Como minimizar los problemas de caída de tensión en cables eléctricos

Cuidar los limites de la caída de tensión y voltaje es muy importante en los circuitos eléctrico debido a que un valor alto puede hacer que los equipos se bloqueen, se apague repentinamente o no proporcionen la salida de potencia nominal esperada.

Hay cuatro factores principales que ayudan a disminuir la caída de tensión en circuitos eléctricos:

1. Aumentar el numero o tamaño de los conductores.
2. Disminuir la corriente que lleva el circuito.
3.  Disminuir la longitud del conductor.
4. Ajustar la temperatura del conductor.

A lo largo del articulo explicaremos cada uno de los ítems anteriores con ejemplos que ayudaran a aclarar la información.

Si se desea calcular la caída de tensión puedes utilizar una calculadora de caída de tensión o si prefieres puedes realizar el caculo manual.

Cuatro enfoques prácticos para minimizar los problemas de caída de tensión.

1. Aumentar el número o el tamaño de los conductores:

Los conductores paralelos o sobredimensionados tienen menor resistencia por unidad de longitud que los conductores de tamaño mínimo requeridos por la NEC o código eléctrico local, con lo cual se reduce la caída de tensión y se aumenta el rendimiento energético con pérdidas menores en comparación con el conductor de tamaño mínimo requerido por el Código.

En centros de datos y otras instalaciones sensibles, no es infrecuente encontrar conductores de fase, neutro y tierra que excedan los mínimos del código electrico y circuitos de derivación independientes para cada carga grande o sensible.

Para limitar la caída de tensión de neutro a tierra, instale un conductor neutro separado de tamaño por lo menos igual a la fase en aplicaciones de circuitos de derivación (ramales) monofásica.

Para los circuitos de alimentación trifásica, no reduzca el tamaño del conductor neutro. Para circuitos trifásicos en los que se prevén cargas no lineales significativas, se recomienda instalar conductores neutros con al menos el doble de capacidad de los conductores de fase.

2. Disminución de la corriente del circuito

Limitar la cantidad de equipos que se conectan a un solo circuito disminuirá la corriente de carga en este, por lo tanto limite el número de equipos en cada circuito de derivación.

Instale circuitos de derivación individuales a cargas o cargas electrónicas sensibles con una corriente de arranque alta.

Para aplicaciones residenciales, instale receptaculos (Tomacorrientes) en el exterior, al frente y detrás de la casa, con circuitos individuales de mínimo 12 AWG hacia cada receptáculo o tomacorriente.

3. Disminuir la longitud del conductor.

La reducción de la longitud del conductor reduce la resistencia de este, lo que reduce la caída de tensión. Las longitudes de los circuitos suelen ser fijas, pero se puede ejercer algún control en la etapa de diseño si los paneles o subpaneles (tableros) están situados lo más cerca posible de las cargas, especialmente para equipos electrónicos sensibles.

4. Ajuste de la temperatura del conductor

La temperatura del conductor depende de cada uno de los tres factores anteriores, ya que los circuitos más cargados tienden a ser más calientes.

La temperatura del conductor es un factor importante en la resistencia del conductor, y por lo tanto en la caída de tensión. El coeficiente de temperatura de resistencia eléctrica para el cobre , α, es 0,00323 / ° C , o un cambio de resistencia de aproximadamente 0,3% para cada ° C de cambio de temperatura.

El efecto de la temperatura puede determinarse mediante la siguiente ecuación: R2 = R 1 [1 + α · (T 2 – T 1 )]

Donde R1 es la resistencia (Ω) a la temperatura T1 y R2 es la resistencia a la temperatura T 2 .

Temperatura T1 a menudo se hace referencia a 75 ° C . Como se ha indicado, la caída de tensión es una preocupación particular en cargas altas, donde las temperaturas del conductor también serán altas.

Recomendaciones a tener presente cuando se calcula caída de tensión:

CIRCUITOS DE ILUMINACIÓN, INCANDESCENTES Y CUARZO HALÓGENO (QH): ¡No hagas trampas en estos! Una caída de voltaje del 5% provoca una pérdida aproximada del 10% en la salida de luz.

Esto se debe a que la bombilla no solo recibe menos energía, sino que el filamento más frío cae de color blanco a rojo, emitiendo mucha menos luz visible.

CIRCUITOS DE ILUMINACIÓN, FLUORESCENTES: La caída de voltaje causa una caída casi proporcional en la salida de luz.

Los fluorescentes usan 1/2 a 1/3 de la corriente de las bombillas incandescentes o QH para la misma salida de luz, por lo que pueden usar cables más pequeños.

Abogamos por el uso de luces fluorescentes de calidad. El zumbido, el parpadeo y la mala reproducción del color se eliminan en la mayoría de los fluorescentes compactos de la actualidad, los balastos electrónicos y los tubos de espectro completo o cálido.

MOTORES DC: se puede utilizar en sistemas de energía renovable, especialmente para bombas de agua. Funcionan con eficiencias 10-50% más altas que los motores de CA, y eliminan los costos y las pérdidas asociadas con los inversores.

Los motores de CC no tienen demandas excesivas de sobrecarga de energía al arrancar, a diferencia de los motores de inducción de CA. La caída de voltaje durante el aumento de arranque simplemente da como resultado un «arranque suave».

MOTORES DE INDUCCIÓN DE AC: se encuentran comúnmente en herramientas eléctricas grandes, aparatos y bombas de pozos. Presentan altas demandas de sobretensiones al arrancar.

La caída significativa de voltaje en estos circuitos puede causar que en el arranque no encienda el motor y se dañe. Siga el Código Eléctrico Nacional. En el caso de una bomba de pozo, siga las instrucciones del fabricante.

Los circuitos de la BOMBA DE AGUA SOLAR PV-DIRECTA. Deben dimensionarse no para la tensión nominal (es decir, 24 V) sino para la tensión de trabajo real (en ese caso, aproximadamente 34 V).

Sin una batería para mantener el voltaje bajo, el voltaje de trabajo estará alrededor del voltaje del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico.

LOS CIRCUITOS DE CARGA DE LA BATERÍA FV. Son críticos porque la caída de voltaje puede causar una pérdida desproporcionada de la corriente de carga.

Para cargar una batería, un dispositivo generador debe aplicar un voltaje más alto que el que ya existe dentro de la batería. Es por eso que la mayoría de los módulos FV están hechos para un punto de potencia pico de 16-18V.

Una caída de voltaje superior al 5% reducirá esta diferencia de voltaje necesaria y puede reducir la corriente de carga a la batería en un porcentaje mucho mayor. Nuestra recomendación general aquí es dimensionar para una caída de voltaje de 2-3%. Si cree que la matriz FV puede expandirse en el futuro, dimensione el cable para la expansión futura. Su cliente lo apreciará cuando llegue el momento de agregarlo a la matriz.

CIRCUITOS DE GENERADORES DE VIENTO: En la mayoría de las ubicaciones, un generador de viento produce su corriente nominal completa solo durante tormentas de viento o ráfagas ocasionales.

Si el tamaño del cable para pérdidas bajas es grande y muy costoso, puede considerar el dimensionamiento para una caída de voltaje de hasta el 10% a la corriente nominal. Esa pérdida solo ocurrirá ocasionalmente, cuando la energía es más abundante. Consulte el manual de instrucciones del sistema eólico.

Más técnicas para la reducción de costes.

LOS CONDUCTORES DE ALUMINIO, pueden ser más económicos que el cobre para algunas líneas principales. Las compañías eléctricas lo utilizan porque es más barato que el cobre y más liviano, aunque se debe usar un tamaño más grande.

Es seguro cuando se instala en el código con terminales con clasificación AL. Es posible que desee considerarlo para recorridos largos y costosos de # 2 o más. La diferencia de costo fluctúa con el mercado de metales. Es rígido y difícil de doblar, y no está clasificado para bombas sumergibles.

MÓDULOS FV DE ALTO VOLTAJE: Considere el uso de módulos de alto voltaje (18+ voltios de punto de máxima potencia, como nuestro BP-585 y BP-590) para compensar la caída excesiva de voltaje. En algunos casos de larga distancia, el costo mayor del módulo puede ser menor que el costo de un cable más grande.

SEGUIMIENTO SOLAR: use un seguidor solar (de Zomeworks) para poder usar un conjunto más pequeño, especialmente en situaciones de alto uso de verano (el seguimiento gana la mayor cantidad de energía en verano cuando el sol lleva el arco más largo a través del cielo). El conjunto fotovoltaico más pequeño requerirá un cable más pequeño.

BOMBAS DE AGUA: Considere un sistema de bajo poder de bombeo lento con un tanque de almacenamiento para acumular agua. Esto reduce el tamaño de los cables y las tuberías cuando se trata de levantamientos largos o corridas. Un sistema de bombeo directo de un panel fotovoltaico puede eliminar un largo recorrido del cable utilizando un grupo fotovoltaico separado ubicado cerca de la bomba. La [page pumps.html] SunRise Submersible, Solar Slowpump, Flowlight Booster Pump y Solar Force Piston Pump [/ page] son ​​bombas de CC altamente eficientes que están disponibles hasta 48V. También hacemos versiones de CA y convertidores para permitir el uso de CA transmitida a grandes distancias. Estas bombas consumen menos corriente de funcionamiento y mucho menos corriente de arranque que las bombas de CA convencionales, lo que reduce en gran medida los requisitos de tamaño del cable.

Ejemplos:

Las interacciones entre tamaños de conductores, corrientes de carga y longitudes de conductores a diferentes tensiones de alimentación se muestran en la Tabla 1.

Las combinaciones de varias corrientes de carga de entre 8 a 30 amperios  y voltajes de alimentación de entre 120 a 480 voltios , se muestran en las dos columnas izquierdas de la tabla.

Las cuatro columnas siguientes muestran las longitudes máximas de circuito  para cuatro tamaños de conductores diferentes que alcanzan una caída de tensión del 3%. Las últimas cuatro columnas son longitudes máximas para una caída de voltaje permitida de 1.5% .

Por ejemplo, una carga de 12 amperios en un circuito de 120 voltios en un conductor de 14 AWG excederá una caída de voltaje del 3% (3.6 voltios) si el circuito es más largo que 15 metros de la fuente a la carga.

Si el conductor se sube a 12 AWG la distancia permitida aumenta significativamente a 24 metros (un aumento del 59%). Si la carga se aumenta hasta un máximo permisible de 15 amperios para el conductor 14 AWG, la longitud permisible es solamente 12 metros, y moviéndose a un conductor 12 AWG aumentaría esto a 19 metros (también un aumento en longitud de 59%).

Los valores de datos del 1,5% se dan para situaciones en las que es necesario cumplir con NEC 647.4 (D).

Verifique los requisitos reales del equipo siempre que sea posible. La cuota de caída de voltaje mucho más estrecha del 1,5% en el lado derecho de la Tabla 1 disminuye las longitudes permitidas a solo la 1/2 de sus valores a una caída de tensión del 3% . Un conductor mayor es a menudo obligatorio para la protección de los equipos electrónicos sensibles. La caída de tensión puede minimizarse si el panel o subpanel (Tablero) se ubica lo más cerca posible del punto de uso.

Otra medida es instalar suficientes circuitos para evitar altos niveles de corriente en cualquier circuito . Cuando las cargas se pueden dividir en circuitos separados, esta se reduce por circuito y mejora la calidad y la fiabilidad.

La lectura de la Tabla 1 lleva inevitablemente a la conclusión de que la caída de voltaje es ignorada con demasiada frecuencia .

Por ejemplo, las longitudes de muchos circuitos de derivación en el cable de 14 AWG exceden incluso la caída de voltaje del 3% a mas 12 metros, sin mencionar la caída más estrecha del 1,5% de 7 metros. Cuando esto sucede, la integridad del cableado y de muchas cargas se pone en peligro.

Tabla 1 – Longitudes máximas recomendadas de los circuitos de derivación monofásicos, en función de la corriente de carga, de la tensión de alimentación y del tamaño del conductor, para caídas de tensión de 3% y 1,5%.

Tabla 1. 

Notas sobre la tabla anterior //

Los valores de corriente alterna difieren sólo ligeramente. Los armónicos o las cargas inductivas pueden acentuar la caída de voltaje y disminuir las longitudes de circuito recomendadas.
Los cálculos se basan en los valores de resistencia que se encuentran en el Capítulo 9, Tabla 8 de NEC para conductores de cobre sólidos no revestidos . Para 14 AWG, la resistencia es 3.07 Ω / 1.000 pies, para 12 AWG es 1.93 Ω / 1.000 pies, para 10 AWG es 1.21 Ω / 1.000 pies, y para 8 AWG (trenzado) es 0.778 Ω / 1.000 pies. Las temperaturas del conductor superiores a 75 ° C (167 ° F) aumentarán estas resistencias, y viceversa.