la fase y el neutro que alimenta la carga.


cos θ es el factor de potencia que corresponde al coseno del ángulo que existe entre la tensión y la corriente a las cuales está conectada la carga.

 

Asi, despejando se obtiene:

 

Inominal = P / (VFN x cos θ)

 

P = 10 lámparas x 18 W / lámpara = 180 W

 

Inominal = 180 / (127 x 0,9)

 

Inominal = 1,57 A

 

De acuerdo a la NTC 2050:

 

Factor de seguridad = 1,25


Utilizando el factor de seguridad de la NTC 2050 y el factor de distorsión armónica para las lámparas de LEDs, se obtiene:

 

Icon factor de seguridad = Inominal  x 1,25

 

Icon factor de seguridad = 1,96 A


PESOS ARMONICOS USADOS COMUNMENTE

DESCRIPCION

PESO ARMONICO

Luminarias tipo led

1,5

Hornos de Arco, de Inducción

1,6

Ups

1,5

Cargas Resistivas

1

Motores, tomas

1

Aires acondicionados

1,2


Icon distorsion armónica = Inominal x Factor de Distorsión Armónica = 1,57 x 1,5

 

Icon distorsion armónica = 2,355 A

 

La corriente de diseño se calcula como el mayor valor entre:

 

Icon factor de seguridad  versus  Icon distorsion armónica

 

De esta manera, se obtiene

 

Idiseño = 2,355 A

 

Como la corriente de diseño está por debajo de los 15 A, a primera vista el conductor seleccionado corresponde al calibre No 14 AWG. El conductor No 14 AWG presenta una capacidad de corriente para 60°C igual a 15 A. Esta capacidad se ve disminuida por la temperatura ambiente. De esta manera y de acuerdo a la tabla 310-16 del CEC, la corriente que pasa por el conductor No 12 AWG a 60 °C a este nivel de temperatura ambiente es:

 

INo 14 AWG para temperatura ambiente = 26-30°C = 15 x 1,0 = 15 A


Se debe tener en cuenta, de acuerdo al CEC, que ninguna canalización puede contener más de tres conductores portadores de corriente (conductores activos) so pena de ser sometidas las capacidades de corriente de los conductores a un factor de ajuste, tal como aparece en la sección 310-15 en el numeral 8 correspondiente a los factores de ajuste. Como el número máximo de conductores activos por canalización para el circuito ramal de alumbrado es igual a 3, el conductor No 14 AWG no sufre ningún tipo de derrateo en su capacidad de corriente por número máximo de conductores activos. No se debe olvidar que los conductores activos corresponden a los cables portadores de corriente. La tierra no se toma como conductor activo, puesto que bajo condiciones de estado estable no hay circulación de corriente por el conductor de la tierra.


Cuando el número de conductores activos es mayor que tres (3) se debe aplicar el texto y y los valores de la tabla que se muestran a continuación: 



Como 15 A > 2,36 A, hasta ahora el calibre No 14 AWG se mantiene como el conductor oficial del circuito ramal de Alumbrado.

 

TABLA 9 RESISTENCIA Y REACTANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE ACERO

CALIBRE AWG

REACTANCIA XL (Ohmios / kpie)

RESISTENCIA R (Ohmios / kpie)

IMPEDANCIA Z (Ohmios / kpie)

14 AWG

0,240

10,170

10,173

12 AWG

0,223

6,560

6,564

10 AWG

0,207

3,940

3,945

8 AWG

0,213

2,560

2,569

6 AWG

0,210

1,610

1,624

4 AWG

0,197

1,020

1,039

2 AWG

0,187

0,656

0,682

 

La última verificación se realiza calculando la máxima caída de potencial en este conductor para una distancia máxima de 25 metros. Para este caso, se utiliza la tabla 9 del capítulo 9 del CEC. Esta tabla aparece en unidades de ohmios por cada 1000 pies. Como la tubería se encuentra a la vista, la norma NTC 2050 establece que se debe utilizar tubería EMT para instalaciones internas, como se aprecia en la tabla anterior.

 

Por la teoría de circuitos eléctricos sabemos que:


|ΔV| = |Z| |I|


|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Donde:

 

|ΔV| es la magnitud de la caída de tensión en Volt.


|Z| es la magnitud de la impedancia del conductor en Ohmios.


|I| es la magnitud de la corriente que circula por el conductor cuya magnitud de impedancia es igual a |Z|. En este caso corresponde a la corriente nominal del circuito ramal.


R es la resistencia del conductor en Ohmios.


XL es la reactancia inductiva del conductor en Ohmios.

 

Para el circuito ramal de alumbrado se tiene una distancia que recorren los conductores del circuito ramal desde el tablero a la salida más lejana igual a 25 m. Si se tratara de una sola salida de iluminación, la corriente recorrería una distancia igual a 2 x 25 m = 50 m , puesto que la corriente recorre la longitud del conductor de la fase y después recorre la longitud del conductor del neutro. Como se trata de un circuito ramal que tiene más de una salida, lo ideal sería calcular las tensiones del circuito AC correspondiente al circuito ramal de alumbrado y después calcular las regulaciones de tensión de todas las salidas de iluminación seleccionando la mayor regulación como la regulación de este circuito ramal. Este cálculo es bastante complicado y toma mucho tiempo. Por este concepto, muchas firmas de ingeniería eléctrica en Colombia han decidido ubicar toda la carga del circuito ramal en la mitad de la distancia tablero-salida más lejana para calcular un valor aproximado de la regulación de tensión para los circuitos ramales que presentan más de una salida, como es el caso de los circuitos de alumbrado y tomas generales. De esta manera, la distancia efectiva para el cálculo de la regulación es igual a:


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto alumbrado = 25 m x 2 x ½


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto alumbrado = 25 m 


Teniendo en cuenta, la tabla anterior (TABLA 9 RESISTENCIA Y REACTANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE ACERO) se obtiene:


Z14 AWG = 10,173 Ohmios / kpie


|Z| = (10,173 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 25 m 


|ΔV| = |Z| |I|


|ΔV| = |Z| |Inominal|


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (10,173 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 25 m x 1,57 A


|ΔV| = 1,31 V

 

De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:

 

Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)

 

Donde:


Vs es la magnitud de la tensión de envío. En este caso es la magnitud de la tensión fase neutro en el tablero de distribución. Para este ejemplo: Vs = 127 V.

 

Vr es la magnitud de la tensión en el recibo. En este caso es la magnitud de la tensión fase neutro en la carga correspondiente al circuito de alumbrado público.

 

Para este ejemplo:

 

Vr = Vs - |ΔV| = 127 - 1,31 = 125,69 V


Regulación = ( |ΔV| / Vr ) x 100 = (1,31 / 125,69) x 100


Regulación = 1,04 %

 

Con lo cual queda seleccionado el conductor No 14 AWG para el circuito ramal de Alumbrado.

 

 

6.    Protección del circuito ramal de Alumbrado.

 

BREAKER COMERCIALES MONOFÁSICOS MONOPOLARES DE INCRUSTAR

CAPACIDAD NOMINAL DE INTERRUPCIÓN DE CORRIENTE POR FASE (A)

DENOMINACIÓN DEL BREAKER TERMOMAGNÉTICO

15

1 X 15

20

1 X 20

30

1 X 30

40

1 X 40

50

1 X 50

60

1 X 60

70

1 X 70

90

1 X 90

100

1 X 100

 

Teniendo en cuenta la tabla anterior y el siguiente valor previamente calculado:


Inominal = 1,57 A

 

La protección escogida para el circuito de Alumbrado es:


1 X 15 A

 


7.    Conductor de tierra para circuito ramal de alumbrado.

De acuerdo a la Tabla 250-95 y teniendo presente que la protección escogida para el circuito de Alumbrado es 1 X 15 A, entonces:

 

El conductor de tierra del circuito ramal de alumbrado es el No 14 AWG.

 

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA TUBERÍA EMT DE ACUERDO A LA EMPRESA PROELÉCTRICOS

Diámetro nominal

Diámetro Exterior (mm)

Espesor pared (mm)

Diámetro interior (mm)

Área interna de la tubería (mm cuadrados)

1/2"

17,93

1,06

15,81

196,32

3/4"

23,41

1,24

20,93

344,06

1"

29,54

1,44

26,66

558,23

1 1/4"

38,35

1,65

35,05

964,86

1 1/2"

44,19

1,65

40,89

1313,18

2"

55,8

1,65

52,5

2164,75

3"

88,9

1,82

85,26

5709,27

4"

114,3

2,1

110,1

9520,60

 

 

8.    Canalización para circuito ramal de alumbrado.

De acuerdo a la Tabla 310-16:

 

Área cable No 14 AWG = 2,08 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 3 x 2,08 = 6,24 milímetros cuadrados

 

Un porcentaje máximo de ocupación obtenido de la experiencia que puede ser útil para diseño es igual al 8,1%.

 

De acuerdo a la tabla CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA TUBERÍA EMT DE ACUERDO A LA EMPRESA PROELÉCTRICOS y para el calibre de tubería más pequeño se tiene:

 

Area ducto de ½” tubería EMT = 196,32 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 6,24 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en ½” = (6,24 / 196,32) x 100 = 3,18%

 

Como 3,18% < 8,1% se obtiene que:


Calibre de la tubería EMT circuito de Alumbrado = ½”

 

 

9.    Conductor circuito ramal de tomas generales. De acuerdo a la sección 220-3 c) 7) del CEC:

 

“c) Otras cargas para todo tipo de lugares. En todo tipo de lugares, la carga mínima para cada salida de tomacorriente de uso general y salidas no utilizadas para alumbrado general, no debe ser menor a las siguientes (las cargas utilizadas se basan en la tensión nominal de los circuitos ramales):

7) Otras salidas *.... 180 VA por salida”

 

De esta manera, el CEC establece una carga nominal de 180 VA por cada tomacorriente de uso general. Así se obtiene:

 

Stomas generales = 5 tomacorrientes x 180 VA / tomacorriente = 900 VA


Inominal = 900 VA / 127 V


Inominal = 7,09 A


Como el factor de distorsión de armónicos es igual a 1,0 , la corriente de diseño simplemente sería la multiplicación de 1,25 por la corriente nominal. Así se obtiene:

 

Idiseño = 8,86 A

 

De acuerdo a la norma NTC 2050 el calibre mínimo del conductor para una instalación corresponde al No 14 AWG. Sin embargo, los inspectores RETIE, usualmente, exigen un calibre mínimo para tomacorrientes igual a No 12 AWG. Por eso, para este caso se comienza el análisis partiendo del No 12 AWG.


De acuerdo a la Tabla  310-16, para el conductor No 12 AWG se obtiene la siguiente capacidad de corriente de acuerdo a la temperatura ambiente:


20 A x 1,0 = 20 A


Como en un circuito ramal monofásico solo se manejan dos conductores activos (la fase y el neutro) la capacidad de corriente del No 12 AWG sigue siendo de 20 A.

 

Como 8,86 A < 20 A, el conductor, inicialmente, escogido es el No 12 AWG.

 

La última verificación se realiza calculando la máxima caída de potencial en este conductor para una distancia máxima de 20 metros. Para este caso, se utiliza la tabla 9 del capítulo 9 del CEC. Esta tabla aparece en unidades de ohmios por cada 1000 pies.

 

Por la teoría de circuitos eléctricos:

 

|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Aplicando la anterior fórmula a la tabla 9 del capítulo 9 del CEC se obtiene:

 

TABLA 9 DE LA NTC 2050. RESISTENCIA, REACTANCIA E IMPEDANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE PVC

CALIBRE AWG

REACTANCIA XL (Ohmios / kpie)

RESISTENCIA R (Ohmios / kpie)

IMPEDANCIA Z (Ohmios / kpie)

14 AWG

0,190

10,170

10,172

12 AWG

0,177

6,560

6,562

10 AWG

0,164

3,940

3,943

8 AWG

0,171

2,560

2,566

6 AWG

0,167

1,610

1,619

4 AWG

0,157

1,020

1,032

2 AWG

0,148

0,623

0,640

 

Por la teoría de circuitos eléctricos se tiene que:


|ΔV| = |Z| |I|


|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Donde:

 

|ΔV| es la magnitud de la caída de tensión en Volt


|Z| es la magnitud de la impedancia del conductor en Ohmios


|I| es la magnitud de la corriente que circula por el conductor cuya magnitud de impedancia es igual a |Z|. En este caso corresponde a la corriente nominal del circuito ramal.


R es la resistencia del conductor en Ohmios.


XL es la reactancia inductiva del conductor en Ohmios.

 

De esta manera, de la tabla anterior se obtiene:


Z12 AWG = 6,562 Ohmios / kpie


De la teoría previamente explicada y tomando en cuenta que este circuito ramal tiene cinco (5) salidas para tomacorriente, se obtiene:


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto alumbrado = 20 m x 2 x ½


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto alumbrado = 20 m

 

|Z| = (6,562 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 20 m 


|ΔV| = |Z| |I|


|ΔV| = |Z| |Inominal|


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (6,562 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 20 m x 7,09 A


|ΔV| = 3,05 V

 

De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:

 

Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)

 

Donde:


Vs es la magnitud de la tensión de envío. En este caso es la magnitud de la tensión fase neutro en el tablero de distribución. Para este ejemplo: Vs = 127 V

 

Vr es la magnitud de la tensión en el recibo.

 

Para este ejemplo:


Vr = 127 - 3,05 = 123.95 V


Regulación = (3,05 / 123.95) x 100 


Regulación = 2,46%

 

Como 2,46% < 3% El conductor elegido para la fase y neutro de este circuito es:


No 12 AWG.

 


10.    Protección del circuito ramal de tomas generales. 

       Como ya se calculó:


Inominal = 7,09 A

 

De esta forma, la protección para el circuito ramal de tomas generales sería una protección de 1 X 15 A.

 


 

11.    Conductor de tierra para circuito de tomas generales. 

     Teniendo en cuenta que:


Protección = 1 X 15 A


De acuerdo a la Tabla 250-95 del CEC se tiene que el conductor de tierra sería, inicialmente, el No 14 AWG.

 

Desde el punto de vista práctico, el conductor de tierra debe ser, al menos, del mismo calibre que el conductor de fase y neutro si el calibre del conductor de fase y neutro es igual o inferior al calibre No 10 AWG. La CEC establece el calibre mínimo del conductor de tierra, por tanto, si se aumenta el calibre de este conductor de todas maneras se sigue cumpliendo con el CEC. Aunque al aumentar el calibre del conductor de tierra se incurre en un costo adicional para la instalación eléctrica, de esta manera se garantiza una mejor circulación de las elevadas corrientes de falla a tierra. De esta manera, para el circuito ramal de tomas generales se obtiene:

 

Conductor de tierra = No 12 AWG.

   



12.    Canalización para circuito ramal de tomas generales. 

     Para la canalización embebida en pared se utiliza la tubería PVC tipo TL.

 

De acuerdo a la Tabla 310-16:

 

Área cable No 12 AWG = 3,3 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 3 x 3,3 = 9,9 milímetros cuadrados

 

Un porcentaje máximo de ocupación obtenido de la experiencia que puede ser útil para diseño es igual al 8,1%.

 

Para el calibre de tubería más pequeño se tiene:

 

Area ducto de ½” tubería PVC tipo TL= 263,02 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 9,9 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en ½” = (9,9 / 263,02) x 100 = 3,76%

 

Como 3,76% < 8,1%, se obtiene que:


Calibre de la tubería PVC tipo TL circuito de la tomas generales = ½”

 

 

13.    Conductor circuito Máquina de coser.

 

De la teoría de circuitos eléctricos y para el circuito ramal de la Máquina de coser:

 

Smaquina de coser = VLL x Inominal


Inominal = Smaquina de coser / VLL


 

Inominal = 450 / 220 = 2,045 A

 

Como el factor de distorsión de armónicos se supuso igual a 1,5 entonces se tiene:

 

Idiseño = 2,045 x 1,5 = 3.0675 A

  

Como la corriente de diseño no supera los 15 A, a primera vista el conductor seleccionado corresponde al calibre No 14 AWG. De acuerdo a la norma NTC 2050 el calibre mínimo del conductor para una instalación corresponde al No 14 AWG. Sin embargo, los inspectores RETIE, usualmente, exigen un calibre mínimo para tomacorrientes igual a No 12 AWG. Por eso, para este caso se comienza el análisis partiendo del No 12 AWG.


De acuerdo al rango de temperatura ambiente escogido, la capcidad de corriente del No 12 AWG es igual a:

 

INo 12 AWG para temperatura ambiente = 26-30°C = 20 x 1,0 = 20 A


Para este circuito el número máximo de conductores activos es igual a dos (2). Por eso, la capacidad de corriente del No 12 AWG sigue siendo igual a 20 A.

 

Como 20 A > 2,56 A, hasta ahora el calibre No 12 AWG se mantiene como el conductor oficial del circuito ramal de la Máquina de coser.

  

La última verificación se realiza calculando la máxima caída de potencial en este conductor para una distancia máxima de 15 metros. Para este caso, se utiliza la tabla 9 del capítulo 9 del CEC. Esta tabla aparece en unidades de ohmios por cada 1000 pies.

 

Por la teoría de circuitos eléctricos:

 

|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Aplicando la anterior fórmula a la tabla 9 del capítulo 9 del CEC se obtiene:

 

TABLA 9 DE LA NTC 2050. RESISTENCIA, REACTANCIA E IMPEDANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE PVC

CALIBRE AWG

REACTANCIA XL (Ohmios / kpie)

RESISTENCIA R (Ohmios / kpie)

IMPEDANCIA Z (Ohmios / kpie)

14 AWG

0,190

10,170

10,172

12 AWG

0,177

6,560

6,562

10 AWG

0,164

3,940

3,943

8 AWG

0,171

2,560

2,566

6 AWG

0,167

1,610

1,619

4 AWG

0,157

1,020

1,032

2 AWG

0,148

0,623

0,640

 

Por la teoría de circuitos eléctricos se tiene que:


|ΔV| = |Z| |I|


|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Donde:

 

|ΔV| es la magnitud de la caída de tensión en Volt


|Z| es la magnitud de la impedancia del conductor en Ohmios


|I| es la magnitud de la corriente que circula por el conductor cuya magnitud de impedancia es igual a |Z|. En este caso corresponde a la corriente nominal del circuito ramal.

 

R es la resistencia del conductor en Ohmios.


XL es la reactancia inductiva del conductor en Ohmios.

 

De esta manera, de la tabla anterior se obtiene:


Z12 AWG = 6,562 Ohmios / kpie


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto máquina de coser = 15 m x 2


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación cto máquina de coser = 30 m


|Z| = (6,562 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 30 m


|ΔV| = |Z| |I|


|ΔV| = |Z| |Inominal|


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (6,562 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 30 m x 2,045 A


|ΔV| = 1,32 V

 

De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:

 

Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)


Vr = 220 - 1,32 = 218,68 V


Regulación = (1,32 / 218,68) x 100

 

Regulación = 0,6 %

 

Con lo cual queda seleccionado el conductor No 12 AWG para el circuito ramal de la Máquina de coser.

 

BREAKER COMERCIALES BIFÁSICOS BIPOLARES DE INCRUSTAR MARCA LEGRAND/LUMINEX

CAPACIDAD NOMINAL DE INTERRUPCIÓN DE CORRIENTE POR FASE (A)

DENOMINACIÓN DEL BREAKER TERMOMAGNÉTICO

15

2 X 15

20

2 X 20

30

2 X 30

40

2 X 40

50

2 X 50

60

2 X 60

70

2 X 70

90

2 X 90

100

2 X 100

 


14.  Protección circuito ramal de la Máquina de coser.

Como la Máquina de coser corresponde a un motor eléctrico, la capacidad de corte del breaker asociado a este circuito debe estar por encima de la corriente de arranque del servomotor de la Máquina de coser. Como no se conoce la corriente de arranque, la norma NTC 2050 establece que:

 

Iarranque de motor = 2,5 x Inominal


Iarranque de motor = 2,5 x 2,045 A = 5,1125 A

 

De esta manera y teniendo en cuenta la tabla anterior, la protección escogida para el circuito de la Máquina de coser es:


2 X 15 A

 



15.  Conductor de tierra para circuito de la Máquina de coser.

Teniendo en cuenta que:


Protección = 2 X 15 A

 

De acuerdo a la Tabla 250-95 del CEC se tiene que el conductor de tierra sería, inicialmente, el No 14 AWG.

 

Desde el punto de vista práctico, el conductor de tierra debe ser, al menos, del mismo calibre que el conductor de fase y neutro si el calibre del conductor de fase y neutro es igual o inferior al calibre No 10 AWG. La CEC establece el calibre mínimo del conductor de tierra, por tanto, si se aumenta el calibre de este conductor de todas maneras se sigue cumpliendo con el CEC. Aunque al aumentar el calibre del conductor de tierra se incurre en un costo adicional para la instalación eléctrica, de esta manera se garantiza una mejor circulación de las elevadas corrientes de falla a tierra. De esta manera, para el circuito ramal de la Máquina de coser se obtiene:

 

Conductor de tierra: No 12 AWG.

 


16.  Canalización para circuito ramal de la Máquina de coser.

Para canalización embebida en pared se utiliza la tubería PVC tipo TL.

 

De acuerdo a la Tabla 310-16:

 

Área cable No 12 AWG = 3,3 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 3 x 3,3 = 9,9 milímetros cuadrados


Un porcentaje máximo de ocupación obtenido de la experiencia que puede ser útil para diseño es igual al 8,1%.

 

Para el calibre de tubería más pequeño se tiene:

 

Area ducto de ½” tubería PVC tipo TL= 263,02 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 9,9 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en ½” = (9,9 / 263,02) x 100 = 3,76%

 

Como 3,76% < 8,1%, se obtiene que:


Calibre de la tubería PVC tipo TL circuito de la tomas generales = ½”



17.  Conductor de la acometida y el alimentador del tablero de distribución.

Para el cálculo de la alimentación del tablero se debe tener en cuenta el numeral 210-22 de la NTC2050:


"210-22. Cargas máximas. La carga total no debe superar la corriente nominal del circuito ramal y no debe superar las cargas máximas especificadas en el Artículo 210-22.a) a c), bajo las condiciones especificadas allí.


a) Cargas accionadas por motores y combinadas. Cuando un circuito suministra corriente sólo a cargas accionadas por motores, se debe aplicar la Sección 430. Cuando un circuito suministra corriente sólo a equipos de aire acondicionado, de refrigeración o ambos, se debe aplicar la Sección 440. En circuitos que alimenten cargas consistentes en equipos de utilización fijos con motores de más de 95 VA(1/8 HP), junto con otras cargas, la carga total calculada debe ser el 125 % de la carga de motor más grande, más la suma de todas las demás cargas."


Igualmente, se debe tomar en cuenta el numeral 220-11 de la NTC 2050, según el cual:



Los factores de demanda definidos para unidades de vivienda de la tabla 220-11 también se pueden utilizar a nivel industrial de acuerdo a lo que aparece escrito más delante en el numeral 220-13, tal como se visualiza a continuación:


Realizando un cálculo de las potencias aparentes nominales en VA y un resumen de las corrientes nominales previamente calculadas para cada uno de los circuitos ramales bajo estudio, se obtiene:


(a) CIRCUITO RAMAL DE LA BORDADORA.


Inominal bordadora  = 17,825 A


Sbifásica de la bordadora = VLL x Inominal bordadora


Reemplazando:


Sbifásica de la bordadora = 220 x 17,825


Sbifásica de la bordadora  = 3921,5 VA



(b) CIRCUITO RAMAL DE ALUMBRADO.


Inominal alumbrado  = 1,57 A


Pmonofásica de iluminación = 10 lámparas x 18 W / lámpara = 180 W


cos θ = 0,9


Smonofásica de iluminación  = Pmonofásica de iluminación  / cos θ


Smonofásica de iluminación  = 180  / 0,9


Smonofásica de iluminación  = 200 VA



(c) CIRCUITO RAMAL DE TOMAS GENERALES.


Inominal tomas generales  = 7,09 A


Smonofásico tomas generales = 5 tomacorrientes x 180 VA / tomacorriente 


Smonofásico tomas generales = 900 VA



(d) CIRCUITO RAMAL DE LA MÁQUINA DE COSER.


Inominal máquina de coser  = 2,045 A


Sbifásica de la máquina de coser = 450 VA


De esta manera, la corriente nominal de la acometida y el alimentador se calcula a continuación:


Aplicando la tabla 220-11 se obtiene:


Stomas + iluminación = 900 + 200


Stomas + iluminación = 1100 VA


De acuerdo a la tabla 220-11: Los primeros 3000 VA se toman al 100% y de ahí para adelante hasta los 120 kVA se les aplica un factor de demanda del 35%. En este caso, se tiene:


Stomas + iluminación = 1100 VA < 3000 VA


Por eso, estos 1100 VA se toman al 100%.  Por este concepto:


Snominal alimentador = Snominal bordadora + Snominal máquina de coser  + Snominal iluminación  + Snominal tomas generales


Snominal alimentador = 3921,5 + 450  + 200  + 900


Snominal alimentador = 5471,5 VA


Por las características de la carga que se está alimentando, se escoge una acometida y alimentador bifásicos. Por teoría de circuitos, para un sistema bifásico con neutro se tiene:


Snominal alimentador = 2 x VFN x Inominal alimentador 


Inominal alimentador = Snominal alimentador / ( 2 x VFN )


Inominal alimentador = 5471,5 / ( 2 x 127 )


Inominal alimentador = 21,54 A


Teniendo en cuenta que la mayor corriente de los motores bajo estudio corresponde a la corriente del motor de la bordadora plana y aplicando el numeral 210-22 de la NTC 2050:


"En circuitos que alimenten cargas consistentes en equipos de utilización fijos con motores de más de 95 VA(1/8 HP), junto con otras cargas, la carga total calculada debe ser el 125 % de la carga de motor más grande, más la suma de todas las demás cargas"


se obtiene:


Sdiseño alimentador = (1,25 x Snominal bordadora) + Snominal máquina de coser  + Snominal iluminación  + Snominal tomas



Sdiseño alimentador = (1,25 x 3921,5) + 450  + 200  + 900


Sdiseño alimentador = 6451,875 VA


Idiseño alimentador = Sdiseño alimentador / ( 2 x VFN )


Idiseño alimentador =  6451,875 / ( 2 x 127 )


Idiseño alimentador = 25,4 A


De acuerdo a la tabla 310-16 el calibre del conductor inicialmente seleccionado para el alimentador es el No 10 AWG. En términos prácticos, todo operador de red en Colombia exige como mínimo el calibre No 8 AWG para una acometida. Por eso, el calibre inicialmente escogido es el No 8 AWG para la acometida y el alimentador.



De acuerdo a la Sección 210-19, Inciso a), Nota 4 del CEC:


“Los conductores de circuitos ramales como están definidos en la sección 100, con una sección que evite una caída de tensión superior al 3% en las salidas más lejanas de fuerza, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramal hasta la salida más lejana no supere al 5%, ofrecen una eficacia razonable de funcionamiento. Para la caída de tensión en los conductores del alimentador, véase el artículo 215-2”

 

Teniendo en cuenta que La distancia de 30 metros que aparece en el diagrama unifilar de la instalación industrial corresponde a la suma de la distancia de la acometida más la distancia del alimentador, se obtiene:


30 m =  longitud acometida + longitud del alimentador


De la anterior sección del CEC se establece que la máxima regulación para estos 30 metros sería igual a:


Regulación máxima de tensión acometida + alimentador = 5% - 3%


Regulación máxima de tensión acometida + alimentador = 2%


Como la acometida es aérea, ésta debe llegar en tubería metálica tipo intemperie. En Colombia se utiliza la tubería IMC como tubería metálica tipo intemperie. Por tanto, la tubería de la acometida que llega al medidor es IMC, y como ya se dijo en el enunciado del problema, la canalización del alimentador es en tubería EMT. De acuerdo a la tabla No 9 del capítulo 9 del CEC, se tiene:


TABLA 9 RESISTENCIA Y REACTANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE ACERO

CALIBRE   AWG

REACTANCIA   XL (Ohmios / kpie)

RESISTENCIA   R (Ohmios / kpie)

IMPEDANCIA   Z (Ohmios / kpie)

14 AWG

0,240

10,170

10,173

12 AWG

0,223

6,560

6,564

10 AWG

0,207

3,940

3,945

8 AWG

0,213

2,560

2,569

6 AWG

0,210

1,610

1,624

4 AWG

0,197

1,020

1,039

2 AWG

0,187

0,656

0,682

 

Por la teoría de circuitos eléctricos sabemos que:


|ΔV| = |Z| |I|


|Z| = RAIZ CUADRADA (R2 + XL2)

 

Donde:

 

|ΔV| es la magnitud de la caída de tensión en Volt.


|Z| es la magnitud de la impedancia del conductor en Ohmios.


|I| es la magnitud de la corriente que circula por el conductor cuya magnitud de impedancia es igual a |Z|. En este caso corresponde a la corriente nominal del alimentador.


R es la resistencia del conductor en Ohmios.


XL es la reactancia inductiva del conductor en Ohmios.

 

La distancia efectiva para el cálculo de la regulación es igual a:


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación acometida + alimentador = 30 m x 2


Distancia efectiva para el cálculo de la regulación acometida + alimentador = 60 m


Teniendo en cuenta, la tabla anterior (TABLA 9 RESISTENCIA Y REACTANCIA AC DE CABLES TRIFÁSICOS TRES CONDUCTORES EN TUBO CONDUIT DE ACERO) se obtiene:


Z8 AWG = 2,569 Ohmios / kpie


|Z| = (2,569 Ohmios / kpie) x ( 1 kpie / 1000 pies ) x (1 pie / 0,3048 m) x 60 m 


|ΔV| = |Z| |I|


|ΔV| = |Z| |Inominal|


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (2,569 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 60 m x 21,54 A


|ΔV| = 10,89 V

 

De este modo se procede a calcular la regulación de tensión. La regulación se define como:

 

Regulación = ((Vs - Vr) / Vr) x 100 (%)


Regulación = (|ΔV| / Vr) x 100 (%)

 

Donde:


Vs es la magnitud de la tensión de envío. 

 

Vr es la magnitud de la tensión en el recibo. 

 

Para este ejemplo:

 

Vr = Vs - |ΔV| = 220 - 10,89 = 209,11 V


Regulación = ( |ΔV| / Vr ) x 100 = (10,89 / 209,11) x 100


Regulación = 5,21 %


Como 5,21% > 2% el el No 8 AWG no cumple con la regulación. Para el No 6 AWG se obtiene: 


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (1,624 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 60 m x 21,54 A


|ΔV| = 6,886 V


Vr = Vs - |ΔV| = 220 - 6,886 = 213,114 V


Regulación = (6,886 / 213,114) x 100 = 3,23%


Como 3,23% > 2% el No 6 AWG no cumple con la regulación. Para el No 4 AWG se obtiene:


|ΔV| = |Z| |Inominal| = (1,039 Ohmios / kpie) x (1 kpie / 1000 pies) x (1 pie / 0,3048 m) x 60 m x 21,54 A


|ΔV| = 4,4 V


Vr = Vs - |ΔV| = 220 - 4,4 = 215,6 V


Regulación = (4,4 / 215,6) x 100 = 2%


Como la regulación no superó el 2% el calibre escogido para la acometida y el alimentador es el No 4 AWG, entre otras cosas, porque la suma de la máxima regulación entre los circuitos ramales y este 2% no supera el 5% que es valor máximo de la regulación entre el punto de conexión y la última salida de la instalación eléctrica.



18.  Totalizador del tablero.

Para el cálculo del breaker totalizador del tablero de distribución, la norma NTC 2050 establece que cuando no se conoce la corriente de arranque del motor más grande, la capacidad nominal de corte del dispositivo de protección será igual a 2,5 veces la corriente nominal del motor más grande más la suma de las corrientes de los demás motores y cargas asociadas. 


En este caso se cuenta con un sistema trifilar que alimenta cargas bifásicas y monofásicas conectadas a las dos fases y el neutro que alimentan el tablero de distribución. Por este concepto, no se puede sumar directamente las corrientes de cada una de las cargas porque las cargas no se encuentran conectadas en paralelo. Si todas las cargas manejaran el mismo número de fases y estuvieran conectadas en paralelo, se podría aplicar sin ningún problema el principio descrito en el párrafo anterior. 


Para el presente caso y adaptándose al principio descrito con anterioridad, se realiza el siguiente cálculo:


Sprotección tablero = (2,5 x Snominal bordadora) + Snominal máquina de coser  + Snominal iluminación  + Snominal tomas


Sprotección tablero = (2,5 x 3921,5) + 450  + 200  + 900


Sprotección tablero = 11353,75 VA


Iprotección tablero = Sprotección tablero / ( 2 x VFN )


Iprotección tablero =  11353,75 / ( 2 x 127 )


Iprotección tablero = 44,7 A


BREAKER COMERCIALES BIFÁSICOS BIPOLARES DE INCRUSTAR MARCA LEGRAND/LUMINEX

CAPACIDAD NOMINAL DE INTERRUPCIÓN DE CORRIENTE POR FASE (A)

DENOMINACIÓN DEL BREAKER TERMOMAGNÉTICO

15

2 X 15

20

2 X 20

30

2 X 30

40

2 X 40

50

2 X 50

60

2 X 60

70

2 X 70

90

2 X 90

100

2 X 100

 

Revisando la tabla anterior, la referencia del totalizador bifásico del tablero de distribución bajo estudio correspondería, inicialmente, a la referencia 2 X 50 A. Para prevenir futuros problemas técnicos relacionados con la coordinación de protecciones, se escoge la referencia 2 X 60 A como breaker totalizador del tablero de distribución de la pequeña industria textil.



19.  Conductor del electrodo de puesta a tierra.

Para el cálculo del conductor del electrodo de puesta a tierra se utiliza la tabla de la NTC 2050 que se muestra a continuación:



De acuerdo a la tabla 250-94 de la NTC 2050 se tiene que:


Calibre del Conductor del electrodo de puesta a tierra = No 8 AWG.



20.  Calibre canalización de la acometida y el alimentador.

Como ya se explicó, la canalización de la acometida está en tubería IMC y la canalización del alimentador está en tubería EMT. A continuación se muestran las tablas de las dimensiones de estos dos tipos de tuberías metálicas:


CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA TUBERÍA EMT DE ACUERDO A LA EMPRESA PROELÉCTRICOS

Diámetro nominal

Diámetro Exterior (mm)

Espesor pared (mm)

Diámetro interior (mm)

Área interna de la tubería (mm cuadrados)

1/2"

17,93

1,06

15,81

196,32

3/4"

23,41

1,24

20,93

344,06

1"

29,54

1,44

26,66

558,23

1 1/4"

38,35

1,65

35,05

964,86

1 1/2"

44,19

1,65

40,89

1313,18

2"

55,8

1,65

52,5

2164,75

3"

88,9

1,82

85,26

5709,27

4"

114,3

2,1

110,1

9520,60

 

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA TUBERÍA IMC DE ACUERDO A LA EMPRESA PROELÉCTRICOS

Diámetro nominal

Diámetro Exterior (mm)

Espesor pared (mm)

Diámetro interior (mm)

Área interna de la tubería (mm cuadrados)

1/2"

20.8

2.15

16.5

213.82

3/4"

26.26

2.28

21.7

369.84

1"

32.89

2.54

27.81

607.42

1 1/4"

41.78

2.66

36.46

1044.05

1 1/2"

48

2.79

42.42

1413.29

2"

60.12

2.92

54.28

2314.03

2 1/2"

72.82

4.06

64.7

3287.75

3"

88.54

4.06

80.42

5079.47

4"

113.69

4.06

105.57

8753.28


De las dos tablas anteriores se puede apreciar que la tubería EMT maneja un área interna de menor valor con respecto a la tubería IMC para el mismo calibre de tubería. Por este concepto, el calibre de la canalización se calculará a partir de la tubería EMT.


De acuerdo a la Tabla 310-16:

 

Área cable No 8 AWG = 8,36 milímetros cuadrados


Área cable No 4 AWG = 21,14 milímetros cuadrados


Área ocupada por conductores = 8,36 + ( 3 x 21,14 ) = 71,78 milímetros cuadrados


Un porcentaje máximo de ocupación obtenido de la experiencia que puede ser útil para diseño es igual al 8,1%.

 

Para el calibre de tubería de 1" se tiene:

 

Área ducto de 1” tubería EMT = 558,23 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en 1” = (71,78  / 558,23) x 100 = 12,86%


Como 12,86% > 8,1%, se prueba con el calibre 1 1/4".


Área ducto de 1 1/4" tubería EMT = 964,86 milímetros cuadrados


Porcentaje del área ocupada en 1” = (71,78 / 964,86) x 100 = 7,44%


Como 7,44% < 8,1%, el calibre de la tubería de la acometida y el alimentador = 1 1/4"



20.  Diagrama Unifilar del diseño eléctrico del tablero de la pequeña industria textil.




EQUIPOS UTILIZADOS PARA EL ARRANQUE Y CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS.

Los equipos más importantes utilizados para el arranque y control de motores eléctricos son:

a. Interruptor termomagnético. Es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente en un circuito: El magnético y el térmico (efecto Joule). Existen tres tipos de interruptores termomagnéticos para baja tensión a saber: Interruptores termomagnéticos de incrustar, interruptores termomagnéticos de sobreponer y minibreakers (M9) para uso en riel DIN omega.

Interruptor termomagnético de incrustar. Este tipo de interruptor se incrusta en los tableros de baja tensión para alimentar los circuitos ramales. Corresponde al interruptor más comúnmente utilizado. Existen tres tipos de interruptores termomagnéticos de incrustar:

Monopolar o monofásico. A continuación se muestra una foto de este tipo de interruptor:

Bipolar o Bifásico. A continuación se muestra una foto de este tipo de interruptor:

Tripopolar o Trifásico. A continuación se muestra una foto de este tipo de interruptor:

Los interruptores o breakers de incrustar se incrustan en tableros monofásicos, bifásicos y trifásicos. A continuación se muestra una foto de un tablero bifásico de 12 circuitos de empotrar o sobreponer sin espacio para totalizador.

Interruptor termomagnético de sobreponer. Este tipo de interruptor se fija en los gabinetes de baja tensión para alimentar los tableros de distribución en instalaciones comerciales, industriales y oficiales de alto consumo. Existen interruptores de sobreponer monofásicos, bifásicos y trifásicos, tal como se muestra a continuación:


A continuación se muestra un gabinete de baja tensión:

Minibreakers (M9) para uso en riel DIN omega.  Este tipo de interruptor se fija en los tableros mini pragma. Existen minibreakers (M9) para uso en riel DIN omega monofásicos, bifásicos y trifásicos, tal como se muestra a continuación: 


A continuación se muestra un tablero mini pragma de 12 circuitos:

b. Contactores electromecánicos. Un contactor electromecánico es un dispositivo con capacidad de cortar el suministro de corriente eléctrica de un carga. A continuación se muestra la imagen de un contactor.

Existen diferentes tipos de contactores electromecánicos de acuerdo a la categoría, a saber:

Categoría AC1: Es la categoría de contactores más sensible frente a cambios bruscos de corriente y tensión. Esta categoría solo aguanta corrientes de arranque hasta de 1,5 veces la corriente nominal de la carga y tensiones de alimentación iguales a 1,1 veces la tensión nominal de trabajo de carga. Se recomienda solo para cargas resistivas o poco inductivas con un factor de potencia mayor o igual a 0,95. Esta categoría de contactores no se recomienda para motores. Puede utilizarse para automatizar el encendido de iluminación tipo LED en aplicaciones industriales o iluminación de fachadas. La curva corriente versus tiempo de corte es la que se muestra a continuación.

Categoría AC2: Es una categoría de contactores menos sensible que la anterior frente a cambios bruscos de corriente y tensión. Esta categoría solo aguanta corrientes de arranque hasta de 2,5 veces la corriente nominal de la carga y tensiones de alimentación iguales a 1,1 veces la tensión nominal de trabajo de la carga. Se recomienda solo para cargas con un factor de potencia mayor o igual a 0,65. Esta categoría de contactores se puede utiliza para motores siempre y cuando se cumpla las condiciones anteriores. La curva corriente versus tiempo de corte es la que se muestra a continuación.



Categoría AC3: Es una categoría de contactores menos sensible que la anterior frente a cambios bruscos de corriente. Esta categoría normalmente aguanta corrientes de arranque desde 6 a 8 veces la corriente nominal de la carga. Ocasionalmente, puede aguantar de 8 a 10 veces la corriente nominal. Para motores jaula de ardilla, esta categoría de contactores solo resiste de 5 a 7 veces la corriente nominal del motor. Esta categoría de contactores se puede utiliza para motores siempre y cuando se cumpla las condiciones anteriores. Es una de las categorías más utilizadas en motores eléctricos. La curva corriente versus tiempo de corte es la que se muestra a continuación.

Categoría AC4: Es una categoría de contactores menos sensible que la anterior frente a cambios bruscos de corriente. Esta categoría es para trabajo pesado para motores jaula de ardilla con corriente de arranque de 5 a 7 veces la corriente nominal, frenado a contracorriente y marcha a impulsos.

nominal de trabajo de la carga. Se recomienda solo para cargas con un factor de potencia mayor o igual a 0,65. Esta categoría de contactores se puede utiliza para motores siempre y cuando se cumpla las condiciones anteriores. 

Partes de un contactor: En la imagen que se observa a continuación se puede apreciar las partes de un contactor:


Un link de explica detalladamente las partes y el funcionamiento del contactor se anexa a continuación:



Bornes de un contactor: En la Figura que se anexa a continuación se puede apreciar los bornes típicos de un contactor:



Donde:

A1 y A2 son los bornes asociados a la bobina. Se debe tener en cuenta la tensión de operación de la bobina. Los niveles de tensión más utilizados como tensiones nominales de un contactor son: 110 VAC y 220 VAC. Un contactor a 110 VAC jamás puede ser conectado a 220 VAC so pena de quemar el dispositivo. Las marcas de contactores más empleadas en Colombia son: Schneider, Chint, Siemens, Steck, ABB. Si se tiene un contactor cuya bobina trabaja a 220 VAC pero en la instalación solo se tiene acceso a 120 VAC, entonces se debe comprar una bobina a 110 VAC de la misma marca y referencia del contactor y hacer el cambio de la bobina. También se puede cambiar la bobina quemada por una bobina nueva de la misma marca y referencia del contactor cuando ocurre este tipo falla, tal como se muestra en el video que se presenta a continuación: 


1 es la entrada para la fase amarilla
2 es la salida para la fase amarilla

3 es la entrada para la fase azul
4 es la salida para la fase azul

5 es la entrada para la fase rojo
6 es la salida para la fase rojo

13 es la entrada del contacto normalmente abierto (NO)
14 es la salida del contacto normalmente abierto (NO)

NO significa Normally Opened
NC significa Normally Closed


c. Relé Térmico. Un relé térmico es un dispositivo de protección que funciona contra las sobrecargas y recalentamientos, por lo que se utiliza principalmente en motores, con lo que se aumenta la vida útil y la confiabilidad en la operación de máquinas eléctricas, evitando paradas de producción. Existen relés térmicos de rearme manual y rearme manual-automático. Un relé térmico de rearme manual-automático se muestra a continuación:


Se pueden abrir los contactos y parar el motor manualmente desde el botón de parada en caso de emergencia o por motivos de mantenimiento. La alimentación trifásica entra por los bornes de fuerza que se aprecian en la parte superior de la imagen anterior.  La alimentación trifásica sale por los bornes de fuerza que se aprecian en la parte inferior de la imagen anterior. Los bornes de entrada y salida de la alimentación presentan la misma marcación que el contactor, tal como se define a continuación:

1 es la entrada para la fase amarilla
2 es la salida para la fase amarilla

3 es la entrada para la fase azul
4 es la salida para la fase azul

5 es la entrada para la fase rojo
6 es la salida para la fase rojo

95 es la entrada del contacto normalmente cerrado (NC)
96 es la salida del contacto normalmente cerrado (NC)

97 es la entrada del contacto normalmente abierto (NO)
98 es la salida del contacto normalmente abierto (NO)

NO significa Normally Opened
NC significa Normally Closed

En la siguiente imagen se visualiza mucho mejor los bornes previamente detallados

En la práctica el relé térmico está acoplado mecánicamente al contactor, tal como se muestra a continuación:


En la zona de Regulación del Límite de Corriente se gradúa la máxima corriente que permite el relé térmico circular. Si un motor, bajo condiciones nominales, consume 25 A, la Regulación del Límite de Corriente se podría ajustar a 27 A.

Cuando se dispara el térmico por sobrecarga, se debe realizar la revisión de la instalación del motor para verificar la causa de la sobrecarga. Una vez solucionado el problema, se puede pulsar el botón de RESET (botón azul de Rearme Manual-Automático en la imagen bajo estudio) para reestablecer la conducción del relé térmico y luego se oprime el botón de arranque del circuito de control del motor para que éste nuevamente entre en operación.

Clases de disparo:
Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos o de varias decenas de segundos , por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque. 

• Relés de clase 10: Válidos para todas las aplicaciones para corrientes con una duración de arranque inferior a 10 segundos y menos de 6 veces su corriente nominal.

• Relés de clase 20: Admiten arranques de hasta 20 segundos de duración y menos de 6 veces su corriente nominal.

• Relés de clase 30: para arranques con un máximo de 30 segundos de duración y menos de 6 veces su corriente nominal.


c. Motor electrico

El motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica de rotación por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.


Los motores de Rotor Bobinado (Wound-Rotor Induction Motor o WRIM) difieren ligeramente de los motores de inducción “Jaula de Ardilla”, encontrándose la principal diferencia en los niveles de torque que éstos pueden generar y el circuito aplicado al rotor del motor (resistencia rotórica y un contactor de cortocircuito).


Los dos motores mas comunes son el motores de rotor devanando  y motor jaula de ardilla.


Motor jaula de ardilla



Motor de rotor devanado 









Como puedes observar tenemos 2 formas diferentes de conectar los extremos de las bobinas del estator llamadas Conexión Estrella y Conexión Triángulo.


Pero...¿Cual es la diferencia eléctrica entre una y otra?


Recuerda: Tensión de fase: es la tensión entre una fase y el neutro. Tensión de línea: es la tensión que existe entre dos fases. La VL = √3 x Vf. Si la de fase es 230, la de línea es de 400V.


Al conectar las bobinas del motor en triángulo, las bobinas quedan alimentadas a la misma tensión que la red de alimentación. Si es una alimentación trifásica de 400V (Vlinea), las bobinas del motor quedan sometidas a esa misma tensión 400V.


Al conectar las mismas bobinas en estrella, al tener un punto neutro en el centro que une todos los finales de las bobinas, quedan sometidas a la misma tensión que entre fase y neutro de la red, Vf = VL / √3 , que si Vf es 400V quedan sometidas a 230V.


En el siguiente link podremos encontrar información detallada sobre las características y conexión de motores eléctricos.


https://www.areatecnologia.com/electricidad/motor-trifasico.html


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