Sandia National Laboratories UNAM CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD y DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES EXPOSITOR Eduardo Sánchez Macedo Aarón Sánchez Juárez.

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2 Sandia National Laboratories UNAM CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD y DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES 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

3 Uso de la Energía Eléctrica UNAM Sandia National Laboratories

4 ¿QUE ES LA CORRIENTE ELECTRICA? ¿QUIÉN ES EL RESPONSABLE DE LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS? ¿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?

5 Los electrones son las partículas responsables de la electricidad y se les conoce como los portadores de la carga eléctrica. EL ÁTOMO 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 Electrones Núcleo: protones y neutrones

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

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

8 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. Símbolo: I Unidad de medición: Amper, simbolizado por: A TÉRMINOS COMÚNES EN ELECTRICIDAD

9 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. Símbolo: V Unidad de medición: El volt Simbolizado por: v En un conductor, la corriente eléctrica circula de las zonas de MAYOR voltaje a las zonas de MENOR voltaje.

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

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

13 Símbolo: EUnidad de medición: El watt-hora 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) E = P x t 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. ENERGÍA GENERADA O CONSUMIDA El equipo para medir el consumo eléctrico se le llama Wattorímetro y es conectado en paralelo con los aparatos eléctricos.

14 Corriente directa o continua CD: La electricidad en CD puede almacenarse en acumuladores tipo automotríz. C.D t 0 I, V 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. 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.

15 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. La C.A. se genera por medios mecánicos en aparatos llamados alternadores ó dínamos 0 t I, V Corriente alterna CA 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)

16 V V H H Medición de la Resistencia Medición del Voltaje Ohmetroen paralelo Voltímetro en Paralelo Circuito Abierto Mediciones Eléctricas UNAM

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

18 Dimensionamiento y Capacidad de conducción de Corriente de los conductores

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

20 R  L A Por lo que: Por lo tanto: A mayor longitud, la Resistencia R Aumenta A mayor área, la Resistencia R Disminuye R =  L A 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 Donde:  es la Resistividad ( . m) UNAM

21 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. Temperatura en los conductores UNAM

22 Perdidas de Energía en Lineas de transmisión El calibre de cable conductor en las líneas de transmisión se selecciona por su Resistencia por Kilometro de Longitud. Si R L es la resistencia por Kilometro, entonces por la ley de ohm se tiene que: RL =RL =  V x 1000 I x L Donde:  V Es la caída de Voltaje cuando por el conductor circula una Corriente I. L Es la Longitud total del conductor medida en metros, ida y vuelta L I V1V1 V2V2 R =  = L V A I Para un conductor de área A UNAM

23 - 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 P p =  V x I La Energía que se pierde en una línea de transmisión, cuando ésta conduce una corriente I, esta dada por: E p = P p X tE p =  V x I x t = x I x t I x L x R L 1000 E p = x t I 2 x L x R L 1000 E p = x t  V 2 x 1000 L x R L ó Función Cuadrática en I Función Cuadrática en  V UNAM

24 Recomendaciones  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 R L, seleccionar el calibre inmediato mayor a la R L calculada.  Si se tiene varias cargas alimentadas por un mismo circuito, considerar la carga típica y calcular el calibre por secciones. UNAM

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

26 Cálculo de Conductores 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: øConductividad del Metal Conductor øCapacidad Térmica del aislamiento UNAM 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 = I SC x 1.25 x 1.25 donde: I SC es la Corriente a corto circuito del arreglo FV.

27 Nomenclatura de Conductores UNAM

28 Calibre de Conductores No se debe exceder la ampacidad del cable a la temperatura de operación UNAM

29 Tipo de Conductores Para Interconexión de los Módulos –Monoconductores resistentes a la luz solar con aislante de 90 o C 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 60 o C en LM –Cables monoconductores o poli-conductores en tubos con aislante de 90 o C 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 UNAM

30 Código de Colores 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 UNAM

31 Ampacidad de Conductores 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 UNAM

32 Ejemplo de dimensionamiento de cableado + - Arreglo FV Control Carga I circuito = 1.25 I carga l1l1 l2l2  V=3%V carga Datos: Isc=15 A Vc=15 V l 1 =l 2 =10 m Elección del calibre del cable: R L =  Vx1000/IxL Usar Tabla No.1 Verificación de ampacidad. I diseño =1.56 Isc Usar Tabla No. 2 I diseño =1.56 Isc  V=3%V carga UNAM