Bosquejo general de potencia eléctrica

Seguridad y peligros

Los riesgos representados por la electricidad son de diversos tipos. Entre ellos merecen citarse:
a) La descarga a través de ser humano.
b) La producción de un incendio o explosión

A) Descarga a través de ser humano: 

Si el individuo no aislado toca uno de los polos de un conductor la electricidad de descargará a tierra a través de su cuerpo. En cambio, si el contacto de realiza simultáneamente con los dos polos del conductor, el cuerpo del individuo servirá para cerrar el circuito.
La magnitud del daño producido por una descarga eléctrica depende de la intensidad de la corriente ( amperaje), de la duración de la misma y de la trayectoria recorrida en le cuerpo del sujeto.
Dado que en el momento de la descarga eléctrica el individuo pasa a formar parte del circuito hay que tener en cuenta otros factores tales como su mayor o menor conductividad, por ejemplo, el estado de humedad de la piel influye, ya que si ésta está mojada disminuye su resistencia al pasaje de la corriente, es decir que el sujeto se vuelve mejor conductor.
El peligro de muerte es mayor cuando la corriente eléctrica atraviesa órganos vitales en su paso por el individuo: corazón (fibrilación), pulmones, sistema nervioso (paro respiratorio).


B) Producción de un incendio o explosión: 

Se ha visto que uno de los fenómenos que acompaña el pasaje de corriente a través de un conductor es la producción de calor (efecto Joule), que es mayor cuanto más grande sea la resistencia del conductor. 

Si este fenómeno se produce en instalaciones eléctricas de gran resistencia y tamaño se lleva al aumento de la temperatura en un área, lo que es particularmente peligroso si estén el la misma materiales fácilmente inflamables.
Otro peligro es la producción de chispas entre dos conductores.

MEDIDAS DE SEGURIDAD EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS:

•  Al realizar una instalación eléctrica deben tenerse en cuenta los dos peligros principales enunciados: descarga eléctrica e incendio o explosión

•  Los equipos e instalaciones eléctricas deben construirse e instalarse evitando los contactos con fuentes de tensión y previendo la producción de incendio. Al seleccionar los materiales que se emplearán hay que tener en cuenta las tensiones a que estarán sometidos. 

• El control de estas operaciones, así como la puesta en funcionamiento de estos equipos, debe estar a cargo de personal con experiencia y conocimientos. Especialmente cuando se trate de instalaciones de alta tensión eléctrica es necesario impedir que accidentalmente alguna persona o material tome contacto con los mismos

• Al instalar los equipos eléctricos debe dejarse lugar suficiente alrededor de los mismos como para permitir no sólo el trabajo adecuado sino también el acceso a todas las partes del equipo para su reparación, regulación o limpieza. 

•  Los lugares donde existan equipos de alta tensión no deben usarse como pasaje habitual del personal.

• Cuando los fusibles funcionen con alto voltaje es conveniente que estén colocados dentro de un receptáculo o sobre un tablero de distribución y sean desconectables mediante un conmutador.

Calibre de un conductor

Para poder calcular el diámetro de un cable dado ciertos parámetros de instalación se utiliza la siguiente ecuación:

Fórmula para circuitos trifásicos

Fórmula para circuitos monofásicos

Donde:

A= Diámetro en mm

L= Distancia más larga del circuito

I= Intensidad de la carga

Ef=Voltaje de fase

En=Voltaje nominal de la carga

e%= Caída de tensión máxima 3%

La potencia eléctrica es un tema de alto cuidado dado que de este tema se va la vida.
Uno de los temas más desconocidos es el tema de calibres del cable a utilizar en un circuito eléctrico, este tema es de suma importancia porque si no se elige un calibre de cable correcto ¡la instalación representa un alto potencial de peligro! esto es por que el cable si es menor el calibre que se esta usando al que debería ser este se calentara y abra una gran perdida de energía en el cable y hasta podría ¡quemarse! y en caso de que el cable sea mayor calibre al que debe ser representaría un costo muy alto para la instalación.

Los calibres son dados por la AWG (American Wire Gauge) que es una referencia de clasificación de diámetros, entre más grande sea el numero menor sera el diámetro del cable conductor, y entre más pequeño sea el numero más grande sera el cable; esta clasificación solo tiene hasta el calibre seis ceros ( 000000 ), que equivale a un diámetro de 14.73mm, existen cables de mayor diámetro pero estos son clasificados bajo otra tipo de medida que son los MCM o kcmils que son clasificación es para calibres muy grandes.


a continuación las tablas de calibres AWG y MCM con sus equivalentes de diametro en mm para elegir el cable correcto para una instalación:

Tabla de calibres AWG

Tabla de valores MCM

Potencia en corriente directa

La potencia es el consumo de cierta cantidad de energía, por unidad de tiempo esto es, la cantidad de  demanda de energía de una carga y se calcula

 con la siguiente formula:

Donde:

P= potencia

R= resistencia

V= Voltaje

I= Intensidad

             

     

Corriente Directa

La corriente directa es aquella que a diferencia de la corriente alterna el flujo de los electrones es en un solo sentido y no cambia con el tiempo; y lo hace del polo negativo, al polo positivo.

La CD es análoga a un circuito hidráulico

Cuando se quiera representar el voltaje en una gráfica se representara en una linea recta dado que es "continua" o "directa"

Bajo factor de potencia

El bajo factor de potencia es causado cuando el consumo de energía reactiva aumenta en la carga, descompensando así el triángulo de potencia aumentando el coeficiente "fi" que es la relación entre la potencia activa y la potencia reactiva; es el atraso de la onda de 60Hz de la intensidad con respecto al voltaje; este bajo factor de potencia se puede corregir con simplemente agregar un banco de capacitores en paralelo al la carga, esto  permite la corrección del la relación del coseno de "fi" o factor de potencia.
El problema del bajo factor de potencia esta relacionado con el costo que esto genera ya que, la demanda de energía con un bajo factor de potencia es muy elevada, y así esto producirá un costo muy elevado para la empresa.
El factor ideal de potencia es 1 pero la tolerancia para evitar altos costos es hasta 0.9
Para calcular la potencia de un banco de capacitores se utiliza la siguiente formula:

Donde:

Qc= potencia del capacitor

P= potencia de la carga

 K= constante de corrección

La constante se puede tomar de la siguiente tabla:

Una vez sabiendo la potencia reactiva que se necesita del capacitor se debe calcular la capacidad en faradios del capacitor con la siguiente formula:

Fórmula para calcular el valor en faradios de una capasitor

Donde:

Qc= capacidad del capacitor en VA

n= frecuencia en Hz

Vrms= voltaje de alimentación

Formulas para calcular perdidas y factor de potencia

• Para calcular el consumo o intensidad de una carga o un motor se usan las siguientes formulas:

Formula para sistemas monofásicos 

Formula para sistemas trifásicos 

  

Donde:

I= consumo o intensidad en Amperes

P= Potencia de la carga dado en W

Vff= Voltaje entre fases

FP= factor de potencia actual 

• Para calcular la potencia aparente de una carga se utilizan las siguientes fórmulas:

Formula para sistemas monofásicos

                             

Formula para calcular en sistemas trifásicos

Donde:

S= potencia aparente

Vff= Voltaje entre fases dado en volts

I= consumo o intensidad dado en amperes 

P= potencia

V= voltaje entre fases dado en volts 

• Para calcular la perdida de potencia en el cable o potencia disipada las fórmulas son:

Fórmula para sistemas monofásicos 

       

Fórmula para sistemas trifásicos  

Donde:

Pdis= Potencia disipada 

R= resistencia dado en ohms

I2= Consumo o intensidad de la carga dado en amperes

• Para calcular el ahorro que se lograra con el factor de potencia disipado solo hay que seguir los siguientes pasos:

1. Calcular el consumo con el nuevo factor de potencia, también calcular el consumo con el anterior factor de potencia, con la formula dada antes de intensidad.
2. Restar el consumo actual al consumo anterior.
3. El resultado multiplicarlo por el costo Kw/h ( el costo en la ciudad de puebla para el mes de mayo del 2012 es de $2.175 por Kw/h de 0-50Kw/h a partir de los 50Kw/h costara $2.630)
4. El resultado multiplicarlo por el tiempo deseado para calcular el ahorro.

Triangulo de potencias

El triangulo de potencia permite visualizar gráficamente el factor de potencia o coseno "fi", en el cual se muestra la estrecha relación entre las tres tipos de potencia, en espesifico la relacion que hay entre la potencia de real de trabajo y la potencia consumida por la carga, que matematiocamente se expresa así:

         

          

• Potencia aparente o total (S) .- Esta es solo una magnitud de calculo por que no tiene en cuenta el desfase entre la tensión y la intensidad de corriente. se calcula así:

           

• Potencia reactiva o inductiva (Q).- Es aquella que se genera por las bobinas y capasitores en un circuito de carriente alterna, esto representa una carga para los transformadores y con se ello se origina una perdida real de potencia. la unidad de medida de esta potencia es el VAR(volt, ampere, reactivo)    

            

• Potencia activa o resistiva (P) .-  Es aquella generada en una carga resistiva en un circuito de corriente alterna. la unidad de medida es el Watt.

El triangulo de potencias es este:

                     

Principales cálculos para CA

Para la corriente alterna existe una serie de cálculos de valores muy importantes para el analisis del voltaje, la intensidad, la potencia y los cuales son los siguientes:

• Se puede representar matemáticamente la onda que caracteriza la corriente alterna mediante la siguiente ecuación:

Donde:
Ao = es el valor máximo o de pico
f= frecuencia
t= tiempo
B= es igual al angulo de face inicial dado en radianes

• Valor instantáneo: es el valor que toma el voltaje en un instante de tiempo determinado:

• Valor pico a pico: es el valor que existe entre los picos positivo y negativo:

        Vpp= Vmax * 2

• Valor medio: es el valor promedio de un semiciclo de la onda sinusoidal y se calcula con la siguiente ecuación:

        Ao = es el valor máximo o de pico

        Amed= Valor medio

• Valor pico o cresta: Este valor es el valor máximo que alcanza la onda, es dado por el eje de las ordenas en el plano.

• Valor eficaz o RMS: Este es el valor equivalente al trabajo que realizaría la corriente continua, es el más utilizado para hacer cálculos energéticos:

         Donde:

         A= voltaje eficaz 

         Ao= voltaje pico 

         

Corriente Alterna

Corriente Alterna

La corriente eléctrica es el movimiento de electrones libres a lo largo de un conductor que está conectado a un circuito en el cual existe una diferencia de potencial o de voltaje.


Ahora bien este movimiento de electrones se puede graficar con respecto al tiempo, la corriente directa seria como una recta; la corriente alterna tiene la propiedad de ir cambiando de polaridad constantemente a esto se le llama alternar, y dicho esto al igual que la corriente directa se puede graficar con respecto al tiempo, el resultado más común es el de una onda senoidal pero las hay de distintas formas:

A) Onda cuadrada

B) Onda triangular

C)Onda de forma sierra

D)Onda senoidal 

Esta forma de alternar en el tiempo se le conoce como corriente alterna, y la forma de circulación de la corriente es del polo negativo al positivo o de el de menor potencial al de mayor.

La corriente alterna puede estar agrupada por distintas fases que en conjunto producen un trabajo, a este tipo de corriente se le llama corriente monofásica, bifásica, trifásica, polifásica. 

• Monofásica: Este tipo de corriente solo contiene una fase u onda.

• Bifásica: Este tipo de corriente utiliza 2 fases  es la excepción por que los grados del desfasamiento son 90° .

• Trifásica: Este tipo de corriente utiliza tres fases desfasadas entre si 120°.

• Polifásicas: Se le llama así a a los tipos de corriente que utiliza más de tres fases, la condición es que debe estar desfasados según el numero de fases:                                                                                                                                                                                                       numero de fases= 360°/n                                                                                                                          Donde n=es el numero de fases.                              

¿Qué es potencia eléctrica?

La potencia eléctrica como una magnitud es la relación que existe en el paso de la energía por unidad de tiempo, esto es la cantidad de energía que consume una carga en determinado tiempo  y la unidad de medida es el watt.

También se  denomina potencia eléctrica a la disciplina que consigue manipular, adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de: proporcionar una fuente de alimentación a otros equipos, transportar la energía eléctrica, controlar el funcionamiento de maquinas, etc; esto se logra principalmente por el uso de componentes como lo son: componentes semiconductores, como son bobinas y condensadores.

Las aplicaciones de esta ciencia son el control y transformación de energía eléctrica, suministro de energía eléctrica, interconexión de sistemas eléctricos.