Sandia National Laboratories

1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD y DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES UNAM Sandia National Laboratories EXPOSITOR Eduardo Sánchez Macedo Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco, Morelos Tel: (73) 25 00 52; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

2. Uso de la Energía Eléctrica Sandia National Laboratories UNAM

3. ¿QUIÉN ES EL RESPONSABLE DE LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS? ¿QUE ES LA CORRIENTE ELECTRICA? ¿CUÁNTOS TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA EXISTEN? ¿QUÉ ES LA CORRIENTE ALTERNA? ¿QUÉ ES LA CORRIENTE DIRECTA? ¿QUÉ ES EL VOLTAJE ELÉCTRICO? ¿QUÉ ES LA POTENCIA ELÉCTRICA? ¿QUÉ ES LA ENERGÍA ELÉCTRICA?

4. EL ÁTOMO Núcleo: protones y neutrones Electrones Los electrones son las partículas responsables de la electricidad y se les conoce como los portadores de la carga eléctrica. Por convención se le ha asignado carga negativa. Ellos pueden ser removidos de sus átomos y acumularse en regiones específicas o desplazarse a través de un medio sólido, líquido o gaseoso, siempre que exista una fuerza que los impulse

5. FORMAS COMÚNES DE ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD MECÁNICA (ALTERNADORES Ó DÍNAMOS) ELECTRICIDAD ESTÁTICA ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA ELECTRICIDAD QUÍMICA

6. ENERGÍAS CONVENCIONALES Y TECNOLOGÍAS PARA GENERAR ELECTRICIDAD HIDRÁULICA USUARIO FINAL TÉRMICA LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN NUCLEAR

7. TÉRMINOS COMÚNES EN ELECTRICIDAD Por su capacidad de conducir la electricidad los materiales de la naturaleza se clasifican en: conductores, aislantes y semiconductores. Los metales son los conductores que presentan el medio de menor resistencia al flujo de las cargas eléctricas. La corriente eléctrica es el flujo de electrones movidos por una fuerza externa. Se define como el número de electrones que en un segundo fluyen por la sección transversal de un conductor. Unidad de medición: Amper, simbolizado por: A Símbolo: I

8. El voltaje eléctrico es el trabajo que debe realizar una fuente externa sobre los electrones para que estos puedan fluir por el conductor y producir una corriente eléctrica. Unidad de medición: El volt Simbolizado por:v Símbolo: V En un conductor, la corriente eléctrica circula de las zonas de MAYOR voltaje a las zonas de MENOR voltaje.

9. I V De donde: V= Voltaje ( Volts ) I = Corriente ( Amper ) R = Resistencia (ohm) V = R I V = R I Ley de Ohm Ley de Ohm Voltímetro Menor valor de R R Mayor valor de R - + I Amperímetro V El comportamiento lineal indica que: a I V I = m V m = 1 / R Ley de Ohm

11. La potencia eléctrica que se genera o se consume en un instante dado se especifica por el voltaje Vque obliga a los electrones a producir una corriente I. La potencia eléctrica es el producto del voltaje con la corriente Unidad de medición: El Watt Se simboliza por: W Símbolo: P P = V x I 1 W= 1V x 1A

12. La Energía Eléctrica es la potencia generada o consumida en la unidad de tiempo; y se define como el producto de la potencia eléctrica consumida (generada) por el tiempo de consumo (generación) Símbolo: E Unidad de medición: El watt-hora ENERGÍA GENERADA O CONSUMIDA Donde: P es la potencia Watts, t es el tiempo que esta funcionando el aparato o equipo Horas E es la energía que se consume en Watts - Hrs. E = P x t El equipo para medir el consumo eléctrico se le llama Wattorímetro y es conectado en paralelo con los aparatos eléctricos.

13. C.D TIPOS DE ELECTRICIDAD Con respecto a la forma con que se genera la electricidad se pueden encontrar dos tipos de ella: la corriente directa o continua, C.D., y la corriente alterna, C. A. Corriente directa o continua CD: Este tipo de electricidad se produce cuando la intensidad de la corriente eléctrica es constante. Se puede generar por medio de reacciones electroquímicas (pilas o baterías), por fricción, por medio de celdas solares. Se puede obtener a través de la corriente alterna. I, V La electricidad en CD puede almacenarse en acumuladores tipo automotríz. t 0

14. Corriente alterna CA : Este tipo de electricidad se produce cuando la corriente cambia de polaridad, de positivo a negativo, y viceversa, con determinada frecuencia. En México, la frecuencia de oscilación es de 60 ciclos por segundos ( 60 Hertz) La intensidad de la corriente no es constante ya que en cada ciclo, hay dos instantes en que su valor es cero, por lo que teoricamente un foco u otro aparato eléctrico que es conectado a la C.A. se apaga 120 veces por cada segundo. I, V La C.A. se genera por medios mecánicos en aparatos llamados alternadores ó dínamos 0 t

15. V V H H Mediciones Eléctricas Mediciones Eléctricas UNAM Medición del Medición del Voltímetro en Paralelo Voltaje Voltaje Ohmetro en paralelo Medición de la Medición de la Resistencia Resistencia Circuito Abierto Circuito Abierto

16. A A Mediciones Eléctricas Mediciones Eléctricas UNAM Circuito Cerrado Circuito Cerrado Medición de la Medición de la corriente de corriente de consumo consumo Amperímetro en serie

17. UNAM Dimensionamiento y Capacidad de conducción de Corriente de los conductores

18. I Area L V I + - Amperímetro V = R I Ley de Ohm UNAM De donde: V= Voltaje (Volts) I = Corriente (Amper) m = Conductancia (mho) R = Resistencia (ohm) El comportamiento lineal nos dice que: I V I = m V m = 1 / R

19. Por lo tanto: A mayor longitud, la Resistencia R Aumenta A mayor área, la Resistencia R Disminuye L R  A L R =  A UNAM Por lo que: Donde:  es la Resistividad (. m) El valor para la resistencia del Cobre recocido es: 0.017241 ohm, por un metro de longitud y un milímetro cuadrado de sección transversal. Su resistividad es 1.7241 x 10-8 ohm - metro

20. Temperatura en los conductores UNAM La variación de la resistencia con respecto a la temperatura depende de la composición del material. Para metales la resistencia es casi proporcional a la temperatura arriba del cero absoluto. Como se puede apreciar en la gráfica del cobre recocido.

21. V x 1000 RL= I x L L I L V R =  = A I V1 V2 Perdidas de Energía en Lineas de transmisión UNAM El calibre de cable conductor en las líneas de transmisión se selecciona por su Resistencia por Kilometro de Longitud. Si RL es la resistencia por Kilometro, entonces por la ley de ohm se tiene que: Donde: V Es la caída de Voltaje cuando por el conductor circula unaCorriente I . L Es la Longitud total del conductor medida en metros, ida y vuelta Para un conductor de área A

22. IxLx RL I2xLx RL 1000 1000 Ep= xt V2x1000 Ep= xt Lx RL UNAM - La Potencia está dada por P = V x I - por lo que la potencia disipada en una línea de transmisión de longitud L esta dada por Pp= V x I La Energía que se pierde en una línea de transmisión, cuando ésta conduce una corriente I, esta dada por: Ep= Pp X t Ep= V x Ix t = x I xt ó Función Cuadrática en I Función Cuadrática en V

23. Recomendaciones UNAM • Limitar Caídas de Voltaje al 3% para sistemas con voltaje nominal menor de 48 V; y hasta el 5% para voltajes mayores o iguales de 48V. • Si se dispone de una tabla para RL, seleccionar el calibre inmediato mayor a la RL calculada. • Si se tiene varias cargas alimentadas por un mismo circuito, considerar la carga típica y calcular el calibre por secciones.

24. TABLA DE VALORES DE RESISTENCIA ELÉCTRICA POR KILÓMETRO DE LONGITUD PARA CABLES COMERCIALES RL= (V x 1000) / (I x L) V es la caida de voltaje en el conductor cuya longitud total es L y en él circula una corriente I. Referencia: Manual de Ingeniería Eléctrica 13a. Edición Donal G. Fink & H. Wayne Beaty Editorial: Mc Graw-Hill

25. Cálculo de Conductores UNAM • EL cálculo de conductores se realiza por la capacidad de conducción de Corriente, a ésta se le denomina AMPACIDAD, la cual se encuentra limitada por los Factores: • Conductividad del Metal Conductor • Capacidad Térmica del aislamiento Para cualquier cálculo de ampacidad, de acuerdo con las normas “UL y NEC” y la Norma eléctrica mexicana (NOM 99), se requiere que la Corriente de diseño sea: I = ISC x 1.25 x 1.25 donde: ISC es la Corriente a corto circuito del arreglo FV.

26. Nomenclaturade Conductores UNAM

27. Calibre de Conductores UNAM • No se debe exceder la ampacidad del cable a la temperatura de operación

28. Tipo de Conductores UNAM • Para Interconexión de los Módulos • Monoconductores resistentes a la luz solar con aislante de 90oC en lugares mojados (LM) • NEC-99 acepta los tipos USE-2 y UF resistente a la luz solar • NOM-99 permite los tipos TWD-UV (cable plano para sistemas fotovoltaicos), con aislante de 60oC en LM • Cables monoconductores o poli-conductores en tubos con aislante de 90oC en LM • La Norma acepta tipos RHW-2, THW-2, THWN-2 • No se permite usar cables mono-conductores sin ductos, excepto en el arreglo FV

29. Código de Colores UNAM • Sistemas de corriente alterna • Blanco para el neutro (puesto a tierra) • Negro o Gris para el conductor no puesto a tierra • Sistemas de corriente contínua • Blanco o Gris para el negativo (puesto a tierra) • Se puede usar otro color con marcas blancas en los extremos si el conductor es 6 AWG o menor. • Se permite usar cable negro para las interconexiones del arreglo • Negro o Rojo para el positivo

30. Ampacidad de Conductores UNAM • Para el conductor del arreglo, se toma como referencia la corriente de corto circuito multiplicada por 1.56 (Norma) • Para cualquier otro conductor, se toma como referencia la corriente máxima de operación multiplicada por 1.25

31. Ejemplo de dimensionamiento de cableado UNAM V=3%Vcarga V=3%Vcarga l1 + - l2 Control Carga Idiseño=1.56 Isc Arreglo FV Icircuito= 1.25 Icarga Datos: Isc=15 A Vc=15 V l1=l2=10 m Elección del calibre del cable: RL=Vx1000/IxL Usar Tabla No.1 Verificación de ampacidad. Idiseño=1.56 Isc Usar Tabla No. 2