ANTOLOGÍA

ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

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TIPOS DE SUBESTACIONES ELECTRICAS

Con este nombre, se conoce la sección, departamento o local de una factoría o empresa, que requiere para su servicio eléctrico el suministro, por parte de la Compañía de Luz, de energía con voltaje superior a 750 volts, por lo cual, se hace indispensable la instalación especial apropiada, de acuerdo con las normas establecidas por la Dirección General de Electricidad.

Hay varios tipos de subestaciones que podemos dividir así:1. Subestaciones de alta tensión intemperie.2. Subestaciones de alta tensión interior de tipo abierto.3. Subestaciones de alta tensión tipo cerrado o compactas.

Cualquiera que sea el tipo de ellas, las subestaciones constan de las siguientes secciones:

a). Entrada de la corriente de la Compañía de Luz y Fuerza, por medio de cables apropiados y mufas, que son unas piezas de hierro fundido en que se alojan las conexiones de los cables, rellenas de una pasta especial llamada compound, que sirve para proteger los cables de las Inclemencias del tiempo y la humedad (la forma de empalmar, aislar y colocar mufas, la trataremos en la parte correspondiente a empalmes de cables), pues aunque de momento parece fácil, este trabajo es muy delicado y para hacerlo debe observarse la técnica apropiada.

b). La instalación del equipo de medición de la Compañía de Luz y Fuerza, cuyos componentes pueden ser de varios tipos, utilizándose en la actualidad, sobre todo para subestaciones de tipo de gabinetes, el equipo compacto de medirían.

c). Sección de comprobación, en la cual se alojan los juegos de cuchillas desconectadoras, que servirán para que tanto la Cía. de Luz y Fuerza como los inspectores de la Dirección General de Electricidad verifiquen comprobaciones del servicio eléctrico en general.

d). Sección en que se aloja el interruptor de alta tensión. e). Sección para colocar el transformador o los transformadores que

alimentarán el servicio.f). Sección destinada al interruptor de baja tensión. Estas son las partes principales de una subestación, cuyo diagrama vnifilar vemos m seguida y cuyas secciona están marcadas con las letras A, B, C, D, E.

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Como accesorios adicionales de las subestaciones, se deberán tener:1. La instalación de un cable conectado a tierra por medio de una varilla copperweld.2. Una coladera de drenaje.3. Una tarima con las medidas reglamentarias, provistas de un tapete de hule,4. Una pértiga reglamentaria para el voltaje de la subestación.5. Un juego de guantes de goma especial para alta tensión.6. Un extinguidor de espuma.7. La subestación deberá tener ventilación natural, para lo cual, en la puerta y ventanas, hay que colocar una malla de alambre8. Las dimensiones del local en cuanto a altura y espacio, serán las adecuadas de acuerdo con la Ley de la Industria Eléctrica, para contener en su interior las instalaciones y aparatos descritos.

A la entrada de la subestación deberá colocarse un Aviso de peligro, debiendo permanecer cenada, permitiéndose el acceso sólo a personas autorizadas para ello.

TRANSFORMADORES

Un transformador sencillo consiste de dos devanados muy compactos acoplados entre sí, por lo general con un núcleo de hierro, pero aislados entre sí. El embobinado al cual se aplica una fuente de voltaje de ca se le llama el primario. Genera un campo magnético que enlaza las vueltas de la otra bobina, llamada el secundario y genera un voltaje en ella. Los embobinados no están físicamente conectados entre sí. Sin embargo, están acoplados magnéticamente el uno al otro. Por consiguiente un transformador transfiere potencia eléctrica de una bobina a la otra por medio de un campo magnético alternante.

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Suponiendo que todas las líneas magnéticas de fuerza del primario cortan todas las vueltas del secundario, el voltaje inducido en el secundario dependerá de la relación del número de vueltas en el secundario al número de vueltas en el primario. Esto se expresa en forma matemática como Es = (Ns/Np) Ep. Por ejemplo si hay 1000 vueltas en el secundario y sólo 100 vueltas en el primario, el voltaje inducido en el secundario será 10 veces el voltaje aplicado en el primario (1000/100 = 10). Como hay más vueltas en el secundario que las que existen en el primario, al transformador se le llama transformador elevador. Por otro lado, si el secundario tiene 10 vueltas y el primario tiene 100 vueltas el voltaje inducido en el secundario será un décimo del voltaje aplicado al primario (10/100 = 1/10). Como hay menos vueltas en el secundario que las que existen en el primario a este transformador se le llama transformador reductor. Se muestra a continuación el símbolo de transformador.

Para encontrar cualquier incógnita en un transformador use la fórmula Ep/Es = Is/Ip = Np/Ns y multiplique en forma cruzada para determinar la información requerida.

La corriente en el secundario de un transformador fluye en dirección opuesta a la que fluye en el primario a causa de la fem de inducción mutua. También se induce una fem de autoinducción en el primario la cual está en oposición a la fem aplicada.

Cuando no está presente la carga en la salida del secundario, la corriente del primario es muy pequeña porque la fem de autoinducción es casi tan grande como la fem aplicada. Si no hay carga en el secundario, no existe corriente en el secundario pero hay un flujo pequeño de corriente en el primario causando pérdidas en el transformador. Como no existen campos causados por flujo de corriente en el secundario, se desarrollará a su intensidad máxima el campo magnético del primario. Cuando el campo del primario está a su intensidad máxima produce la fem de autoinducción más grande posible

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y ésta se opone al voltaje aplicado. La diferencia en la fem de autoinducción y la fem aplicada causa que fluya una contente pequeña en el primario y ésta es la corriente de excitación o magnetización que causa las pérdidas del transformador.Como cualquier corriente que fluye en el secundario se opone a la corriente en el primario, también están opuestas las líneas de flujo. Cuando se conecta una carga en el secundario, causando el flujo de corriente, produce una reducción en el flujo total (flujo del primario-flujo del secundario) la cual reduce el encadenamiento de flujo del primario. La reducción en las líneas de flujo reduce la fem de autoinducción y permite que fluya más corriente en el primario. Por consiguiente, a más corriente en el secundario, mayor corriente en el primario.

Un transformador no genera potencia eléctrica. Simplemente transfiere la potencia eléctrica de una bobina a otra por inducción magnética. Aunque los transformadores no son 100% eficientes (sin pérdidas), casi lo son. (Un poco más adelante conocerá algo con respecto a las pérdidas en transformadores.) Por consiguiente un transformador se puede definir como un dispositivo que transfiere potencia de un circuito primario a su circuito secundario con pocas pérdidas.

Por lo general, los transformadores se especifican en volt-amperes en vez de watts porque deben manipular la corriente total no importando cuál es la fase como la potencia es Igual al voltaje por la corriente, si EpIp representan la potencia del primario y EsIs representan la potencia del secundario, entonces EpIp = EsIs. Si los voltajes del primario y secundario son iguales, también deben ser iguales las corrientes del primario y del secundario.

Suponga que E es dos veces«mayor que Es. Entonces, para que EpIp

sean igual a EsIs, Ip debe ser igual a la mitad de Is. Por consiguiente, un transformador que reduce el voltaje debe elevar la corriente.

En forma similar, si Ep sólo es la mitad de Es, Ip debe ser el doble de Is. Así un transformador que eleva el voltaje debe disminuir la corriente.Los transformadores se clasifican como reductor o elevador con referencia a sus efectos solo en el voltaje.

Construcción del transformador

Los transformadores diseñados para operar a frecuencias bajas (transformadores de potencia) tienen sus bobinas, llamados devanados, embobinados sobre núcleos de hierro. Como el hierro ofrece muy baja resistencia a las líneas magnéticas, casi todo el campo magnético del primario fluye a través del núcleo del hierro y enlaza al secundario.

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Los núcleos de hierro se construyen de tres tipos principales —de núcleo abierto, de núcleo cerrado y de núcleo acorazado—. El núcleo abierto es el menos costoso para construir porque el primario y el secundario se embobinan sobre un núcleo cilíndrico. La trayectoria magnética es parte a través del núcleo, parte a través del aire. Como la trayectoria del aire se opone al campo magnético, la interacción mag-nética o encadenamiento está debilitada. Por consiguiente, el transformador de núcleo abierto es ineficiente y nunca se usa para transmisión de potencia.

El núcleo cerrado mejora la eficiencia del transformador ofreciendo más trayectorias de hierro y menor trayectoria de aire para el campo magnético, incrementando así el encadenamiento o acoplamiento magnético. El núcleo acorazado incrementa más el acoplamiento magnético y por consiguiente la eficiencia del transformador porque proporciona dos trayectorias magnéticas en paralelo para el campo magnético. Entonces permite acoplamiento máximo obtenible entre el primario y el secundario.

AUTOTRANSFORMADOR

Definición: Un autotransformador es un dispositivo eléctrico estático que:1. Transfiere energía de ciertas características de un circuito a otro con

características diferentes, por conducción eléctrica e inducción elec-tromagnética.

2. Lo hace manteniendo la frecuencia constante.3. Tiene un circuito magnético y, a diferencia del transformador, sus

circuitos eléctricos están unidos entre sí.

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CIRCUITO EQUIVALENTEPor el número de fases, los autotransformadores se fabrican:1. Monofásicos.2. Trifásicos.

Autotransformador monofásico. Conexiones de autotransformadores trifásicos.

a) Conexión delta.b) Conexión estrella

APLICACIÓN DEL AUTOTRANSFORMADOR1. Arranque de motores de inducción a voltaje reducido. 2. Interconexiones de líneas de transmisión con relaciones de

voltajes no mayores de 2 a 1. 3. Como regulador de voltaje limitado. 4. En bancos de tierra.

FACTURA DE CONSUMO DE ENERGIA

El dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica es el kilowatt-horímetro que, por lo general, se instala en todas las casas habitación y del cual representantes de la empresa eléctrica de suministro, en el caso de la República Mexicana, por elementos de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), toman lecturas mensual o bimestralmente. El cobro de la energía consumida se hace sobre la base de la diferencia entre cada dos períodos de lectura, por ejemplo supóngase que la lectura actual es un kilowatthorímetro es de 2 850 y

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en la lectura anterior se midió 2 340, entonces el cargo por consumo de energía eléctrica se hace sobre la diferencia de las lecturas, es decir:

Consumo = 2850 - 2 340 = 510 kwhPor lo general, los kilowatthorímetros tienen cuatro carátulas como se muestra en la figura 1.20.

Los kilowatthorímetros se leen de izquierda a derecha, las carátulas primera y tercera se leen en sentido contrario a las manecillas del reloj, en tanto que la segunda y cuarta se leen en el sentido de las manecillas del reloj.La lectura que se mide está determinada por el último número que la aguja ha pasado por cada carátula. Por ejemplo en la figura anterior, en la primera carátula el primer número pasado es el 4, en el segundo la aguja está en el 4 pero no lo ha pasado aún, por lo que se toma como lectura 3, en la tercera carátula el número pasado es 8 y en la cuarta el 1. por lo que la lectura tomada es: 4 387 kwh.

TABLEROS ELÉCTRICOS

Tablero de distribuciónEs aquél que alimenta, protege, interrumpe, mide y transfiere

circuitos primarios.

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ClasificacionesLos tableros pueden ser de alta tensión y de baja tensión. Tablero de

baja tensión. Un tablero de baja tensión es el que trabaja a una tensión no mayor de 1.000 volts de corriente alterna o a no más de 1,500 volts de corriente continua.

Las tensiones nominales de corriente alterna para tableros de baja tensión son: a) 120 volts b) 240 volts c) 480 volts d) 550 volts

Las tensiones de tableros de baja tensión para corriente continua son:a) 125 volts b) 250 volts c) 550 volts

Las corrientes nominales para tableros de baja tensión en corriente alterna o corriente continua son las siguientes:600 amp 3,000 amp1.200 amp 4.000 amp2.000 amp 5.000 amp

Tablero de alta tensión. Tablero de alta tensión es aquel que trabaja a una tensión mayor de 1,000 volts de corriente alterna o mayor de 1,500 volts de corriente continua.

TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CENTROS DE CONTROL

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Todos los motores eléctricos deben tener un medio de arranque y paro y de accionar la carga. Los controladores para los motores industriales pueden ser arrancadores manuales o arrancadores magnéticos.El uso de arrancadores manuales representa la forma más sencilla de parar y arrancar un motor. La alimentación se conecta al arrancador en serie a través de los conductores de los contactos del motor. Los arrancadores magnéticos se pueden controlar por acciones de presión, de temperatura, de luz o de estaciones de botones de arranque-paro. Esta variedad de dispositivos de control es la que permitió el arranque y paro de los motores cuando se introdujeron los motores eléctricos en la industria hacia finales de los 1800's. Su arranque y paro se hacía por medio de un simple desconectador (switch) de navaja, este tipo de desconectador fue popular durante un cierto tiempo, pero fue eventualmente descontinuado como medio

a) Cuando las navajas del desconectador están en la posición de abiertas, tienen partes vivas expuestas, las cuales representan un riesgo eléctrico para el operador.

c) La velocidad de apertura y cierre de los contactos está determinada únicamente por el operador, adicionalmente es muy vulnerable a problemas de suciedad y humedad, de modo que los arcos eléctricos presentes durante las maniobras de apertura y cierre, ocasionan que se haga más frecuente el mantenimiento y eventual reemplazo.

d) El tercer problema que se relaciona con los desconectadores (switch) tipo navaja, es el material del que están hechas, que en la mayoría de los casos es de cobre suave, de modo que después de repetidos arcos eléctricos que generan calor y fatiga mecánica, hacen que sea necesario reemplazarlas.

MEJORIAS MECANICASEn la medida que la industria demandó más motores eléctricos hacia principios de este siglo, fue necesario efectuar algunas mejorías sobre los desconectadores de navaja para hacerlos más aceptables como controladores. Inicialmente el switch de navaja fue encerrado en una caja de acero para protegerlo y se adicionó una manija aislada externa para proteger al operador. También se agregó un resorte de operación en la manija para asegurar una apertura y cierre rápidos. Aún con estas mejorías, el switch (desconectador) de navaja tiene problemas con la navaja y las mandíbulas donde se asientan

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También se agregó un resorte de operación en la manija para asegurar una apertura y cierre rápidos. Aun con estas mejorías, el switch (desconectador) de navaja tiene problemas con la navaja y las mandíbulas donde se asientan la navajas, ya que tienen una vida mecánica corta si se usan como controladores.

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LOS CONTACTORES MANUALES

Otra razón importante para una reducción sustancial en el uso de los desconectadores tipo navaja como controladores directos fue el desarrollo de los llamados contactores de doble contacto de apertura, con lo que se logró una capacidad de contacto mayor (capacidad de corriente) en un espacio menor que los dispositivos diseñados con contactos de apertura sencilla.Si los contactos de doble corte o apertura son normalmente abiertos (NO), se forzan contra los contactos fijos para completar el circuito eléctrico. Cuando el contacto manual es desenergizado, los contactos móviles se forzan para retirarse de los contactos fijos y el circuito se abre otra vez. Cuando se emplean contactos normalmente cerrados (NC), si se usan contactos de doble interrupción o corte, el procedimiento se invierte. Otro aspecto que ha contribuido a ser popular el uso de los contactores es la introducción de nuevas aleaciones de metales, como se ha mencionado en los switch de navajas, debido a que están construidos de cobre suave. En los contactores, la mayoría de los contactos son de plata con aleación de cadnio o de óxido de cadnio, que lo hace resistente a los arcos eléctricos y tiene además una buena resistencia mecánica.Se debe puntualizar claramente que hay una diferencia entre los contactores manuales y los arrancadores manuales.

Un contacto manual es un dispositivo que abre y cierra manualmente cualquier circuito eléctrico. Los arrancadores manuales se usan únicamente en los circuitos de motores. Una diferencia primaria entre un contactor y un arrancador es la adición de una segunda componente llamada "La protección contra sobrecarga". El arrancador consiste de un contactor y un dispositivo de protección contra sobrecarga, esto es debido a que las normas técnicas para instalaciones eléctricas establecen como requisito que un arrancador

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no sólo sirva para arrancar y parar un motor, también debe proporcionar protección para evitar que se dañe bajo situaciones de sobrecarga o de rotor bloqueado.

Se presenta una situación de rotor bloqueado cuando un motor se sobrecarga en forma tal que el eje del rotor no puede girar. En estas condiciones, el motor demanda una corriente excesiva y se puede llegar a quemar si no se desconecta de la alimentación. El trabajo del dispositivo de protección contra sobrecarga es sensar esta condición y abrir el circuito.

La protección contra sobrecarga es necesaria debido a que los fusibles o el interruptor termomagnético están ajustados para soportar de 6 a 8 veces la corriente nominal o de operación y, entonces, es posible que el motor opere una carga tal durante su operación que no demande suficiente corriente como para fundir los fusibles o disparar el interruptor; pero que sea suficientemente grande como para producir suficiente calor que pueda dañar al motor. De hecho se estima que por 1°C de elevación sobre la temperatura ambiente normal, se reduce la vida esperada en casi un año. La temperatura ambiente es la temperatura del aire que rodea al motor y un valor normal considerado es 40°C.

Uno de los métodos más populares para proporcionar protección contra sobrecarga es por medio de relevadores de sobrecarga con aleaciones que se funden. Como se ha mencionado antes, el calor es el producto final que puede destruir el motor. Para ser efectivo, el relevador de sobrecarga debe medir la temperatura del motor. Dado que el relevador de sobrecarga se encuentra normalmente a cierta distancia del motor, el relevador de sobrecarga debe, indirectamente, monitorear las condiciones de temperatura del motor.

Para monitorear efectivamente el calor generado por la corriente excesiva y el calor creado por medio de la elevación de la temperatura ambiente, se usa un dispositivo conocido como "bobina térmica" en combinación con medios sensores.

Contacto Magnético

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Contacto Magnético

Cámara de Arqueo

SELECCIÓN DE LOS ARRANCADORES MANUALESDE CORRIENTE ALTERNA

Los técnico-electricistas pueden tener la necesidad de seleccionar arrancadores para nuevas instalaciones, o bien reemplazar a los de las instalaciones existentes, en ambos casos, se deben especificar ciertas características de los arrancadores para hacer la selección apropiada. Para llegar a un criterio apropiado de selección se deben considerar los siguientes aspectos:

a) Aplicaciones generales de los contactores y arrancadores manuales.

Monofásicos:

• Para los motores monofásicos de 1 HP o menores, donde no se requiere protección de bajo voltaje.

• Para los motores monofásicos que no tienen una alta frecuencia de operación.

Trifásicos: Los motores trifásicos de 7.5 HP y menores que operan a 220 V o

los de 10 HP o menores que operan a 440/550 V. Los motores trifásicos donde no se requiere la protección de bajo

voltaje.

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Los motores trifásicos que no requieren de una alta frecuencia de operación.

Los gabinetes proporcionan protección mecánica y eléctrica para el operador y para el arrancador. Aun cuando "los gabinetes están diseñados para proporcionar protección en una variedad de situaciones (agua, polvo, aceite, humedad y lugares peligrosos), el alambrado eléctrico interno y la construcción física del arrancador permanecen igual.

LA ACCION DEL SOLENOIDE

Un solenoide, técnicamente, es un simple electroimán que consiste de una bobina de alambre y una fuente de voltaje. Sin embargo, para aplicaciones prácticas, el solenoide se puede combinar con una armadura móvil, la cual transmite la fuerza creada por el solenoide hacia alguna función útil. Debido a que un solenoide puede ser usado en una variedad de aplicaciones, el término mismo puede causar confusión, a menos que la aplicación del propio solenoide añada un término más que clarifique la aplicación, como por ejemplo: "válvula de solenoide” ,switch de solenoide", etc.

TIPOS DE SOLENOIDES

Aún cuando todos los solenoides operan bajo el concepto de atracción y repulsión electromagnética, de la forma en cómo están mecánicamente construidos pueden resultar diferentes aplicaciones y características de operación.

Existen cuatro tipos básicos de construcción de los solenoides: El tipo placa, el tipo campana, el tipo acción vertical y el tipo acción horizontal.

En el solenoide tipo placa, la armadura se desplaza en un punto pivote. En la medida que el voltaje es aplicado a la bobina, el efecto magnético producido en el conjunto jala a la armadura a una posición cerrada, de manera que se dice que queda cerrada.

En el solenoide tipo campana se usa un mecanismo de leva asociado a la armadura para transformar la acción vertical de ésta en movimiento horizontal. El uso de este mecanismo de leva, previene que el impacto de la armadura al arrancar sea absorbido por el propio mecanismo y no sea transmitido al final de la leva. Esto puede ser muy benéfico cuando se requieren movimientos suaves y firmes en ciertos controles.

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El solenoide de tipo acción vertical usa también un ensamble mecánico, pero transmite la acción vertical de la armadura en un movimiento en línea recta en la medida que la armadura es jalada.

El solenoide tipo horizontal es un dispositivo de acción directa, el movimiento de la armadura mueve la fuerza resultante en una línea recta. cste solenoide es del tipo más común.

Existe otro tipo de solenoide que es el que emplea únicamente un cilindro de hierro que se mueve. Su principio se basa en que, si una barra de hierro que se mueve libremente, se coloca dentro de una bobina eléctrica, la barra tiende a igualar o se alinea por sí misma dentro de la bobina cuando circula una corriente por ella. Si la barra y el solenoide son de igual longitud, una corriente producirá que la barra se centre por sí misma, de manera que los extremos de la misma queden alineados con los extremos del solenoide. En tal dispositivo, se usa un resorte para mover la barra a una distancia corta de su posición centrada en la bobina.Cuando la corriente se hace circular, la barra se mueve en sentido contrario a la tensión del resorte, para centrarse por sí misma. Cuando se interrumpe la corriente, el resorte regresa a la barra o su posición fuera del centro. Por lo tanto, el movimiento de la barra se puede usar para operar cualquier número de dispositivos mecánicos, como los de las válvulas de solenoide.

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CONEXIONES

Conexiones clásicasLas conexiones usuales en los diferentes tipos de subestaciones se

pueden dividir en dos grupos: conexiones para subestaciones elevadoras (grupo planta generadora-subestación), y conexiones para subestaciones receptoras o de enlace.

Conexiones para subestaciones elevadorasEntre las conexiones que más frecuentemente se usan en

subestaciones elevadoras podemos mencionar las siguientes:

Conexión directa a barrasEn la conexión directa a barras se encuentran uno o varios generadores conectados directamente al bus por medio de interruptores; desde luego, como no se dispone de transformadores, las líneas operan a las tensiones nominales de generación, 4.16, 6.6, 13.8 o 14.2 KV y se emplean para distribución urbana.

Conexión bloque o unidad

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Cuando los generadores se encuentran conectados al bus con un trans-formador de por medio, entonces se dice que cada generador forma con cada transformador una unidad o bloque por lo que a esta conexión se le conoce como bloque o unidad. Conexión para alimentación a dos tensiones mayores que la tensión de generación

En estos casos se recomienda el uso de transformadores con devanado terciario, que resulta más económico que el empleo de dos transformadores de dos devanados; además este tipo de conexión requiere de menor cantidad de equipo auxiliar.

En capacidades relativamente altas y que requieran continuidad en el servicio es recomendable emplear dos o más transformadores (con devanado terciario) en paralelo con objeto de dividir la carga.

Conexión con bus seccionado

En los casos en que la potencia de los generadores es grande, con objeto de dividir la carga y de limitar el valor de las corrientes de cortocircuito el bus de acoplamiento de los generadores se secciona en dos o más partes (dependiendo el número de partes de la capacidad y número de generadores).

Las partes de bus seccionadas con el propósito de que se puedan hacer intercambios de energía, en ciertos casos se interconectan por medio de interruptores de amarre, que normalmente están abiertos.

La conexión de bus seccionado se emplea también para alimentación de servicios propios de una planta.

Conexión con doble barra (doble bus)Los sistemas importantes requieren que se mantenga la continuidad del servicio. El sistema de doble barra permite que se alimente por una barra y se tenga otra de reserva para los casos de reparación o mantenimiento de aisladores de la barra principal (transferencia). El sistema de doble barra permite también dividir la corriente cuando se tienen varios generadores operando en paralelo ya que algunos pueden operar sobre la barra de transferencia y otros sobre la de reserva. Con esto se logra dividir la corriente normal y en caso de falla disminuir las corrientes de cortocircuito -y, en consecuencia evitar grandes esfuerzos.

Conexión con doble barra (doble bus) e interruptor de amarreEn los casos en que sea necesario pasar de una barra a otra sin

interrumpir el servicio, o alimentar por cualquiera de las líneas de salida (o llegada) sin interrupciones, al sistema de doble barra se le adapta un interruptor de amarre entre las dos barras.

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Las conexiones para subestaciones receptoras son en general las mismas que para las subestaciones elevadoras.

CENTROS DE CARGA

Los centros de carga representan el centro nervioso de los centros de distribución y contienen los dispositivos de protección contra sobrecorriente que protegen a las componentes de sobrecargas o corto circuito. Para esto, antes de continuar se deben comprender los conceptos de carga conectada y demanda en la carga.

Una lista de las cargas conectadas representa la suma de todas las que están conectadas al tablero o al centro de carga, y no toma en consideración si las mismas sólo operan en forma temporal o si van a estar utilizadas a su plena capacidad.

Por otro lado, la demanda en la carga considera la naturaleza temporal de la carga, así como la demanda máxima para cada concepto en la carga, como son: contactos y equipo de cocina (en su caso). La demanda en la carga se usa

en la selección de tableros y centros de carga, debido a que representan los valores máximos transportados por los equipos.

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Las CARGAS COnectadas se agrupan frecuentemente en vanas clases generales, como son:

CLASE DE CARGAS CONECTADAS:

• Alumbrado.• Contactos.• Motores de aire acondicionado (temporales).• Motores.• Cocinas.• Calefactores eléctricos (temporales).• Calentadores eléctricos de agua.• Otras cargas.

Estas clases representan las cargas totales para cada categoría, incluyendo cargas alimentadas directamente del tablero o centro de carga, así como subalimentadores a cargas alimentadas directamente del tablero, sin descuidar las cargas a futuro.

Tomando como referencia las cargas conectadas, la demanda en la carga se puede preparar a partir de la siguiente información:

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DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN

El alma de cualquier instalación eléctrica la constituyen los conductores; por tanto, deben existir en cualquier instalación eléctrica dispositivos de seguridad que garanticen que la capacidad de conducción dé corriente de los conductores no se exceda. Una corriente excesiva, también conocida como sobrecorriente (algunas veces también corriente de falla), puede alcanzar valores desde una pequeña sobrecarga hasta valores de corriente de cortocircuito dependiendo de la localización de la falla en el circuito.

Cuando ocurre un cortocircuito las pérdidas Rl2 se incrementan no-tablemente de manera que pocos segundos se pueden alcanzar tempe-raturas elevadas tales que puedan alcanzar el punto de ignición de los aislamientos de los conductores o materiales cercanos que no sean a prueba de fuego, pudiendo ser esto peligroso hasta el punto de producir incendios en las instalaciones eléctricas.La protección contra sobrecorrientes asegura que la corriente se interrumpirá antes de que un valor excesivo pueda causar daño al conductor mismo o a la carga que se alimenta

Formas generales de protección.

1. Fusibles.2. Apartarrayos.3. Hilos de guarda.4. Aislamientos.5. Ventilación.6. Sistemas de tierra.7. Protección física.8. Protección por relevadores.

a) ¿Qué es protección?Un sistema de protección tiene como finalidad proveer a la

humanidad de energía eléctrica mediante un grupo de aparatos o máquinas que convierten esta energía en movimiento, luz, calor, etc., indispensables en la vida moderna.Todo sistema eléctrico está formado por partes creadas por el hombre y por tanto está sujeto a fallas.El conjunto de aparatos y sistemas puestos al servicio del sistema eléc-trico, que vigilan que se cumpla adecuadamente el propósito para el que fue creado, es lo que se conoce como protección. La protección evita fallas y disminuye los efectos de éstas.

b) ¿Cómo evita fallas la protección?

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Con aislamientos adecuados se mantiene en operación correcta el sistema, evitando que agentes externos intervengan y puedan alterar su buen funcionamiento; dando distancias y capacidades apropiadas se pueden evitar fallas debidas a agentes internos.

Dotando de un sistema de ventilación efectivo al equipo eléctrico, se expulsa la energía térmica nociva acumulada; conexiones de partes metálicas al sistema de tierras, así como señales y herramientas adecuadas, evitan fallas y accidentes.

Cómo la protección disminuye los efectos de las fallasLos pararrayos son aparatos que disminuyen los efectos de sobre

tensiones creadas en el sistema interior por agentes exteriores e interiores, como las descargas atmosféricas y la operación de interruptores, desviando sus efectos hacia la tierra.

Los hilos de guarda y mástiles son sistemas de protección con finalidad semejante. Los interruptores y fusibles llevan en sí cierta capacidad interrumpida, por lo que pueden desligar una parte del sistema que ha sido afectada por una falla, disminuyendo así los estragos que pudiera ocasionar.

Debido a su elemento térmico, los fusibles se funden al ocurrir una falla y en esta forma se aísla la falla. En cambio los interruptores deberán recibir la señal de apertura de relevadores que detecten la falla, y por esta razón un interruptor sin relevadores no es más que un aparato para abrir o cerrar con carga.

Como se verá, el uso de relevadores es sólo uno de tantos sistemas de protección.

Como el estudio de otros sistemas, se ha particularizado en anteriores capítulos, ahora nos extenderemos sobre protección con relevadores.

Protección con relevadores eléctricosTodo sistema eléctrico debe estar protegido mediante uno o varios

sistemas que sean prácticos.Para que un sistema fuera protegido en forma perfecta tendrían que

usarse protecciones de protecciones, ya que el sistema de protección puede fallar también; sin embargo, desde un punto de vista práctico y económico no se puede llegar más que a ciertos límites establecidos por los relevadores generalizados que se fabrican en forma normal. A medida que se descubren métodos más seguros, se abandonan los que resultan ser complicados y costosos.

Las características esenciales de un sistema eléctrico son voltaje, corriente, frecuencia, fase, polaridad, potencia, factor de potencia, etc., las cuales se alteran al suceder una falla en el sistema.

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Los relevadores tienen conocimiento de una o varias características y están arreglados para mantenerse inactivos mientras éstas no varían. Al ocurrir una falla, el relevador detecta y selecciona la característica del sistema que le conviene y actúa sobre otro sistema aparte cerrando o abriendo algún contacto que pertenezca al circuito de apertura o cierre del interruptor que corresponda para el aislamiento de la falla de la parte del sistema donde se creó. Así, por ejemplo, un relevador de sobrecorriente actúa sobre un contacto del circuito de disparo de un interruptor de una línea, cuando las condiciones de corriente de esta línea pasa de ciertos límites o varían entre ciertos valores indeseables. Si hay una inversión de potencia en una región de un sistema y se tienen colocados relevadores de potencia directa clonar éstos, debido al acoplamiento de sus bobinas de corriente y potencial, actúan sobre un contacto que cierra el circuito de apertura de un interruptor para cortar la comunicación indeseable.

Hay un elemento intermedio entre los relevadores y el sistema por proteger; se trata de los transformadores de instrumento, que son de dos clases: transformadores de corriente y transformadores de potencial. La existencia de este eslabón es necesaria debido a las elevadas corrientes y los altos voltajes de los sistemas que hay que proteger, y no sería práctico que los relevadores fueran diseñados para soportar esos voltajes y esas corrientes. Con el fin de normalizar el voltaje y la corriente de los relevadores, se ha llegado poco a poco a establecer un voltaje de 120 volts para los elementos de potencial y 5 amperes para los elementos de corriente de estos aparatos protectores.Si un circuito, por ejemplo, lleva 500 amperes, a 7,200 volts los transformadores y instrumentos deberán ser de una relación 500/5 amperes y 7,200/120 volts, o sea 100:1 y 60:1.1. Rotor, donde se alojan las bobinas por las que circula corriente con-

tinua y que crea el campo magnético giratorio al ser accionado por el primo motor.

2. Estator, por cuyo devanado circula la corriente producida por induc-ción; este devanado se conecta a la red a donde se envía la corriente eléctrica.

Como en la mayoría del equipo eléctrico, la parte más delicada del alternador la constituyen los aislamientos, que están sometidos a esfuerzos mecánicos y eléctricos como:Fuerzas centrífugas sobre los conductores del rotor, vibraciones de los conductores debido a las vibraciones del campo magnético, esfuerzos sobre los conductores por los cambios de temperatura, envejecimiento de los conductores debido a los efectos del calentamiento. Entre los de orden eléctrico se tienen: esfuerzos por sobretensiones atmosféricas y esfuerzos por fallas internas. Los devanados del estator y el rotor son susceptibles a las siguientes fallas:

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a) Estator—Corto circuito entre fases (dos o más fases) o de fase a tierra. —Corto circuito entre espiras de una misma bobina. — Sobré tensiones. — Sobrecargas. — Desequilibrio de cargas.

b) Rotor— Falla a tierra sobre el devanado de excitación. — Apertura accidental del devanado de excitación.

Protección de transformadores de potencia'El transformador, por ser una máquina estática, tiene menos

problemas que un generador, ya que prácticamente no existen esfuerzos mecánicos.

No obstante, el transformador tendrá que estar protegido contra fallas externas e internas.

Fallas externas

— Corto circuitos.— Sobretensiones por fallas del sistema. — Sobrecargas. — Sobretensiones de origen atmosférico.Fallas internas— Corto circuitos entre espiras o a tierra. — Fallas entre espiras y núcleo magnético. — Rotura de bobinas.

Protección por sobrecorriente. Un sistema de protección por sobrecorriente es una multiplicidad de coordinación de aparatos individuales que pueden resumirse en tres tipos fundamentales:

1. Fusibles.2. Aparatos con disparo de acción directa.3. Relevadores.

1. Fusibles.Los fusibles son aparatos operados térmicamente, que combinan las

funciones de detección de fallas e interrupción de circuitos; no son ajustables, su operación es relativamente lenta en valores moderados de corto circuito y son menos exactos que los relevadores, pero se comparan con los interruptores de disparo de acción directa en bajos voltajes y altas corrientes. Básicamente existen dos tipos de fusibles:a) Limitadores de corriente. b) Normales o estándar.

2. Aparatos con disparo de acción directaUn aparato con disparo de acción directa es aquel en que el

interruptor es accionado por medio de un mecanismo, cuando la corriente de corto circuito alcanza valores predeterminados. Los aparatos de acción directa pueden ser operados por:

a) Una armadura atraída por la fuerza electromagnética creada por la

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corriente que circula a través de una bobina de disparo. b) Un elemento bimetálico actuado por el calor generado por la corriente de falla.

A este tipo de aparatos pertenecen los interruptores termomagnéticos y los interruptores electromagnéticos.

3. Relevadores.Según la ASA C 37-1, un relevador es un dispositivo que provoca un

cambio brusco en uno o más circuitos eléctricos de control, cuando la cantidad o cantidades medidas a las cuales responde cambian de una manera predeterminada.

Para obtener una eficiente protección se deben tener en cuenta los siguientes principios:a) Seguridad. b) Selectividad. c} Rapidez. d) Simplicidad. e) Economía.I os relevadores se dividen en cuatro grupos:a) De protección. b) Auxiliares. r1 Reguladores. ^ Verificadores.

a) Relevador de protección. La función de este relevador es la de detectar fallas en líneas o aparatos, o bien otro tipo de condiciones indeseables, e incitar o permitir una apropiada desconexión al dar una, adecuada señal de iluminación. Estos relevadores se llaman de ^alta velocidad" cuando su tiempo de operación no excede de tres ciclos en frecuencias de 60 c.p.s., y de "baja velocidad" cuando operan en más de tres ciclos.

b) Relevador auxiliar. El relevador auxiliar es usado para asistir en el desarrollo de sus funciones a los relevadores de protección, como respaldo. El uso de relevadores auxiliares en ayuda de los relevadores de protección puede agruparse en tres clasificaciones generales.1. Energizar circuitos de control múltiple.2. Proporcionar la capacidad de los contactos para circuitos de control

que necesitan corrientes de mayor intensidad que las que pueden manejarse con seguridad.

3. Proporcionar flexibilidad a los arreglos de los contactos.

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c) Relevador regulador. Es un regulador cuya función es detectar la variación no deseada de la cantidad medida o variable controlada y restaurar la cantidad dentro de los límites deseados o establecidos con anterioridad.

d) Relevador verificador. Es aquel cuya función es verificar las condi-ciones del sistema de fuerza con respecto a límites prescritos, indicando operaciones automáticas o permitiéndolas, además de abrir un interruptor durante las condiciones de falla.

Los relevadores y otros aparatos para protección de corto circuito, excepto fusibles y elementos de acción térmica en interruptores de bajo voltaje, se basan fundamentalmente en dos principios de operación:1. Atracción electromagnética.2. Inducción electromagnética.

Relevador de Tiempo Impulsado

Relevador Térmico

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Relevador Magnético

Operación de los relevadores

La operación de los relevadores, cualquiera que sea su tipo, se debe determinar con estudios preliminares y ajustes en el campo. Los diferentes tipos de operación de los relevadores son:

1. Correcta y deseada.2. Correcta, pero indeseada.3. Disparo incorrecto.4. No dispara.

CANALIZACIONES ELECTRICAS

Se entiende por canalización eléctrica el artefacto o dispositivo empleado en una instalación eléctrica para llevar y contener los conductores eléctricos, de manera que estén protegidos contra deterioro mecánico y también para que, en caso de corto circuito, el arco o flama producida no se transmita y provoque incendio. También evita accidentes, puesto que los conductores eléctricos no se pueden tocar.A continuación se describen los principales tipos de canalización eléctrica conocidos actualmente:1. Tubo conduit de acero esmaltado de pared gruesa. Este tipo de 1 tubo se fabrica en acero suave en tramos de 3.05 metros ( lO pies de l longitud), con cuerda en sus extremos y un cople. Está protegido l interior y exteriormente con esmalte, a fin de que durante su l instalación no se oxide, pero no se recomienda para uso a la intemperie ni en lugares permanentemente húmedos. Este tubo tiene suficiente resistencia mecánica para soportar manejo rudo. Se utiliza tanto en instalaciones visibles como ocultas.2. Tubo conduit de acero galvanizado de pared gruesa. Este tubo tiene las mismas características que el tipo anterior, excepto que el acabado es galvanizado y se puede utilizar en instalaciones intemperie y en lugares permanentemente húmedos.13. Tubo conduit de acero galvanizado de pared delgada. El espesor de la pared de este tubo es aproximadamente la mitad del tubo de pared gruesa, y por lo tanto, no se le puede hacer cuerda en sus extremos y se requieren conectores y coples especiales. Las ventajas de este tipo de tubo son su ligereza, facilidad de instalación y menor precio. Pero su desventaja es su poca resistencia mecánica, por lo cual no se recomienda en lozas o pisos de concreto armado, en donde hay la posibilidad de aplastarlo. Este tubo se utiliza en instalaciones visibles.

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4. Tubo conduit de aluminio. Este tipo de tubo se manufactura en pared gruesa y en pared delgada. Tiene la ventaja de ser muy ligero, pero tiene la desventaja de su poca resistencia mecánica. Actualmente su costo sigue siendo mayor que el correspondiente al tubo conduit de acero.5. Tubo conduit flexible de acero. Este tipo de tubo se construye por medio de cintas de acero galvanizado, unidas en forma de hélice, de manera que se forme un tubo flexible. Este tipo de tubo se le introduce el agua porque no es impermeable, por lo tanto no debe utilizarse en lugares donde existe la misma. Este tipo de tubo se utiliza en la conexión de aparatos semifijos y no móviles, tales como: estufas eléctricas, calentadores de agua, motores en los cuales se necesita ajustar la tensión de la banda, luminarias empotradas en el techo, etc.6. Tubo flexible plica. Este tubo es de dos capas de cintas de una aleación de plomo, entre las cuales se sitúa una capa de papel impregnado de aceite, resultando un tubo flexible similar al tubo flexible de acero, pero impermeable. Este tubo se utiliza principalmente para conexiones en lugares donde hay necesidad de instalar el tubo siguiendo curvas caprichosas, pero también se emplea en instalaciones regulares; sin embargo, se requiere tener muchas precauciones, debido a que tiene poca resistencia mecánica.7. Tubo conduit de plástico. Este tubo es flexible, resiste la acción del agua, es ligero y con algunas precauciones se puede emplear en losas de concreto. No debe usarse en lugares donde la temperatura exceda de 60°C. Para su conexión entre sí y con cajas de conexiones, se requieren accesorios especiales, también de plástico; actualmente en tamaños de 0.5" a 2".8. Tubo conduit de asbesto cemento. Este tipo de tubo conduit se construye en tamaños grandes y se utiliza principalmente como ductos en instalaciones a la intemperie.

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CANALIZACIONES DOMESTICAS

CANALIZACIÓN INDUSTRIAL

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CANALIZACION

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CALCULO DE CIRCUITOS DERIVADOS

CALCULO DE LA CARGA EN LOS CIRCUITOS DERIVADOS

Los circuitos derivados para propósitos generales se instalan en la mayoría de los casos para alimentar salidas de a1umbrado y contactos para cargas pequeñas de distintas aplicaciones y equipos de oficina. Cuando los circuitos de a1umbrado están separados de los circuitos que alimentan contactos, las normas indican reglas de diseño para cada tipo de circuito derivado.Reglas aplicables. La carga de a1umbrado que se debe usar en los cálculos de circuitos derivados para determinar el número necesario de circuitos debe ser mayor que los valores obtenidos usando: a) La carga actual. b) Una carga mínima en watts/m2 párrafoc)En el caso general la carga de a1umbrado en circuitos derivados debe considerarse igual al 1000/0 de la carga conectada al circuito.

En casas habitación y cuartos de hoteles, para efectos de cálculo, se debe asignar una carga mínima de 125 watts por cada salida de

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a1umbrado. En estos mismos locales, se debe asignar una carga mínima de i80 watts a cada uno de los contactos de uso general que puede estar conectado conjuntamente con salidas de a1umbrado en un mismo circuito derivado. Como alternativa se puede usar el valor en watts/m2 en los que se incluye la carga correspondiente a contactos de uso general en casas habitación y hoteles. Como se indicó antes, al determinar la carga en base a estos valores, el área debe calcularse tomando en cuenta la superficie cubierta del edificio, departamento o local de que se trate, así como el número de plantas sin incluir pórticos, garage, ni otros anexos a casas habitación.

e) Cargas diversas. Para aparatos diversos y otras cargas definidas no incluidas en la carga de a1umbrado a que se refieren los incisos b y c, se pueden indicar como mínimo las cargas por salida que se indican a continuación.

1. Salidas para aparatos fijos u otras cargas definidas que no sean motores: 100% de la potencia nominal de la carga que se trate.

2. Otras salidas, para contactos no considerados en la carga de a1umbrado: 180 watts como mínimo.

3. En a1umbrado de aparatos comerciales, se puede considerar una carga de 660 watts por metro lineal de aparador, medidos horizontalmente a lo largo de su base.

Como una idea de la carga para una casa habitación, se pueden estimar las siguientes cargas para cada una de las áreas. Considerando un a1umbra~ do normal y los servicios necesarios.

Sala: de 1 000 a 2 000 watts. . Comedor. de 500 a 1 000 watts.. Recámaras: de 500 a 1 000 watts. Cocina: de 1 000 a 2 500 watts. Baño: de 400 a 500 watts. Exteriores y jardín: de 1 000 a 1 500 watts.

En todos los casos se deben respetar las cargas máximas permisibles ya que los alimentadores están limitados a la potencia que pueden suministrar a una carga a su corriente nominal y voltaje especificado. Por ejemplo, un alimentador de 127 volts y 15 amperes puede alimentar una carga máxima de:127 x 15 = 1 905 watts

Circuitos derivados para a1umbrado

Las normas técnicas permiten únicamente 15 ó 20 amperes por circuito derivado para alimentar unidades de a1umbrado lámparas o luminarias

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en el caso de las lámparas con portalámparas estándar. Los circuitos derivados de más de 20 amperes se permiten para alimentar unidades de a1umbrado fijas con portalámparas de servicio pesado que son casos especiales de las casas habitación. En ciertos casos se requiere determinar el número de circuitos derivados necesarios para alimentar una carga dada. El número de circuitos derivados que queda determinado por la carga es:

Número de circuitos = Carga total en watts / Capacidad de cada circuito en watts

Así, por ejemplo, un circuito de 15 amperes, 127 volts tiene una capacidad de 15 x 127 = 1 905 watts, si el circuito está dimensionado para 20 amperes su capacidad es de 20 x 127 = 2540 watts.

Ejemplo

Calcular el número de circuitos derivados de 15 amperes para alimentar una carga de a1umbrado de 8 000 watts a 127 volts.Solución

Como a 15 amperes Y 127 volts la capacidad por circuito derivado es de 1 905watts, el número de circuitos es:

8 000 / 1905 = 4.2 o 5 circuitos

Suponiendo que se conoce el número Y potencia probable de las lámparas Y que éstas van a ser 80 lámparas de 100 watts, para calcular el número de lámparas por circuito se pueden usar los siguientes métodos:a) Cuando se conocen los watts por lámpara Y se ha determinado la capacidad por circuito, el número de lámparas por circuito es:Capacidad de cada circuito en watts / Watts por lámpara = 1905/100= 19.05 lámparas por circuito

Dado que sólo se puede instalar un número entero de lámparas 1 cada circuito tendrá 19 lámparas, las cuales requieren:

80 lámparas / (19 lámparas/circuito) = 4.2 ó 5 circuitos

b) El otro método puede ser usado para verificar el problema Y se parte de la consideración que cada circuito sólo tiene capacidad para 15 amperes, la corriente que demanda cada lámpara de 100 watts a 127 volts es:

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l = 100 watts /127 volts = 0.787 amperes

El circuito de 15 amperes puede alimentar entonces:

15 amperes / (0.787 amperes/lámpara) = 19.05 lámparas.

En seguida se presenta un resumen de las reglas usadas para el cálculo de circuitos derivados:Tipo de carga 1. 1luminación general

Método de cálculo del valor de la carga: Watts/m2 o bien la carga actual si se conoce incrementada, 25% si es continua..

Capacidad de los circuitos derivados: 15 ó 20 amperes por circuito.

Número de circuito requerido a 127 volts: para 15 A.

Carga total en watts / (15 * 127)

Para 20 A

Carga total en watts / ( 20 *127)

Tipo de carga 2. Portalámparas de servicio pesado para unidades de a1umbrado fijo.

Método de cálculo del valor de la carga: Mayor de 600 volt-ampere por unidad o carga real actual más 25%..

Capacidad de los circuitos derivados: 30, 40 ó 50 amperes por circuito..

Número de circuitos requerido.

Carga total en watts / Capacidad del circuito (amperes) * voltaje del circuito (volts)

Circuitos derivados para contactos

A continuación se indican las reglas establecidas para el uso de circuitos derivados que alimentan a contactos. Para los contactos de propósito general se especifica una carga de 180 watts por cada contacto sencillo o múltiple; cuando la carga es continua los valores calculados se deben incrementar 25%, con esto se asegura que no exceda al 80% de la capacidad del circuito.

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Tipo de carga t. Contactos generales.

Método de cálculo del valor de la carga: 180 watts por contacto o el valor real de la carga si se conoce más 25% si es continua..

Capacidad del circuito derivado: 15 ó 20 amperes por circuito. Número de circuitos requeridos: a 127 volts.

(Número de contactos x 180 watts) / (15 amperes x 127 volts) para circuitos de 20 A.

(Número de contactos x 180 watts) / (20 amperes * 127 volts

Tipo de carga 2. Áreas de multicontactos.

Método de cálculo del valor de la carga: 1.0 amperes por cada metro (1 m) para cargas generales...

Capacidad del circuito derivado. 15 ó 20 amperes por circuito.

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