Control de Instalaciones Eléctricas

Control de Instalaciones Eléctricas

Capítulo I

Definiciones Básicas

I.1- Electricidad (Q)

La energía de los cuerpos se manifiesta de diferentes maneras, movimiento, posición, atracción entre ellos, calor, luz, electricidad, magnetismo, irradiación, etc. De la electricidad solo se puede decir que es una forma de manifestación de la energía. La forma más evidente de manifestación de la corriente eléctrica en la naturaleza son los rayos y descargas que se producen en la atmósfera, entre nubes y de nubes a la tierra. No existe una definición suficientemente precisa que permita decir exactamente qué es, pero si se puede detectar, analizar y utilizar sus diferentes manifestaciones para nuestro beneficio. El elemento básico que se utiliza para describirla, es la "carga eléctrica" la cual se mide en unidades denominadas Coulombios.

I.2- Voltaje (V)

Cuando dos Voltajes (V) tienen diferentes cantidad de carga eléctrica, esta se manifiesta mediante un efecto denominado "diferencia de potencia" que expresa la diferencia de energía existente en cada uno de ellos. A esta diferencia se le conoce por "diferencia de voltaje", o simplemente "voltaje", así como también se utiliza el término "tensión". La unidad de medida utilizada para medir este parámetro es el "voltio".

I.3- Corriente (I)

Una vez que existe un voltaje entre dos cuerpos, el efecto principal que se produce, es una tendencia natural a nivelar la cantidad de energía existente en cada uno de ellos, produciendo un flujo de energía de uno a otro. A este flujo de energía se le da el nombre de "corriente eléctrica" o simplemente "corriente". Se mide mediante una unidad denominada "amperio", que representa la cantidad de carga eléctrica medida en coulombios que circula durante un segundo a través de un cuerpo.

I = V x (k)

I.4- Potencia (P)

La cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro durante una unidad de tiempo determinada, recibe el nombre de "potencia eléctrica". La unidad de medida normalmente utilizada es el "vatio (w)", y es quizá el elemento fundamental del requerimiento de la electricidad.

P = k x V x I

I.5- Resistencia (R)

La corriente que puede pasar de un cuerpo a otro depende del medio que exista entre ellos. Cada material presenta una capacidad para permitir el paso de la corriente eléctrica, dependiendo de su constitución atómica y molecular. A esta capacidad se le denomina "conductividad eléctrica". Sin embargo se utiliza comúnmente el inverso de este parámetro, y a este se le denomina "resistencia eléctrica" y se le puede describir como la oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Este parámetro permite relacionar proporcionalmente la corriente eléctrica con el voltaje, mediante la denominada Ley de Ohm. (V = I x R). La unidad de medida de la resistencia eléctrica se denomina "ohmio". 

Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un material que presenta una determinada resistencia eléctrica, se produce un efecto de transformación de la energía eléctrica en energía calórica. Este efecto denominado "Efecto Joule" relaciona directamente la energía eléctrica con la calórica y representa una de las limitaciones de mayor importancia que influyen en el diseño, construcción y utilización de las instalaciones eléctricas. La expresión matemática que describe este efecto es la denominada Ley de Joule, la cual indica que la energía que se transforma en calor es directamente proporcional al cuadrado de la corriente que circula por el elemento. El factor de proporcionalidad es el valor de la resistencia del elemento. (P = k x I^2 x R).

El paso de la corriente eléctrica a través de un material produce además una transformación de ella en otro tipo de energía denominada magnética, la cual también existe en la naturaleza en los imanes. Esta característica se denomina inductancia.

Así mismo, la energía se acumula en parte en los materiales cuando entre ellos existe una diferencia de voltaje. La capacidad de ellos para acumular cierta cantidad de energía determina otro parámetro que influye en los sistemas eléctricos es precisamente éste, al cual se le da el nombre de capacitancia.

Todos los materiales presentan estas tres propiedades y dependiendo de cual de ellas es predominante, se les clasifica y se define su utilización. La combinación de estos tres elementos define un parámetro combinado el cual se le denomina "impedancia", el cual adquiere verdadera importancia cuando se utiliza la corriente denominada alterna.

Los elementos que transforman la energía eléctrica en calor, como bombillos incandescentes, planchas, hornos y cocinas eléctricas, secadoras, etc. presentan una alta característica resistiva, mientras que las luminarias de descarga, fluorescentes, los motores, transformadores, etc., presentan mayor valor inductivo y las baterías y condensadores presentan mayores valores capacitivos.

I.6- Conductores y Aislantes

Dependiendo de la capacidad de conducción de la electricidad que presentan los materiales, la cual depende de su resistencia eléctrica, se les clasifica en buenos o malos conductores y esta característica determina su uso. Los de muy baja resistencia, entre los cuales se encuentran los metales y las soluciones salinas, se les denomina "conductores" y se utilizan para conectar elementos de los circuitos eléctricos. Los de muy alta resistencia, entre los cuales se encuentran las cerámicas, aceites, papel, plástico, etc., se denominan "aislantes" y se utilizan para separar eléctricamente los elementos entre los cuales no se desea que circule una corriente eléctrica.

Existen otros materiales que varían sus características de conducción eléctrica en función del voltaje aplicado, que son los denominados "semiconductores", los cuales son elaborados en a materiales como el silicio y que constituyen el elemento principal de la electrónica actual. Los gases presentan características variables eneste sentido, y dependen del voltaje aplicado, así como de las condiciones de presión y temperatura a que se encuentren sometidos. Las soluciones salinas, son altamente conductoras mientras que el agua pura, sin contaminación es aislante.

I.7- Circuito Eléctrico

Para la utilización controlada de la electricidad se usan los denominados "circuitos eléctricos". Un circuito eléctrico es una combinación de elementos conectados de tal manera que al aplicarse una diferencia de voltaje, se produce una corriente que circula a través de ellos. Un circuito eléctrico siempre tiene los siguientes elementos:

1. Una fuente de energía eléctrica
2. Un material a través del cual circula una corriente eléctrica y se transforma en otro tipo de energía. Este elemento generalmente recibe el nombre de "carga".
3. Elementos de unión entre ellos   

Existen dos formas básicas de conectar dos o más cargas en un circuito, lo cual genera dos tipos de circuitos:

• Circuitos con Cargas en Serie

• Circuitos con Cargas en Paralelo  

     I.7.1- Circuito con Cargas en Serie

En estos circuitos, la corriente que circula por cada carga es la misma, mientras que el voltaje aplicado en cada carga es proporcional a la resistencia. La resistencia total del circuito es igual a la suma de todas las resistencias.

I = constante

V = V1 + V2 + V3

R = R1 + R2 + R3

     I.7.2- Circuito con Cargas en Paralelo

En estos circuitos el voltaje aplicado a todas cargas es el mismo, mientras que la corriente total es la suma de las corrientes en cada una de las cargas.

V = constante

I = I1 + I2 + I3

R = R1xR2xR3/((R1R3 + R2R3 + R1R2)

I.8- Sistemas Eléctricos utilizados

Los sistemas eléctricos se basan en la generación de energía eléctrica por diferentes medios, mecánicos, químicos, fotovoltáicos, etc.. Existen dos grandes sistemas de utilización de la energía eléctrica los cuales dependen de la variación del valor del voltaje y la corriente en el tiempo. Estos sistemas son los siguientes:

• Sistemas de Corriente Continua
• Sistemas de Corriente Alterna

    I.8.1- Sistemas de Corriente Continua

Son aquellos sistemas en que el valor del voltaje suministrado por la fuente y el de la corriente que circula por el circuito, se mantienen constantes en el tiempo. Los sistemas alimentados por baterías son sistemas de corriente continua.

     I.8.2- Sistemas de Corriente Alterna

Son aquellos sistemas en los cuales el voltaje suministrado por la fuente, cambia de valor, de positivo a negativo, durante un período de tiempo determinado (Fig. 3). La cantidad de veces que el valor del voltaje cambia de valor en un período de un segundo, se le denomina "frecuencia", y se mide en unidades denominadas "ciclos por segundo" o "Hertz". El sistema utilizado en Venezuela funciona a una frecuencia de 60 ciclos por segundo.

Dentro de los sistemas de Corriente Alterna, se encuentran los de uso general para su utilización en hogares, oficinas, comercios e industrias.

Estos sistemas son de dos tipos, los denominados sistemas monofásicos (Fig. 3) y los sistemas trifásicos (Fig. 4), los cuales equivalen a tres sistemas monofásicos superpuestos de forma que el valor del voltaje en cada uno de ellos, esté desfasado en un tercio del período, respecto a los otros dos. Estos sistemas permiten una mayor transmisión de energía desde la fuente hasta la carga del sistema, con menos cantidad de pérdidas.

Los sistemas monofásicos superpuestos que componen un sistema trifásico, se conectan de modo que tengan un conductor común, el cual se denomina el neutro del sistema y donde las tres corrientes se suman, y como los valores de cada uno de ellas son diferentes en el tiempo, tomando valores positivos y negativos alternativamente, la corriente en el neutro siempre es menor que en cada uno de los sistemas superpuestos.

También existen sistemas polifásicos de uso especialmente industrial y para equipos específicos. Sin embargo, no son de utilización normal en los sistemas que interesan en este curso. 

 I.8.3- Sistemas Balanceados

Los sistemas trifásicos en los cuales la carga suministrada por cada uno de las tres fases, es del mismo valor, la corriente que circula por el neutro es cero. A este tipo de sistemas se les denomina "sistemas balanceados". Los motores trifásicos son en si mismos cargas balanceadas. Los sistemas de distribución que suministran cargas monofásicas, se diseñan de manera que estén distribuidas por igual entre las tres fases, de modo que el sistema se comporte lo más cercano posible a un sistema balanceado. Esto permite reducir el calibre del conductor neutro del sistema y hasta suprimirlo en caso de estar seguro de que la corriente en el sistema será nula, como en los casos de los alimentadores de motores trifásicos.

I.9- Aterramiento

El planeta tierra está constituido por una serie de materiales y especialmente agua, constituyendo un material de gran capacidad de conducción eléctrica. La masa de tierra, es inmensamente grande en comparación con la masa de los elementos que se encuentran en la superficie. Así mismo, la cantidad de energía eléctrica que contiene es también de gran magnitud y se encuentra constante. Esto hace que se constituya en referencia permanente para establecer los valores de "diferencia de voltaje" en los sistema eléctricos.

Los sistemas eléctricos se conectan a tierra por diferentes motivos, entre los cuales principalmente pueden considerarse los siguientes:

1. Establecer un nivel cero de referencia estable, sin variaciones, que permite el funcionamiento de los sistemas de precisión, especialmente los que se basan en electrónica y computación.
2. Protección de los usuarios de los sistemas eléctricos, y de los equipos que forman parte de ellos.
3. Ahorro de material, al utilizarse en sustitución de un elemento conductor.

A fin de lograr que la tierra constituya un elemento efectivo en los sistemas eléctricos para cualquiera de las funciones para la que se le utiliza, la conexión a esta debe realizarse de una manera adecuad.

Esto depende tanto de las características del terreno donde se está realizando la conexión como de la forma en que esta conexión se realiza. Para esto se utilizan materiales de diferentes tipo los cuales se introducen en el terreno de forma que se establezca una conexión efectiva. Estos elementos se denominan electrodos y existen de diferentes tipos. Entre los más comunes están las barras de una aleación de cobre resistente a la corrosión y de alta conductividad, denominadas barras "copperweld". También existen electrodos tipo plato, y otros especiales. Cuando el terreno no presenta una buena conductividad para la corriente eléctrica, lo cual depende del tipo de material de que esté constituido y especialmente de la humedad presente, se usan materiales conductores agregados alrededor de los electrodos y se humedece el terreno a fin de mejorar su conductividad y lograr una mejor conexión.

Como elementos de conexión a tierra, también se utilizan las estructuras metálicas de las edificaciones y las tuberías metálicas de conducción de agua. Sin embargo, estas conexiones no son confiables ya que pueden interrumpirse por diferentes razones.

I.10- Sistemas Permanentes

Algunos sistemas alimentados por electricidad requieren un funcionamiento permanente e ininterrumpido. Entre estos sistemas se encuentran los sistemas de computación, los quirófanos y salas de mantenimiento de la vida en hospitales, industrias con procesos de fundición de metales, que no deben interrumpirse por peligro de daño a los equipos y a los mismos procesos, etc..

Para evitar que se produzca interrupción del servicio en estos sistemas, se les dota de fuentes de energía alternas, las cuales pueden ser de varios tipos, dependiendo del sistema. Entre estos sistemas se encuentran los generadores eléctricos de emergencia, para suplir cargas de cierta magnitud. Y durante períodos de tiempo relativamente prolongados, y los sistemas basados en elementos acumuladores de energía. Estos se han desarrollado en los últimos tiempo debido a la necesidad de los equipos sofisticados de computación, ya que permiten un cambio casi instantáneo de la fuente principal a la fuente alterna, sin que el equipo conectado detecte variaciones en e voltaje de suministro, que afecten los programas que se estén desarrollando. Así mismo, estos sistemas de suministro alterno, poseen elementos de protección que estabilizan y mantienen el valor del voltaje dentro de límites aceptables de funcionamiento.

A los sistemas de este último tipo se les conoce por las iniciales de su nombre en Inglés Uninterruptible Power System (UPS). Sin embargo, aún presentan el problema de la duración del suministro, el cual sigue siendo corto y sólo permite el funcionamiento de los equipos durante poco tiempo.  

I.11- Pérdida en los Sistemas