Cargas en una instalación eléctrica
Para una instalación eléctrica eficiente es necesario conocer las necesidades de la carga, así garantizaremos la seguridad y satisfacción de nuestro cliente.
Por Telésforo Trujillo Sotelo.
Las instalaciones eléctricas tienen como función transportar la energía eléctrica desde los puntos de generación hasta donde se encuentran las cargas.
En la NOM-001-SEDE-2012 de instalaciones eléctricas, principios fundamentales, se hace énfasis en los factores que deben tomarse en cuenta para el diseño o planeación de las instalaciones:
- Protección de las personas, animales y bienes
- Funcionamiento satisfactorio de la instalación eléctrica acorde a la utilización prevista
Un parámetro para determinar el éxito de la instalación eléctrica es precisamente el funcionamiento eficaz de la carga; mismo que será calificado por el usuario, al que debemos ofrecer seguridad, y la carga, a la que hay que suministrarle aspectos como tensión, corriente y frecuencia, esenciales para un buen desempeño.
Necesidades de la carga
Ésta se puede definir como aquel dispositivo que requiere energía eléctrica para funcionar. Si con la instalación eléctrica no se satisfacen sus necesidades, la carga no tiene razón de ser. Entonces se mejora, se cambia o se traslada la carga a otro punto. De nada sirve cumplir todas las normas, si la carga no funciona satisfactoriamente.
Por tanto, antes de diseñar, construir y mantener una instalación eléctrica es primordial conocer las necesidades y comportamiento de la carga en condiciones normales y ante la variación de los parámetros eléctricos de tensión, corriente, frecuencia y forma de onda, así como las condiciones ambientales a las que quedará expuesta.
Partiendo del principio de la conservación de la energía, los equipos y dispositivos que utilizan energía eléctrica tienen la función de transformarla en otro tipo, por lo que encontraremos aparatos eléctricos (cargas) que convierten la energía eléctrica en otro tipo de energía como puede ser: energía calorífica (resistencias), luminosa (lámparas), mecánica (motores), magnética (electroimanes), campo eléctrico (capacitores).
Dado que cada una de estas cargas tienen características diferentes, en la NOM-001-SEDE hay varios artículos específicos que detallan sobre la diversidad de éstas:
Artículo 410. Luminarias, portalámparas y lámparas
Artículo 424. Equipo eléctrico fijo para calefacción de ambiente
Artículo 430. Motores, circuitos de motores y controladores
Artículo 440. Equipos de aire acondicionado y de refrigeración
Artículo 460. Capacitores
Artículo 470. Resistencias y reactores
Artículo 61. Grúas y montacargas
Artículo 625. Equipos para carga de vehículos eléctricos
Artículo 630. Máquinas de soldar eléctricas
Clasificación de las cargas
Desde el punto de vista electrotécnico las cargas pueden ser:
1.1. Resistivas
1.2. Capacitivas
1.3. Inductivas
1.4. Mixtas: resistiva capacitiva, resistiva inductiva, resistiva, capacitiva e inductiva
De acuerdo con el comportamiento de la forma de onda de la corriente con respecto de la forma de onda de la tensión
2.1. Cargas lineales
2.2. Cargas no lineales
De acuerdo con la potencia-tensión
3.1. Cargas de impedancia constante
3.2. Cargas de potencia constante
De acuerdo al tiempo de funcionamiento
4.1. Cargas continuas
4.2. Cargas no continuas
1. Comportamiento electrotécnico
1.1. Carga resistiva
Convierte la energía eléctrica en calorífica. Es frecuente que al hablar de una resistencia la relacionemos con la (ecuación 1), en la cual se lee que la resistencia depende de la tensión y de la corriente. Como expresión matemática es cierta, pero como concepto puede estar lejos de la realidad, ya que la resistencia depende principalmente del material y de sus características físicas (ecuación 3). La corriente sí depende de la tensión y de la corriente (ecuación 2).
Al aplicar una tensión alterna sinusoidal, se tendrá una corriente en fase con la tensión (parte del mismo punto y llega al mismo punto al mismo tiempo).
La potencia que sale de la fuente se obtiene con el producto de la tensión (V) y la corriente (I), misma que es transformada por la resistencia en calor o en trabajo.
Donde (P) es la potencia que la carga convierte en calor o trabajo y (S) la potencia que sale de la fuente, que para esta carga resistiva ambas potencias son iguales, de ahí el factor de potencia.
1.2. Carga capacitiva
La potencia que toma la carga en el primer medio ciclo de la fuente de corriente alterna la convierte en campo eléctrico, que en el siguiente medio ciclo regresa la potencia a la fuente. Es decir, que el capacitor se carga y descarga (toma potencia de la fuente, la usa y la regresa, pero no la consume).
En este caso no se habla de una resistencia (R), sino de una reactancia capacitiva (Xc), la cual depende de sus características físicas y de la frecuencia (ec. 7 y 8). La corriente depende de la tensión (V) y de la reactancia capacitiva (Xc) (ec. 6), pero no se podría decir que la reactancia depende de la tensión y de la corriente (ec. 5). Si se eleva la tensión de ésta, también se eleva la reactancia y permanece constante.
La carga toma una potencia aparente (S) de la fuente, para consumirla, pero que posteriormente la regresa (Q), como potencia reactiva a la fuente, de tal forma que la carga no consume nada (P=0). Entonces al dueño, y a la fuente, no le conviene que la potencia se use y no se consuma y esté viajando de ida y vuelta, desde la fuente hasta la carga, originando pérdidas en los conductores y transformadores.
1.3. Carga inductiva
La potencia, que toma la carga en el primer medio ciclo de la fuente de corriente alterna, la convierte en campo magnético variable que, de acuerdo con las leyes de Faraday y Lenz, producen una tensión en la bobina que se opone a la fuente que la produce. De tal forma que en el siguiente medio ciclo regresa la potencia a la fuente. Al igual que en el capacitor, la inductancia (bobina) toma potencia de la fuente, la usa y posteriormente la regresa y no la consume.
En este caso, en lugar de la resistencia (R), se tiene una reactancia inductiva (Xl), la cual depende del número de espiras (N), de la frecuencia (f) y del flujo () (ec. 10 y 11). La corriente depende de la tensión (V) y de la reactancia inductiva (Xl) (ec. 12), pero no se podría decir que la reactancia depende de la tensión y de la corriente (ec. 9), pues si se eleva la tensión, la corriente también se eleva y la reactancia permanece constante.
De la misma manera que una carga capacitiva, la carga inductiva toma una potencia aparente (S) de la fuente, aparentemente para consumirla, pero que posteriormente la regresa (Q), como potencia reactiva a la fuente, desplazada 180° con respecto a la potencia reactiva capacitiva.
1.4. Carga mixta
Las cargas, desde el punto de vista electrotécnico, pueden estar formadas por la combinación de elementos resistivos, capacitivos e inductivos. Como sucede en un motor, se puede representar como la combinación de un elemento resistivo y un elemento inductivo.
En este caso se tiene una impedancia (Z) formada por R y Xl, bajo este modelo la corriente depende de la tensión y la impedancia.
En este caso la corriente se atrasa a un ángulo (), dando origen a las potencias: aparente (S), real (P) y reactiva (Q).
En las cargas resistivas, capacitivas e inductivas se ha presentado la ecuación del factor de potencia (fp). Ésta generalmente se define como el coseno del ángulo que hay entre la tensión y la corriente, que en muchos de los casos para la práctica no se puede analizar su significado. Es más conveniente expresarlo como la relación entre P y S, y no diría que tan grande es la potencia real (W) con respecto a la potencia aparente (VA).
Lo ideal sería que toda la potencia utilizada se consuma, teniendo un factor de potencia igual a 1. La energía consumida (E) es el equivalente a decir cuánto tiempo (t) se utiliza la potencia (P), E=P(t), cuyas unidades serían Wh, este valor se convierte en el costo de facturación.
Sin embargo, la fuente, conductores, transformadores y todos los elementos necesarios para transportar la energía eléctrica se diseñan con base en la potencia aparente (S).
De tal forma que una carga con un factor de potencia de 50 por ciento representa que la potencia activa o real es del 50 por ciento con respecto a la aparente, y sólo se paga la energía y potencia real (w y Wh), y se utiliza el ciento por ciento (potencia aparente).
Por esta razón la compañía suministradora pone un límite y da un costo por cada kilowatt/hora, referido a un factor de potencia de 90 por ciento. Si se tiene un factor de potencia mayor, se genera una bonificación, y si se tiene un factor de potencia menor, se tendrá una penalización.
2. Comportamiento de la forma de onda de la corriente con respecto a la forma de onda de la tensión
2.1. Cargas lineales
Cualquier carga descrita en el punto 1 (resistiva, capacitiva, inductiva o mixta) conectada a una fuente de tensión alterna. La corriente que se origina tiene la misma forma de onda que la tensión, y para cualquier valor de tensión le corresponde un valor de corriente, cuya relación (Vi/Ii) es constante, por lo que a este tipo de cargas se les conoce como cargas lineales.
2.2. Cargas no lineales
Si entre la fuente de tensión alterna y la carga se interpone un dispositivo eléctrico (diodo, SCR, Triac) que controle el paso de corriente originaria y ésta no tuviera la misma forma de onda que la tensión y, además, no se garantiza que la relación, para cualquier valor instantáneo (Vi/Ii), fuera constante, en el ciclo positivo, en el caso de tener un diodo, la tensión y la corriente tendrían la misma forma de onda, pero en la parte negativa habría tensión y no corriente.
Se tienen SCR o Triac cuando se controla el ángulo en el que el dispositivo deja pasar la corriente. La forma de onda de la corriente tendrá una forma que dista a la de tensión, y la relación (Vi/Ii) no proporcionará un valor constante.
Si en un circuito se tienen conectadas cargas lineales y no lineales, donde la corriente total es la suma de cada una, la corriente total tendrá una forma distorsionada.
Al tener una corriente con una forma de onda no sinusoidal, el matemático Joseph Fourier demuestra que esta onda se puede descomponer, y una onda sinusoidal con frecuencia igual a la que tiene la tensión (fundamental f0) más “n” formas de ondas sinusoidales con frecuencias múltiplos de la fundamental, se les llama armónicas.
Las cargas no lineales originan armónicas que afectan principalmente a la instalación y a las cargas que se encuentran cerca de ellas; en muy poca medida, a los transformadores y generadores de la empresa suministradora. Por ende, se dice que las armónicas son generadas y afectadas por las cargas.
3. De acuerdo con la potencia tensión
Dependiendo del comportamiento de la corriente ante una variación de tensión, las cargas son de impedancia constante o de potencia constante.
3.1. Cargas de impedancia constante
En este tipo de cargas la relación V/I se mantiene constante, de tal forma que si varía la tensión, también lo harán la corriente y la potencia en la misma proporción (VA o W).
Un ejemplo de este tipo de cargas es una resistencia, si se incrementa la tensión, se incrementa la corriente, así como la potencia.
Ejemplo:
R=100 ohm, V1=120 V, I= 120/100=1.2 A, P=120×1.2=144 W, si se incrementa la tensión a 130 V, la corriente aumentará a 1.3 A, y P=169 W.
| CARACTERÍSTICAS | TENSIÓN CON RESPECTO A LA NOMINAL | FRECUENCIA CON RESPECTO A LA NOMINAL | ||
| 110% | 90% | 105% | 95% | |
| Par motor (T) | Aumenta 21 | Disminuye 19 | Disminuye 10 | Aumenta 11 |
| Velocidad asincrónica | Aumenta 1 | Disminuye 1.5 | Aumenta 5 | Disminuye 5 |
| Eficiencia a plena carga | Aumenta 4-6 puntos % | Disminuye 2 | Ligero aumento | Ligera disminución |
| Factor de potencia a plena carga | Disminuye 4 puntos % | Aumenta1 punto % | Ligero aumento | Ligera disminución |
| Corriente arranque | Aumenta 10-12 | Disminuye 10-12 | Disminuye 5-6 puntos % | Aumenta 5-6 |
| Corriente nominal | Disminuye 6 | Aumenta 10 puntos % | Ligera disminución | Ligero aumento |
| Efectos de la variación de tensión y frecuencia en motores trifásicos de corriente alterna | ||||
3.2. Cargas de potencia constante
Hay cargas que requieren una potencia constante, como en el caso de un motor que tiene en la flecha un peso para mover. Si la tensión nominal disminuye un 10 por ciento, la corriente aumentará el mismo porcentaje con el fin de mantener la potencia necesaria para mover el peso.
Si la tensión aumenta un 10 por ciento, la corriente disminuye a 6.
En este caso la corriente no disminuyó en la misma proporción que la tensión. Esto se debe a que las bobinas del motor son de impedancia constante, y al aumentar la tensión, las pérdidas en los devanados también lo hicieron.
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Telésforo Trujillo Sotelo
Ingeniero electricista por el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Desempeñó el cargo de subgerente de Innovación y Tecnología, en el Fideicomiso para el ahorro de Energía (Fide). En Luz y Fuerza del Centro estuvo a cargo del área de Distribución. Ha sido docente en el IPN, y en la actualidad labora como asesor de proyectos eléctricos.
