En el diseño de una instalación eléctrica intervienen una serie de factores, una parte de ellos, y que no están bajo el control del proyectista son los dependientes de la carga.

El primer requerimiento del sistema es que el servicio sea de calidad satisfactoria para asegurar la operación de todas las cargas.

El conocimiento de las características de la carga permite lograr el mejor diseño de la instalación.

Logicamente existe un límite en las mejoras de diseño, y que está fijado por el conocimiento de la carga; cuando se desconocen las características de la carga no es posible afinar el estudio del comportamiento de la instalación.

Una adecuada clasificación de las cargas permite predeterminar su comportamiento, o mejorar su conocimiento.

La clasificación de las cargas puede basarse en distintos criterios según las características que interesen (geografía, tipo, importancia, efectos sobre otras cargas, tarifa).

La potencia instantánea p, absorbida o entregada por un elemento de un circuito de corriente alterna no tiene mucho significado.

La potencia aparente, S, la potencia activa P, y la potencia reactiva Q, en los sistemas de corriente alterna son los parámetros que representan la carga.

S = E * I

P = E * I * cos fi

Q = E * I * sen fi

Estos valores para los circuitos trifásicos se obtienen sumando los correspondientes a cada fase.

En cada caso se elige el período adecuado y el parámetro más conveniente para representar la carga.

Los diagramas mostrados corresponden a generación de energía, pero son completamente análogos a los que representan consumo.

La carga de un usuario particular puede representarse con diagramas similares, pensemos como varía la carga de una lámpara, de una heladera, de una casa, de un grupo de casas, etcétera.

La carga de un usuario solo, es un diagrama de tipo rectangular, a medida que aumenta el número de usuarios el diagrama se hace escalonado y tiende a convertirse en un diagrama de tipo continuo.

Existen tipos particulares de usuarios que absorben energía en forma muy irregular, por ejemplo los hornos eléctricos de arco.

En forma análoga pueden construirse otros diagramas que representan potencia aparente, corriente, potencia reactiva, etc. y que se utilizan para estudiar determinadas condiciones de funcionamiento o de operación.

Demanda de un sistema es la carga promedio en el receptor durante un lapso especificado.

La carga considerada puede ser potencia activa, reactiva, aparente o corriente.

Para dimensionar los elementos que componen una instalación eléctrica, es necesario conocer los efectos térmicos, y éstos dependen de las constantes de tiempo de los elementos; el concepto de demanda permite determinar los factores que sirven de base en el dimensionamiento.

Dado un diagrama de potencia en función del tiempo en general a medida que aumenta el lapso en el cual se determina la demanda disminuye el valor de ésta.

Es fácil constatar que el valor de la demanda para un mismo lapso depende del instante en el cual se inicia la determinación.

La máxima demanda en una instalación es el mayor valor que se presenta en un lapso especificado.

En general para un grupo de cargas la máxima demanda de cada una de ellas no coincide con otras, en consecuencia la máxima demanda del grupo es menor que la suma de las máximas demandas individuales.

El factor de demanda es la relación entre la máxima demanda de un sistema y la carga total conectada al sistema.

La carga total conectada es la suma de la carga continua de todos los aparatos consumidores conectados al sistema.

Factor de utilización es la relación entre la máxima demanda de un sistema y la capacidad nominal del sistema (o de un elemento).

La capacidad de un elemento está dada por la máxima carga que se puede alimentar, y que puede estar fijada por condiciones térmicas, o por otras consideraciones, como por ejemplo caídas de tensión.

Supongamos un grupo de cargas de las cuales conocemos:

- D la máxima demanda del grupo.

- Ci la capacidad de cada uno de los consumidores.

- Co capacidad del sistema.

Fdemanda = D / Sumatoria(Ci)

Futilización = D / Co

El factor de diversidad es la relación de la suma de las máximas demandas individuales de varias partes de un sistema y la máxima demanda del sistema.

Siendo Di máxima demanda de la carga i.

Fdiversidad = Sumatoria(Di) / D

Factor de coincidencia es la inversa del factor de diversidad.

Se denomina diversidad de carga a la diferencia entre la suma de las máximas demandas de las cargas individuales y la maxima demanda del grupo.

Diversidad = Sumatoria(Di) - D = D * (Fdiversidad - 1).

Si se define la contribución de cada carga a la máxima demanda se tiene

D = Sumatoria(Ci * Di)

Si todas las cargas son iguales:

Fcoincidencia = Sumatoria(Ci) / n

Si en cambio todos los factores de contribución son iguales

Fcoincidencia = C

El factor de carga es la relación entre la carga promedio y la carga de pico en un lapso especificado.

F de carga = p / Pmáx

p = (1/T) integral entre 0 y T de P(t) dt

El factor de pérdidas es la relación entre las pérdidas promedio y las perdidas que corresponden al pico en un lapso especificado.

Las pérdidas dependen del cuadrado de la corriente y supuesto que la tensión se mantiene constante dependen del cuadrado de la potencia aparente.

Fde pérdidas = Perd / Perd max

Perd = (1/T) integral entre 0 y T de (P(t)^2 * dt)

El tiempo de utilización es el tiempo en el cual la máquina funcionando a plena carga entrega la energía que en condiciones normales entrega en el lapso T.

T de utilización = (1/Pmax) integral entre 0 y T de (P(t) * dt)

= T * F de carga

El tiempo equivalente (de pérdidas) es el tiempo en el cual el elemento funcionando a plena carga produce la misma pérdida de energía que en condiciones normales en el lapso T.

T equivalente = T * Perd / Perd max = T * F de perdidas

El factor de pérdidas no puede ser determinado directamente del factor de carga, la relación entre ambos valores es una ecuación.

Factor de pérdidas = 0.3 F de carga + 0.7 (F de carga)^2

Comprendida entre los casos extremos.

F de pérdidas = F de carga

F de pérdidas = (F de carga)^2

El factor de potencia de la carga en general se obtiene como cociente de mediciones de energía.

Cos(fi) = cos(arco(tg(kVArh / kWh)))

Se dice que una carga polifásica es balanceada cuando absorbe corrientes equilibradas al alimentarla con una terna de tensiones todas iguales e igualmente desfasadas una de otra.

Las tensiones pueden ser desbalanceadas debido a asimetría del circuito.

El factor de desbalanceo de tensiones se define en los sistemas trifásicos en base a las tensiones compuestas de secuencia inversa y de secuencia directa.

Fdesbalanceo = V2(inversa) / V1(directa)

Hay cargas que aumentan con el tiempo siguiendo determinadas leyes; se definen entonces factores de aumento de la carga.

Faumento = Pn / Po

Siendo: Pn la carga después de n períodos; Po la carga en el primer período.

Los distintos equipos de una instalación eléctrica tienen distintas probabilidades de falla, y es entonces necesario evaluar las consecuencias de una salida de servicio por falla de uno de los equipos.

Hay equipos cuya salida de servicio puede significar una parada del proceso por mucho tiempo, hay otros para los cuales la reparación significa tiempos breves.

En muchos casos se justifica en consecuencia disponer de una reserva, inversión no productiva mientras no se de la situación accidental de tener que usarla, para asegurar el servicio.

La posibilidad de la pérdida total de una fuente de energía es un hecho corroborado por accidentes que afectaron a grandes ciudades.

Cada elemento de la red tiene una probabilidad de falla y en consecuencia la continuidad y seguridad del suministro puede ser evaluada.

Para prevenir faltas de suministro debidas a fallas de un elemento se duplican alimentaciones, transformaciones, conducciones.

Al proyectar estas duplicaciones debe controlarse el mayor costo que significan, que debe ser justificado, por otra parte debe controlarse que la mayor cantidad de elementos, dispositivos de maniobras, no pesen desfavorablemente, por sus probabilidades de falla, en la mayor seguridad que se desea conseguir con la reserva.

En muchos casos la operación económica de ciertos componentes, hace que tengan suficiente capacidad para soportar una sobrecarga debido a indisponibilidad de un elemento gemelo.

A veces fraccionando la potencia de ciertos equipos puede conseguirse reserva suficiente sin mayor inversión.

Existen distintos tipos de tarifas que se aplican en la práctica.

Si hacemos referencia al origen de la energía y pensamos en una central eléctrica de agua corriente, el costo de producción de energía es independiente de la energía que efectivamente se produce, por lo que la tarifa a aplicar a los usuarios no estará ligada al consumo, sino simplemente al derecho de conexión, y generalmente a la potencia máxima conectable, este criterio puede ser sanamente aplicado para fomentar un mayor consumo.

Si en cambio pensamos en una central que funciona a combustible, el costo de la energía está ligado al consumo de combustible por lo que la tarifa deberá ser proporcional a la energía.

En general se utiliza una tarifa intermedia denominada tarifa binomia que tiene un primer término ligado a la potencia (demanda) máxima absorbida y un segundo ligado a la energía consumida.

En ciertos casos los factores que corresponden al primer término y/o al segundo están ligados a la energía consumida en un período determinado, y con este criterio se puede premiar o castigar (según la necesidad) a quién más consume.

En los distintos componentes de la red se producen, en condiciones de funcionamiento, pérdidas.

La economía de la red está ligada a su dimensionamiento y a su operación y en particular a las pérdidas que en ella se producen.

En forma general las pérdidas pueden ser clasificadas en pérdidas en carga, (que se producen en general por efecto Joule) y pérdidas en vacío que se producen independientemente del estado de carga (dependen solo de que la red esté en tensión).

Se evalúan las pérdidas de potencia para distintas condiciones de funcionamiento de la red, y con ellas pueden evaluarse las pérdidas de energía que corresponden.

Las pérdidas de energía tienen un significado económico que indudablemente tiene influencia en la economía del sistema.

El usuario paga además de la energía que efectivamente utiliza la que se pierde en su red.

Por otra parte el distribuidor de energía debe incluir en la tarifa, ya que se trata de un costo de operación, las pérdidas que se producen en su red de distribución.

Así si el agregado o el sobredimensionamiento de un elemento en la red permite disminuir las pérdidas, la justificación tendrá una raíz económica.

Las pérdidas que se producen con la red son proporcionales a la corriente (potencia aparente) mientras que el consumo se mide en potencia activa.

Si solo se aplica tarifa por potencia activa un usuario de potencia reactiva no debería pagar consumo, pero produce pérdidas en la red que afectan a la economía global, por otra parte la red estará dimensionada para satisfacer la necesidad de este usuario.

Es justo entonces que la tarifa castigue este efecto, y por tal motivo se agregan términos que están ligados al factor de potencia obligando, o haciendo conveniente, que el usuario lo mejore al máximo posible.

Para los usuarios domiciliarios la medida del factor de potencia, la evaluación, y su aplicación a la tarifa es dificultosa por lo que en general la red pública incluirá equipos de mejora del factor de potencia.

En cambio este control se hace para los usuarios industriales obligando a que sus instalaciones tengan un aceptable factor de potencia.

En general se mide energía activa y energía reactiva en un período, y el factor de potencia se obtiene por relación entre ambos valores.

El factor de potencia afecta la pérdidas de transmisión.

deltap = R * (P / (cos(fi) * U)^2 = Pbase * r * (p / (cos(fi) * u))^2

Por otra parte también afecta las caídas de tensión.

deltau = r * p + x * q = (r + x * tg(fi)) * p

Las bajas tensiones a su vez afectan las pérdidas ya que para entregar una dada potencia es necesaria mayor corriente.

La compensación del factor de potencia puede ser realizada con capacitores o con motores (o compensadores) sincrónicos.

En general es más económica la primer solución particularmente en bajas y medias tensiones.

La compensación se hace en lugares próximos a las máquinas utilizadoras.

Los transformadores y las líneas desmejoran el factor de potencia por lo que a medida que se va alejando del usuario son necesarias nuevas compensaciones.

En general la compensación es más económica en los niveles de tensión mayores.

El aumento de potencia reactiva producido por un elemento de reactancia dada en la red es

deltaq = 3 * X * I^2 = Pbase * x * i^2