[04 Clase] Dimensionamiento instalación eléctrica

8/3/2019 [04 Clase] Dimensionamiento instalación eléctrica

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Curso INSTALADOR DE SISTEMAS PARA SUMINISTRO DE ELECTRICIDAD POR ENERGÍA SOLAR 2010[Marzo-Junio] FUNDACION UOCRA

Instructor: Tec. Pablo Maril – 15-6276-2046 [email protected]

Instalación Eléctrica para sistemas Fotovoltaicos Aislados

Un factor de suma importancia a considerar en toda instalación fotovoltaica es el estado general de lainstalación eléctrica de quién recibirá el suministro, si existiera alguna.

En caso de que no hubiera instalación previa, corresponde al instalador recabar la reglamentación aplicable

en la jurisdicción de incumbencia.

Dentro del curso hemos visto ya requisitos mínimos de presentación de documentación técnica; estosdeben adecuarse a los requerimientos locales, tanto en rótulos, firmas de profesionales matriculados, etc.

Para avanzar en este aspecto tomaremos en consideración la siguiente bibliografía:• Reglamento AEA - Res ENRE 207-95

• Manual Sica-Pirelli

• MANUAL TECNICO DE SEGURIDAD ELECTRICA DESARROLLADO POR EL DEPARTAMENTO

TECNICO DE CAMBRE I.C. Y F.S.A.

También consideraremos reglamentación internacional sobre sistemas fotovoltaicas:• Norma Técnica Universal para Sistemas Fotovoltaicos Domésticos Versión 2. 1998 revisado en

2001 (“Universal Technical Standard for Solar Home Systems” Thermie B SUP 995-96, EC-DGXVII, 1998.)• Operación y mantenimiento de sistemas fotovoltaicos aislados EPEN

• Inspector Guidelines for PV Systems

• Photovoltaic Power Systems And the 2005 National Electrical Code: Suggested Practices

Requisitos adicionales:Existen una serie de requisitos mencionados en bibliografía, que pasamos a resumir a continuación.• Las secciones de los conductores deben ser tales que las caídas de tensión en ellos sean inferiores

a :◦ 3%> entre el panel fotovoltaico y el regulador de carga

◦ 1%> entre la batería y el regulador

◦ 5 %> entre el regulador de carga y las cargas

◦

Utilizaremos la fórmula: ∆ V [V] = 2 x Imax [A] x R [Ω/m] x L [m]▪ Imax = Corriente máxima que circulará por el conductor. (Imax = Potencia nominal de la

carga / tensión de servicio)▪ R = Resistencia del conductor en [Ω/Km]. Suele expresarse en [Ω/Km], entonces debemos

dividir por 1000 para pasar a [Ω/m]▪ L = Longitud lineal hasta la carga, siguiendo el recorrido del cable.

• Aparte de lo anterior, las mínimas secciones de cables serán :

◦ 2,5 mm2 del panel fotovoltaico al regulador de carga. Resistencia de 7,8 [ Ω/Km] = 0,0078 [Ω/m]

◦ 4 mm2 del regulador de carga a las baterías

• Fusibles, Interruptores

◦ Los fusibles deben elegirse tal que Imáx este entre el 50 al 80% de la capacidad del fusible

◦ Se instalarán en las líneas de polaridad (+)

◦Los interruptores diferenciales de CA debe exceder como mínimo el 200% de la Imáx de corte

en CC.

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Repasando a Kirchhoff y Ohm

La mayoría de los cálculos utilizados para el cableado se basan en las leyes de Kirchhoff y de Ohm, querepasaremos brevemente a continuación:

Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los

circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1845 por Gustav Kirchhoff. Ambas leyes decircuitos pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell, pero Kirchhoff precedió a Maxwell ygracias a Georg Ohm su trabajo fue generalizado. Estas leyes son muy utilizadas en ingeniería eléctricapara hallar corrientes y tensiones en cualquier punto de un circuito eléctrico.

Ley de corriente de Kirchhoff: Esta ley también es llamada ley de nodos o primera leyde Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley decorrientes de Kirchhoff nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a lasuma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas lascorrientes que pasan por el nodo es igual a cero.Esta fórmula es válida también para circuitos complejos:

Ley de tensiones de Kirchhoff: En este caso v4= v1+v2+v3. No se tiene en cuenta av5 porque no hace parte de la malla que estamos analizando. Esta ley es llamadatambién Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff y es común que se use lasigla LVK para referirse a esta ley.

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma detodas las subidas de tensión. De forma equivalente, En toda malla la sumaalgebraica de las diferencias de potencial eléctrico es igual a 0.

Ley de Ohm:La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional ala tensión e inversamente proporcional a la resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga

constante.

La ecuación matemática que describe está relación es:

I [A] =V [V]

R [Ω]

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de lasterminales del objeto en voltios, y R es la resistencia en ohmios ( Ω). Específicamente, la ley de Ohm diceque la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valoresde tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una grancantidad de cables. El presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para

explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Potencia eléctrica

Se denomina potencia eléctrica (P) a la energía eléctrica consumida por unidad de tiempo. En el SistemaInternacional de Unidades se mide en vatios (W), unidad equivalente a julios por segundo (J/s).

La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en kilowatios-hora (kWh).Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y los hogares, en lugar defacturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios(kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una placametálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores, esa placa se hallacolocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el

cristal o en su base.

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Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por undispositivo de dos terminales es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y laintensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.

Esto es:

P [W] = V [V] x I [A] = R [Ω] x I2

[A] =

V2 [V]

R [Ω]

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente deldispositivo, a partir de ella la potencia también puede calcularse como

Potencia de cargas reactivasPara calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan concorriente alterna, es necesario tener en cuenta también el valor del factor de potencia o coseno de phi (cosφ) que poseen. En ese caso seencuentran los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, esdecir, aquellos aparatos que para funcionar utilizan una o más bobinas o

enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motoreseléctricos, o también con los aparatos de aire acondicionado o los tubosfluorescentes.Las cargas reactivas o inductivas, que poseen los motores eléctricos,tienen un factor de potencia menor que “1” (generalmente su valor varíaentre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en

cuestión y de la red de suministro eléctrico disminuye cuando el factor se aleja mucho de la unidad,traduciéndose en un mayor gasto de energía y en un mayor desembolso económico.En pequeños sistemas fotovoltaicos aislados no tendremos en cuenta esta relación, aplicable eninstalaciones domiciliarias conectadas a la red y/o industriales.

¿Para qué son útiles estas leyes?

Bueno, uno de los principales resultados de esto es lo que ocurre cuando uno conecta fuentes de energíaen SERIE o PARALELO.

Si conectamos en SERIE varios módulos o generadores, sucede lo siguiente:• Se suman las TENSIONES de los modulos en la serie.

• La corriente que circule por esa serie será igual a la menor de las corrientes de los módulos.

Por ejemplo, si ponemos en serie 2 módulos cuya tensión nominal será 12 V (sistemas aislados conetadosa batería) y su corriente nominal 5 A, obtendremos 24 V y 5 A = 120 W.

Si conectamos en PARALELO:• Se suman las CORRIENTES de los módulos.

• La tensión será la la misma.

Usando el mismo ejemplo, 2 módulos en paralelo, obtendremos 12 V y 10 A = 120 W.

Entonces, resumimos de la siguiente manera:• Para incrementar el voltaje conectamos EN SERIE.

• Para incrementar la corriente conectamos EN PARALELO.

• La POTENCIA será siempre la misma.

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Conexión de baterias.

Disponemos de tres formas de conectar un grupo de baterias entre sí. En serie, en paralelo o una conexiónmixta serie-paralelo. Dependiendo como lo hagamos, incrementaremos la tensión total, la capacidad o lasdos.

Conexión en serie.

Con este tipo de conexión,incrementamos el voltaje total.

Si cada batería es de 12 V / 10

Ah, obtendremos 60 V y 10 Ah.

En Watts, son 12 V x 10 Ah x 6.Un total de 720 Wh.

Conexión en paralelo.

Con este tipo de conexión,incrementamos la capacidadtotal.en Ah, pero mantenemos elmismo voltaje.

Usando las mismas baterías,tenemos 12 V y 60 Ah.

Conexión mixta.

Con este tipo de conexión,

incrementamos la capacidad totaly la tensión total.

Si usamos las mismas baterías,tenemos:

• 2 grupos de 3 baterías en

serie. 12 V x 3 = 36 V / 10Ah.

• Esos 2 grupos están en

paralelo 10 Ah x 2 grupos= 36 V y 20 Ah.

Determinando las secciones de cable a utilizar.

Los conductores que se utilizan en las instalaciones fotovoltaicas son los mismos que utilizamos en nuestracasa, y por lo tanto, debemos tener la misma precaución en la elección de los mismos, y de susprotecciones.

En una instalación fotovoltaica podemos utilizar también elementos de maniobra o protecciónconvencionales, como los utilizados en nuestras casas: interruptores uni o multipolares, interruptorestermomagnéticos.

Existe un efecto conocido como “efecto skin” que se produce en la corriente alterna o mejor dicho encorrientes con cierta frecuencia. Cuando por un conductor circula corriente contínua (CC), la densidad deesta corriente es similar por todo el conductor; por otra parte, cuando circula corriente alterna (CA) la

densidad es mayor en la superficie que en el centro. “En frecuencias altas los electrones tienden a circular por la zona más externa del conductor, en forma de corona, en vez de hacerlo por toda su sección, con loque, de hecho, disminuye la sección efectiva por la que circulan estos electrones aumentando la resistenciadel conductor.” En algunas circunstancias, pueden utilizarse cables macizos para instalaciones en CC.

Como mencionamos anterioremente, la “Norma técnica universal” recomienda elegir las secciones acorde alos siguientes parámetros:• Las secciones de los conductores deben ser tales que las caídas de tensión en ellos sean inferiores

a :◦ 3%> entre el arreglo fotovoltaico y el regulador de carga

◦ 1%> entre la batería y el regulador

◦ 5 %> entre el regulador de carga y las cargas

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Utilizaremos la fórmula: ∆ V [V] = 2 x Imax [A] x R [Ω /m] x L [m]Imax = Corriente máxima que circulará por el conductor. (Imax = Potencia nominal de la carga / tensión deservicio)R = Resistencia del conductor en [Ω/Km]. Suele expresarse en [Ω/Km], entonces debemos dividir por 1000para pasar a [Ω/m]L = Longitud lineal hasta la carga, siguiendo el recorrido del cable.

Aparte de lo anterior, las mínimas secciones de cables serán :2,5 mm2 del panel fotovoltaico al regulador de carga. Resistencia de 7,8 [Ω/Km] = 0,0078 [Ω/m]4 mm2 del regulador de carga a las baterías. Resistencia de 4,95 [Ω/Km] = 0,00495 [Ω/m]

De esta manera, para un tramo arreglo fotovoltaico → regulador que tenga una distancia de 5 metros, ytransporte una corriente de 10 A y utilizando un conductor de 4 mm2 (resistencia de 0,00495 Ω/m)obtenemos la siguiente fórmula: ∆ V [V] = 2 x 10 [A] x 0,00495 [Ω/m] x 5 [m] = 0,495 V

Si sabemos que el 3% de 12 V (tensión de trabajo del sistema) es 0,36 V; sabemos entonces debemosAUMENTAR LA SECCION para disminuir la resistencia, y llegar a cumplir con lo recomendado por la norma.

También es posible, en algunos casos, aumentar la tensión de trabajo del sistema, como vimos antes

(series y paralelos) la potencia instalada será la misma, pero a mayor tensión, menor corriente transportadapor el cable.

Existe también otra fórmula para calcular la sección precisa de un conductor, y es la siguiente:

S [mm2] =2 x ρ [Ω·mm²/m] x L [m] x I [A]

∆ V [V]

La RESISTIVIDAD (ρ [Ω·mm²/m]) del cobre es 1/56, la RESISTIVIDAD del aluminio es 1/35.

Reemplazamos:

S [mm2] =2 x 1/56 [Ω·mm²/m] x 5 [m] x 10 [A]

= 4,96 [mm2]0,36 [V]

Aquí vemos exactamente, porqué debimos aumentar la sección en el cálculo anterior.

Capacidades de los cables: Intensidad de corriente admisible.

Un punto a tener siempre en cuenta es la CAPACIDAD DEL CABLE para soportar la corriente que deberátransportar, como así también la tensión.

Si bien la mayoría de los cables son aprobados para tensiones de hasta 700 o 1000 voltios, estas tensionesno serán tenidas en cuenta en pequeños sistemas fotovoltaicos como los estudiados durante el curso. Sí se

tomarán en cuenta para grandes centrales fotovoltaicas, u otras aplicaciones.

En la tabla provista (ver al final) podemos ver las intensidades admisibles, y algunos factores de correcciónde la misma, como ser temperatura y cantidad de conductores cargados en un mismo conducto.

Es muy importante que al elegir un conductor, este posea la capacidad de transportar la corriente con unmargen considerable, ya que los sistemas fotovoltaicos varían los parámetros de tensión y corriente acordea las condiciones ambientales, por ejemplo:

• Con el aumento de temperatura, las celdas FV pierden entre 0,04 V/ºC y 0,1 V/ºC.

• Con temperaturas menores a los 25 ºC (STC) obtenemos tensiones superiores a las especificadas.

SIEMPRE DEBEMOS ELEGIR CONDUCTORES QUE SOPORTEN LASPEORES CONDICIONES DE TRABAJO.

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Elección de protecciones

En instalaciones domiciliarias se toman en cuenta varios parámetros al elegir las protecciones, utilizandocriterios similiares, exponemos cómo elegir las protecciones en FV, la gran diferencia el el comportamientode las protecciones que se utilizan en CA aplicadas en CC.

1. Utilizaremos la siguiente fórmula para elegir una protección termomagnética:

Ip ≤ In ≤ IcDonde:Ip es la corriente del proyecto, que esperaremos por la línea en condiciones normales.In es la corriente nominal de la protección, según lo disponible en el mercado.Ic es la corriente máxima admisible del conductor de la línea, habiendo aplicado si fuera necesario, elcoeficiente de corrección.

2. Las llaves termomagnéticas deben incrementarse en un 40% de la capacidad de disparo magnético.Por ejemplo, para una corriente elegida de 10 A, dispondremos una TM de 14 A.

In x 1,4 = In2 protección elegida

“Uso de los interruptores termomagnéticos en corriente continuaEn el caso de uso en circuitos de corriente continua el valor de la intensidad necesaria para provocar el disparo magnético se incrementa aproximadamente en un 40% con respecto a la intensidad necesaria encorriente alterna. Los interruptores termomagnéticos pueden utilizarse en corriente continua sin reducciónde su capacidad de ruptura hasta una tensión de 48 V con un polo protegido y hasta 110 V con dos polos protegidos. Para mayores valores de ésta, la capacidad de ruptura se reduce sensiblemente.”

3. La capcidad de ruptura del fusible para la batería debe estudiarse en el caso de las baterías acordea las tablas provistas por el fabricante.

Aquí vemos un ejemplo de íbateras tubulares (Autobat). Veremos en la columna “Short circuit current”

Siempre protegeremos el polo positivo de la batería, preferentemente con fusibles de CC dimensionadossegún la fórmula antes vista, sin corrección: Ip ≤ In ≤ Ic

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Determinando las dimensiones relativas y caídas de tensión

Calculamos el cableado de la siguiente manera respetando las caídas de tensión y secciones mínimasrecomendadas para cada tramo:

Panel → Regulador Regulador → Batería Regulador → Cargas

Bcaida y sección en tramo:1) 2 Paneles 130 Wp / 5,02 [A] Imp /17,4 [V] Vmp2) 3m + 1,5m3) Sección mínima recomendada:2,5 mm2

4) Caída de tensión admisible: 3%5) Cálculo: 2 x 0,0078 [Ω/m] x 4,5[m] x 10 [A] = 0,702 [V]6) 3% de 12 = 0,36 [V] < 0,702 [V]7) Aumento la sección, variando laresistencia hasta encontrar el númeroapropiado.

Con el cálculo de Sección:

S [mm2] = (2 x (1/56) [Ω·mm²/m] x 4,5[m] x 10 [A]) / 0,36 [V]S [mm2] = 4,46 mm2

Elegiremos la sección inmediatasuperior => 6 mm2

Esta sección tiene una intensidadadmisible en cañería de 31 [A], por loque no hay inconveniente con los 10 Aque conducirá.

1) 3 Baterías 150 Ah C100. DPMS15 [A]2) 0,5m3) Sección mínima recomendada: 4mm2

4) Caída de tensión admisible: 1%5) Cálculo: 2 x 0,004 [Ω/m] x 0,5 [m]x 15 [A] = 0,06 [V]6) 3% de 12 = 0,12 [V] > 0,06 [V]7) La sección es adecuada.

Verifico:S [mm2] = (2 x (1/56) [Ω·mm²/m] x 0,5[m] x 15 [A]) / 0,12 [V]S [mm2] = 2,23 mm2

La sección de 4 mm2 cumple con lascondiciones y su corriente máximaadmisible es de 24 [A].

1) Toma: 9,5 m2) Consumo en [A] = 120 W / 12 V =10 A3) 2 x 0,0078 [Ω/m] x 9,5 [m] x 10[A] = 1,48 [V]4) 5% de 12 V = 0,65) Aumento la sección a 6mm2 =0,57 [V]

1) Heladera 14,5 m2) Consumo en [A] = 50 W / 12 V =4,2 [A]3) 2 x 0,004 [Ω/m] x 14,5 [m] x 4,2[A] = 0,49 [V]

1) Lámpara 14,5 m

2) Consumo en [A] = 9W / 12 V =0,75 [A]3) 2 x 0,0078 [Ω/m] x 14,5 [m] x 0,75[A] = 0,17 [V]

Protección:Ip ≤ In ≤ Ic => 10 [A] ≤ X [A] ≤ 31 [A]Interruptor TM bipolar: X = 25 [A]

15 [A] ≤ X [A] ≤ 24 [A]X = 20 [A]Fusible CC 20 A y suficiente poder decorte.

15 [A] ≤ X [A] ≤ 31 [A]Interruptor TM bipolar: X = 25 [A]como general, y repetimos para cadacircuito, en caso de variar elconductor.

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Corrección por temperatura:

Temperatura Ambiente ºC Factor

Más de 30 hasta 35 0,94





Corrección por agrupación de conductores

Cantidad de Conductores Factor

4 a 6 0,8

7 a 24 0,7

25 a 42 0,6

Sobre 42 0,5

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