CAPITULO 4. DETERMINACION DELA CARGA DE UNA INSTALACIONELECTRICA

El diseño de una instalación eléctrica requiere del conocimiento de la potencia o cargaque se va a alimentar. Por carga se entiende la que será demandada a la instalación y nola suma de las capacidades de los equipos que serán instalados. Mientras mayorinformación se tenga al respecto del con~umo y de las condiciones de operación de todoslos elementos que estarán conectados a la instalación, mayores serán las posibilidadesde un cálculo que cumpla con los requerimientos técnicos y que sea económico. Estainformación resulta indispensable para la etapa en que se realiza la ingeniería de detalle.En este capítulo se exponen los criterios y metodología sugeridos para la determinaciónde la carga. De cualquier forma es también recomendable consultar la sección 204 delas NTIE (Normas Técnicas para Instalaciones Eléctricas, 1981).Es prácticamente imposible conocer con exactitud la carga de una instalación compleja.En la etapa del anteproyecto se empieza con una estimación que permita realizar unaevaluación presupuestal aproximada. Sin embargo, se puede hacer un cálculo detalladocon la información completa de todos los equipos que serán conectados y obtener unvalor más preciso de la carga.La determinación de la carga es una labor que requiere de técnica, pero también decriterio para definir los preparativos que deben dejarse para el futuro, así como lainfluencia de los posibles ciclos de operación.Una reserva excesiva representará unainversión que tal vez nunca se utilice; por el contrario, reservas escasas pueden provocarun problema a corto plazo. Por esta razón es recomendable estudiar varias opciones.En el análisis también deben contemplarse los efectos que las variaciones de la carga enel tiempo pueden tener sobre la regulación del voltaje y sobre el costo de la energía (elefecto en las tarifas se discute en el Capítulo 12).1. Estimación de carga por similitud.1.1. Carga de los equipos relacionados con el tipo de usuario.Para las primeras etapas de un proyecto, cuando se requiere tener una estimaciónaproximada de la carga, se pueden utilizar los valores de carga típicos, producto de laobservación en empresas o procesos similares que se encuentran operando. En este casose deben estudiar cui~adosamente los factores que podrían incrementar o disminuir lacarga como: procesos de producción específicos, maquinaria más moderna, grado deautomatización, comodidad de los operarios, capacidad de producción, fuerza motrizpara otros fines, etc.En algunas instalaciones los equipos de ventilación y/o acondicionamiento de aire sonresponsables de una parte importante de la carga. Para la estimación de la carga de estosequipos debe consultarse a un especialista en manejo de aire y utilizar los métodos porél o ella propuestos. Normalmente para ventilación es suficiente conocer el número deveces que se desea cambiar el aire del local por unidad de tiempo; sin embargo, para elcaso de acondicionamiento de aire prácticamente es necesario que el usuario ya hayaseleccionado el tipo de equipo que será instalado.

1.2. Carga de alumbrado para diferentes tipos de usuarios.

En la Tabla 4.1. se reproducen los densidades de carga que aparecen en la Tabla 204.2(a.2) de las NTIE (1981). Es importante señalar que sólo se pueden utilizar como una

aproximación, ya que representan valores de la carga de alumbrado obtenidos con laexperiencia de las lámparas y accesorios existentes antes de 1981.Aplicando esta tabla puede estimarse la carga total conociendo la superficie que seráiluminada y las especificaciones de los equipos más importantes, como por ejemplo,aquéllos utilizados en el proceso de fabricación o en el acondicionamiento de aire. Estemétodo resulta adecua.do para la etapa de anteproyecto.

2. Cálculo analítico.

La precisión que se obtiene con los métodos estimativos resulta insuficiente para obtenerlas capacidades de los elementos de una instalación eléctrica y las secciones de losconductores.Un cálculo más preciso se inicia cuando se conocen los consumos de energía de cadauno de los equipos y servicios que serán alimentados por la instalación.A continuación se definen algunos términos necesarios para la determinación de lacarga:

2.1.Carga O potencia instalada.

La carga o potencia instalada (Pinst) es la sumatoria de los consumos nominales de cadaelemento consumidor según sus datos de placa.

P . t ~ns = [P.Jdonde: Pj = potencia de cada elemento, j = 1,2, .. ~n.2.2. Demanda máxima.

La demanda máxima (Pmax) es la carga o potencia máxima que podría ocurrir en unainstalación. En las tarifas, para fines de facturación, la demanda máxima es la cargamáxima que subsiste durante 15 minutos en el lapso de un mes (ver Capítulo 12). Se lellama también demanda máxima medida.

2.3. Factor de carga.

El fáctor de carga (fe) es el cociente de la potencia o demanda máxima entre la potencia(carga) instalada, por lo tanto:P max = (fc)-P.~ ns t(4.2)En algunos procesos de fabricación el factor de carga se calcula eliminando las cargasque no son simultáneas, cómo son los,-equipos de respaldo o reserv~ (stand-by)./' "En la Tabla No. 4.2. se reproduce laTab!a 204.8a de las NTIE (1981) donde se presentanfactores de carga típicos para el cálculo de carga de alumbrado general en algunasaplicaciones no industriales. En la Tabla No 4.3. se presentan algunos factores de cargaconsiderados típicos (de acuerdo con la experiencia) para comercios e industrias.Sin embargo resulta muy difícil definir con precisión el factor de carga porque sedesconoce la capacidad exacta que los equipos demandarán de los motores eléctricosque los mueven, ya que por lo general la capacidad de los motores es mayor que la

necesaria para operar los equipos.En el Capítulo 12 se analiza el efecto que la distribución de carga a lo largo del día puedetener sobre las pérdidas de la instalación eléctrica.

3. Determinación de carga para equipos específicos.

En esta sección se presentan los criterios para la definición de la carga de ciertos equiposconsiderados importantes. Se recomienda consultar el apéndice de este libro, así comoel Capítulo 12 en donde se describe la forma en que pueden incluirse las pérdidas en laevaluacirón económica de diferentes opciones.

3.1. Carga de transformadores.

El transformador, cuyo objetivo es cambiar los niveles de voltaje, es uno de los equiposmás comunes en las instalaciones eléctricas. En ocasiones el transformador constitüyeuna parte importante del costo total de la instalación.La eficiencia del transformador está en función de la carga que tiene conectada (curvacaracterística de eficiencia). Si un transformador está permanentemente conectado a lared, habrá un consumo permanente de energía equivalente a sus pérdidas en vacío(especificadas por el fabricante). En el momento en que se le conecte alguna carga, laspérdidas corresp~ndientes a esa carga serán:donde:Pe Pérdidas correspondientes a cierto régimen de carga.I Corriente del régi'men de carga correspondiente.In Corriente nominal (plena carga).Pn Pérdidas debidas a la circulación de la corriente nominal por los conductoresdel transformador (pérdidas nominales en el cobre).Para obtener las pérdidas totales del transformador deberán sumarse las de vacío(consideradas constantes) y las obtenidas en la expresión (4.3).Por lo general la eficiencia máxima de un transformador se obtiene cuando la carga estáentre 75 y 100%, por lo que debe procurarse que el transformador se utilice en regímenesde carga cercanos al 100%. Sin embargo al momento de especificar un transformadorse requiere prever cierta holgura para reservas futuras. En el Capítulo 12 se explica unamanera de evaluar económicamente diferentes opciones.Entonces resulta conveniente determinar la carga promedio y procurar que se mantengadentro de ese rango. Para calcular la carga promedio se utiliza la siguiente expresión:donde:jli·1 = prom (4 . 4 )1,2, ... ,n períodos de tiempo en que la carga conectada es dlterente (ciclos,turnos de trabajo o días hábiles).Carga constante durante el período de tiempo ~La carga promedio se calcula para un mes, que normalmente es el período de facturación(incluyendo días no hábiles), pero puede ser útil conocerla también para 24 horas.Por esta razón, es común que las ampliaciones futuras no se consideren en la

especificacióndel transformador. En ese caso se acostumbra especificar dos transformadoresque juntos alimenten la carga sin reservas, y se deja espacio para la instalación de untercero. Una ventaja importante de este arreglo es que la descompostura de un transformadorpermite continuar operando con el otro (probablemente sobrecargado duranteel tiempo necesario para reparar o sustituir el dañado).Con la fórmula (4.4) puede calcularse la potencia de un transformador, siempre que nose trate del caso en que la carga conectada sea un motor asíncrono tipo jaula de ardillade capacidad muy cercana a la potencia nominal del transformador. Esto se debe a queen el momento de arranque del motor la demanda de energía puede ser 4 a 7 veces lanominal y producir fluctuaciones de voltaje. Esto puede ser importante para las otrascargas conectadas. No existe una norma respecto a este tipo de fluctuaciones de voltaje,pero se puede considerar aceptable que el voltaje en el alimentador del motor baje hastaun máximo de 10%, siempre y cuando no afecte a otros consumidores cercanos. Unacaída de tensión mayor podría ocasionar que el motor no arranque.El factor de carga en transformadores de tipo residencial (para conjuntos habitacionales),depende del tipo de vivienda. En el párrafo 14-334 de Knowlton (1967) se proponeun factor de carga promedio de 32% (17.7% mínimo a 45.4% máximo).

3.2. Carga de alimentadores.

Para el cálculo de alimentadores en circuitos de alumbrado elfactor de carga se consideraunitario. Para el circuito de alimentación de un motor de inducción (tipo jaula de ardilla)se debe aumentar un 2.5% a la carga del motor, debido a que la corriente de arranqueprovoca un calentamiento adicional. Se recomienda consultar el apéndice de fó rmulasbásicas de este libro.La carga del alimentador para un centro de control de motores o para cualquier tableroque tiene conectado algún motor se calcula con la ecuación:1 (4.5)donde:j 1,2, ...... ,n elementos conectados.1 Carga del alimentador en amperes.l· Carga de cada uno de los elementos conectados en amper es.{mm Corriente nominal del motor más grande del grupo considerado.Si se considera que el voltaje es constante, la carga puede expresarse en watts. Seentiende que el desbalance máximo entre fases es de 5%.

3.3. Carga en plantas de emergencia.

Mientras que la red eléctrica puede proporcionar prácticamente cualquier sobrecargasin provocar problemas importantes, una planta de emergencia está limitada por lascapacidades del motor de combustión interna y del generador que deberán ser mayoresque la carga demandada.La carga se puede calcular con la ecuación (4.5), pero se debe considerar que el voltajedisminuye al arrancar los motores. La caída del voltaje puede ser tan grande queprovoque que el motor correspondiente no pueda arrancar y que la planta sufra una

sobreCarga. Por esta razón es importante conocer la información del fabricante de laplanta al respecto del tamaño del motor más grande que puede arrancarse. Tambiénconviene pensar en la posibilidad de programar la entrada de la carga conectada a laplanta, de tal manera que se pueda arrancar primero el motor más grande y despuésconectar paulatinamente el resto de la carga.Es muy importante qUe las plantas de emergencia no operen con un desbalanceo delvoltaje entre fases mayor al permitido por el fabricante, ya que aparece la componentede la corriente conocida como de secuencia inversa, que puede provocar sobrecalentamientoen el devanado del rotor con consecuencias graves.

3.4. Carga en bancos de capacitores.

No es común intentar calcular el factor de potencia desde el proyecto de algunainstalación. Normalmente la compañía suministradora otorga un plazo de tres mesesdespués de iniciada la operación de una industria para que corrija su factor de potencia.Esto se debe a que este parámetro de operación depende de ciertos factores quedificultan su estimación preliminar.A continuación se presentan las relaciones para obtención de la corriente (amperes)que circulará si se instala un banco de capacitores trifásicos de "Q" kvar's:1 = eQdonde: V = Voltaje entre líneas.• 1000 (4.6)De acuerdo con NTIE (1981, inciso 406.7) la corriente nominal de: los conductores(cables o barras), los equipos de conexión o desconexión y los dispositivos de protecciónde un banco de capacitores debe ser por lo menos el 135% de la corriente nominal delos capacitares. Los fusibles son una excepción ya que su corriente no debe ser inferioral 165% de la corriente nominal de los capacitares.Por lo tanto la capacidad de conducción de los elementos de la instalación de loscapacitares será:1 cond UCC.l,o n ( 1. 35) • 1C (4.7)La necesidad de incluir este factor de corrección surge debido a las componentesarmónicas, que siempre están presentes, pero que son muy difíciles de detectar ycuantificar.Se r.ecomienda consultar el Capítulo 6, en el cual se presenta una discusión detalladarespecto al factor de potencia.TABLASTabla 4.1. Cargas de alumbrado general en locales (reproducción oe la tabla204.2 (a.2) de las NTIE). .Tipo de local

* Todos los contactos para aparatos menores de 3A en casas habitación y cuartos dehoteles, moteles o departamentos (sin disposiciones para el uso de aparatos eléctricospara cocinar) pueden considerarse como salidas para alumbrado general y no esnecesario incluir carga adicional alguna para ellos.Tabla 4.2. Factores de carga (en %) para el cálculo de la carga de alumbradogeneral en alimentadores (reproducción de la tabla 204.8a de las NTIE).

Tipo Carga de alumbrado general ade la que se aplica el factor fclocal de cargaCasas- Primeros 3000 watts o menos 100habitación Exceso sobre 3000 watts 35-Hoteles Primeros 20000 watts o menos 50Exceso sobre 20000 watts 40-Hospitales Primeros 50000 watts o menos 40Exceso sobre 50000 watts 20Oficinas Primeros 20000 watts o menos 100y escuelas Exceso sobre 20000 watts 70Otros Carga total de alumbrado 100locales general* Los factores de carga de esta tabla no deben aplicarse al cálculo de alimentadores deLas áreas en donde todas las lámparas pueden estar encendidas al mismo tiempo, comosucede en salas de operaciones ,salones de baile y restaurantes

INGENIERIA ELECTROMECANICA INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES

ING. CARLOS JULIO VANEGAS NAVIAINGENIERIA   ELECTROMECANICAGUIA NO. 3

ING. VICENTE DAVID OROZCO

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑOVALLEDUPAR ABRIL