Cálculo de caída de voltaje

Es de conocimiento general que los consumidores de electricidad deben pagar por la cantidad total de kilovatios-hora suministrados por la compañía eléctrica, medidos por el medidor de potencia correspondiente. Sin embargo, dado que ningún conductor eléctrico es perfecto e incluso el cableado de la más alta calidad tiene resistencia, parte de esa electricidad se pierde entre el medidor de potencia y el punto de uso.

¿Qué es la caída de voltaje?

Uno de los principios básicos de la ingeniería eléctrica es la ley de Ohm, que establece que la caída de voltaje en un conductor o carga es equivalente al producto de la corriente y la resistencia (V = I x R). La corriente eléctrica está determinada por la carga en un circuito, mientras que la resistencia está determinada por las propiedades físicas del conductor.


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El concepto de caída de voltaje se utiliza para describir la diferencia entre el voltaje suministrado en la fuente y el voltaje medido en la carga. Los factores que determinan la caída de tensión se resumen en la siguiente tabla:

FACTORES DE CAÍDA DE VOLTAJE

DESCRIPCIÓN

A. Material conductor

Algunos materiales son mejores conductores eléctricos que otros. Por ejemplo, el cobre es más conductor que el aluminio.

B. Diámetro del conductor

Un conductor más ancho tiene una conductividad mejorada, porque hay más material para transportar la corriente eléctrica.

C. Longitud del conductor

Los conductores más largos tienen una mayor resistencia porque la corriente debe viajar una distancia más larga entre la fuente y la carga.

D. Temperatura del conductor

La temperatura influye en la conductividad de los materiales. Dependiendo del material y la temperatura real, la conductividad puede aumentar o disminuir con mayores aumentos de temperatura.

E. Corriente transportada por el conductor

La corriente es directamente proporcional a la caída de voltaje. Si la corriente se duplica mientras la resistencia se mantiene igual, la caída de voltaje también se duplica.

F. Conexiones en el circuito

Una conexión representa una interrupción en el material conductor y hay una resistencia de contacto asociada a ella. Las conexiones deficientes están asociadas con una mayor caída de voltaje.

¿Cómo se puede controlar la caída de voltaje?

Dado que no existe un conductor perfecto y todos los materiales tienen resistencia eléctrica, es imposible eliminar completamente la caída de voltaje. Sin embargo, hay muchas formas de minimizarlo:

  1. Mejorando la eficiencia del sistema
    Suponiendo que la carga se mantenga igual, aumentar la eficiencia de los equipos eléctricos reduce el consumo de energía. Dado que el voltaje de suministro es constante, la eficiencia mejorada da como resultado menos corriente y una caída de voltaje reducida.
  2. Solución de problemas
    Algunos problemas eléctricos provocan un aumento innecesario de la corriente o la resistencia, lo que conduce a una mayor caída de voltaje. Una vez que se resuelven estos problemas, la caída de voltaje vuelve a la normalidad.
  3. Corrección de tamaños de conductores
    Si los conductores de un circuito no se seleccionaron correctamente, pueden experimentar una caída de voltaje significativa. Al seleccionar conductores, es importante tener en cuenta factores como la corriente de carga completa, la temperatura ambiente y el número de conductores en una canalización.
  4. Distribución eléctrica centralizada
    Si el eje eléctrico principal y los tableros de distribución están ubicados cerca del centro de un edificio, el cableado debe cruzar distancias más pequeñas para alcanzar las diferentes cargas. Este tipo de diseño minimiza la caída de voltaje. Por otro lado, cuando el eje eléctrico y los paneles están ubicados en un extremo del edificio, los circuitos deben cruzar toda la construcción para alcanzar cargas en el lado opuesto.
  5. Distribución de carga equilibrada
    Los grandes edificios comerciales suelen utilizar circuitos trifásicos, que tienen tres conductores activos como lo indica su nombre. Si una fase está demasiado cargada, también experimentará una mayor corriente y una mayor caída de voltaje en comparación con las otras fases.

Estas son medidas específicas que se pueden implementar para reducir la caída de voltaje. En general, cualquier medida que logre cualquiera de los siguientes efectos es viable, siempre que lo permita el Código Eléctrico de la Ciudad de Nueva York:

  • Corriente de carga decreciente
  • Aumento del diámetro del conductor
  • Aumento del número de conductores paralelos.
  • Disminución de la longitud del conductor
  • Disminuir la temperatura del conductor

Caída de voltaje permitida según NEC, edición 2011

El Código Eléctrico Nacional NFPA (NEC), que es la base del Código Eléctrico de la Ciudad de Nueva York, establece dos condiciones para la caída de voltaje permitida en las instalaciones eléctricas:

  • El voltaje máximo permitido en un circuito derivado es del 3 por ciento, medido entre el panel eléctrico correspondiente y el tomacorriente más lejano que suministra energía, calefacción, iluminación o cualquier combinación de tales cargas.
  • La caída de voltaje combinada máxima en los alimentadores principales y los circuitos derivados es del 5 por ciento, medida desde la conexión de servicio hasta la toma de corriente más lejana.

Se considera que estos niveles de caída de voltaje proporcionan una eficiencia operativa razonable. Es importante tener en cuenta que, cuando se aumenta el tamaño de los conductores del circuito para compensar la caída de voltaje, el conductor de conexión a tierra del equipo debe aumentarse en consecuencia.

Cómo calcular la caída de voltaje

Es importante tener en cuenta que la fórmula de caída de voltaje cambia según el número de fases en el circuito (monofásico o trifásico). En las siguientes ecuaciones, las variables utilizadas son:

  • Z = Impedancia del conductor (ohmios por 1000 pies u ohmios / kft)
  • I = Corriente de carga (amperios)
  • L = Longitud (pies)
TIPO DE INSTALACION FÓRMULA DE CAÍDA DE VOLTAJE

Sistema monofásico

Sistema trifásico

Caída de V = 2 x Z x I x L / 1000

Caída V = 1,73 x Z x IXL / 1000

Las fórmulas se dividen por 1000 porque los valores de impedancia estándar se proporcionan para cada 1000 pies. De esta manera, se convierten a ohmios por pie. El Capítulo 9 del NEC proporciona las propiedades del conductor, basadas en una clasificación de temperatura de 75 ° C.

Para demostrar el procedimiento, suponga que un circuito monofásico de 120 V lleva una corriente de 22 A, donde la impedancia del conductor es de 1,29 ohmios por 1000 pies y la longitud del circuito es de 50 pies. La caída de voltaje sería:

  • Caída de voltaje = (2 x 1,29 ohmios / kft x 22 A x 50 pies) / 1000 = 2,84 V
  • Caída de voltaje porcentual = 2,84 V / 120 V = 0,0237 = 2,37%

Si hay más de un conductor por fase, el cálculo anterior debe dividirse por el número de conductores por fase, ya que la resistencia se reduce. Por ejemplo, si hay dos conductores por fase en el ejemplo anterior, la resistencia se reduce a la mitad y la caída de voltaje sería de 1,42 V (1,18%).

¿Cómo seleccionar el tamaño del cable?

El procedimiento explicado anteriormente se puede ajustar para seleccionar el tamaño del conductor según la caída de voltaje permitida. Suponga que un circuito está sujeto a las siguientes condiciones:

  • Voltaje de funcionamiento = 120 V
  • Configuración: monofásico
  • Corriente = 25 A
  • Longitud = 100 pies

La fórmula de caída de voltaje se puede ajustar de la siguiente manera, para calcular la impedancia requerida.

  • Caída de tensión = 2 x Z x I x L / 1000
  • Z = (1000 x caída de voltaje) / (2 x I x L)

Sustituyendo los valores anteriores en la fórmula, se obtiene el siguiente resultado:

  • Caída de voltaje permitida = 120 V x 3% = 3,6 V
  • Z = (1000 x 3,6 V) / (2 x 25 A x 100 pies) = 0,72 ohmios / kft

De acuerdo con el NEC en el Capítulo 9, Tabla 8, el tamaño de conductor requerido para mantener la caída de voltaje por debajo del 3% es AWG # 6 (0.510 ohm / kft). El tamaño que sigue es AWG # 8, pero su resistencia es demasiado alta (0,809 ohmios / kft) y la caída de voltaje excedería el 3%.

Instalación de varios conductores en conductos, cables o conductos

Las tablas NEC 310.16 a 310.19 proporcionan las ampacidades permitidas para un máximo de tres conductores en un conducto, cable o canalización. Cuando el número de conductores es cuatro o más, la ampacidad permitida se reduce como se muestra en la siguiente tabla:

NÚMERO DE CONDUCTORES QUE LLEVAN CORRIENTE

PORCENTAJE DEL VALOR DE AMPACIDAD

4-6

7-9

10-20

21-30

31-40

41 o más

80%

70%

50%

45%

40%

35%

Los conductores deben tener una ampacidad adecuada para la carga de acuerdo con las tablas 310.16 a 310.19, además de tener una caída de voltaje por debajo del valor máximo permitido del 3%. También tenga en cuenta que la ampacidad nominal se reduce cuando hay varios conductores instalados juntos. Los tres factores deben verificarse para tener una instalación eléctrica que cumpla con los códigos.

Resumen

El NEC recomienda una caída de voltaje máxima del 5% en los alimentadores y circuitos derivados, y del 3% solo en el circuito derivado. Se considera que este nivel de caída de voltaje ofrece las condiciones adecuadas para un rendimiento óptimo del equipo. Tenga en cuenta que el nivel de caída de voltaje máximo permitido no es una medida de seguridad, sino una medida de rendimiento.