UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA / FACULTAD DE INGENIERIA - DEPARTAMENTO DE ELECTROTECNIA - CATEDRA DE INSTALACIONES ELECTRICAS GENERALES

Se entiende por instalación eléctrica el conjunto de aparatos, y accesorios destinados a la producción, distribución y utilización de la energía eléctrica.

En su forma mas simple la instalación eléctrica esta constituida por un generador, un utilizador, aparatos capaces de cerrar y abrir el circuito, y las conexiones entre todos ellos. (ejemplo edificio)

Para nosotros el generador sera la red eléctrica que nos alimenta, siempre puede pensarse que esta red equivale a un generador, la vemos como una fuente de tensión, a la que, a través de aparatos y cables conectamos las cargas.

Un circuito muy simple formado por una fuente (una pila), una llave, una lamparita, y cables, tiene todas las características de una instalación eléctrica elemental (fig.11).

La pila alimenta el circuito con una cierta tensión, cuando la llave esta cerrada (hay continuidad eléctrica) en el circuito circula cierta corriente, que esta limitada por la resistencia del circuito, en el circuito se disipa cierta potencia (calor y luz en este caso).

Las formas normales de distribución de energía eléctrica son con corriente alterna (la pila es de corriente continua), la tensión varia en el tiempo asumiendo en cada instante un valor distinto con una ley sinusoidal (representada por la función trigonométrica seno - forma ondulada, con máximos en un sentido y otro, alrededor del cero - ver fig.12).

Por que se utiliza esta forma de distribución de energía? Las maquinas que generan corriente alterna (generadores sincrónicos) son de diseños mas simples y tienen ventajas técnicas que facilitan la generación, también se presentan ventajas en la transmisión y distribución, particularmente por la facilidad de cambiar la tensión mediante transformadores, y entonces se puede transmitir con menor costo de conductores.

Los aparatos utilizadores tienen la función de transformar la energía eléctrica en energía utilizada en iluminar, calentar, o trabajo mecánico, la maquina convertidora de energía eléctrica a mecánica mas simple es el motor asincronico trifasico, la energía eléctrica distribuida en forma trifasica es conveniente para la utilización en motores, también para su producción y distribución.

Desde nuestro punto de vista la distribución trifasica nos presenta tres generadores que nos dan tres tensiones sinusoidales defasadas entre si en el tiempo, esta fuente equivalente tiene tres puntos en tensión llamados fases (vivos), y un punto llamado neutro, a veces no accesible (fig.12).

Esta fuente también nos sirve como fuente de alimentación monofasica cundo nos conectamos a una fase y el neutro, la alimentación de algunas cargas muy particulares se hace entre dos fases (se llaman bifásicas).

Los aparatos utilizadores se conectan a la instalación eléctrica en derivación, quedan conectados a los conductores de la distribución en paralelo entre si, a la misma tensión, esta forma de distribución tiene la ventaja que independiza la alimentación de los distintos aparatos utilizadores.

Se llama sistema eléctrico a la parte de una instalación eléctrica que se encuentra a una misma tensión, y que por lo tanto guarda similitud desde el punto de vista constructivo.

Desde el punto de vista constructivo los sistemas eléctricos se clasifican en categorías:

- sistemas de muy baja tensión

- sistemas de baja tensión

- sistemas de alta tensión

Esta clasificación sirve para ligar a normas constructivas la realización de los proyectos, a normas de seguridad su utilización, el como utilizar los aparatos etc.

Observemos una instalación eléctrica real, a partir de la red eléctrica de distribución, encontramos:

- cables conductores

- fusibles de protección

- medidor de energía

- tablero de distribución

- ramales de distribución

- circuitos utilizadores

Si miramos en detalle algunos componentes, como los tableros encontramos:

- llaves

- fusibles

- instrumentos

- lamparas de señalización

Los componentes de la instalación se pueden clasificar por su función:

- transformación (transformadores)

- transmisión (cables, barras)

- maniobra (llaves, interruptores, seccionadores, contactores)

- protección (relés, interruptores, fusibles)

- utilización (lamparas, calefactores, motores, aparatos en general)

- medición (instrumentos, amperímetros, voltímetros, medidores)

La instalación debe satisfacer dos exigencias fundamentales:

- eficiencia funcional

- duración (vida útil)

Con el termino eficiencia funcional sintetizamos:

- garantizar continuidad en el suministro de energía, dentro del área de responsabilidad de la instalación de que se trata.

- mantener dentro de limites tolerables los parametros característicos de la distribución (la tensión por ejemplo).

- protección frente a fallas, adecuada para mantener la integridad de la instalación, y selectividad adecuada para minimizar el área afectada por la actuación de las protecciones.

- protección contra los peligros de la electricidad frente a contactos y fallas.

La vida útil de la instalación, es el tiempo durante el cual la instalación mantiene su eficiencia funcional, la realización de la instalación implica un costo que debe ser amortizado en un periodo de varios años, y que debe corresponder a la duración real de la instalación.

La instalación debe estar proyectada para hacer frente a su vida útil, pero también debe estar realizada, mantenida y utilizada para que esto ocurra.

Ligados al proyecto y realización esta la cuidadosa elección de los materiales (de calidad adecuada a las exigencias), y su racional utilización y conservación (dentro de sus limites de prestaciones, actuando con operaciones de mantenimiento necesarias en tiempo oportuno y forma adecuada).

A veces ocurre que un proyecto fue concebido para ciertas condiciones de carga que han cambiado y han sido superadas por la realidad, por ejemplo se agregan nuevas cargas y la vieja instalación eléctrica resulta inadecuada, estas situaciones deben señalarse a fin de que no se produzca el colapso total de la instalación, que podría también llegar a dañar a las cargas.

En cualquier instalación eléctrica civil o industrial , todos los materiales y los aparatos deben responder a las normas y unificaciones reconocidas, cuando existen. Esta situación esta indicada por marcas de calidad que otorga una institución competente.

Cuando se presenta la necesidad de comprar algo, la solución fácil es ir al negocio que vende el producto deseado, y pedirlo señalándolo, o directamente tomándolo (como hacemos en un autoservicio).

Cuando el producto requerido no se lo ve, se debe explicar al comerciante lo que se necesita, lo que se desea, describir con suficiente precisión en la esperanza que la otra parte entienda bien.

Mas difícil se hace esto cuando debe mandarse a otra persona a hacer la compra, en este caso se debe especificar lo que se desea, fijando suficientemente bien el nivel de calidad del producto.

Cuando se desea transmitir la descripción de productos, es necesario escribir una especificación, cuando pasa tiempo entre que se genera la idea de lo que se debe hacer, el proyecto, y su realización, la idea debe ser volcada a papel, y los componentes descriptos con una adecuada especificación.

También cuando una obra se hace en etapas, es indispensable la especificación de lo que se compra para que en el futuro se pueda obtener lo mismo y la ampliación sea compatible.

Al especificar es necesario fijar los conceptos con propiedad, se deben indicar los datos suficientes, las características esenciales, la calidad de lo pedido.

Pero debe tenerse en cuenta que una especificación excesivamente estricta puede hacer fracasar la compra.

En el estado actual de la técnica, las normas son de enorme ayuda para la correcta especificación, ellas contienen definiciones, tamaños normales (unificados), ensayos de comprobación de las características etc.

A pesar de esto, para el profano es difícil establecer el nivel de calidad, se juzga por apariencias, es casi imposible justificar diferencias de precio debidas a la calidad.

En muchos paises la calidad esta controlada por un instituto que autoriza (o niega) la aplicación de cierto sello a los productos que cumplen condiciones estrictas de uniformidad de producción, y de nivel adecuado.

Se documenta la calidad del producto sometiéndolo a los ensayos de tipo que la norma fija, se controla la uniformidad de la producción, y su constancia en el tiempo.

También existen normas que fijan la calidad de realización de las instalaciones, modo de utilizarlas, condiciones de mantenimiento etc.

La instalación envejece, y cuando se supera su vida útil se hace obsoleta, pudiendo comenzar a ser peligrosa.

Aparecen corrientes de fuga por la perdida de aislacion, incrementos de perdidas por bornes flojos y contactos gastados, y solo la renovación permite recuperar la instalación.

El proceso de degradación es acumulativo, frecuentemente las perdidas y daños por fallas de la instalación cuestan mas que su oportuna renovación.

Muchas magnitudes estan relacionadas con la energía eléctrica, y frecuentemente se confunden algunas entre si debido a lo poco intuitivas que son las relaciones entre las variables eléctricas.

Examinaremos las magnitudes recordando las relaciones a fin de poder así fijar mejor algunos simples conceptos.

Frecuencia - ya hemos dicho que la energía eléctrica se distribuye en forma de corriente alterna, es una forma periódica que se repite en el tiempo con cierta frecuencia (oscilaciones por unidad de tiempo) que se mide en periodos por segundo o en Hertz.

Enrique Rodolfo Hertz fue el primer fabricante de ondas de radio, hertzianas, y creyó que no servirían para nada ... se convirtieron en un elemento esencial de nuestra civilización! Realizo sus experimentos en el Politécnico de Karlsruhe en 1888, y llovieron sobre el honores, pero murió a los 37 años en 1894.

La distribución de corriente alterna se realiza en nuestro país a 50 Hz, en otros paises es normal la frecuencia de 60 Hz.

La tensión se mide en Voltios, en corriente alterna se mide el valor medio eficaz de la tensión, con aparatos llamados Voltímetros, dedicados a esta medición, o aparatos de uso múltiple ("tester", multimetro) convenientemente preseleccionados.

Frecuentemente se compara la tensión con la presión (altura del agua en una tubería).

Alejandro Volta invento la pila eléctrica, pero antes de esta invención dedico mucho esfuerzo a fabricar maquinas capaces de generar electricidad, e instrumentos aptos a relevar la presencia de electricidad, descubrió también las propiedades del gas de los pantanos, e invento una pistola que cargada con una mezcla de "aire inflamable de los pantanos" encendida por una descarga eléctrica impulsaba un corcho como proyectil, juguete que lo convirtió en popular.

El invento de la pila fue en 1800, juzgado como el mas maravilloso aparato que la ciencia humana había creado, entre los entusiastas de Volta se encuentra a Napoleon Bonaparte; el desnivel eléctrico entre los dos polos de un elemento de la pila fue tomado como unidad de desniveles eléctricos y se la llamo Voltio.

Las tensiones normales de los sistemas eléctricos de distribución en nuestro país son 380 Voltios entre fases (trifasicos), y 220 V. entre fase y neutro (monofasicos), estos valores se encuentran en otros paises, y también se tienen valores distintos, 110, 127, 230, 400, 240, 420 V etc. por esto en muchos aparatos utilizadores se observa la presencia de un selector de tensión a fin de adaptarlo a la tensión disponible.

En Europa han avanzado un paso mas en la unificación, adoptando una nueva tensión como normal 400/231 V.

Conectado un aparato a la red absorbe cierta corriente eléctrica, que prosiguiendo con la analogía hidráulica se compara con el caudal, la corriente se mide en Amperios.

Andrés María Ampere en 1820 demostró frente a la Academia de las Ciencias en París, que entre conductores por los que circula corriente se manifiestan fuerzas, y nació así la electrodinamica, cuyo objeto era estudiar las fuerzas que luego animarían los motores eléctricos, de niño invento su propia aritmética con piedras y bizcochos, de joven devoro los 20 volúmenes de la enciclopedia de aquel tiempo, enamorado de la matemática a los doce años para poder leer a Euler y Bernoulli estudio latín y calculo infinitesimal.

En 1793 su padre que era juez fue guillotinado, se caso y su joven esposa murió al poco tiempo, solo volvió a encontrar consuelo en los estudios, mecánica racional, óptica, física, química, finalmente electricidad, donde teoría y experimentos maduraron completamente en su mente.

La corriente eléctrica que debe pasar en un circuito fija el tamaño que deben tener los conductores, de aquí la importancia de esta magnitud.

Corriente y tensión en un circuito están relacionadas, en 1827 Jorge Simón Ohm, hijo de una familia de Carpinteros, que había seguido cursos de filosofía, matemáticas, y física, dedicado a la enseñanza y que en sus horas libres realizaba experimentos, publico "teoría matemática del circuito galvánico" en donde enuncia la que fue llamada ley de Ohm.

Introdujo los términos corriente, fuerza electromotriz, resistencia y los ligo con una formula:

La teoría de Ohm no fue entendida y fue rabiosamente atacada, alguno llego a juzgarlo loco, solo 27 años después de su muerte el Congreso Electrotecnico de París de 1881 reconoció el valor científico de esta ley hoy que nos parece tan simple.

La unidad de resistencia se llama Ohm en su honor.

Esta ley tal como enunciada es valida para corriente continua, pero se la ha generalizado haciéndola valida también para corriente alterna cuando en lugar de la resistencia del circuito se considera su "impedancia", que incluye además de la resistencia la reactancia del circuito, magnitud sobre la cual mas adelante hablaremos.

Así como caudal por altura de la columna de agua nos da una potencia (capacidad de producir trabajo), también el producto corriente por tensión nos da una potencia, que se mide en Wattios.

Jacobo Watt, ingeniero mecánico escocés, hijo de un carpintero, desde niño demostró extraordinarias aptitudes para la mecánica y construyo ingeniosos instrumentos, gracias a que tenia su taller cerca de la universidad se relaciono con estudiantes y profesores, amplio su instrucción y fue llamado con frecuencia a reparar instrumentos del gabinete de física de la universidad.

En 1764 examino la maquina de vapor de Newcomen, se ocupo de mejorarla, en 1769 obtuvo 5 patentes de perfeccionamiento y se lo considera el inventor de la maquina de vapor. En 1806 la Universidad de Glasgow le concedió el titulo de Doctor honoris causa.

Aunque el Watt es una unidad de potencia (que puede parecer mecánica), su importancia en nuestro tema es indudable, también es unidad de potencia eléctrica:

La potencia consumida (o producida) en el tiempo se mide en kiloWatt hora, unidad practica de energía, con la cual se la factura en particular...

Apliquemos estos conceptos a un ejemplo, se tiene una lampara de 100 W, apta para ser utilizada a 220 V, que corriente absorbe?

Y ya que estamos calculando, cual es la resistencia de la lampara en esas condiciones?

James Prescott Joule (cervecero, propietario de una fabrica de cerveza), en 1840, a los 22 años, su pasión por las mediciones exactas lo condujo a establecer la cantidad de calor que genera un conductor por el que circula una corriente eléctrica, la relación entre magnitudes lleva hoy el nombre de ley de Joule, y se expresa como:

Su esfuerzo se dedico a establecer equivalencias entre calor y trabajo mecánico, media la diferencia de temperatura entre el agua en la cima de la caída y en la base esperando detectar la parte de energía transformada en calor...

Esta es la unidad de energía que lo recuerda.

La potencia real, efectiva se expresa en Watt, y es la que se transforma en trabajo útil o calor, si determinamos la potencia con corriente alterna como producto tensión por corriente que se expresa en Voltamper, observamos que frecuentemente el resultado es mayor, en esta forma de expresar la potencia, se incluye la potencia reactiva, que esta ligada al intercambio de energía entre campos magnéticos y eléctricos (motores o bobinas y capacitores), en rigor la potencia reactiva es un concepto oscuro de algo que no existe.

La potencia eléctrica se expresa en distintas formas:

- potencia activa, real, la que hace trabajo efectivo o calor.

- potencia aparente = tensión por corriente

- potencia reactiva = U * I * seno fi

siendo fi el ángulo se defasaje entre la tensión y la corriente, cada forma de expresión de energía es útil par distintos objetivos, la potencia activa se expresa como U * I * coseno fi.

Otro valor importante en la descripción de las magnitudes de energía eléctrica es el coseno fi, ángulo entre la tensión y la corriente, medido en forma trigonométrica.

La potencia reactiva en juego depende de la reactancia y de la corriente en forma análoga a la potencia activa según la ley de Joule, y la potencia aparente depende de la impedancia y la corriente, pudiéndose construir dos triángulos semejantes, uno de potencias y otro de impedancias.

Hagamos otro ejemplo, una plancha eléctrica se encuentra conectada, tiene una potencia de 1000 W, cuanta energía consume en una hora?

Si lo queremos expresar en Joule, entonces:

Demasiados ceros para poder leer el numero fácilmente... por eso se prefiere la unidad practica kilowatthora.

Observemos ahora un motor, trifasico, y hagamos algunas medidas y algunas cuentas.

Midamos la tensión de línea, entre fases, 380 V, y entre fase y neutro, 220 V.

La corriente en cada conductor de línea es 10 A, cual es la potencia absorbida por el motor?

La potencia de cada fase es la tensión fase neutro por la correspondiente corriente.

El total, siendo la carga trifasica es

Al mismo resultado se llega si se utiliza la tensión compuesta 380 V y el factor 1.73 (raíz cuadrada de 3)

No hemos escrito W, por que?, si leemos el medidor de energía en dos momentos sucesivos tendremos el consumo de energía, y conociendo el tiempo podemos determinar la potencia.

Leemos 5.280 kilowatthora, en una hora, corresponden 5280 Watt. La potencia activa (real) es esta, 5280 W, es la que en el motor produce trabajo efectivo en el eje, y calor en los arrollamientos (efecto Joule). La potencia de 6600 VA es la aparente, y relacionándola con la anterior se determina el cosenofi.

La potencia reactiva se determina en base al senofi, que es 0.6 cuando el cosenofi es 0.8, entonces

Con todos estos valores se puede construir un triángulo, llamado triángulo de potencias.