Electricidad - Libro de Instalaciones Electricas

indice

INSTALACIONES ELÉCTRICAS Depósito Legal : Z-2761-1999-- ISBN 8470632108

ÍNDICE

1. DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 1.1. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 1.2. ELECCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE UNA DISTRIBUCIÓN EN DERIVACIÓN 1.3. COMPARACIÓN DE LOS PESOS DE COBRE DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN

2. ESTABLECIMIENTO Y CÁLCULO DE LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN 2.1. REDES DE DISTRIBUCIÓN 2.2. ARTERIAS Y CENTROS DE TRANSFORMACIÓN 2.3. IMPOSIBILIDAD DE CALCULAR EXACTAMENTE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN 2.4. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS 2.5. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE UN DISTRIBUIDOR CERRADO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS 2.6. CÁLCULO DE LAS SECCIONES DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO RAMIFICADO

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3. SISTEMAS DE TARIFACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 3.1 AMBITO DE APLICACIÓN 3.2 DEFINICIÓN DE LAS TARIFAS 3.3 CONDICIONES GENERALES DE LA APLICACIÓN DE LAS TARIFAS 3.4 DETERMINACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA FACTURACIÓN 3.5 COMPLEMENTOS TARIFARIOS 3.6 TARIFAS ELÉCTRICAS

4. INTERRUPTORES 4.1. INTERRUPTORES 4.2. CONTACTORES 4.3. INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS 4.4. INTERRUPTORES TÉRMICOS 4.5. INTERRUPTORES MAGNÉTICOS 4.6. INTERRUPTORES MAGNETO-TÉRMICOS 4.6.1. APLICACIONES DE LOS MAGNETOTÉRMICOS 4.6.2. CURVAS DE DISPARO

4.7. INTERRUPTORES DIFERENCIALES 4.8. CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN 4.8.1. INTENSIDAD NOMINAL MÍNIMA ADMISIBLE EN UN FUSIBLE aM.

4.9. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN UN PUNTO DE LA LÍNEA

5. INSTALACIONES INTERIORES DE VIVIENDAS 5.1. GRADO DE ELECTRIFICACIÓN DE VIVIENDAS 5.2. CARGA TOTAL CORRESPONDIENTE A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS 5.3. CARGA TOTAL PARA EDIFICIOS COMERCIALES DE OFICINAS O file:///E|/io/indice.htm (2 of 4) [22/04/2005 01:14:34 a.m.]

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DESTINADOS A UNA O VARIAS INDUSTRIAS 5.4. SUMINISTRO Y CONSUMO DE POTENCIA REACTIVA 5.5. COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA 5.6. CÁLCULO DEL CONDENSADOR DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA 5.7. COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN UNA INSTALACIÓN 5.8. TOMAS DE TIERRA 5.9. MEDIDA DE TOMAS DE TIERRA. TELURÓMETRO

6. CONCEPTO SPRECHER SOBRE LA PROTECCIÓN DE MOTORES 6.1. PROTECCIÓN DE MOTORES 6.1.1. PROBLEMAS ACTUALES SOBRE LA PROTECCIÓN DE MOTORES

6.2. RELÉS TÉRMICOS BIMETÁLICOS 6.3. INTERRUPTOR AUTOMÁTICO DE MOTOR 6.4. PROTECCIÓN CON SONDAS TÉRMICAS 6.5. PROTECCIÓN ELECTRÓNICA DE MOTORES 6.5.1. RELÉ ELECTRÓNICO DE PROTECCIÓN DE MOTOR CEF1

6.6. CRITERIOS DE ELECCIÓN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN

7. ELECTRODOMÉSTICOS 7.1. HORNOS MICROONDAS 7.1.1. CONFIGURACIÓN DE UN HORNO MICROONDAS 7.1.2. DESCRIPCIÓN DE UN HORNO MICROONDAS 7.1.3. COMPROBACIÓN DE LA POTENCIA DE UN HORNO MICROONDAS

7.2. LAVADORAS 7.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA LAVADORA 7.2.2. CIRCUITO ELÉCTRICO DE UNA LAVADORA 7.2.3. PROGRAMADOR

7.3. TERMOS ELÉCTRICOS 7.4. CALEFACCIÓN


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7.4.1. COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DEL CALOR K 7.4.2. DETERMINACIÓN DEL COEFIIENTE DE TRANSMISIÓN KG 7.4.3. PÉRDIDAS SUPLEMENTARIAS 7.4.4. PÉRDIDAS TOTALES DE CALOR 7.4.5. CONSUMOS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN 7.4.6. GASTOS ANUALES DE CALEFACCIÓN

7.5. AIRE ACONDICIONADO 7.6. CALEFACCIÓN ELÉCTRICA 7.7. ACUMULADORES DE CALOR 7.8. BOMBA DE CALOR

8. LUMINOTECNIA 8.1. LUMINOTECNIA 8.2. LÁMPARAS Y SUS COMPONENTES 8.2.1. LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA 8.2.2. LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA CON HALOGENUROS 8.2.3. LÁMPARAS FLUORESCENTES 8.2.4. PEQUEÑAS LÁMPARAS FLUORESCENTES 8.2.5. LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO 8.2.6. LÁMPARAS DE LUZ MEZCLA 8.2.7. LÁMPARAS DE MERCURIO CON HALOGENUROS 8.2.8. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO A BAJA PRESIÓN 8.2.9. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO A ALTA PRESIÓN 8.2.10. REACTANCIAS DE DOS NIVELES DE POTENCIA

9. INSTALACIONES DE ALUMBRADO 9.1. INSTALACIONES DE ALUMBRADO 9.2. ALUMBRADO DE INTERIORES 9.3. REPRESENTACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS LUMINOSAS DE LAS LÁMPARAS Y LUMINARIAS 9.4. ALUMBRADO DE EXTERIORES 9.4.1. ALUMBRADO PÚBLICO VIARIO 9.4.2. ALUMBRADO INDUSTRIAL EXTERIOR 9.4.3. ALUMBRADO POR PROYECTORES 9.4.4. ALUMBRADO DEPORTIVO


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1.1. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Se entiende por sistema de distribución de energía eléctrica a la disposición adoptada por los conductores y receptores, para lograr que la energía generada en las centrales pueda ser utilizada en los lugares de consumo. Fundamentalmente, una distribución puede realizarse de dos maneras: en serie o en derivación. Distribución serie La distribución serie o a intensidad constante, consiste en conectar todos los receptores uno a continuación del otro, de manera que la intensidad que pasa por uno de ellos, lo hace también a través de todos los demás. Este sistema de distribución tiene la ventaja de utilizar un conductor de sección única, ya que la intensidad es la misma a lo largo de todo el circuito. El principal inconveniente lo tenemos en la dependencia que existe entre los receptores, ya que si uno cualquiera de ellos se interrumpiera, los demás quedarían también fuera de servicio. Otro inconveniente del sistema de distribución serie, es el de tener que utilizar receptores cuya tensión de alimentación es variable con la potencia consumida, de manera que los receptores de gran potencia tendrán entre sus extremos tensiones muy elevadas. Por los motivos expuestos, la distribución serie solamente se utiliza en algunos casos muy concretos, como pueden ser la alimentación de lámparas de incandescencia en tranvías y trolebuses, en plantas anodizadoras y en baños electrolíticos. Distribución en derivación Como ya es sabido, la distribución en derivación o a tensión constante, consiste en ir conectando en paralelo los distintos receptores a lo largo de una línea de dos o más conductores. El principal inconveniente de una distribución en derivación es la enorme dificultad que se encuentra ante el deseo de mantener constante la tensión de alimentación, a lo largo del circuito. No obstante, esta distribución es la que se utiliza en la casi totalidad de los casos, minimizando el inconveniente de la caída de tensión, a base de colocar conductores lo más gruesos posible, tanto como lo permita la economía.

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1.2. ELECCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE UNA DISTRIBUCIÓN EN DERIVACIÓN Las características fundamentales de una distribución en derivación son la tensión y el número de conductores utilizados. Ya en el Capítulo 2 veíamos la influencia de la tensión en la sección de los conductores: "Las secciones están en razón inversa del cuadrado de las tensiones", es decir, cuanto mayor sea la tensión utilizada en la distribución, menor será el peso de conductor empleado. Naturalmente, en el transporte de energía no existe más limitación de la tensión que la correspondiente a la tecnología de los componentes que intervienen, tales como interruptores, aisladores, transformadores, etc., pero en distribución tendremos como límite el de la seguridad de las personas que van a manejar los receptores eléctricos. En los inicios de la electricidad, las tensiones de distribución eran muy bajas, 63V y 125V., pero hoy en día, con la utilización de materiales plásticos, magnetotérmicos, diferenciales, tomas de tierra, etc., se puede llegar a distribuir con tensiones del orden de 220 y 380V., sin riesgo excesivo para las personas. También en el Capítulo 2 veíamos la comparación entre líneas bifásicas en continua y bifásicas en alterna, así como también, la comparación entre bifásica y trifásica. El resultado fué que la alterna trifásica utilizaba pesos de conductores notablemente menores, por lo que éste era uno de los motivos por los que el transporte se hacía en trifásica. Para la distribución también puede hacerse el mismo razonamiento, por lo que fácilmente llegaremos a la conclusión de que las distribuciones actuales se hacen en trifásica y a tensiones que no suelen superar los 380V. Dentro de las distribuciones trifásicas, la más interesante es la estrella a cuatro hilos, la cual nos permite disponer de una serie de variantes que tendrán más o menos aplicación según sea el caso. En la siguiente figura representamos la disposición general de una alimentación a un centro de transformación C.T., para la distribución a tres hilos más neutro. Una línea de media tensión, por lo general 10 ó 15 kV., alimenta un transformador cuyo primario esta conectado en triángulo, y el secundario en estrella. Del centro de la estrella se obtiene el neutro, cuarto conductor conectado a tierra. Así constituido, el sistema de distribución a cuatro hilos, y suponiendo que la tensión entre una cualquiera de las fases y el neutro es de 220V., la tensión compuesta entre las distintas fases será:

En ocasiones también encontraremos, a extinguir, distribuciones a 125/220V. Veamos seguidamente las variantes que podremos realizar con un sistema de distribución trifásica en estrella, con neutro: a) Tres derivaciones a 220 V Obtenidas entre una cualquiera de las fases y el neutro, se verifica para cada una de ellas que:

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Se utiliza para alimentar, a 220V., receptores o grupos de receptores de pequeña potencia. Esta disposición equivale a una conexión de receptores en estrella, tal y como más adelante indicaremos. b) Tres derivaciones a 380 V Se obtienen entre fases de la red, verificándose para cada una de ellas que:

Como en el caso anterior, se utiliza para alimentar, a 380 V, un receptor o grupos de receptores, de pequeña potencia.

c) Una derivación en triángulo Cuando se hace uso de las tres fases y éstas alimentan a un receptor conectado en triángulo, con sus fases uniformemente cargadas, se verifica que:

Se utiliza para alimentar receptores trifásicos de gran potencia, conectados en triángulo.


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d) Una derivación en estrella Cuando se hace uso de las tres fases y del hilo neutro, suponiendo que las tres fases están uniformemente cargadas, se verifica que:

Esta disposición se utiliza para alimentar receptores trifásicos de gran potencia, conectados en estrella, con o sin neutro. También se utiliza para conectar grupos de receptores monofásicos en estrella, como es el caso del alumbrado viario. Ahora, la utilidad del hilo neutro es evidente, ya que si por alguna causa se produce un desequilibrio, la intensidad se cierra por el neutro, evitando con ello el correspondiente desequilibrio de tensiones. Es por este motivo por el que nunca deben colocarse fusibles en el hilo neutro. El sistema de distribución a cuatro hilos es el preferido para una red trifásica, sobre todo para los casos de alumbrado o para alumbrado y fuerza motriz. Es aconsejable la utilización de transformadores con conexión Dy o Yz, de manera que cuando la carga esté muy desequilibrada, este desequilibrio tenga menor influencia en el primario del transformador, en la línea y en los generadores.


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1.3. COMPARACIÓN DE LOS PESOS DE COBRE DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN Resulta de sumo interés la comparación de los pesos de cobre o aluminio que entrarán a la hora de realizar un sistema de distribución, según los tres sistemas tradicionales: monofásico, trifásico en triángulo y trifásico en estrella. Sea una distribución monofásica que alimenta a tres receptores iguales, por ejemplo tres lámparas, y que tiene una tensión inicial U y una tensión en los receptores U´. Llamando I a la intensidad que circula por cada lámpara, la intensidad de línea será I1 = 3 I, siendo S1 la sección del hilo conductor, al que le corresponde una resistencia R1.

Según estos datos, puede deducirse fácilmente la caída de tensión V en la línea:

Sea ahora un sistema trifásico en triángulo que presenta una tensión inicial de línea E=U y una tensión en los receptores E´=U´, para alimentar a tres lámparas exactamente iguales que las utilizadas en el caso anterior. Llamando I a la intensidad que circula por cada lámpara, la intensidad de línea I2 será la suma vectorial de las intensidades de dos de las lámparas

En este caso, la caída de tensión V, entre fases, resultará ser:


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Cuando la alimentación de las tres lámparas la hagamos en estrella, la tensión inicial de línea deberá ser de , para que de esta forma al final tengamos una tensión , correspondiéndole a cada lámpara una tensión U´. En este caso, la intensidad de línea I3 es igual a la intensidad por cada lámpara, es decir, I3 = I, y llamando S3 a la sección de cada uno de los tres conductores, R3 será su resistencia correspondiente.

Ahora, la caída de tensión entre fases será:

y entre fase y neutro:

Con estos datos de partida ya podemos comparar las tres distribuciones anteriores, teniendo presente que los tres receptores que hemos supuesto como cargas del circuito, pueden ser otro tipo de receptores o grupo de ellos: a) Comparación entre monofásica y trifásica en triángulo Se trata de comparar las secciones de los conductores que intervienen en un sistema monofásico (S1) con respecto a otro idéntico trifásico en triángulo (S2), para una misma caída de tensión, por lo tanto igualando las expresiones (1) y (2), obtenemos:

de donde se deduce que: S1 = 2 S2


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Es decir, que en un sistema monofásico, la sección que habrá que colocar, para una misma caída de tensión, será el doble que la correspondiente a un sistema trifásico en triángulo. Bien es verdad, que uno utiliza dos conductores, mientras que el otro utiliza tres, y siendo los pesos de cobre o aluminio, que entran en cada una de las instalaciones, P1T = K 2 S1 y P2T = K 3 S2:

y por lo tanto:

con lo que se produce un ahorro de un 25% al emplear trifásica en triángulo en lugar de monofásica. b) Comparación entre trifásica en triángulo y en estrella Igualando las caídas de tensión, expresiones (2) y (3), obtenemos:

Siendo en este caso, P2T = K 3 S2 y P3T = K 3 S3:

de donde:

con lo que se produce un ahorro del 67% al emplear trifásica en estrella en lugar de trifásica en triángulo. c) Comparación entre monofásica y trifásica en estrella Igualando las caídas de tensión, expresiones (1) y (3), obtenemos:

Como sabemos que P1T = K 2 S1 y P3T = K 3 S3:


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y por lo tanto:

con lo que se produce un ahorro de un 75% al emplear trifásica en estrella en lugar de monofásica. Suponiendo que la distribución trifásica en estrella lleva neutro, como es lo normal, y que a éste se le da una sección mitad que la de un hilo activo, tendremos:

y por lo tanto:

de donde deducimos que:

por lo tanto, el ahorro es en este caso del 71%. Así pues, no cabe duda de que la distribución trifásica en estrella además de tener las ventajas que ya se expusieron, resulta ser el sistema mas económico en lo que a gasto de conductor se refiere. Por estos motivos, esta distribución es la que más se utiliza, especialmente en los casos de demanda de grandes potencias, utilizando la distribución monofásica únicamente en aquellos casos en los que la potencia demandada sea relativamente pequeña, como por ejemplo en viviendas.


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2.1. REDES DE DISTRIBUCIÓN Las redes de distribución están formadas por conductores que, procedentes de centros de transformación (C.T.), tienen la finalidad de ir alimentando las distintas acometidas que van encontrando a su paso. Se denomina acometida a la parte de instalación comprendida entre la red de distribución y la caja general de protección C.G.P. De la caja general de protección se deriva la línea o líneas repartidoras, que van a parar al cuarto o cuartos de contadores, desde donde parten las derivaciones individuales a cada una de las viviendas o locales, en cuya entrada se halla el interruptor de control de potencia máxima, I.C.P.M.

Todo este conjunto, cuya finalidad no es otra que la de suministrar la potencia eléctrica contratada por cada uno de los abonados, debe reunir ciertos requisitos en lo que a caída de tensión se refiere, ya que ésta deberá estar comprendida dentro de los límites establecidos del ± 7%; es decir, que si la tensión nominal contratada es de 220V., los límites de variación máximos admitidos serán: 220 + 7% = 235,4 V

y

220 - 7% = 204.6 V

Para poder cumplir esta exigencia, las caídas de tensión máxima admitidas en los distintos tramos de la línea se hallan especificadas en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, para su obligado cumplimiento. Así, tendremos que: * Acometidas derivadas de una red de distribución: 0.5% * Acometidas derivadas directamente de un centro de transformación: 5% * Líneas repartidoras destinadas a contadores instalados en forma individual o concentrados en planta: 1% * Líneas repartidoras destinadas a contadores totalmente concentrados: 0.5% * Derivaciones individuales con contadores instalados en forma individual o concentrados por plantas: 0.5% * Derivaciones individuales con contadores totalmente concentrados: 1% Una red de distribución alimentada por uno solo de sus extremos tiene el inconveniente de que, si por algún motivo, fallara la alimentación al centro de transformación, el propio centro de transformación, o la red de distribución, todos los abonados del sector afectado se quedarían sin suministro eléctrico. Por motivos de seguridad en el suministro, las redes de distribución se hallan interconexionadas unas con otras, formando complejas redes que dejan conectados en paralelo todos los centros de transformación. Por otra parte, la interconexión de redes de distribución favorece el reparto de las intensidades según las cargas de cada momento, aprovechando mejor las secciones de los file:///E|/io/Tema2/2-1.htm (1 of 3) [22/04/2005 01:15:30 a.m.]

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conductores, con la consiguiente disminución de las caídas de tensión. Esta idea de la formación de mallas cerradas no solamente se aplica a redes de distribución en baja, 220/380V., sino que también se utiliza en media y alta tensión. Así, las subestaciones de trasformación primaria, S.E.T., a 132 ó 220 kV., se hallan unidas entre sí formando una red cerrada que contornea la ciudad que pretende alimentar; a su vez, estas subestaciones alimentan a las estaciones transformadoras de distribución, E.T.D., a 45 kV., que también forman una red subterránea cerrada, unidas por las llamadas arterias o feeders. Finalmente las salidas de estas estaciones transformadoras, a 10 ó 15 kV., alimentan a los centros de transformación, C.T., de donde salen las redes de distribución a 220/380V.


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Esta compleja red de distribución que se extiende a lo largo y ancho de las ciudades, tiene como principal objetivo conseguir una gran seguridad en el servicio, así como también obtener una mínima variación en la caída de tensión y un gasto mínimo de cobre y aluminio.


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2.2. ARTERIAS Y CENTROS DE TRANSFORMACIÓN Como ya hemos indicado anteriormente, las arterias o feeders son conductores que unen las estaciones transformadoras de distribución, E.T.D., con los centros de transformación, C.T., los cuales alimentan a su vez a las redes de distribución. La posibilidad de alimentar por un solo punto una red de distribución queda desechada debido a la necesidad de mantener las caídas de tensión dentro de ciertos límites. Lo contrario obliga a colocar conductores de mucha mayor sección, con un costo más elevado. La alimentación mediante un número relativamente grande de centros de transformación se hace imprescindible, teniendo siempre presente que cuanto mayor sea su número, menor será el coste de los conductores de la distribución, pero en cambio, el coste de las arterias y el de los transformadores aumentará. Por consiguiente, teniendo presente esta idea, en cada caso se hará lo que se estime más conveniente desde el punto de vista económico. Los centros de transformación se extienden a lo largo de las calles y se hallan situados debajo de las aceras o en locales reservados para este fin. Las potencias de los transformadores que albergan son muy diversas pero, por lo general, están comprendidas entre 100 y 800 kVA. Es importante destacar que de acuerdo con el artículo 17 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión, cuando se construya un local, edificio o agrupación de éstos, cuya previsión de cargas exceda de 50 kVA., o cuando la demanda de potencia de un nuevo suministro sea superior a esa cifra, la propiedad del inmueble deberá reservar un local destinado al montaje de la instalación de un centro de transformación. Posteriormente, la Compañía Suministradora decidirá si hace uso o no del local reservado.

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2.3. IMPOSIBILIDAD DE CALCULAR EXACTAMENTE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN Esta imposibilidad radica en la dificultad de establecer a priori las condiciones de trabajo de la red, así como las variaciones de estas condiciones, ya que en un mismo proyecto de estudio, varían según la época, estado económico, industrial, etc.. Para realizar un cálculo exacto de la red, es indispensable conocer un conjunto de datos como: * Número de acometidas a alimentar. * Posición exacta de las acometidas. * Corriente máxima a prever para cada acometida. * Potencia eléctrica total necesaria para cada una de ellas. * Coeficientes de utilización. Lo cual refuerza la idea de la imposibilidad de conocer, antes de construir la red, un conjunto de datos que en su mayoría se conocen después de su construcción. Suponiendo que conociésemos todos los datos antes citados, y considerando que estas redes suelen ser de gran extensión, su cálculo sería larguísimo y enrevesado, por tanto será necesario realizar cálculos aproximados, considerando acometidas uniformemente repartidas o concentradas en puntos determinados. Con esto sería suficiente, puesto que haciendo cálculos exactos, llega un momento en que si cambian las condiciones, (por ejemplo, diferente reparto de corrientes, cambian los resultados, haciendo inútiles dichos cálculos). Para su estudio, de una manera muy simple, podremos descomponer cualquier distribución en tres casos bien definidos: 1.- Distribución abierta. 2.- Distribución cerrada. 3.- Distribución abierta ramificada.


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2.4. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS Supongamos un distribuidor que partiendo de un centro de transformación C, se derivan de él una serie de acometidas y tiene libre el extremo más alejado de C, "Distribuidor abierto".

Llamando l1, l2, l3, ... ln, a las distancias entre cada una de las diferentes acometidas, I1, I2, I3, ... In a las respectivas intensidades, S a la sección del conductor del distribuidor, y V a la caída de tensión máxima admitida hasta la acometida mas alejada, In, tendremos que en el caso de un distribuidor bifilar en corriente continua, se verificará que la caída de tensión total V, es igual a la suma de las caídas de tensión parciales, V1, V2, V3, ... Vn. V = V1 + V2 + V3 + ... + Vn

de donde:

Esta fórmula hace referencia a las "distancias cortas l" que hay entre las acometidas I1, I2, I3, ..... In. Si nos referimos a las "distancias largas L", que existen entre el centro de transformación y cada una de las acometidas, podremos deducir fácilmente que:

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de donde se obtiene,

Cualquiera de estas fórmulas puede ser válida para el cálculo de la sección de un distribuidor, utilizando una u otra en función de la simplicidad que obtengamos al aplicarlas. Hemos supuesto un conductor de sección constante, lo cual determina una pérdida relativamente grande en los primeros tramos del conductor, en donde las densidades de corriente son grandes, mientras que en los últimos tramos las pérdidas son pequeñas, por ser pequeñas las densidades de corriente. Si empleáramos un distribuidor con diferentes secciones, relacionadas con la magnitud de la intensidad que por ellos circula, obtendríamos unas pérdidas mínimas y una reducción del peso del conductor. Esto tiene dos inconvenientes: los empalmes que hay que ir realizando, y la necesidad de disponer de un gran número de secciones comerciales. SECCIONES COMERCIALES mm2 1.5

35

240

2.5

50

300

4

70

400

6

95

500

10

120

630

16

150

25

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Sólo en aquellos casos en los que la distribución es muy larga, se recomienda dividirla en dos o tres tramos de secciones diferentes. Como los conductores están normalizados comercialmente, fijaremos su sección de acuerdo con el conductor comercial más próximo al hallado, por exceso, comprobando que la densidad de corriente que le corresponde, al principio de la línea, cumple el Reglamento.


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Una vez comprobada la densidad de corriente se calculará la caída de tensión que le corresponde con la sección comercial elegida, y que naturalmente será menor, ya que el conductor lo hemos elegido dentro de las secciones comerciales, por exceso. Las soluciones planteadas se han resuelto considerando líneas en continua. Veamos seguidamente los distintos casos que se pueden plantear en alterna, partiendo de la fórmula general que nos da la caída de tensión en una línea monofásica de corriente alterna

de la que fácilmente podremos sacar las conclusiones siguientes, extendiendo el supuesto a "n" número de acometidas: 1) Líneas monofásicas de corriente alterna a) Para corriente alterna monofásica, la caída de tensión resulta ser:

En la que Xu = ω £u es la reactancia unitaria del conductor en Ω /m. b) En muchas ocasiones puede prescindirse de la componente reactiva propia de la línea, £u= 0, obteniendo los siguientes resultados:

Cualquiera de las fórmulas expuestas es válida para el cálculo de la sección de un distribuidor, aplicando una u otra según las hipótesis planteadas. 2) Líneas trifásicas Para el caso de líneas trifásicas, si la caída de tensión la referimos a una fase con respecto al hilo neutro "caída de tensión simple", la sección del distribuidor se calculará con las fórmulas siguientes: a) Considerando cargas inductivas y un cierto coeficiente de autoinducción de la línea:

b) Considerando cargas inductivas y un coeficiente de autoinducción de la línea despreciable:


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; Si la caída de tensión la referimos a la tensión compuesta entre fases, estas fórmulas deberán estar multiplicadas por √3. En ocasiones estas fórmulas pueden venir expresadas en función de la potencia activa por fase, Pa, de cada una de las acometidas; si multiplicamos numerador y denominador por la tensión simple U, tendremos:

Seguidamente veamos algunos ejemplos que nos ayudarán a comprender mejor todo lo dicho:

EJEMPLO 1 Sea una distribución abierta trifásica, tal y como indica la figura, con cuatro acometidas también trifásicas, que utiliza cobre como conductor, ρ = 0.018 Ω mm2/m, admitiendo una caída de tensión del 1,5%. Siendo de 235V. la tensión simple de alimentación y despreciando la autoinducción del cable, determinar la sección del conductor a utilizar en cada una de las fases.

La caída de tensión simple en la línea deberá ser:

Los valores complejos de las intensidades, serán: I1 = 40 – j 30 ; I2 = 12 – j 16 ; I3 = 27 – j 13 ; I4 = 15 – j 0 file:///E|/io/tema2/2-4.htm (4 of 5) [22/04/2005 01:16:01 a.m.]

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La sección, obtenida de la expresión general, será:

Ahora calculemos la densidad de corriente en el primer tramo, que será el valor modular de la suma vectorial de todas las intensidades, dividida por la sección:

Comparando esta densidad con la que establece el Reglamento para dicho cable, sabremos si es o no admisible. Si no lo es, habría que aumentar la sección hasta que cumpliera las condiciones del Reglamento.

EJEMPLO 2 Supongamos ahora que en el ejemplo anterior utilizamos cables con un coeficiente de autoinducción kilométrica de 0,000583 H/km., y queremos calcular la caída de tensión máxima en la última acometida. La fórmula a aplicar es

El coeficiente de autoinducción que hemos utilizado es relativamente grande, corresponde a cables aéreos separados unos 20 cm. Si utilizamos los típicos cables trenzados que se utilizan normalmente en las distribuciones a baja tensión, dicho coeficiente es notablemente menor, y por consiguiente su influencia en la caída de tensión resultará prácticamente despreciable.


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2.5. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE UN DISTRIBUIDOR CERRADO DEL QUE SE DERIVAN DIFERENTES ACOMETIDAS Sea un distribuidor que une dos centros de transformación a igual tensión, o simplemente un distribuidor en bucle cerrado. De él se derivan una serie de acometidas, tal y como se muestra en la figura, de forma que las corrientes parten de los extremos y se dirigen al centro de distribuidor, existiendo una acometida sometida a una tensión mínima y alimentada por sus dos extremos, salvo en el caso de que la intensidad por uno de ellos sea cero.

En este circuito, es indudable que la suma de las caídas de tensión a lo largo de esta línea, debe de ser cero, es decir:

Simplificando esta expresión, tendremos que:

y generalizando la expresión para "n" acometidas:


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Por otra parte, tenemos que

obteniendo finalmente

Naturalmente, estas fórmulas las hemos referido a corrientes continuas, pero fácilmente pueden generalizarse para corrientes alternas, debiendo utilizar para ello los valores complejos de las respectivas intensidades que intervienen en la distribución. e , fácilmente podremos determinar el punto donde la Conocidos los valores complejos de tensión es mínima, "centro de gravedad de la línea", y que lógicamente recibirá corriente de los dos extremos, salvo en el caso particular en el que la corriente sea nula por uno de ellos. Para encontrar el punto de tensión mínima, deberemos partir de uno cualquiera de los lados de la línea, restando las corrientes activas que se van derivando de cada acometida hasta encontrar un valor negativo; esto nos indicará que es la acometida anterior la que cumple la condición buscada. Así por ejemplo, para el lado X los valores se irán obteniendo de la siguiente manera: Ix cosϕ x

;

Ix cosϕ x – I1 cosϕ 1

;

Ix cosϕ x - I1 cosϕ 1 -I2 cosϕ 2

............

hasta encontrar el valor que cumple la condición citada. Conocida la acometida que cumple dichas condiciones, ya podemos calcular la sección y la caida de tensión correspondiente, pudiendo descomponer el circuito en dos distribuciones abiertas cuyas caídas de tensión y sección son iguales.

EJEMPLO.Sea distribución trifásica, cerrada y alimentada por sus dos extremos a 385 V, tal y como indica la file:///E|/io/tema2/2-5.htm (2 of 4) [22/04/2005 01:16:13 a.m.]

2-5

figura. Suponiendo que el coeficiente de autoinducción de la línea sea nulo, calcular la sección de aluminio del conductor, en el supuesto de que se admita una caída de tensión máxima de 4 V. Según las intensidades y sus correspondientes factores de potencia , tenemos que I1 = 9- j 12 ; I2 = 5,25 – j 4,6 ; I3 = 12,8 – j 9,6 ; I4 = 8,4 – j 8,57

Si nos fijamos exclusivamente en las intensidades activas que circulan por X (17,53) y por Y (17,92), deduciremos fácilmente el punto de mínima tensión Para X 17,53 – 9 = 8,53 ; 8,53 – 5,25 = 3,28

; 3,28 – 8,4 = - .....

Para Y 17,92 – 8,4 = 9,52 ; 9,52 – 12,8 = - ..... La tercera acometida empezando por la izquierda, y la segunda empezando por la derecha, es la que recibe intensidad de los dos lados, por tanto, este punto es el centro de gravedad eléctrico de la línea, y es también el punto de menor tensión (Caída de tensión máxima). Bajo estas condiciones, la línea la podremos representar, de una forma equivalente, como dos líneas abiertas justamente en la acometida de mínima tensión.


2-5

Ahora la sección del conductor ya podemos calcularla mediante la fórmula general, la cual puede aplicarse indistintamente a cualquiera de los dos circuitos:

S= 5,3 mm2 Como la mayor intensidad aparente circula por el lado X (25,5 A), la densidad de corriente máxima por este conductor, será de:


2-6

2.6. CÁLCULO DE LAS SECCIONES DE UN DISTRIBUIDOR ABIERTO RAMIFICADO Un caso especial que puede presentarse en el cálculo de una distribución abierta, es cuando una de sus partes se ramifica para alimentar a otras acometidas, tal y como representamos en la figura. En estos casos no puede aplicarse ningún procedimiento de cálculo generalizado, por lo que deberemos ir asignando arbitrariamente, aunque de una manera lógica, las caídas de tensión para las distintas ramificaciones que existan en el circuito, hasta el total de la caída de tensión máxima admitida.

Así, por ejemplo, en el circuito de la figura cuya caída de tensión máxima se supone igual a V, calcularemos la sección del primer tramo CA, suponiéndole una caída de tensión VCA, naturalmente menor que V. El tramo AB lo calcularemos con el resto de la caída de tensión máxima admitida, VAB = V - VCA Seguidamente pasaremos a calcular el tramo AD, al que le asignaremos una caída de tensión VAD, menor que VAB, ya que es el resto de la caída de tensión que nos queda por asignar. A los otros dos tramos que nos quedan, les asignamos la caída de tensión que resta hasta el valor de V. VDF = VDG = V - VCA - VAD Así resuelto el problema, tendremos una serie de secciones para cada uno de los tramos especificados en el circuito, siendo esta una de las innumerables soluciones que pueden dársele al problema. Naturalmente deberemos evitar las incongruencias que en un momento determinado podrían salirnos, como por ejemplo, obtener secciones mayores en tramos más alejados. Un circuito calculado por este procedimiento, solamente podremos decir que es mejor que otro cuando file:///E|/io/tema2/2-6.htm (1 of 3) [22/04/2005 01:16:23 a.m.]

2-6

el peso de cobre o de aluminio resulte comparativamente menor.

EJEMPLO Sea la distribución trifásica abierta ramificada que se indica en la figura, en la que se admite una caída de tensión máxima de 10V., y se utiliza cable de aluminio, despreciando el coeficiente de autoinducción.

Para el primer tramo CA, consideraremos una caída de tensión máxima de 6V, y lo resolveremos mediante las "distancias cortas", por resultar más simple.

Para ello, en primer lugar realicemos todos los productos I cos ϕ , obteniendo que:

Planteando ahora la ecuación de la sección en el primer tramo CA, tendremos:


2-6

y siendo la sección comercial más próxima de 50 mm2, le corresponderá una caída de tensión:

quedando para tramos siguientes 10 - 4,4 = 5,6 V. El tramo AB se calculará como lo que es, un simple distribuidor abierto que admite una caída de tensión máxima de 5,6 V. Para el tramo AD le supondremos una caída de tensión de, por ejemplo, 3 V. y siendo la suma de todos los productos I cos ϕ igual a:

tendremos que la sección para el tramo AD, valdrá:

Comercialmente le corresponde una sección de 25 mm2, y por lo tanto, la caída de tensión en el tramo AD, resultará ser de:

Para los dos tramos que nos quedan, DG y DF, disponemos de una caída de tensión de 10 - 4,4 - 2,2 = 3,4 V.; los resolveremos como dos distribuciones abiertas sin ramificar.


3-1

3. SISTEMAS DE TARIFACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Todo lo dicho hasta ahora tiene como finalidad la de poder llegar hasta el contador del abonado con una variación de la tensión dentro de los límites establecidos, y poder suministrarle la potencia necesaria para cubrir sus necesidades. Con el fin de regular y controlar el suministro de Energía eléctrica a los miles de abonados integrados dentro del territorio nacional, se publicó en su día la Orden del Ministerio de Industria y Energía de 12 de Enero de 1995, por la que se establecen las distintas tarifas para la venta de energía eléctrica que deberán aplicar las empresas acogidas al SIFE. (Sistema Integrado de Facturación de Energía Eléctrica). Seguidamente exponemos un resumen de la mencionada Orden Ministerial.

3.1 AMBITO DE APLICACIÓN. 3.1.1 Estructura general tarifaria. Las tarifas de energía eléctrica son de estructura binomia y están basadas, fundamentalmente, en la aplicación de dos términos impositivos: Término de Facturación de Potencia (TFP) Término de Facturación de Energía (TFE) El Término de Facturación de Potencia será el producto de la Potencia Contratada (PC), establecida en la Póliza de Abonado, por el precio del Término de Potencia (TP) TFP = PC × TP y el Término de Facturación de Energía (TFE) será el producto de la Energía Consumida (EC) durante el período de facturación considerado por el precio del Término de Energía (TE) TFE = EC × TE El valor de estos productos se determinará con una cifra decimal, la cual se redondeará por defecto o por exceso, según que la cifra decimal despreciada sea o no menor que 5. La suma de los dos términos mencionados, que constituyen la facturación básica, y de los citados complementos, función de la modulación de la carga y de la energía reactiva, constituye, a todos los efectos, el precio máximo de tarifa autorizado por el Ministerio de Industria y Energía. Cuando proceda, por recargos o descuentos se aplicaran los siguientes complementos: Complemento por Energía Reactiva Complemento por Discriminación Horaria En las cantidades resultantes de la aplicación de las tarifas no están incluidos los impuestos, recargos y file:///E|/io/tema3/3-1.htm (1 of 2) [22/04/2005 01:16:34 a.m.]

3-1

gravámenes establecidos o que se establezcan sobre el consumo y suministro que sean de cuenta del consumidor.


3-2

3.2 DEFINICIÓN DE LAS TARIFAS. Las tarifas de aplicación general a todos los abonados, sin más condiciones que las derivadas de la tensión a que se haga su acometida, son: Baja tensión Alta tensión Las tarifas de aplicación serán las siguientes: 3.2.1. Tarifas de baja tensión. Se podrán aplicar a los suministros efectuados a tensiones no superiores a 1.000 voltios. Tarifa 1.0. Se podrá aplicar a cualquier suministro, fase-neutro o bifásico, en baja tensión, con potencia contratada no superior a 770 W. En esta tarifa se podrán contratar las potencias siguientes: Tensión nominal

Potencia contratada

127 V

445 W, 635 W

220 V

330W,770W

A esta tarifa no le son de aplicación complementos por energía reactiva y discriminación horaria. Tarifa 2.0. Se podrá aplicar a cualquier suministro en baja tensión, con potencia contratada no superior a 15 kW. No le es de aplicación el complemento por discriminación horaria.. A esta tarifa sólo le es de aplicación el complemento por energía reactiva si se midiera un coseno de ϕ inferior a 0,8. Tarifa 2.N. Se podrá aplicar a cualquier suministro en baja tensión, con potencia contratada no superior a 15 kW. A esta tarifa sólo le es de aplicación el complemento por energía reactiva si se midiera un coseno de ϕ inferior a 0,8. Si son de aplicación los períodos horarios de la discriminación horaria TIPO 0, pero no los son el recargo o descuento que se indica en este apartado, ya que han sido derogados; en su lugar se aplican directamente los precios correspondientes, que resultan ser muy similares. Tarifa 3.0 de utilización normal.


3-2

Se podrá aplicar a cualquier suministro en baja tensión. A esta tarifa le son de aplicación complementos por energía reactiva y discriminación horaria. Tarifa 4.0 de larga duración. Se podrá aplicar a cualquier suministro en baja tensión. A esta tarifa le son de aplicación complementos por energía reactiva y discriminación horaria. Tarifa B.0 de alumbrado público. Se podrá aplicar a los suministros de alumbrado público en baja tensión contratados por la Administración Central, Autonómica o Local. Se entiende como alumbrado público el de calles, plazas, parques públicos, vías de comunicación y semáforos. No se incluye como tal el alumbrado ornamental de fachadas, ni el de fuentes públicas. Se considera también alumbrado público el instalado en muelles, caminos y carreteras de servicio, tinglados y almacenes, pescaderías y luces de situación, dependencia de las Juntas de Puertos, puertos autonómicos, Comisión Administrativa de Grupos de Puertos y puertos públicos. A esta tarifa le es de aplicación complemento por energía reactiva pero no por discriminación horaria. Tarifa R.0 para riegos agrícolas. Se podrá aplicar a los suministros de energía en baja tensión con destino a riegos agrícolas o forestales, exclusivamente para la elevación y distribución del agua de propio consumo. A esta tarifa le son de aplicación complementos por energía reactiva y discriminación horaria, excepto el tipo 5. 3.2.2. Tarifas de alta tensión. Se aplicarán las tarifas de alta tensión a los suministros realizados a tensiones nominales superiores a 1.000 voltios. Se podrán aplicar a cualquier suministro en alta tensión, en el escalón de tensión que corresponda en cada caso. Sus modalidades, en función de la utilización y de la tensión de servicio, serán: Utilización Nivel de tensión Corta (1.)

Media (2.)

Larga (3.)

1. Hasta 36 kV., inclusive (.1 )

1.1

2.1

3.1

2. Mayor de 36 kV. y no superior a 72,5 kV. (.2)

1.1

2.2

3.2

3. Mayor de 72,5 kV. y no superior a 145 kV. (.3)

1.3

2.3

3.3

4. Mayor de 145 kV. (.4)

1.4

2.4

3.4


3-2

A estas tarifas les son de aplicación complementos por energía reactiva y discriminación horaria.


3-3

3.3 CONDICIONES GENERALES DE APLICACIÓN DE LAS TARIFAS. 3.3.1 Plazos de facturación y de lectura. Las facturaciones serán mensuales o bimestrales, y corresponderán a las lecturas reales o estimadas, en su caso, de los consumos correspondientes al período que se especifique en la citada factura. Los plazos de lectura no serán superiores a los tres días anteriores o posteriores a la finalización del mes o bimestre de la última lectura realizada, excepto en los casos de lecturas estimadas de abonados acogidos a la tarifa 1.0 y 2.0, que se regirán por su normativa específica. Los maxímetros que sirvan de base para la facturación de potencia se leerán y pondrán a cero mensualmente, excepto los de abonados que determinen la potencia a facturar según el "Modo 5. Estacional", no incluido en este capítulo. 3.3.2. Elección de tarifa. Todo abonado podrá elegir la tarifa y el sistema de complementos que estime más conveniente a sus intereses entre los oficialmente autorizados para el suministro de energía que el mismo desee demandar, siempre que cumpla las condiciones establecidas en la presente Orden. Como principio general los abonados podrán elegir la potencia a contratar, debiendo ajustarse, en su caso, a los escalones correspondientes a los de intensidad normalizados para los aparatos de control. Al abonado que haya cambiado voluntariamente de tarifa podrá negársele pasar a otra mientras no hayan transcurrido, como mínimo, doce meses, excepto si se produjese algún cambio en la estructura tarifaria que le afecte. Estos cambios no implicarán el pago de derecho alguno, por este concepto, a favor de la empresa suministradora. El cambio de modalidad de aplicación de alguno de los complementos de tarifa así como la modificación de la potencia contratada se considerará, a estos efectos, como cambio de tarifa. Las empresas suministradoras están obligadas a modificar la potencia contractual para ajustarla a la demanda máxima que deseen los abonados, con la limitación del apartado anterior o, cuando por sus especiales condiciones, precisara autorización de la Dirección General de la Energía. Por reducciones de potencia, las empresas no podrán cobrar cantidad alguna en concepto de derechos de enganche, acometida, ni ningún otro a favor de la empresa, salvo los gastos que se puedan producir por la sustitución o corrección de aparatos de medida o control de la potencia, cuando ello fuera necesario. Los aumentos de potencia contratada se tramitarán como un alta adicional, sin perjuicio de que en lo sucesivo se haga una sola facturación.


3-4

3.4 DETERMINACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA FACTURACIÓN BÁSICA. 3.4.1 Término de Facturación de la potencia El Término de Facturación de la Potencia definido como el producto de la Potencia a Facturar por el precio del Término de Potencia, podrá determinarse de varias maneras, tal y como veremos seguidamente. La empresa suministradora podrá controlar la potencia demandada por el abonado. Este control se podrá efectuar por medio de maxímetros, limitadores de corriente o interruptores de control de potencia u otros aparatos de corte automático, cuyas características deberán estar aprobadas por el Ministerio de Industria y Energía, quien fijará el alquiler que las empresas suministradoras pueden cobrar por los citados aparatos cuando proceda. La elección del equipo de control corresponde al abonado. Maxímetros. El abonado que tuviere instalado el equipo adecuado, cualquiera que sea la tensión o la potencia contratada, tendrá opción a que la determinación de la potencia que ha de servir de base para su facturación se realice por maxímetro. En un contador de activa, el número de revoluciones de su disco es proporcional a la energía consumida por el abonado. Por tanto, el número de revoluciones de este disco, durante un tiempo determinado, equivale a la potencia media solicitada en dicho periodo de tiempo. El aparato que mide esta potencia media se denomina maxímetro y se construye formando parte de un contador de activa convencional. Unas ruedas dentadas transmiten el movimiento del disco del contador, por medio de un tornillo sinfín fijado a una aguja de arrastre que se desplaza sobre una escala circular, graduada en kW. Dicha aguja de arrastre empuja a una segunda aguja concéntrica, llamada de lectura, que se mueve a libremente en sentido creciente, y que por lo tanto se desplaza siempre hacia valores máximos. La aguja de arrastre se embraga y desembraga automáticamente cada 15 minutos, tiempo que se conoce como "periodo de integración del maxímetro".


3-4

De esta manera, la aguja de arrastre se desplaza hacia valores máximos cada periodo de integración, empujando a la aguja de lectura, y al final de cada período la aguja queda desembragada, volviendo a la posición cero de la escala. Transcurridos unos segundos, la aguja de arrastre es embragada nuevamente, iniciándose un nuevo período de integración. Es así como la aguja lectora indica el valor máximo alcanzado durante todos los periodos de integración comprendidos entre dos lecturas. Mensualmente un empleado de la empresa suministradora, anotará el valor máximo registrado, poniendo a cero las agujas lectora y la de arrastre, que quedarán precintadas hasta el mes siguiente. El cálculo de la potencia a facturar se realizará atendiendo a los diferentes modos que se describen a continuación, con las limitaciones impuestas en cada uno de ellos:

Modo 1. Sin maxímetro. Será aplicable a cualquier suministro en baja o alta tensión, cuando el abonado haya contratado una sola potencia y no tenga instalado aparato maxímetro, salvo para venta a distribuidores en alta tensión. En estos casos, como ya hemos dicho, el Término de Facturación de la Potencia (TFP), será el producto de la Potencia Contratada (PC), establecida en la Póliza de Abonado, por el precio del Término de Potencia (TP). TFP = PC × TP

Modo 2. Con un maxímetro. Será aplicable a cualquier suministro en baja o alta tensión, cuando el abonado haya contratado una sola potencia y tenga instalado un solo maxímetro para la determinación de la potencia base de facturación. En este caso, la potencia contratada establecida en la Póliza de Abonado, no tiene que ser necesariamente la que se aplique como potencia contratada (PC) para determinar el Término de Facturación de la Potencia (TFP). file:///E|/io/tema3/3-4.htm (2 of 3) [22/04/2005 01:16:55 a.m.]

3-4

La potencia contratada real PC a facturar como "potencia contratada" se calculará de la forma que se establece a continuación: a) Si la potencia máxima demandada, registrada por el maxímetro (Pm) en el período de facturación estuviere dentro de +5 y -15 por 100, respecto a la contratada (PC) establecida en la Póliza de Abono, dicha potencia registrada se tomará como potencia real a facturar 0,85 PC < Pm < 1,05 PC

;

PF = Pm

b) Si la potencia máxima demandada registrada por el maxímetro (Pm) en el período de facturación, fuere superior al 105 por 100 de la potencia contratada establecida en la Póliza (PC), la potencia contratada real a facturar en el período considerado, será igual al valor registrado por el maxímetro, más el doble de la diferencia entre el valor registrado por el maxímetro y el valor correspondiente al 105 por 100 de la potencia contratada establecida en la Póliza. Pm > 1,05 PC

;

PF = Pm + 2 ( Pm - 1,05 PC)

c) Si la potencia máxima demandada registrada por el maxímetro en el período a facturar, fuere inferior al 85 por 100 de la potencia contratada establecida en la Póliza, la potencia contratada real a facturar será igual al 85 por 100 de la potencia indicada en la Póliza Pm < 0,85 PC

;

PF = 0,85 PC

No se tendrá en cuenta la punta máxima registrada durante las veinticuatro horas siguientes a un corte o a una irregularidad importante en la tensión o frecuencia del suministro. Para ello, será condición necesaria su debida justificación, preferentemente mediante aparato registrador. A estos efectos la orden de reducción de potencia en el sistema de interrumpibilidad no tendrá la consideración de corte. Otros Modos. Existen también otros modos que utilizan dos y tres maxímetros, en este caso no los vamos a tratar ya que son muy poco utilizados. No obstante pueden consultarse en la Orden Ministerial que citábamos al inicio de este capítulo.


3-5

3.5 COMPLEMENTOS TARIFARIOS. Los complementos tarifarios consistirán en una serie de recargos o descuentos, que se calcularán tal y como se especifique en cada caso y deberán figurar por separado en el recibo de energía eléctrica. 3.5.1. Complemento por discriminación horaria. Equipos de discriminación horaria. La instalación de contadores de tarifa múltiple es potestativa para los abonados que tengan contratada una potencia no superior a 50 kW y obligatoria para el resto. Se faculta a las empresas suministradoras para instalar contadores de tarifa múltiple a los abonados de más de 50 kW de potencia contratada que no lo tuvieran instalado por su cuenta, cargándoles los gastos de instalación y el alquiler correspondiente. El uso de un equipo de medida de discriminación horaria deberá ser autorizado por la Dirección General de la Energía previa aportación de los ensayos oportunos sobre seguridad eléctrica y garantía de medida. Los abonados con discriminación horaria tipo 0 deberán instalar por su cuenta el equipo adecuado para ello. La empresa suministradora queda obligada a alquilar dicho equipo si así lo solicita el abonado. Condiciones generales. El complemento de discriminación horaria estará constituido por un recargo o descuento que se calculará de acuerdo con la siguiente fórmula: CH = Tej Σ Ei Ci /100 en la que: CH = Recargo o descuento, en pesetas. Ei = Energía consumida en cada uno de los períodos horarios definidos para cada tipo de discriminación horaria, en kWh. Ci = Coeficiente de recargo o descuento especificado en el punto 3.5.3. Tej = Precio del término de energía de la tarifa general de media utilización correspondiente a la tensión de suministro, excepto para la tarifa G-4 que se tomará el término de energía correspondiente a esta tarifa y para baja tensión que se tomará el término de energía correspondiente a la tarifa 3.0, a excepción de la tarifa 2.N cuyos precios se dan por separado para determinar los recargos y descuentos. Se aplicará obligatoriamente a todos los suministros a tarifas 3.0, 4.0 y R.0 de baja tensión y a todos los de alta tensión. Los abonados de la tarifa 2.0 tendrán opción a que se les aplique la discriminación horaria Tipo 0 denominada «tarifa nocturna». No es de aplicación el complemento por discriminación horaria a los abonados de las tarifas B.0 (Alumbrado público) y 1.0.


3-5

Los cambios de horario de invierno a verano o viceversa coincidirán con la fecha del cambio oficial de hora. Los abonados, de acuerdo con las empresas suministradoras, podrán solicitar por causas debidamente justificadas a la Dirección General de la Energía la aplicación de períodos distintos a los establecidos en la presente Orden, siempre que se mantenga la duración y los recargos y descuentos correspondientes a los mismos. El citado Centro Directivo podrá conceder lo solicitado, siempre que de ello no resulte perjuicio para el Sistema Eléctrico Nacional, considerando el efecto resultante que dicha modificación pudiera producir de aplicarse a los abonados con características similares de consumo. Se faculta a la Dirección General de la Energía para que pueda modificar con carácter general las horas consideradas, en concreto, como de punta, llano y valle, teniendo en cuenta las condiciones de cada Zona y en su caso las de ámbito peninsular. Tipos de discriminación horaria. Los tipos de discriminación horaria a los que podrán optar los distintos abonados, sin más limitaciones que las que en cada caso se especifican, y siempre que tengan instalados los equipos de medida adecuados, serán los siguientes: Tipo 0: «Tarifa nocturna» con contador de doble tarifa, sólo será aplicable a los abonados a la tarifa 2.N., en lo referente a la duración de los períodos horarios y no al recargo o descuento, que han sido derogados. Tipo 1: Discriminación horaria sin contador de tarifa múltiple. De aplicación a los abonados con potencia contratada igual o inferior a 50 kW. Tipo 2: Discriminación horaria con contador de doble tarifa. De uso general. Tipo 3: Discriminación horaria con contador de triple tarifa, sin discriminación de sábados y festivos. De uso general. Tipo 4: Discriminación horaria con contador de triple tarifa y discriminación de sábados y festivos. De uso general. Tipo 5: Discriminación horaria estacional con contador de quíntuple tarifa. De uso general pero será incompatible con el complemento por estacionalidad y con tarifas que en su definición estén excluidas de este tipo de discriminación. 3.5.2 Zonas de aplicación. Las zonas en que se divide el mercado eléctrico nacional a efectos de aplicación de la discriminación horaria, serán las relacionadas a continuación e incluyen las Comunidades Autónomas que se indican: Zona 1: Galicia, Asturias, Cantabria, País Vasco, Castilla-León, La Rioja y Navarra. Zona 2: Aragón y Cataluña. Zona 3: Madrid, Castilla la Mancha y Extremadura.


3-5

Zona 4: Valencia, Murcia y Andalucía. Zona 5: Baleares. Zona 6: Canarias. Zona 7: Ceuta y Melilla. 3.5.3 Recargos, descuentos y horas de aplicación. Tipo 0. Los coeficientes de recargo o descuento aplicables y la duración de cada período serán los que se detallan a continuación:

Período horario

Duración

Recargo o descuento (Coeficiente)

Punta y llano

16 horas/día

+3

Valle

8 horas/día

-55

Se considerarán como horas valle en todas las Zonas de 23 a 24 h. y de 0 a 7 h. en horario de invierno y de 0 a 8 h. en horario de verano. En la actualidad el periodo horario y su duración están vigentes, pero no lo está el recargo o descuento.

Tipo 1. Se consideran dentro de este tipo todos los abonados a los que les sea de aplicación el complemento por discriminación horaria y no hayan optado por alguno de los restantes tipos. Estos abonados tendrán un coeficiente de recargo del 20% sobre la totalidad de la energía consumida. Tipo 2. El coeficiente de recargo para este tipo de abonados y la duración de cada período serán los siguientes:

Período horario

Duración


Horas punta

4 horas/día

+ 40

Horas llano y valle

20 horas/día

-


3-5

Se considerarán como horas punta en todas las zonas de 9 a 13 h. en horario de invierno y de 10 a 14 h. en horario de verano. Tipo 3. Los coeficientes de recargo o descuento aplicables y la duración de cada período serán los que se detallan a continuación: Período horario

Duración


Punta

4 horas/día

+ 70

Llano

12 horas/día

-

Valle

8 horas/día

- 43

Se consideran horas punta, llano y valle en cada una de las zonas antes definidas, las siguientes: .

Invierno

Verano

Punta

Llano

Valle

Punta

Llano

Valle

Zona 1

18-22

8-18 22-24

0-8

9-13

8-9 13-24

0-8

Zona 2

18-22

8-18 22-24

0-8

9-13

8-9 13-24

0-8

Zona 3

18-22

8-18 22-24

0-8

10-14

8-10 14-24

0-8

Zona 4

18-22

8-18 22-24

0-8

10-14

8-10 14-24

0-8

18-22

8-18 22-24

19-23

0-1 9-19 23-24

1-9

Zona 6

18-22

8-18 22-24

0-8

19-23

0-1 9-19 23-24

1-9

Zona 7

19-23

8-19 23-24

0-8

20-24

0-1 9-20

1-9

Zona 5

0-8

Tipo 4 Los coeficientes de recargo o descuento aplicables y la duración de cada período serán los que se detallan a continuación:


3-5

Período horario


Duración

Punta

6 horas de lunes a viernes

+ 100

Llano

10 horas de lunes a viernes

-

Valle

8 horas de lunes a viernes 24 horas en sábados y domingos

-43

Se considerarán también como horas valle las 24 horas de los días festivos de ámbito nacional con inclusión de aquellos que pueden ser sustituidos a iniciativa de cada Comunidad Autónoma para los abonados que posean el equipo de discriminación horaria adecuado. Las horas punta, llano y valle en cada una de las zonas antes definidas son las siguientes: .

Invierno

Verano

Punta

Llano

Valle

Punta

Llano

Valle

Zona 1

16-22

8-16 22-24

0-8

8-14

14-24

0-8

Zona 2

17-23

8-17 22-24

0-8

9-15

8-9 15-24

0-8

Zona 3

16-22

8-16 22-24

0-8

9-15

8-10 15-24

0-8

Zona 4

17-23

8-17 23-24

0-8

10-16

8-9 16-24

0-8

0-7 23-24

17-23

0-1 9-17 23-24

1-9

7-16 22-24

Zona 5

16-22

Zona 6

16-22

7-16 22-24

0-7 23.24

17-23

8-17 23-24

0-8

Zona 7

17-23

8-17 23-24

0-8

18-24

0-1 9-18

1-9

Tipo 5.


3-5

EL contrato del tipo 5 de discriminación horaria comenzará con el principio de la temporada alta eléctrica definida en el punto 4.4 del presente Título y tendrá una vigencia de doce meses, prorrogable por períodos iguales, si el abonado no manifiesta su voluntad de rescindirlo por escrito, con una antelación mínima de cuarenta y cinco días antes de su vencimiento. Los días del año se clasifican a estos efectos en cuatro categorías. El número de días del año correspondientes a cada categoría serán los siguientes: Categoría

Número de días

Pico

70

Alto

80

Medio

80

Bajo

Resto

La Dirección General de la Energía fijará para cada año los días concretos asignados a cada categoría, tanto para el sistema integrado peninsular, como para cada uno de los sistemas aislados o extrapeninsulares. Los coeficientes de recargo o descuento aplicables y la duración de cada período serán los que se detallan a continuación: Periodo horario

Categoría de los días

Duración h/día

Descuento o recargo Coeficiente

Punta

Pico Alto

100 4

+300 +100

6 12 8

-

Llano

Pico Alto Medio

Valle

Pico Alto Medio Bajo Siguiente día-bajo

8* 8* 16* 24* 8

-43 -43 -43 -43 -50

* Salvo que sean días siguientes a días bajos. Se considerarán como valle con un coeficiente Ci 50 de descuento las ocho primeras horas valle de los días siguientes a días bajos, sea cual sea la categoría de los mismos. Se considerarán horas punta, llano y valle, en cada una de las zonas antes definidas, las siguientes: .

Días pico Punta

Llano

Días medio Valle

Punta


Llano

Valle

3-5

Zona 1

9-14 17-22

8-9 14-17 22-24

0-8

-

9-17

0-9 17-24

Zona 2

9-14 17-22

8-9 14-17 22-24

0-8

-

10-18

0-10 18-24

Zona 3

10-15 18-23

8-10 15-18 23-24

0-8

-

10-18

0-10 18-24

Zona 4

9-14 17-22

8-9 14-17 22-24

0-8

-

14-22

0-14 22-24

Zona 5

9-14 17-22

8-9 14-17 22-24

0-8

-

16-24

0-16

Zona 6

9-12 16-23

8-9 12-16 23-24

0-8

-

16-24

0-16

Zona 7

9-13 18-24

8-9 13-18

0-8

-

16-24

0-16

Se considerarán como horas punta, llano y valle para los días altos, las establecidas para la discriminación horaria tipo 3. 3.5.4. Complemento por energía reactiva. Condiciones Generales. El complemento por energía reactiva está constituido por un recargo o descuento porcentual y se aplicará sobre la totalidad de la facturación básica, (Suma del importe del Término de Facturación de Potencia mas el Término de Facturación de Energía). Se calculará con una cifra decimal y el redondeo se hará por defecto o por exceso, según que la segunda cifra decimal, despreciada, sea o no menor de cinco. Están sujetos al complemento por energía reactiva los abonados a cualquier tarifa, excepto a las 1.0 y 2.0. No obstante, los abonados a la tarifa 2.0 estarán sujetos a la excepción que se concreta en el apartado siguiente. No se podrá aplicar este complemento si no se dispone para la determinación de su cuantía del contador de energía reactiva permanentemente instalado. En los períodos de facturación en que no haya habido consumo de energía activa no se aplicará complemento por energía reactiva sobre el término de potencia facturado.


3-5

Corrección obligatoria del factor de potencia. Cuando un abonado tenga su instalación con factor de potencia que sea inferior a 0,55 en tres o más mediciones, la empresa suministradora deberá comunicarlo al Organismo competente de la Administración Pública, quien podrá establecer al usuario un plazo para la mejora de su factor de potencia, y si no se cumpliera el plazo establecido, resolver la aplicación de recargos pudiendo llegar a ordenar la suspensión del suministro en tanto no se mejore la instalación en la medida precisa. Los suministros acogidos a la tarifa 2.0 deberán disponer de los equipos de corrección del factor de potencia adecuados para conseguir como mínimo un valor medio del mismo de 0,80; en caso contrario, la empresa suministradora podrá instalar, a su costa, el contador correspondiente y efectuar en el futuro la facturación a este abonado con complemento por energía reactiva en los períodos de lectura real en los que el coseno de ϕ (cosϕ ) medio sea inferior a 0,8. Corrección de los efectos capacitivos. Cuando la instalación de un abonado produzca efectos capacitivos que den lugar a perturbaciones apreciables en la red de suministro o de transporte, cualquier afectado por las perturbaciones podrá ponerlo en conocimiento del Organismo competente, el cual, previo estudio de aquéllas, recabará del abonado su corrección y le fijará un plazo para ello. En caso de no hacerlo así se aplicarán las medidas que procedan, pudiendo llegar -en aplicación de las condiciones de carácter general de la póliza de abono- a ordenar la suspensión de suministro de energía eléctrica en tanto no se modifique la instalación. Determinación del factor de potencia. El factor de potencia o coseno de ϕ (cosϕ ) medio de una instalación se determinará a partir de la fórmula siguiente:

en la que: Wa= Cantidad registrada por el contador de energía activa, expresada en kWh. Wr= Cantidad, registrada por el contador de energía reactiva, expresada en kVArh. Los valores de esta fórmula se determinarán con dos cifras decimales y el redondeo se hará por defecto o por exceso, según que la tercera cifra decimal despreciada sea o no menor que 5. Recargos y bonificaciones. El valor porcentual, Kr a aplicar a la facturación básica se determinará según la fórmula que a continuación se indica.


3-5

Esta fórmula también podemos ponerla de la siguiente manera:

Cuando la misma dé un resultado negativo se aplicará una bonificación en porcentaje igual al valor absoluto del mismo. La aplicación de esta fórmula da los resultados siguientes para los valores de cosϕ que a continuación se indican. Los valores intermedios deben obtenerse de la misma fórmula y no por interpolación lineal. Recargo %

Descuento %

1,00

-

4,0

0,95

-

2,2

0,9

0,0

0,0

0,85

2,5

-

0,8

5,6

-

0,75

9,2

-

0,70

13,7

-

0,65

19,2

-

0,60

26,2

-

0,55

35,2

-

0,5

47,0

-

cos

No se aplicarán recargos superiores al 47 por 100 ni descuentos superiores al 4 por 100.


3-6

3.6. TARIFAS ELÉCTRICAS Tanto el término de potencia como el término de energía, para las distintas tarifas, están en constante variación, no obstante vamos a dar un resumen de las distintas tarifas para baja tensión junto con los valores corespondientes, para el año 1.999. TARIFAS

TENSIÓN

Potencia Max. a contratar

TÉRMINO POTENCIA Pts/kW y mes

TÉRMINO ENERGÍA Pts/kWh

1.0

Monofas.220

770 W

45

10,04

2.0

B.T.

15 kW

251

14,24

2.N

BT

15 kW

251

14,63 P y Ll 6,64 V (1)

3.0

B.T.

Ilimitada

Utilización normal

224

13,10

4.0

B.T.

Larga utilización

357

11,97

B.0

B.T.

Ilimitada

Alumbrado público

0

11,47

R.0

B.T.

Ilimitada

Riegos agrícolas

57

12,18

Aplicación

Todos los usos

Ilimitada

(1)Para la tarifa 2.N, los recargos y descuentos que se tomaban según el Tipo 0, han sido anulados, y en su lugar se aplican directamente los precios a la energía consumida en cada uno de los períodos horarios, que se indican en la tabla.

ALQUILER DE CONTADORES SIMPLE TARIFA

DISCRIMINACIÓN HORARIA

1.0

95

Monofásico DobleTarifa

212

Resto

103

Trifásico Doble Tarifa

424

Trifásico Activa

291

Trifásico Triple Tarifa

532

Monofásico Reactiva

137

Contactor

29

Trifásico Reactiva

325

Reloj Horario

175

Monofásico Activa


3-6

Todo lo dicho hasta aquí puede quedar suficientemente aclarado con un par de ejemplos. EJEMPLO 1 Un abonado con suministro en baja y tarifa 2.0 (vivienda), tiene una potencia contratada de 6,6 kW y ha tenido un consumo bimestral, medido por contador, de 1.045 kWh. Suponiendo que el contador es de su propiedad y por lo tanto no paga alquiler. ¿De qué importe será la factura que tiene que pagar? Facturación de Potencia……....6,6 × 2 x 251 = 3.313 Facturación de la Energía……1.045 × 14,24 = 14.888 Por equipo de medida……….............................. I.V.A. 16% (18.201)…………..........................2.912 TOTAL...………………….........21.113 ptas. EJEMPLO 2 Un abonado con suministro en baja y tarifa 3.0, tiene una potencia contratada de 23 kW, no dispone de contadores para discriminación horaria (Tipo 1) y sí tiene contador de activa y de reactiva de su propiedad. El consumo bimensual ha sido de 5.836 kWh de activa y 6.230 de reactiva. ¿De qué importe es el recibo que tiene que pagar? Por no tener contador para la discriminación horaria, tiene un recargo del 20% sobre el término de energía. Siendo el factor de potencia medio de la instalación:

le corresponderá un recargo:

Con estos datos ya podemos obtener el importe total: Facturación de Potencia………….23 × 2 × 224 = 10.304 Facturación de la Energía………..5.836 × 13,10 = 76.438 Suma......………………………….....86.742 20% Discriminación horaria (76.438). .....................15.288 15,8% por reactiva (86.742) .............…….............13.705


3-6

Por equipo de medida……………............................. I.V.A. 16% (115.735)…………........…................18.518 TOTAL...……………………….…...134.252 ptas.


4-1

4. INTERRUPTORES 4.1. INTERRUPTORES Inicialmente definiremos un interruptor como un dispositivo mecánico de conexión y desconexión eléctrica, capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente en las condiciones normales de funcionamiento del circuito donde va asociado. Para interrumpir la corriente en un receptor monofásico, es suficiente abrir éste en un solo punto, por medio de un interruptor unipolar, pero procediendo así no lograremos aislar el receptor de la línea, puesto que éste queda al potencial de la fase no cortada.

Para lograr aislar por completo un receptor o una instalación cualquiera, es necesario abrir el circuito por tantos puntos como conexiones tenga con la línea que lo alimenta. Así, pues, los interruptores unipolares solamente se utilizarán en pequeños receptores de uso doméstico, debiendo utilizar en los demás casos interruptores con tantos polos como conductores lo alimentan. Las condiciones exigidas a un buen interruptor deberán ser inicialmente las siguientes: 1) Que las superficies de las piezas que realizan el contacto eléctrico, sean suficientes para dejar paso a la intensidad nominal prevista en el circuito donde ha de ser colocado, sin provocar excesivas elevaciones de temperatura. 2) Que el arco de ruptura, que sin duda se formará cuando abramos el circuito, se extinga lo más rápidamente posible, de manera que no forme arco permanente, ya que de lo contrario se destruirían rápidamente los contactos. La primera condición se logra dimensionando ampliamente la superficie de las piezas que forman el contacto eléctrico, procurando que sea lo más perfecta posible y haciendo que exista una cierta presión


4-1

entre dichas piezas. Así, podremos decir que la intensidad nominal que puede circular por los contactos de un interruptor, es directamente proporcional a la superficie de los contactos y a la presión ejercida sobre ellos. La rápida extinción del arco se logra con gran sencillez cuando la tensión e intensidad nominal del interruptor son pequeñas. Por el contrario, en interruptores para elevadas tensiones e intensidades, la dificultad en extinguir el arco crece enormemente según estas dos variables. Cuando un interruptor en servicio está cerrado, existe una cierta presión entre sus contactos que hace que la superficie de contacto sea máxima y por tanto la corriente que por el circula lo hará con una densidad de corriente mínima (mínima elevación de la temperatura). En la maniobra de apertura, al iniciarse el despegue de los contactos, lo primero que se obtiene es una disminución de presión con el consiguiente aumento de la densidad de corriente. En el instante de la separación de los contactos, la finísima capa de aire que los separa es atravesada por la corriente, provocando una rápida elevación de temperatura que da lugar a un resplandor azulado extremadamente brillante de la chispa, a la vez que se tiene un elevado campo eléctrico entre los contactos capaz de producir una fuerte emisión de electrones en el contacto que hace el papel de cátodo. Si la corriente que interrumpen los contactos es débil, la elevación de temperatura de la chispa no alcanzará el valor suficiente como para provocar la fusión y volatilización del metal de los contactos, pero a partir de cierto límite, la temperatura llegará a sobrepasar el punto de fusión y volatilización del metal, haciendo que la chispa se torne conductora y produzca el "arco", es decir, una llama de color netamente diferente del de la chispa. La diferencia entre la chispa y el arco depende, en consecuencia, de la mayor o menor intensidad de la corriente en el momento en que los contactos se separan. El arco se manifiesta como una columna gaseosa incandescente según una trayectoria aproximadamente rectilínea entre los electrodos, cuyo núcleo alcanza temperaturas comprendidas entre 6.000 y 10.000 ºC. Al mismo tiempo, y dada la constitución de los arcos eléctricos, podemos decir que son conductores y extremadamente móviles, es decir, que se desplazan fácilmente bajo el efecto de corrientes de aire y campos magnéticos. Analizando la maniobra de apertura de un interruptor en lo que a tensión e intensidad se refiere, podemos apreciar cómo en el instante antes de iniciarse la apertura, la tensión entre sus extremos es prácticamente nula y la intensidad que por él circula es la que en ese momento demanda el circuito (Ir). Iniciada la apertura y establecido el arco, este se irá alargando a medida que los contactos se separan, y en consecuencia, la intensidad irá disminuyendo hasta anularse. La tensión entre extremos de los contactos pasa desde un valor prácticamente nulo (contacto cerrado), hasta un valor igual a la tensión de línea (Er) (contacto abierto). Durante el tiempo tr que dura la apertura del interruptor, existen infinitos pares de valores (er ; ir ) que determinan la potencia desarrollada por el arco en cada instante, por lo tanto, el trabajo de ruptura desarrollado por el arco en el tiempo tr, será:


4-1

No conociendo las funciones de variación de er e ir, no podremos conocer el trabajo de ruptura, por lo que deberemos obtenerlo de una forma experimental. Así, siendo Er e Ir la tensión e intensidad máxima por el interruptor, el trabajo de ruptura será inferior a Er . Ir . tr, pudiendo admitir que:

K es una constante cuyo valor suele ser aproximadamente igual a 0,1. Las conclusiones que podemos extraer de esta fórmula son inmediatas, pues si reflexionamos sobre la necesidad de que el trabajo de ruptura debe ser lo menor posible, ya que de él depende la vida de los contactos, tendremos que conseguir interruptores cuyos contactos sean capaces de cortar el arco eléctrico en un tiempo lo más pequeño posible, y siendo tr = d/v, deducimos que la velocidad de separación de los contactos (v) debe ser lo mayor posible y la separación necesaria para cortar el arco (d) lo menor posible. Sustituyendo:

En la mayor parte de los interruptores, la velocidad de separación de los contactos la dan muelles antagonistas capaces de imprimir a los contactos velocidades de separación relativamente grandes, y por lo tanto, tiempos de corte pequeños, del orden de centésimas de segundos.

Si en lugar de un único par de contactos, disponemos de dos pares de contactos en serie, mecánicamente unidos, tal y como se muestra en la figura, conseguimos duplicar el arco, lo cual equivale a decir que la velocidad de corte se ha duplicado, o lo que es igual, el tiempo y el trabajo de ruptura se han reducido a la mitad. Esta es la disposición que adoptan la mayor parte de los interruptores denominados "contactores". La separación necesaria para que los contactos puedan cortar el arco, depende del medio donde éste se produce. El medio es generalmente el aire, sobre todo en interruptores de baja tensión, pero encontraremos casos en los que el medio es el vacío, aceite mineral, exafluoruro de azufre, etc. Por otra parte, dada la gran facilidad de desplazamiento del arco eléctrico, en algunas ocasiones veremos como ciertos interruptores disponen de dispositivos para alargar artificialmente el arco, file:///E|/io/tema4/4-1.htm (3 of 4) [22/04/2005 01:17:08 a.m.]

4-1

consiguiendo una longitud del arco mayor que la que correspondería en condiciones normales. El soplado de aire a presión o magnético, son los procedimientos más comúnmente utilizados.


4-2

4.2. CONTACTORES Podemos definir un contactor como un aparato mecánico de conexión y desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos manual, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluso las de sobrecarga. Las energías utilizadas para accionar un contactor pueden ser muy diversas: mecánicas, magnéticas, neumáticas, fluídricas, etc.. Los contactores corrientemente utilizados en la industria son accionados mediante la energía magnética proporcionada por una bobina, y a ellos nos referimos seguidamente. Un contactor accionado por energía magnética, consta de un núcleo magnético y de una bobina capaz de generar un campo magnético suficientemente grande como para vencer la fuerza de los muelles antagonistas que mantienen separada del núcleo una pieza, también magnética, solidaria al dispositivo encargado de accionar los contactos eléctricos.

Así pues, característica importante de un contactor será la tensión a aplicar a la bobina de accionamiento, así como su intensidad ó potencia. Según sea el fabricante, dispondremos de una extensa gama de tensiones de accionamiento, tanto en continua como en alterna siendo las más comunmente utilizadas, 24, 48, 220, y 380. La intensidad y potencia de la bobina, naturalmente dependen del tamaño del contador. El tamaño de un contactor, depende de la intensidad que es capaz de establecer, soportar e interrumpir, así como del número de contactos de que dispone (normalmente cuatro). El tamaño del contactor también depende de la tensión máxima de trabajo que puede soportar, pero esta suele ser de 660 V. para los contactores de normal utilización en la industria. Referente a la intensidad nominal de un contactor, sobre catálogo y según el fabricante, podremos file:///E|/io/tema4/4-2.htm (1 of 3) [22/04/2005 01:17:12 a.m.]

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observar contactores dentro de una extensa gama, generalmente comprendida entre 5 A y varios cientos de amperios. Esto equivale a decir que los contactores son capaces de controlar potencias dentro de un amplio margen; así, por ejemplo, un contactor para 25 A. conectado en una red bifásica de 380 V. es capaz de controlar receptores de hasta 380× 25=9.500 VA. y si es trifásica 3× 220× 25=16.454 VA. Naturalmente nos referimos a receptores cuya carga sea puramente resistiva (cos ϕ = 1), ya que de lo contrario, las condiciones de trabajo de los contactos quedan notablemente modificadas. Cuando el fabricante establece la corriente característica de un contactor, lo hace para cargas puramente óhmicas y con ella garantiza un determinado número de maniobras, pero si el cosϕ de la carga que se alimenta a través del contactor es menor que uno, el contactor ve reducida su vida como consecuencia de los efectos destructivos del arco eléctrico, que naturalmente aumentan a medida que disminuye el cos ϕ . Por lo general, los contactores que utilicemos referirán sus características a las recomendaciones C. E. I (Comité Electrotécnico Internacional), que establecen los siguientes tipos de cargas: AC-1 Para cargas resistivas o débilmente inductivas cos ϕ = 0,95. AC-2 Para cargar inductivas (cos ϕ = 0.65) .Arranque e inversión de marcha de motores de anillos rozantes. AC-3 Para cargas fuertemente inductivas (cos ϕ = 0.35 a 0.65). Arranque y desconexión de motores de jaula. AC-4 Para motores de jaula: Arranque, marcha a impulsos y frenado por inversión. Por ejemplo, el contactor de 25 A. al que nos referíamos anteriormente, corresponde al modelo AC 3-9 de Sprecher, el cual en AC-1 puede controlar una potencia de 16 kW. a 380 V., mientras que en AC-3 solamente puede controlar 4 kW. a 380 V.


4-2

Prácticamente, la casi totalidad de las aplicaciones industriales, tales como máquinas-herramientas, equipos para minas, trenes de laminación, puentes-grúas, etc, precisan de la colaboración de gran número de motores para realizar una determinada operación, siendo conveniente que puedan ser controlados por un único operador situado en un "centro de control", desde donde sea posible observar y supervisar todas las partes de la instalación. Esta clase de trabajo no se puede realizar con interruptores o cualquier otro elemento de gobierno que precise de un mando manual directo, debido a que el operador no tendría tiempo material de accionar los circuitos que correspondiesen de acuerdo con las secuencias de trabajo. Estos y otros problemas similares pueden quedar solventados con el uso de contactores montados según un circuito de marcha-paro que denominaremos "función memoria" y que es base de los automatismos eléctricos. La función memoria en su forma más simple la hemos representado como aplicación al accionamiento de un motor trifásico. Este circuito consta de dos pulsadores, uno de marcha (M) normalmente abierto y otro de paro (P) normalmente cerrado; asímismo, dispone de un contactor con cuatro contactos normalmente abiertos, tres para el accionamiento del motor y uno para el control de la función memoria. Al pulsar M, la bobina del contactor se excita, el contactor cierra sus contactos y por tanto el contacto R de retención de la función memoria retiene la alimentación aunque dejemos de pulsar M (motor en marcha). Si por alguna circunstancia pulsamos P la alimentación de la bobina del contactor queda cortada, el contacto de retención se abre quedando la función memoria en situación de reposo (motor parado).


4-3

4.3. INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS Los interruptores automáticos son aparatos destinados a establecer e interrumpir circuitos eléctricos, con la particularidad de que precisan una fuerza exterior que los conecte pero que se desconectan por sí mismos, sin deteriorarse, cuando el circuito en que se hallan presenta ciertas anomalías a las que son sensibles. Normalmente dichas anomalías son: - Sobreintensidades. - Cortocircuito. - Sobretensiones o bajas tensiones. - Descargas eléctricas a las personas. Los automáticos que reaccionan ante estas anomalías se denominan respectivamente: Térmicos, Magnéticos, de máxima o mínima tensión y Diferenciales.


4-4

4.4. INTERRUPTORES TÉRMICOS Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades ligeramente superiores a la nominal, asegurando una desconexión en un tiempo lo suficientemente corto para no perjudicar ni a la red ni a los receptores asociados con él. Para provocar la desconexión, aprovechan la deformación de una lámina bimetálica, que se curva en función del calor producido por la corriente al pasar a través de ella.

La curva característica de un disparo térmico es la representada en la figura 2.


4-4

El dispositivo térmico permite trabajar en la zona A pero no llegar a la zona B. La interrupción del circuito se efectúa siempre cuando las condiciones de trabajo llegan a la zona rayada que marca la separación entre ambas. Esta zona rayada marca las tolerancias lógicas que tendrá la fabricación de este tipo de aparatos. Así, pues, en la curva de la figura 2, que citamos a título de ejemplo, circulando una intensidad de 3A., el interruptor no desconectaría nunca. Con 10A. iniciaría la desconexión a los 35 seg., y con 30 A. la desconexión se iniciará a los 15 seg. La forma y límites de la curva característica de un interruptor térmico varía según la técnica empleada en el sistema de caldeo de la bilámina.


4-5

4.5. INTERRUPTORES MAGNÉTICOS Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella. Para iniciar la desconexión se sirven del movimiento de un núcleo de hierro dentro de un campo magnético proporcional al valor de la intensidad que circula. La curva característica de un disparo magnético es la representada en la figura siguiente. El dispositivo permite trabajar en la zona A pero no en la B. La desconexión se efectúa cuando las condiciones del circuito llegan a la zona rayada de separación entre ambas. Así pues, para la curva ejemplo de la figura 3, cualquier intensidad menor de 4,25 A, no provocaría la desconexión, por más tiempo que estuviera circulando. En cambio, para cualquier intensidad mayor de 4,75 A, provocaría la desconexión inmediata. El límite inferior de la curva (unos 4 milisegundos), viene determinado por el tiempo que transcurre desde el instante de establecimiento de la intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la inercia mecánica y eléctrica propia de estos aparatos.


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4.6. INTERRUPTORES MAGNETO-TÉRMICOS Generalmente, los interruptores automáticos combinan varios de los sistemas de protección descritos, en un solo aparato. Los más utilizados son los magneto-térmicos.

Poseen tres sistemas de desconexión: manual, térmico y magnético. Cada uno puede actuar independientemente de los otros, estando formada su curva de disparo por la superposición de ambas características, magnética y térmica.

En el gráfico de la figura 4. puede verse la curva de desconexión de un magneto-térmico, en la que se aprecia una zona A, claramente térmica, una zona B que corresponde a la reacción magnética, y la zona de solape C, en donde el disparo puede ser provocado por el elemento magnético o térmico indistintamente. Normalmente, en los gráficos en que se ilustra la curva característica de los magneto-térmicos, se concede el eje vertical a la escala de tiempos, graduada logarítmicamente, y el eje horizontal a la escala de intensidades, graduada también a escala logarítmica, y en múltiplos de la intensidad nominal. Así, por ejemplo, un punto 3 In corresponderá a 30A, si el aparato es de 10A, o bien a 75A, si el aparato es de 25A, etc. Como en casos anteriores, la zona de tolerancia delimita las dos zonas características de "no desconexión" y de "segura desconexión". Así, para una intensidad 2,5 In podría suceder la desconexión entre los 15 y los 60 sg, siendo correcto cualquier tiempo intermedio de disparo. Mecánicamente, podemos decir que estos interruptores disponen de desconexión libre, es decir, que cuando se produce una desconexión, ya sea por sobrecarga o cortocircuito, el aparato desconecta aunque se sujete la manecilla de conexión.


4-6

Para los magneto-térmicos bipolares o tripolares, podemos decir también que cuando una fase es afectada en la desconexión, ésta se efectúa simultáneamente en todos los polos mediante transmisión interna, independiente de la pieza de unión entre manecillas.


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4.6.1. APLICACIONES DE LOS MAGNETOTÉRMICOS Si comparamos los fusibles con los magneto-térmicos, veremos cómo estos últimos presentan una mayor seguridad y prestaciones ya que interrumpen circuitos con más rapidez y capacidad de ruptura que los fusibles normales. Después, a la hora de restablecer el circuito, no se precisa ningún material ni persona experta, basta presionar un botón o mover un resorte que se halla perfectamente aislado y visible. Por contra, un fusible requiere el gasto de compra de un cartucho nuevo, su colocación en la base, sometida a tensión y una persona lo bastante capacitada para efectuar estas operaciones. Estas molestias ocasionadas por la fusión de un fusible, llevan en muchas ocasiones a colocar cartuchos inadecuados, por personas inexpertas, ignorando el peligro que esto puede ocasionar a las personas y aparatos que con él van asociados. Cuando se trata de magneto-térmicos tripolares, si una fase sufre perturbaciones, al disparar su polo arrastra a los otros dos y desconecta completamente el sistema. Si este circuito se hubiera protegido sólo con tres fusibles, se fundiría el correspondiente a la fase perjudicada y dejaría a todo el sistema en marcha con sólo dos fases, con los consiguientes peligros de averías que tal estado acarrea en determinados circuitos.


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Con todo lo dicho anteriormente no pretendemos descalificar los fusibles, pero sí podemos asegurar que su utilización se vio notablemente reducida después de la aprobación, en 1973, del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, el cual regulaba la utilización de estos aparatos. La fabricación masiva de los magneto-térmicos hace que su actual precio sea realmente sugestivo, por lo que muchos proyectistas no tienen reparo en colocarlos donde hasta no hace mucho colocaban fusibles. Naturalmente los fusibles son imprescindibles en cuadros generales de protección y en todos aquellos casos en que se desee una protección adicional. Otra aplicación muy interesante de los magnetotérmicos la tenemos en la posibilidad de su desconexión a distancia, ya que algunos modelos se fabrican con la particularidad de poder acoplarles una bobina llamada de emisión (accionada con la aparición de una tensión) o de mínima tensión (accionada cuando la tensión desaparece), encargada de accionar el resorte de desconexión del magnetotérmico. 4.6.2. CURVAS DE DISPARO Según sean los límites que posea la curva característica de un magneto-térmico, así será su comportamiento, debiendo adaptar en cada caso el aparato correspondiente a las peculiaridades del circuito que se pretenda proteger. En España está en vigor la norma EN que especifica una serie de curvas características para los magneto-térmicos, tales como son:

- Curva B.

- Curva C.

- Curva D.

- Cuva Z

- Curva MA

- Curva Unesa

A continuación se exponen cada una de las curvas por separado, estudiando para cada una de ellas la forma que presentan y las aplicaciones en las que se utilizan.

CURVA B Estos magnetotérmicos actuan entre 1,1 y 1,4 veces la intensidad nominal In en la zona térmica y en su zona magnética entre un 3 In y 5 In, o 3,2 In y 4,8 In, según el tipo de aparato, de acuerdo con las normas EN 60.898 y EN 60947.2, respectivamente. Permiten realizar la protección de las personas para longitudes mayores que con la curva C, siendo indicado para instalaciones de líneas y generadores. Así, por ejemplo, en un magnetotérmico de intensidad nominal 10A, para una intensidad de 20A., la desconexión la efectuará el elemento térmico en un tiempo comprendido entre 20 sg. y 200 seg. Para una intensidad de 50A, la desconexión la efectuará el elemento magnético en un tiempo del orden de comprendo entre 0,01 y 0,009 seg.


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CURVA C Estos magnetotérmicos actuan entre 1,13 y 1,45 veces la intensidad nominal en su zona térmica y en su zona magnética entre 5 In y 10 In, o 7 In y 10 In, según el tipo de aparato, de acuerdo con las normas EN 60.898 y EN 60947.2, respectivamente. Se aplican para evitar los disparos intempestivos, en el caso de la protección de receptores, que presentan, una vez en servicio, puntas de corriente de cierta consideración. Se utilizan en las instalaciones de líneas-receptores.


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CURVA D Estos magnetotérmicos actuan en la zona térmica con sobrecargas comprendidas entre 1,1 y 1,4 In y en su zona magnética actúan entre 10 In y 14 In, de acuerdo con las normas EN 60.898 y EN 60947.2. Son adecuados para instalaciones que alimentan receptores con fuertes puntas de arranque.


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CURVA MA Curva de disparo magnético exclusivamente, con un valor de 12 In, de acuerdo con la norma EN 60947.2. Se utilizan para la protección de motores. Los interruptores automáticos equipados con esta curva no son interruptores magnetotérmicos, ya que carecen de protección térmica.


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CURVA Z Estos magnéticos actúan entre 2,4 In y 3,6 In, de acuerdo con las normas EN 60.898 y EN 60947.2. Se utilizan para proteger instalaciones con receptores electrónicos.


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CURVA UNESA(ICP) El disparo térmico actúa entre 1,13 y 1,45 veces la In, siendo éste común para todas las curvas. El disparo magnético actúa entre 3,9 In y 8,9 In. Se emplean como Interruptores de Control de Potencia (ICPM). En uso general equivaldría a los interruptores de curva C. Esta curva no está englobada en la norma EN, sino en la recomendación UNESA: RU 6101B.


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Todos los magneto-térmicos utilizados como ICPM deberán poder ser identificados por su parte frontal y, además de estar homologados oficialmente y cumplir el Reglamento de Verificaciones Eléctricas, llevarán grabadas las siguientes características: a.- Nombre del Fabricante o Marca comercial. b.- Tipo del aparato. c.- Intensidad nominal. d.- Naturaleza de la corriente y frecuencia. e.- Tensión nominal 22O/38O V.


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f.- Poder de cortocircuito. g.- Número de fabricación. Las intensidades nominales de los magneto-térmicos más corrientemente utilizados son las siguientes: 1,5 - 3 - 3,5 - 5 - 7,5 - 10 - 15 - 20 - 25 - 30 - 35 - 40 - 45 - 50 y 63 A. Las características de desconexión deberán ser las que a continuación se especifican:

Múltiplos de la In en A. 1,13 In

Tiempo de "no desconexión" seg. 7200

Tiempo de "desconexión" seg. -

1,45 In

10

500

3,5 In

0,2

40

5 In

-

0,2

Referente al poder de corte de los magneto-térmicos, las normas exigen un poder de corte superior a los 4500 A., valor superado ampliamente por la mayoría de las casas fabricantes de estos aparatos. Según la norma VDE-0100 los interruptores automáticos deben protegerse contra sobreintensidades que rebasen su poder de corte. Por tal motivo en la caja general de protección de una instalación se colocan fusibles del tipo -gl- cuyo poder de corte supera los 50 kA.


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4.7 INTERRUPTORES DIFERENCIALES Son interruptores automáticos que evitan el paso de corriente de intensidad peligrosa por el cuerpo humano. La peligrosidad de los efectos que se pueden producir depende de la intensidad de la corriente y de su duración, tal como se determina en el gráfico de la figura 1. En dicho gráfico, si fijamos una intensidad circulante en mA., y un tiempo de duración en ms., se nos determina un punto. Si este punto se halla en la zona A, los efectos que se producirán serán inofensivos para personas normales. Si se halla en la zona B, ocasionará molestias que pueden ser peligrosas, y si se halla en la zona C podrá resultar mortal, ya que puede ocasionar inconsciencia o fibrilación ventricular. Por ejemplo, vemos en el gráfico que una intensidad de 310 mA., según actúe durante 40, 80 o 400 ms. está situada en la zona A, B ó C.

La intensidad circulante por el cuerpo humano viene limitada por una parte, por la resistencia propia del cuerpo (unos 550 ohmios mínimo) y por otra, por la resistencia del contacto con las zonas en tensión. Para el caso más desfavorable de resistencia del cuerpo y suponiendo un contacto perfecto, la intensidad circulante será máxima.


4-7

En el supuesto de una tensión de 220V., que es la tensión normalizada en viviendas, la intensidad alcanzará un valor de 400 mA. Si trasladamos esta intensidad al gráfico, veremos que para que no se produzcan más efectos que los inofensivos de la zona A, debe ser cortado en un tiempo máximo de 60 msg. Esta desconexión la garantizan los interruptores diferenciales, ya que su curva característica (señalada con D en la figura 1) delimita debajo de ella un campo de trabajo donde no se desconecta por hallarse en la zona de seguridad A. No obstante, cuando los valores intensidad-tiempo tiendan a crecer, alcanzado las zonas peligrosas B ó C, deben cruzar la banda de desconexión D y en este instante el interruptor se abrirá.

Los diferenciales se basan en una característica de los circuitos bifásicos o trifásicos, en los que la suma de las intensidades debe ser cero cuando no existen fugas. Cuando por algún motivo la suma de intensidades no es cero, en la bobina auxiliar aparece una tensión que aplicada a una pequeña bobina, acciona un pivote que a su vez acciona el dispositivo mecánico que abre los contactos principales del circuito. Según sea el valor de la intensidad de desequilibrio que acciona el diferencial, así se definirá su sensibilidad. Normalmente se fabrican de dos sensibilidades, 30 y 300 mA. Referente al dispositivo de disparo automático es del tipo llamado de "libre mecanismo", es decir, que aun reteniendo el correspondiente mando en la posición de circuito cerrado, éste se abre si aparece el defecto correspondiente. La intensidad nominal que puede controlar un diferencial, depende de las dimensiones de los contactos principales, y se fabrican con intensidades comprendidas entre 25 y 63 A. , siendo el más corriente el de 40A., por ser el que se suele utilizar en viviendas. Se fabrican dos modelos de diferenciales, uno de dos polos para suministros bifásicos y otro de cuatro polos para los suministros trifásicos con neutro.


4-7

Según normas VDE-0100, los diferenciales deben de disponer de un botón de prueba mediante el cual se provoca una fuga igual a la sensibilidad del aparato y por tanto su desconexión inmediata. La finalidad de este pulsador es la de permitir al usuario comprobar periódicamente el correcto funcionamiento del interruptor diferencial. Para intensidades superiores a los 63A., los diferenciales suelen utilizarse de forma indirecta, es decir, la señal diferencial obtenida de un toroidal es utilizada para accionar un contacto conmutado, encargado de accionar la bobina de emisión o la de mínima tensión del magneto-térmico de línea. Este tipo de diferenciales suele fabricarse según una extensa gama de prestaciones, por lo que resulta difícil generalizar.

En la figura vemos un modelo de Circutor que tiene la particularidad de poder regular la sensibilidad y el tiempo de retardo de desconexión del diferencial. file:///E|/io/tema4/4-7.htm (3 of 4) [22/04/2005 01:17:44 a.m.]

4-7


4-8

4.8. CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN Los cortacircuitos fusibles son el medio más antiguo de protección de los circuitos eléctricos y se basan en la fusión por efecto de Joule de un hilo o lámina intercalada en la línea como punto débil. Los cortacircuitos fusibles o simplemente fusibles son de formas y tamaños muy diferentes según sea la intensidad para la que deben fundirse, la tensión de los circuitos donde se empleen y el lugar donde se coloquen. El conductor fusible tiene sección circular cuando la corriente que controla es pequeña, o está formado por láminas si la corriente es grande. En ambos casos el material de que están formados es siempre un metal o aleación de bajo punto de fusión a base de plomo, estaño, zinc, etc. Fundamentalmente encontraremos dos tipos de fusibles en las instalaciones de baja tensión: gl (fusible de empleo general) aM (fusible de acompañamiento de Motor) Los fusibles de tipo gl se utilizan en la protección de líneas, estando diseñada su curva de fusión "intensidad-tiempo" para una respuesta lenta en las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos. Los fusibles de tipo aM, especialmente diseñados para la protección de motores, tienen una respuesta extremadamente lenta frente a las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos. Las intensidades de hasta diez veces la nominal (10 In) deben ser desconectadas por los aparatos de protección propios del motor, mientras que las intensidades superiores deberán ser interrumpidas por los fusibles aM. La intensidad nominal de un fusible, así como su poder de corte, son las dos características que definen a un fusible. La intensidad nominal es la intensidad normal de funcionamiento para la cual el fusible ha sido proyectado, y el poder de corte es la intensidad máxima de cortocircuito capaz de poder ser interrumpida por el fusible. Para una misma intensidad nominal, el tamaño de un fusible depende del poder de corte para el que ha sido diseñado, normalmente comprendido entre 6.000 y 100.000 A.


4-8

Un gran inconveniente de los fusibles es la imprecisión que tiene su curva característica de fusión frente a otros dispositivos que cumplen el mismo fin, tales como los interruptores automáticos. Esto equivale a decir que la banda de dispersión de los fusibles es mayor que la de los interruptores automáticos, pese a que el fabricante solamente facilita la curva media de los fusibles. Otro inconveniente de los fusibles es la facilidad que tienen de poder ser usados con una misma disposición de base, hilos o láminas no adecuadas. Así mismo, la independencia de actuación de los fusibles en una línea trifásica supone un serio problema, ya que con la fusión de uno de ellos se deja a la línea a dos fases, con los inconvenientes pertinentes que ello conlleva. La selectividad entre fusibles es importante tenerla en cuenta, ya que de ello dependerá el buen funcionamiento de los circuitos. Idéntico problema se nos presentara con la selectividad de los interruptores autmáticos. Entre la fuente de energía y el lugar de defecto suele haber varios aparatos de protección contra cortocircuitos. Para desconectar la zona afectada, es necesario que los fusibles reaccionen de forma selectiva, es decir, debe desconectar primero el fusible más próximo al lugar de defecto. Si por alguna causa este fusible no responde correctamente, debe actuar el siguiente, y así sucesivamente. La selectividad entre dos fusibles se determina gráficamente mediante la comparación de ambas características de disparo; para ello, las curvas, a la misma escala, no deben cortarse ni ser tangentes. Esto es cierto en el caso de sobrecargas y pequeñas intensidades de cortocircuito, pero no lo es en el caso de intensidades muy grandes de cortocircuito, ya que aquí los tiempos de fusión son


4-8

extremadamente cortos y solamente es posible la selectividad en fusibles con una notable diferencia de valor nominal de la intensidad. Según la norma VDE 0636, los fusibles cuyas intensidades nominales se encuentren en la relación 1:1.6, deben de poder desconectar de forma selectiva. La norma CEI 269-2, no es tan exigente, y dice que sólo los fusibles cuyas intensidades nominales estén en la relación 1:2 pueden desconectar de forma selectiva. 4.8.1. INTENSIDAD NOMINAL MÍNIMA ADMISIBLE EN UN FUSIBLE aM La intensidad nominal mínima del fusible de protección de un motor se determina a partir de la intensidad de arranque y del tiempo de arranque del mismo. En un arranque normal un fusible no debe fundir ni envejecer. En los motores de jaula (arranque directo) la intensidad de arranque es aproximadamente de 4 a 8 veces la intensidad nominal. El tiempo de arranque depende del par de giro del motor y del momento de inercia de todas las masas a acelerar; este tiempo suele estar comprendido entre 0,2 y 4 segundos, pudiendo ser mayor en casos especiales de "arranque difícil". En los motores de anillos rozantes y motores de jaula con arranque estrella-triángulo, la intensidad de arranque suele estar comprendida entre 1,1 y 2,8 veces la intensidad nominal. El tiempo de arranque en estos casos varía muy ampliamente. Para tiempos de arranque de hasta 5 segundos, la intensidad nominal del fusible puede ser igual a la intensidad nominal de empleo del motor, pero para valores iguales o superiores es conveniente determinar la intensidad nominal del fusible, teniendo en cuenta las curvas características intensidad-tiempo de arranque del motor y del relé térmico de protección. Seguidamente veamos el caso de un motor cuya intensidad de arranque es seis veces el valor nominal y el tiempo es de cinco segundos.

La intensidad nominal mínima del fusible la podemos obtener mediante la intersección de dos líneas, la determinada por el tiempo de arranque tA y la correspondiente a 0,85 de la intensidad nominal IA. El punto así determinado nos marca el límite inferior de la file:///E|/io/tema4/4-8.htm (3 of 4) [22/04/2005 01:17:49 a.m.]

4-8

banda de dispersión del fusible, por lo tanto el fusible elegido deberá pasar por encima de este punto. Observando la curva característica de la protección térmica F1 y la curva característica del fusible elegido F2, podremos observar cómo la actuación de relé térmico se extiende hasta diez veces la intensidad nominal (intersección de F1 con F2), y a partir de este valor será el fusible el encargado de proteger el motor.


4-9

4.9. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN UN PUNTO DE LA LÍNEA Supongamos un cortocircuito producido a la salida de un transformador para baja tensión, es decir, el cortocircuito más desfavorable que puede producirse. Para determinar esta intensidad dispondremos de un método práctico basado en unas gráficas que representan las variaciones de la intensidad de cortocircuito en función de la potencia del transformador y de la resistencia de la línea intercalada hasta el lugar del cortocircuito. Basándonos en estas gráficas, el procedimiento a seguir será el siguiente: 1º) Se calcula la resistencia del conductor intercalado desde el transformador hasta el cortocircuito. 2º) Al valor de resistencia que resulte deberá sumarsele el valor del hilo neutro, cuando el cortocircuito sea entre fase y neutro, y multiplicarlo por cortocircuito sea entre dos fases.

cuando el

3º) El resultado obtenido se traslada al gráfico de la figura 5, donde en función de la potencia del transformador, se determinará el valor de la intensidad de cortocircuito en amperios. Mediante este procedimiento obtenemos la intensidad de cortocircuito en el punto elegido, y con él tendremos el poder de corte mínimo del fusible o interruptor automático que vayamos a colocar. El valor obtenido será en exceso ya que no tenemos en cuenta la reactancia de la línea.

Así, según vemos en la figura, inmediatamente después del transformador tenemos un interruptor automático, dividiéndose el circuito en dos ramales, con sendas derivaciones a motores y resistencias de calefacción. Hasta llegar a los receptores, existen una serie de protecciones selectivas y en cada uno de estos puntos deberemos calcular la intensidad de cortocircuito para poder dimensionar correctamente file:///E|/io/tema4/4-9.htm (1 of 3) [22/04/2005 01:17:55 a.m.]

4-9

cada una de las protecciones.

Estas curvas solamente son válidas para transformadores cuya tensión de salida sea de 220/380 V. EJEMPLO DE CALCULO Sea una nave industrial alimentada a 220/380 V. mediante un transformador de 400 kVA. Suponiendo que el cable de salida del transformador es de cobre de sección 3,5x200 mm2. y de 23 metros de longitud, calculemos el poder de corte del interruptor automático en ese punto. La resistencia óhmica del cable utilizado, será:


4-9

Puesto que el cortocircuito se supone entre dos fases, este resultado hay que multiplicarlo por

Las curvas características determinan para una resistencia de la línea de 0,0034 y un transformador de 400 kVA., una intensidad de cortocircuito de 12.000 A. Según esto, elegiremos un interruptor automático con un poder de corte de 12.000 A y si este valor no existe comercialmente deberemos elegir el inmediatamente mayor que encontremos. Cualquier cortocircuito que se produzca después será de intensidad menor, ya que la resistencia intercalada será mayor, debiendo seguir el mismo criterio de cálculo para los sucesivos puntos


5-1

5. INSTALACIONES INTERIORES DE VIVIENDAS 5.1. GRADO DE ELECTRIFICACIÓN DE VIVIENDAS Según establece el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión en la norma MIBT 010, en lo que se refiere a suministros en baja tensión, la carga por vivienda depende del grado de electrificación que quiera alcanzarse. A efectos de la previsión de carga por vivienda, se establecen los siguientes grados de electrificación: ELECTRIFICACIÓN MÍNIMA Con una previsión de demanda máxima de 3 kW., permite una utilización de cargas fijadas en dicha norma. El grado de electrificación de las viviendas, será el que desee el propietario de acuerdo con su utilización, pero este vendrá determinado como mínimo por la superficie de la vivienda. Así, para una electrificación mínima, se considera como límite de aplicaciones una superficie máxima de 80 m2. Esquema general:

El número mínimo de circuitos será según MIBT 022: - Un circuito destinado a puntos fijos de luz y a las tomas de corriente para alumbrado. - Un circuito para las tomas de corriente de otras aplicaciones.

ELECTRIFICACIÓN MEDIA Con una previsión de demanda máxima de 5 kW., permite una utilización de cargas fijadas en dicha norma. Se considera en este caso para límite de aplicaciones una superficie máxima de 150 m2. Esquema general:


5-1

El número mínimo de circuitos será según M.I.B.T 022.: - Un circuito para puntos fijos de luz y tomas de corriente para alumbrado. - Un circuito para lavadora, calentador de agua y secador. - Uno destinado a cocina. - Uno para tomas de corriente de otras aplicaciones. ELECTRIFICACIÓN ELEVADA La previsión de demanda total es de 8 kW. y permite la utilización de los aparatos correspondientes a la electrificación "Media", la instalación de un sistema de calefacción y de acondicionamiento de aire. En electrificación elevada se considera para límite de aplicaciones una superficie máxima de la vivienda de 200 m2. Esquema general:


5-1

El número de circuitos mínimo será según MIBT 022: - Dos circuitos destinados a puntos fijos de luz y a tomas de corriente para alumbrado. - Un circuito para lavadoras, calentador de agua y secador. - Un circuito destinado a cocina. - Dos para las tomas de corriente de otras aplicaciones. ELECTRIFICACIÓN ESPECIAL La previsión de demanda total se determinará en cada caso concreto. Está destinado a viviendas con gran número de electrodomésticos o bien con potencias elevadas de estos, o bien con sistema de calefacción y de acondicionamiento de aire de gran consumo.

POTENCIAS A CONTRATAR EN BAJA TENSIÓN TARIFA 1.0 ICPM

Potencias a contratar en kW.

Intensidad Nominal (A)

I+N ó II 220V

I+N 127V.

1,5

0,330

---

3,5

0,770

0,445


5-1

5

---

0,635

POTENCIAS A CONTRATAR EN BAJA TENSIÓN TARIFA 2.0 ICPM

Potencias a contratar en kW.

Intensidad Nominal (A)

III+N 380V

III 220V

I+N 220V.

II 220 V.

1,5

1

0,6

0,33

0,33

3

2

1,2

0,66

0,66

3,5

2,3

1,3

0,77

0,77

5

3,3

1,9

1,1

1,1

7,5

4,9

2,9

1,6

1,6

10

6,6

3,8

2,2

2,2

15

9,9

5,7

3,3

3,3

20

13,2

7,6

4,4

4,4

25

9,5

5,5

5,5

30

11,4

6,6

6,6

35

13,3

7,7

7,7

40

15

8,8

8,8

45

9,9

9,9

50

11

11

63

13,8

13,8

TARIFAS 3.0, 4.0, B.0 y R.0 ICPM

Potencias a contratar en kw.

Intensidad nominal (A)

III y III + N 380 V

III 220 V

I+N 220 V

II 220 V

1,5

1

0,6

0,33

0,33

3

2

1,2

0,66

0,66

3,5

2,3

1,3

0,77

0,77

5

3,3

1,9

1,1

1,1


5-1

7,5

4,9

2,9

1,6

1,6

10

6,6

3,8

2,2

2,2

15

9,9

5,7

3,3

3,3

20

13,2

7,6

4,4

4,4

25

16,4

9,5

5,5

5,5

30

19,7

11,4

6,6

6,6

35

23

13,3

7,7

7,7

40

26,3

15

8,8

8,8

45

29,6

17,1

9,9

9,9

50

32,9

19

11

11

63

41,5

24

13,8

13,8

80

53

31

100

66

38

125

82

48

160

105

61

200

132

76

250

165

95

320

211

122

400

263

152

500

329

191

630

415

240

700

461

267

800

526

305

1000

658

381

1250

823

476

1600

1053

610

2000

1316

762


5-2

5.2. CARGA TOTAL CORRESPONDIENTE A UN EDIFICIO DE VIVIENDAS Será la suma total de las cargas correspondientes a: - Conjunto de servicios generales del edificio. - Locales comerciales. - Conjunto de viviendas. El cálculo por separado se realizará de la siguiente manera: a) Carga del conjunto de servicios Será suma de la potencia instalada en: * Ascensores. * Montacargas. * Alumbrado del portal, escalera y todo el servicio eléctrico general del edificio. b) Carga de los locales comerciales * Con un mínimo de 3 kW. por abonado. * Con 100 W / m2. c) Carga del conjunto de viviendas Se efectúa multiplicando el número de éstas por la potencia máxima prevista en cada una de ellas, y a su vez por un coeficiente de simultaneidad (ya que no existe coincidencia de demandas máximas). VALORES DEL COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD Número de abonados

Coeficiente de simultaneidad Electrificación mínima y media

Electrificación elevada y especial

2a4

1

0,8

5 a 15

0,8

0,7

15 a 25

0,6

0,5

mas de 25

0,5

0,4


5-2


5-3

5.3. CARGA TOTAL PARA EDIFICIOS COMERCIALES DE OFICINAS O DESTINADOS A UNA O VARIAS INDUSTRIAS * Edificios comerciales y de oficinas 100 W/m2 y por planta y con un mínimo por abonado de 5 kW. * Edificios industriales 125 W/m2 y por planta.


5-4

5.4. SUMINISTRO Y CONSUMO DE POTENCIA REACTIVA Los receptores empleados tanto en las industrias como en las viviendas son de carácter óhmico-inductivos y a veces fuertemente inductivos (lámparas de descarga, motores, transformadores, etc.). Factor que supone un cos ϕ bajo, lo que conduce a las Compañías Suministradoras a aplicar tarifas especiales a aquellos abonados cuyas instalaciones tengan un cos ϕ bajo. Los contratos para suministro a viviendas suelen tener un cos ϕ próximo a la unidad, mientras que casi todos los contratos de uso industrial suelen tener un cos ϕ muy bajo. Según la legislación actual, todos los abonados exceptuando a aquellos incluidos en las tarifas 1.0 y 2.0, están sujetos a una penalización (recargo) o a una bonificación, atendiendo al consumo de energía reactiva. La compañía tendrá opción a colocar por su cuenta un contador de energía reactiva, como medio para poder garantizar la mayor exactitud en la aplicación del cos ϕ , cobrando por dicho contador el alquiler mensual legalmente autorizado. En caso contrario a la colocación de dicho aparato, se verá obligada a determinar el factor de potencia en función de los motores, lámparas de descarga y equipos de soldadura que tenga instalados el abonado. El abonado podrá instalar por su cuenta el citado contador, obteniéndose en un caso u otro un factor de potencia resultado de las lecturas de los contadores de activa y reactiva.

La penalización o bien la bonificación por el concepto de consumo de energía reactiva, se aplicará a la lectura del contador de activa y su cálculo se realizará por la siguiente fórmula:

Aplicando esta fórmula obtenemos la tabla siguiente: cos ϕ Recar. Bonif.

1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,00 2,50 5,60 9,20 13,7 19,2 26,6 35,2 47 -4,00 -2,20 -


5-4


5-5

5.5. COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA La potencia consumida por una instalación trifásica, viene determinada por las siguientes expresiones:

Expresiones de las cuales se puede deducir que la Intensidad aparente (I) en una instalación, aumenta a medida que disminuye el cos ϕ .

Para una misma potencia activa (Wa), solicitada de la Compañía Suministradora, la potencia aparente (Wap) absorbida será tanto mayor cuanto menor sea el factor de potencia de la instalación, con el consiguiente aumento de la corriente que circula por la línea de suministro. Esto obliga a la Compañía a aumentar la sección de las líneas, resultando económicamente caro; de ahí la conveniencia de limitar el valor mínimo del cos ϕ , e intentar elevarlo cuanto sea posible, cercano a la unidad sería el ideal de funcionamiento. El cos ϕ de un receptor es una característica imposible de modificar, por ser propia de este, luego para que una instalación pueda trabajar en su conjunto con un mejor factor de potencia, habrá que modificar las condiciones externas de los receptores. a) Introduciendo cargas óhmicas Las cargas óhmicas contribuyen a mejorar el cos ϕ , ya que a la Wa del receptor o receptores, de bajo cos ϕ , se le suma la citada carga obteniéndose según la figura:


5-5

Esta solución no es muy práctica, ya que mejoramos el factor de potencia a costa de aumentar la potencia activa consumida, aunque sí que nos sirve para aclarar el relativamente alto cos ϕ , que tendrá una instalación con cargas fuertemente resistivas, caso que sucede en aquellas empresas que además de motores, utilizan hornos de secado, caldeo o fusión de materiales, como es el caso de industrias de plásticos, pinturas, etc. b) Introduciendo cargas capacitivas Un condensador consume (suministra) una intensidad reactiva de signo contrario a la inductiva, de valor:

Por lo tanto, la potencia reactiva suministrada a la red por un condensador será:

Atendiendo a las expresiones anteriores, los triángulos de intensidades y de potencias quedarán de las siguiente manera:


5-5

La tg ϕ resultante será:

Como se puede observar, cuando la potencia reactiva del condensador sea igual a la consumida por la instalación, el cos ϕ resultante será igual a la unidad (Wr = Wrc).


5-6

5.6. CÁLCULO DEL CONDENSADOR DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA A la hora de montar los condensadores en una red trifásica, estos podrán disponerse según una conexión estrella o triángulo. Así pues, veamos las capacidades que se necesitarán en uno y otro caso, para compensar una misma potencia. A) CONEXIÓN EN ESTRELLA Como los condensadores en una conexión en estrella están sometidos a una tensión simple U, obtenemos:

y despejando la capacidad:

B) CONEXIÓN EN TRIÁNGULO Como los condensadores están conectados a tensión compuesta E por ser una conexión en triángulo, obtenemos:

despejando la capacidad:


5-6

Comparando las dos expresiones, se demuestra que:

luego:

CONCLUSIONES - Con una disposición de los condensadores en triángulo se demuestra que la capacidad necesaria es la tercera parte de la que resultaría en estrella. - Tan sólo un inconveniente que no es determinante para su colocación, es que al estar conectados en triángulo estos soportan la tensión compuesta E, por tanto el dieléctrico utilizado tendrá que tener mayor volumen, cuestión que incrementará el precio de dichos condensadores. Industrialmente los condensadores para la mejora del factor de potencia vienen determinados por la potencia reactiva y por la tensión de funcionamiento.


5-7

5.7. COMPENSACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN UNA INSTALACIÓN En la compensación del factor de potencia de una instalación, nos encontraremos fundamentalmente con dos casos claramente diferenciados: * Compensación individual por cada receptor o grupo de receptores que funcionan simultáneamente. * Compensación de la totalidad de la instalación, utilizando reguladores automáticos. La compensación individual de receptores resulta económicamente aceptable en aquellos casos en los que se disponga de pocos receptores con un factor de utilización relativamente grande. En estos casos, calcularemos la potencia reactiva consumida por cada uno de los receptores y les conectaremos el condensador o condensadores apropiados para corregir el factor de potencia al valor deseado. En alumbrados públicos también podremos aplicar esta forma de compensación, ya que por lo general se trata de un grupo relativamente grande de lámparas que funcionan todas ellas simultáneamente. No obstante, en este caso podríamos discutir la forma de compensación más conveniente, ya que es posible hacerla en bloque o lámpara a lámpara. Según se muestra en la figura, la compensación en bloque se resuelve colocando al principio de la instalación el grupo de condensadores necesarios para dejar el factor de potencia al valor deseado. De esta manera la intensidad reactiva circula por la línea hasta llegar a los receptores, debiendo dimensionarla para el paso de una intensidad suma vectorial de la activa más la reactiva

Compensando individualmente cada una de las lámparas, la intensidad por la línea queda notablemente reducida (solamente la componente activa), con el consiguiente ahorro de sección. Bien es verdad, que el ahorro de sección puede que no compense el hecho de que un bloque de condensadores suele costar bastante menos que su equivalente en condensadores sueltos. En ausencia de otro razonamiento, en cada caso en particular nos inclinaremos por el que resulte más económico.


5-7

La mayor parte de las instalaciones industriales utilizan una extensa gama de receptores con factores de utilización muy variables, lo cual hace prohibitiva la solución de compensar uno a uno cada receptor. Por tal motivo a partir de cierta complejidad de las instalaciones, es recomendable la utilización de reguladores automáticos, capaces de ir poniendo o quitando una serie de bloques de condensadores que van compensando dentro de ciertos límites la variación del factor de potencia de la instalación. La mayor o menor precisión en la regulación del factor de potencia de una instalación, depende de tres condiciones: * Número de pasos del regulador utilizado. * Programa de conexión elegido para los pasos. * Incremento previsto en el cos ϕ de la instalación. El número de pasos, es decir, el número de bloques de condensadores de que disponemos para ir poniendo o quitando en la instalación, viene limitado por el tipo de regulador elegido y suele ser de 6 ó 12 pasos. Dentro del número de pasos elegido, la precisión en la regulación también depende del programa de conexión elegido, el cual puede ser 1.1.1.... ó 1.2.2.... Un programa de conexión definido como 1.1.1.... quiere decir que los bloques de condensadores utilizados en cada paso son todos iguales y por lo tanto, que el número de maniobras diferentes que se puedan realizar es igual al de pasos. Así, con seis pasos, las maniobras diferentes que pueden hacerse son: 1

1+1=2

1+1+1 = 3

1+1+1+1= 4

...1+1+1+1+1+1=6

Un programa de conexión 1.2.2.... quiere decir que los bloques de condensadores utilizados son todos iguales a excepción del primero que tiene potencia mitad. De esta manera se consigue aumentar el número de maniobras diferentes que pueden realizarse, aumentando con ello la precisión en la regulación. Por ejemplo, un regulador de 6 pasos con un programa de conexión 1.2.2... puede realizar 11 maniobras diferentes de compensación: 1 ; 2 ; 2 + 1 = 3 ; 2 + 2 = 4 ; 2 + 2 + 1 = 5 ; ... 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 1 = 11 file:///E|/io/tema5/5-7.htm (2 of 8) [22/04/2005 01:18:58 a.m.]

5-7

Así pues, conociendo la potencia total capacitiva que deseamos inyectar en un circuito para mejorar el factor de potencia, podremos conocer el valor de la potencia de cada bloque si conocemos el número de pasos del regulador y el programa de conexión utilizado. Por ejemplo, una potencia capacitiva total a inyectar de 42 kVA, por un regulador de 6 pasos y un programa de conexión 1.1.1... necesita 6 bloques de condensadores de 7 kVA., pero si el programa de conexión es 1.2.2... necesitará un bloque de 42 / 11 = 3,8 kVA y cinco de 2 × 3,8 = 7.6 kVA. El incremento previsto en el factor de potencia de una instalación, o lo que es equivalente, la relación mínima entre la potencia activa y la reactiva a compensar, también influye substancialmente en la precisión de la regulación del factor de potencia, ya que cuanto mayor sea la potencia capacitiva a inyectar, mayor será la potencia de cada bloque y por tanto menor la precisión en mantener un factor de potencia determinado. Esta idea puede aclararse si nos planteamos el ejemplo de una instalación en la cual la relación mínima de activa/reactiva tenga un valor 10 / 100, y queremos compensar el factor de potencia mediante bloques de potencia 10. Las variaciones del factor de potencia según estos incrementos, serán: Activa

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

Reactiva

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

cos ϕ

0.10

0.11

0.12

0.14

0.16

0.19

0.24

0.31

0.44

0.70

1

En este ejemplo comprobamos como una compensación mediante saltos de potencia de 10 en 10, provoca variaciones muy pequeñas cuando actúa sobre factores de potencia pequeños, mientras que cuando actúa sobre factores de potencia grandes, la influencia es mucho mayor. Esto nos demuestra que si queremos tener una alta precisión en la regulación, deberemos iniciar la compensación sobre valores lo mas altos posibles, naturalmente si ello es factible, y utilizar reguladores con el mayor número de pasos posible y en programas del tipo 1.2.2... La aparición de los microprocesadores en los procesos automáticos ha permitido crear reguladores para el control de la energía reactiva, de características insospechadas, ya que se les puede hacer cumplir un sinfín de condiciones que solamente es posible conseguir mediante este procedimiento. Puede decirse que en España hay un único fabricante de reguladores, que fabrica unos modelos determinados para varias marcas, tales como CIRCUTOR, ASEA, etc. El Modelo Computer 6 con seis pasos de salida y el Computer 12 con doce pasos, son los modelos más corrientemente utilizados, pues cumplen las necesidades de la mayor parte de las instalaciones. La alimentación de estos reguladores puede hacerse a 220 ó 380 V y la señal que actúa sobre el regulador se obtiene entre esta tensión y la obtenida a través de un transformador de intensidad de relación X / 5. El factor de potencia de la instalación es constantemente visualizado mediante dos dígitos y su regulación puede ajustarse dentro de los límites comprendidos entre 0.85 inductivo y 0.95 capacitivo.


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Por lo general el factor de potencia de una instalación se suele compensar hasta alcanzar un valor de 0,9, con lo cual la compañía suministradora no penaliza, ni bonifica, al abonado. El motivo por el cual no se suele compensar a valores superiores se debe a que, en proporción, es necesario inyectar más energía reactiva capacitiva para pasar de 0,9 a 1 que la necesaria para alcanzar 0,9, tal y como puede apreciarse en la figura.

Las seis o doce salidas de los reguladores, según los casos, se hacen a través de sendos relés, los cuales pueden soportar tensiones de alimentación de hasta 220 V y 7,5 A. El tiempo de conexión y desconexión entre pasos es seleccionable con el fin de adaptar mejor el regulador a cada una de las distintas aplicaciones. Este tiempo de retardo a la conexión y desconexión Tr, puede variarse mediante las cuatro posiciones que pueden adoptar dos puentes A y B situados en el circuito electrónico del regulador. Asociado a este tiempo de retardo existe otro tiempo de seguridad Ts, el cual proporciona un retardo entre la desconexión de un bloque de condensadores y su reconexión.


5-7


5-7


5-7


5-7

A

B

Tr

Ts

si

si

4

20

no

si

10

50

si

no

30

150

no

no

60

300 no = No puenteado si = Puenteado

Incluso la frecuencia de alimentación de estos reguladores también puede cambiarse. Cortando un pequeño puente que lleva en su interior, el equipo que viene de fábrica para ser alimentado a 50 Hz, queda listo para ser alimentado a 60Hz. Estas y otras características más o menos importantes cumplen estos reguladores, realizando así un importante papel económico en todas aquellas industrias que precisen de sus servicios.


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5.8. TOMAS DE TIERRA Se define como "Toma de Tierra" a la unión eléctrica de un conductor con la masa terrestre. Esta unión se lleva a cabo mediante electrodos enterrados, obteniendo con ello una toma de tierra cuya resistencia de "empalme" depende de varios factores, tales como: superficie de los electrodos enterrados, profundidad de enterramiento, clase de terreno, humedad y temperatura del terreno, etc. Por otra parte, llamaremos "Puesta a Tierra", a la unión directa de determinadas partes de una instalación eléctrica, con la toma de tierra, permitiendo el paso a tierra de las corrientes de falta o las descargas atmosféricas. Según la norma 039 MIBT correspondiente a puestas de tierra, se establecen las tomas de tierra con objeto de: 1º) Limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar las masas metálicas en un momento dado. 2º) Asegurar la actuación de las protecciones. 3º) Eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material eléctrico utilizado. La puesta a tierra como protección va siempre asociada a un dispositivo de corte automático, sensible a la intensidad de defecto, que origina la desconexión del circuito. Así, la corriente a tierra producida por un defecto franco (resistencia de fuga nula, Rf = 0), debe hacer actuar el interruptor automático magnetotérmico en un tiempo lo más reducido posible. Tal y como podemos apreciar en la figura, la intensidad de fuga será igual a:

Si Rt es pequeña, la intensidad de fuga resultará ser grande, provocando el disparo del magnetotérmico (ICP).


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Un ligero defecto de aislamiento provoca una resistencia de fuga relativamente grande, y en consecuencia una intensidad de fuga pequeña, por lo que el magnetotérmico no podrá actuar. No obstante, la parte exterior del aparato receptor se encontrará a una tensión, con respecto a tierra, de:

tensión que puede ser peligrosa para la persona que toque la envoltura metálica del receptor en cuestión. Si en estos casos queremos tener protección, deberemos disponer de un interruptor automático diferencial, capaz de cortar el circuito con la intensidad de fuga que determinemos. Según el Reglamento de Baja Tensión, una masa cualquiera no debe estar a una tensión eficaz superior, con respecto a tierra, de: a) 24 V. en locales o emplazamientos húmedos. b) 50 V. en locales o emplazamientos secos. Por lo tanto, la sensibilidad de los diferenciales deberá ser, en cada caso, de:

Así, por ejemplo, a los diferenciales de 300 mA. les corresponderá una resistencia de tierra máxima, de:

Estos valores son en teoría, ya que en la práctica para las tomas de tierra se exige que tengan una resistencia notablemente inferior.


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Los electrodos utilizados para obtener una toma de tierra para aplicaciones de baja tensión, suelen tener formas muy variadas, aunque los más comúnmente utilizados tienen forma de barra o de placa. Los tipos de electrodos más comunmente utilizados son: a) Placas enterradas. Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2 mm y las de hierro galvanizado de 2,5 mm. En ningún caso la superficie útil de la placa será inferior a 0,5 m2. Se colocarán en el terreno en posición vertical y en el caso en que sea necesaria la colocación de varias placas se separarán unos 3 metros unas de otras. Las más utilizadas son las de 0,5 m x 1 m y las de 1 m x 1 m. Para la puesta a tierra de apoyos de líneas aéreas y columnas de alumbrado público, cuando lo necesiten, será suficiente electrodos que tengan en conjunto una superficie de contacto con el terreno de 0.25 m2, con lo que se pueden utilizar de 0,5 m × 0,5 m.


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b) Picas verticales. Las picas verticales podrán estar constituidas por: - Tubos de acero galvanizado de 25 mm de diámetro exterior, como mínimo, - Perfiles de acero dulce galvanizado de 60 mm de largo, como mínimo, - Barras de cobre o de acero de 14 mm de diámetro como mínimo; las barras de acero tienen que estar recubiertas de una capa protectora exterior de cobre de espesor apropiado. Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son necesarias dos picas conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia de tierra admisible, la separación entre ellas es recomendable que sea igual, por lo menos, a la longitud enterrada de las mismas; si son necesarias varias picas conectadas en paralelo, la separación entre ellas deberá ser mayor que en el caso anterior. c) Conductores enterrados horizontalmente. Estos conductores pueden ser: - Conductores o cables de cobre desnudo de 35 mm2 de sección, como mínimo, - Pletinas de cobre de, como mínimo, 35 mm2 de sección y 2 mm de espesor, - Pletinas de acero dulce galvanizado de, como mínimo, 100 mm2 de sección y 3 mm de espesor, - Cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección, como mínimo. El empleo de cables formado por alambres menores de 2.5 mm de diámetro está prohibido, - Alambres de acero, como mínimo, 20 mm2 de sección, cubiertos con una capa de cobre de 6


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mm2 como mínimo. Con el fin de comprender de una manera más exacta el comportamiento de una buena toma de tierra, veamos seguidamente algunos de los factores que intervienen en el valor definitivo de la resistencia de la toma de tierra y de su estabilidad. a) Resistividad del terreno La composición química del terreno y el tamaño de las partículas que lo forman serán dos factores decisivos sobre el valor de la resistividad del terreno. De los datos ofrecidos en la tabla, pueden sacarse ideas y conclusiones muy interesantes. Por ejemplo, puede deducirse que del tamaño de las partículas de que se compone el terreno depende el valor de su resistencia. Así, la arena tiene una resistividad notablemente menor que la grava. b) Humedad El estado hidrométrico del terreno influye de forma muy apreciable sobre la resistividad: al aumentar la humedad disminuye la resistividad y viceversa. Por tal motivo, y con el fin de obtener valores estables de resistencia de la toma de tierra, se aconseja profundizar lo más posible, para obtener terrenos con un grado de humedad lo más constante posible. En ocasiones se puede llegar a alcanzar zonas de agua (nivel freático), en donde la resistencia de la toma de tierra tendrá valores bajísimos y muy estables. c) Temperatura Las variaciones de temperatura también afectan al valor de la resistencia de la toma de tierra, de manera que a temperaturas bajo cero, como consecuencia de la congelación del agua que contenga el terreno, los electrolitos se ven inmovilizados, y la resistencia crece a valores muy grandes. Este es un motivo más para recomendar que las tomas de tierra deben hacerse lo más profundas posible, donde la temperatura del terreno alcanza valores estables. En profundidades del orden de 10 metros, la temperatura solamente sufre ligeras variaciones a lo largo del año y suele estar comprendida entre 13 y 16ºC. d) Salinidad del terreno Como es lógico, al aumentar la salinidad de un terreno, la resistividad disminuye. Por este motivo no es aconsejable regar con exceso los terrenos donde hay una toma de tierra, ya que las sales serán arrastradas por el agua a zonas más profundas, disminuyendo su efecto. Según el Reglamento de baja tensión, la resistencia de tierra de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad. Agregar al terreno carbón vegetal y cock, no perjudica en absoluto la obtención de una buena y estable toma de tierra, no pudiendo decir lo mismo cuando se agregan al terreno otros elementos tales como sales y ácidos que indudablemente mejoran la conductividad de los terrenos, pero que por ser altamente corrosivos, al cabo de un tiempo relativamente corto, oxidan y destruyen la placa, con el consiguiente aumento de la resistencia. Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en la Tabla I. La Tabla II da, a título de orientación, unos valores de file:///E|/io/tema5/5-8.htm (5 of 8) [22/04/2005 01:19:05 a.m.]

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la resistividad para un cierto número de terrenos. TABLA l Valor medio de la resistividad en Ω .m

Naturaleza del terreno Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos Terraplenes cultivables poco fértiles y terraplenes Suelos pedregosos desnudos, arenas secas permeables..

50 500 3.000

TABLA lI Naturaleza del terreno Terrenos pantanosos Limo Humus Turba húmeda Arcilla plástica Margas y arcillas compactas Margas del jurásico Arena arcillosa Arena silícea Suelo pedregoso cubierto de césped Suelo pedregoso desnudo Calizas blandas Calizas compactas Calizas agrietadas Pizarras. Rocas de mica y cuarzo Granitos y gres procedente de alteración Granitos y gres muy alterados

Resistividad en Ω.m de algunas unidades a 30 20 a 100 10 a 150 5 a 100 50 100 a 200 30 a 40 50 a 500 200 a 3.000 300 a 500 1500 a 3.000 100 a 300 1000 a 5000 500 a 1000 50 a 300 800 1.500 a 10.000 100 a 600

Bien entendido que los cálculos efectuados a partir de estos valores no dan más que un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del electrodo. La medida de resistencia de tierra de este electrodo puede permitir, aplicando las fórmulas dadas en la Tabla III, estimar el valor medio local de la resistividad del terreno; el conocimiento de este valor puede ser útil para trabajos posteriores efectuados en unas condiciones análogas. La tabla III nos muestra las distintas fórmulas para el cálculo de los electrodos típicos utilizados en las file:///E|/io/tema5/5-8.htm (6 of 8) [22/04/2005 01:19:05 a.m.]

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tomas de tierra. TABLA III TIPO DE ELECTRODO

RESISTENCIA EN OHMIOS

Placa enterrada profunda -

Placa enterrada superficial -

Pica vertical -

Conductor enterrado horizontalmente -

Malla de tierra -

siendo: R = resistencia de tierra del electrodo en ohmios. ρ = resistividad del terreno de ohmios.metro. P = perímetro de la placa en metros. L = longitud en metros de la pica o del conductor, y en malla la longitud total de los conductores enterrados. r = radio en metros de un círculo de la misma superficie que el área cubierta por la malla. El sistema más económico y por lo tanto el más corrientemente utilizado para realizar una toma de tierra, emplea como electrodos picas de acero cobreado de perfil cilíndrico de unos 15 mm. de diámetro y de 2 metros de longitud. Este tipo de electrodos es introducido en el terreno a base de pequeños golpes, consiguiendo de esta manera tan simple, resistencias relativamente bajas. Existen picas acoplables mediante rosca y manguito que podemos ir uniendo una detrás de la otra, hasta que las mediciones obtenidas den el valor óhmico deseado. Se inicia el proceso clavando la primera pica de extremo roscado, el cual se ha protegido de los golpes con el llamado tornillo-sufridera, pieza que se coloca durante el clavado con objeto de proteger la rosca. Una vez clavada la primera pica, se quita la pieza de protección de la rosca y mediante un manguito roscado se acopla la segunda pica, a la que a su vez se le coloca también en su parte superior el tornillo-sufridera, para continuar con el clavado de la segunda pica. Este proceso puede repetirse tantas veces como lo permita el terreno, pudiendo llegar, en terrenos blandos, hasta profundidades de 10 y 15 metros. Cuando la resistencia obtenida con una sola pica resulta excesivamente grande, puede recurrirse a la colocación de varias picas en paralelo, debiendo tener en cuenta la separación entre picas para evitar


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influencia entre ellas. Puesto que la resistencia de una sola pica es

la resistencia de "n" número de picas será:

siendo K un coeficiente que se obtiene de la figura adjunta, en la que D/L es la relación que existe entre la separación entre picas y la longitud de cada pica.

Cuando tengamos que utilizar varias placas enterradas, deberemos tener cuidado de que esten separadas al menos 3m, para evitar influencias. El agregar al terreno carbón vegetal y cock, no perjudica en absoluto la obtención de una buena y estable toma de tierra, no pudiendo decir lo mismo cuando se agregan otros elementos tales como sales y ácidos que indudablemente mejoran la conductividad de los terrenos, pero que por ser altamente corrosivos, al cabo de un tiempo relativamente corto, oxidan y destruyen la placa, con el consiguiente aumento de la resistencia.


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5.9. MEDIDAS DE TOMAS DE TIERRA. TELURÓMETRO Directamente sería imposible medir la resistencia de una toma de tierra, por lo que se hace precisa la utilización de un aparato especial llamado "TELURÓMETRO". TELURÓMETRO Este aparato se basa en el método de compensación y funciona con un generador magneto de C.A, que lleva un transformador en serie de relación exacta 1:1, es decir, que la intensidad por el primario es siempre igual a la del secundario. Según se muestra en la figura, disponiendo de dos pequeños electrodos clavados en el suelo, como tomas de tierra auxiliares (R1, R2), además de la toma de tierra que queremos medir (Rt), ya pueden establecerse las ecuaciones que resuelven el circuito eléctrico.

Dando vueltas a la manivela de la magneto y ajustando al mismo tiempo el potenciómetro de manera que por el galvanómetro no pase intensidad, tendremos que esto sucederá cuando las tensiones E = r I2 y E = Rt I1 sean iguales, pero como por otra parte, las intensidades también serán iguales I1 = I2 tendremos:

y por tanto:

Es decir, la resistencia que marque el potenciómetro será igual a la resistencia de la toma de tierra. La particularidad de este método consiste en que la medición, se hace independientemente de las tomas de tierra auxiliares que se realizan R1 y R2, aunque es aconsejable que R2 no sea muy grande, pues de ella depende la intensidad I1, y esta no conviene que sea muy pequeña. Estas tres tomas de tierra deberán estar separadas unas de otras unos 10 m. para evitar la influencia entre ellas. También es importante resaltar la conveniencia de hacer estas mediciones a frecuencias distintas a la industrial, para evitar las posibles interferencias con otras corrientes que no pertenezcan al aparato. Por lo general las frecuencias que utilizan los telurómetros son relativamente altas, del orden de 500 a 1.200 Hz. El telurómetro descrito corresponde a un modelo clásico de hace años; en la actualidad, basados en este principio, se construyen modelos que sustituyen la magneto por generador a pilas y la lectura de las mediciones se realiza, en algunos modelos, sobre un display digital.


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6. CONCEPTO SPRECHER SOBRE LA PROTECCIÓN DE MOTORES 6.1. PROTECCIÓN DE MOTORES La explotación óptima de la capacidad de los motores se hace cada día más necesaria por su gran influencia en el concepto de rentabilidad de las instalaciones. Por otra parte, el mismo concepto exige que la instalación sólo se pare en aquellos casos absolutamente imprescindibles. Esto requiere necesariamente el empleo de un buen sistema de protección de motores. Para que un buen motor funcione sin problemas es necesario satisfacer los tres puntos siguientes: 1.- Elección del motor según su utilización. 2.- Montaje correcto, mantenimiento regular y funcionamiento cuidadoso. 3.- Una buena protección que detecte los peligros y, siempre que sea posible, desconecte el motor antes de la avería. Cuando se produce un defecto en un motor no sólo hay que considerar el coste de la reparación del mismo, ya que muchas veces el coste de la parada de producción llega a ser más elevado que la reparación, como muy bien saben los responsables de producción y mantenimiento. De ahí la importancia de un buen sistema de protección que sólo actúe cuando haya un verdadero peligro, evitando las paradas innecesarias. La experiencia nos demuestra la protección de motores continua siendo un problema, dado el número de averías que se producen cada año. En este capítulo se pretende dar información sobre las distintas posibilidades de protección existentes así como criterios orientativos sobre la elección más adecuada en cada caso. 6.1.1. PROBLEMAS ACTUALES SOBRE LA PROTECCIÓN DE MOTORES El resultado de un estudio hecho con más de 9.000 casos de defectos de motores en Inglaterra, Finlandia y Estados Unidos, indica que más de la mitad de los defectos producidos en los motores se deben a sobrecarga térmica, fallo de fase y humedad, aceite, polvo, etc. Es importante destacar que estos defectos se han producido a pesar de la presencia de un sistema de protección normal, generalmente relés térmicos bimetálicos. Por otra parte, mientras que sólo el 25% de los casos de defectos corresponde a motores de potencia superior a los 40 kW, el coste de la reparación de los mismos supone casi el 80% del total, lo que demuestra claramente que una buena protección es tanto más necesaria cuanto mayor es la potencia del motor.

TIPO DE DEFECTO Sobrecarga térmica Fallo de fase


% DEFECTOS 46-18 22-5

% MEDIA 30 14

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Humedad, polvo, aceite, etc. Envejecimiento del aislante Defectos del rotor Defectos de cojinetes Diversos

21-15 10-7 13-10 3-7 11-5

19 10 13 5 9

Basado en 9.000 casos de defectos. Defectos por año 2,5 - 4 %

Como demuestra la estadística de defectos, el arrollamiento del estator es la parte más vulnerable del motor desde el punto de vista térmico, siendo los materiales aislantes de los conductores que forman el bobinado los principales responsables. Los aislantes utilizados están previstos para unas temperaturas de funcionamiento bien definidas según la clase de aislamiento; para motores se utilizan generalmente las clases B y F, que admiten en permanencia unas temperaturas máximas de 120ºC y 140ºC respectivamente. Los motores se dimensionan normalmente para una vida teórica del orden de 25.000 horas de servicio (aproximadamente 10 años) con el aislamiento sometido a una temperatura máxima admisible en permanencia (p.e. 120ºC para clase B). Cuando se sobrepasa esta temperatura, la vida del motor se reduce según una regla generalmente aceptada, llamada regla de Montsinger.

Según esta regla, cuando a un motor se le hace trabajar en permanencia a 10ºC por encima de su


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temperatura límite (p.e. 130ºC para clase B), su vida se reduce aproximadamente a la mitad, de 25.000 horas a 10.000 horas, y si se le hace trabajar a 20ºC más, su vida se reduce aproximadamente a la quinta parte, es decir, a unas 4.500 horas. Esto equivale a decir que cuando se regula un relé térmico de forma incorrecta a una intensidad superior a la nominal del motor, es muy probable que éste trabaje por encima de su temperatura límite, lo que supone, como hemos visto, una reducción de la vida del mismo. Seguidamente pasemos a estudiar los sistemas más usuales de protección de motores.


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6.2. RELES TÉRMICOS BIMETÁLICOS Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de la protección térmica por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo. Los bimetales están formados por la soldadura al vacío de dos láminas de materiales de muy diferente coeficiente de dilatación (generalmente ínvar y ferroniquel). Al pasar la corriente eléctrica, los bimetales se calientan y se curvan, con un grado de curvatura que depende del valor de la corriente y del tiempo. En caso de sobrecarga, al cabo de un determinado tiempo definido por su curva característica, los bimetales accionan un mecanismo de disparo y provocan la apertura de un contacto, a través del cual se alimenta la bobina del contactor de maniobra. Este abre y desconecta el motor. En los relés térmicos diferenciales se dispone de un sistema mecánico diferencial para la protección contra fallos de fase. Si durante la marcha del motor se interrumpe una fase (p.e. L3), el bimetal de esta fase se enfría y desplaza hacia la izquierda la regleta superior. Con ello se consigue una carrera adicional en el extremo de la palanca, de forma que con una menor deformación de los otros dos bimetales se produce el disparo. El efecto resultante es un desplazamiento de la curva de disparo según la línea de trazos de la curva característica, de forma que éste se produce con una intensidad inferior a la nominal (generalmente a 0,85 de la nominal). Se trata, pues, de una protección contra fallos de fase muy relativa, ya que el tiempo de disparo depende de la intensidad que esté consumiendo el motor. Si en el momento del fallo de fase esta intensidad fuera inferior al valor ajustado en el relé, éste no dispararía o lo haría en un tiempo muy grande. En cualquier caso se trata de un disparo lento, ya que incluso con la intensidad nominal habría que esperar un tiempo de aproximadamente 100 segundos.


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Por otra parte, los relés térmicos tienen una curva de disparo fija y está prevista para motores con arranque normal, es decir, con tiempos de arranque del orden de 5 a 10 segundos. En los casos de arranque difícil (p.e. en centrifugadoras, molinos, grandes ventiladores, etc.), que tienen un mayor tiempo de arranque, la curva de disparo resulta demasiado rápida y el relé térmico dispararía durante el arranque. Para evitar esto hay que recurrir a algún procedimiento especial como puentear el térmico durante el arranque o alimentarlo a través de transformadores saturables. Esto además de encarecer considerablemente el arrancador, supone emplear procedimientos sin fundamento físico porque en realidad lo que se hace es engañar a la protección. Así pues, el sistema de protección por relés térmicos bimetálicos es generalmente utilizado por ser, con mucho, el más simple y económico, pero no por ello se deben dejar de considerar sus limitaciones, entre las cuales podemos destacar las siguientes: - Curva de disparo fija, no apta para arranques difíciles. - Ajuste impreciso de la intensidad del motor. - Protección lenta o nula contra fallos de fase, dependiendo de la carga del motor. - Ninguna señalización selectiva de la causa de disparo. - Imposibilidad de autocontrolar la curva de disparo.


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6.3. INTERRUPTOR AUTOMÁTICO DE MOTOR Los interruptores automáticos de motor utilizan el mismo principio de protección que los interruptores magnetotérmicos. Son aparatos diseñados para ejercer hasta 4 funciones: 1.- Protección contra sobrecargas. 2.- Protección contra cortocircuitos. 3.- Maniobras normales manuales de cierre y apertura. 4.- Señalización. Este tipo de interruptores, en combinación con un contactor, constituye una solución excelente para la maniobra de motores, sin necesidad de fusibles de protección. En la figura podemos ver dos circuitos diferentes de alimentación de un motor según dos procedimientos; el primero utiliza los fusibles de protección de líneas, el imprescindible contactor y su relé térmico; el segundo solamente utiliza un interruptor automático de motor y un contactor. Las diferencias son notables, así que veamos los inconvenientes y ventajas estudiando la composición del interruptor automático de motor.


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Como ya hemos dicho, estos interruptores disponen de una protección térmica. Cada uno de los tres polos del interruptor automático dispone de un disparador térmico de sobrecarga consistente en unos bimetales por los cuales circula la intensidad del motor. En caso de una sobrecarga el disparo se produce en un tiempo definido por su curva característica. La intensidad de disparo térmico es regulable dentro de ciertos límites. Para el modelo KTA3 de Sprecher existen 13 modelos con intensidades comprendidas entre 0,1 A hasta 25 A. disponiendo cada uno de ellos de un campo de reglaje determinado. La protección magnética o disparador magnético de cortocircuito consiste en un electroimán por cuyo arrollamiento circula la corriente del motor y cuando esta alcanza un valor determinado se acciona bruscamente un nucleo percutor que libera la retención del mecanismo de disparo, obteniéndose la apertura de contactos en un tiempo inferior a 1 ms. La intensidad de funcionamiento del disparador magnético es de 11 a 18 veces la intensidad de reglaje, correspondiente a los valores máximo y mínimo del campo de reglaje. Otra característica interesante en este tipo de aparatos es la limitación de la corriente de cortocircuito por la propia resistencia interna del interruptor, correspondiente a los bimetales, disparadores magnéticos y contactos. Este efecto disminuye a medida que aumenta la intensidad nominal del aparato.


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Gracias al diseño optimizado de las piezas de los contactos y de las cámaras de extinción, estos aparatos tienen un poder de corte muy elevado. Así, por ejemplo, a 380V. el poder de corte es de 100 kA. para los aparatos de hasta 6,3 A; de 6,3 - 10 A. el poder de corte es de 10 kA, y de 10 - 25 A. el poder de corte es de 6 kA. Una tecla de conexión START y otra de desconexión STOP o RESET permiten el mando manual del interruptor, lo cual le faculta para que en ciertos circuitos se pueda prescindir del contactor. Un botón giratorio, situado a un costado del interruptor, permite seleccionar la función T "TRIP", de disparo con señalización y bloqueo de la reconexión directa. Esta función tiene la misión de que en el caso de disparo por sobrecarga o cortocircuito la tecla STOP se desplace a una posición intermedia, aproximadamente a la mitad de su carrera total, indicando con ello el motivo de la desconexión. Para efectuar la nueva conexión manual es necesario pulsar a fondo la tecla STOP. Estos interruptores, en su lateral izquierdo, disponen de un alojamiento para la colocación de un bloque de contactos auxiliares. Un contacto normalmente cerrado y otro normalmente abierto pueden servirnos para todas aquellas funciones de señalización que deseemos.

También es posible desconectar a distancia estos interruptores, ya que se dispone, en su lateral derecho, de alojamiento para colocar un bobina de disparo por emisión de tensión, o una bobina de disparo por mínima tensión. Con todo lo dicho sobre los interruptores automáticos de motores KTA3-25, es posible llegar a la conclusión de que aunque estos interruptores no supongan el sistema ideal de protección, pueden sustituir ventajosamente a los grupos fusibles/relés térmicos utilizados para la protección de motores.


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6.4. PROTECCIÓN CON SONDAS TÉRMICAS La protección con sondas térmicas constituye un magnífico sistema de protección contra las sobrecargas térmicas suaves y prolongadas. La sonda es como un termómetro que mide de forma directa la temperatura del arrollamiento del motor, acusando también la influencia de otros factores externos, tales como una temperatura ambiente excesiva o una refrigeración insuficiente. Aunque hay varios tipos de sondas, las más utilizadas son las de coeficiente de temperatura positivo (CTP) o termistancias, las cuales se caracterizan por provocar un aumento brusco de su resistencia cuando la temperatura llega a un valor determinado, llamado "temperatura nominal de funcionamiento" (TNF). Para este valor, la termistancia, conectada a un relé electrónico especial, provoca el disparo del contactor de maniobra.

Como las sondas miden exclusivamente la temperatura del punto en que hacen contacto, es necesario colocarlas en los puntos más críticos del arrollamiento del motor; generalmente en el fondo de las ranuras o en las cabezas de bobina del lado de salida del aire. Esto obliga a efectuar su montaje de forma cuidadosa durante la fase de bobinado del motor para asegurar un buen contacto térmico. Además de los problemas que lleva la colocación de la sonda hay otro factor que condiciona decisivamente este sistema de protección. A pesar de su pequeña masa (como una cabeza de cerilla), la sonda reacciona con un cierto retardo definido por su constante de tiempo térmica, que en la práctica suele ser del orden de 8 a 10 segundos. Esta inercia térmica, normalmente olvidada, es un factor muy importante a tener en cuenta sobre todo en casos de sobrecargas bruscas o bloqueo del rotor.


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Así, en la figura representamos la variación de temperatura en función del tiempo, en un motor hipotético M1 sometido a una densidad de corriente de 20 A/mm2, y la correspondiente curva de temperatura de su sensor CTP. Igualmente representamos la de un motor M2 sometido a una densidad de corriente de 50 A/mm2, y la de su sensor. En ambos motores suponemos que sus aislantes son del tipo B. Supongamos ahora que el motor M1 se halla trabajando a una temperatura normal de funcionamiento TNF de 110 ºC y sufre una brusca sobrecarga. Como la sonda no reaccionará hasta pasados 10 segundos, esto dará tiempo a que el motor llegue a alcanzar la temperatura de 140ºC, es decir, 140 - 120 = 20 ºC por encima de la temperatura máxima admitida por el aislante clase B. Si ahora el motor M2 es el que sufre una brusca sobrecarga, y suponemos que también está trabajando a una temperatura normal de funcionamiento de 110 ºC, la sobrecarga hará que la inercia de 10 segundos permita alcanzar al bobinado los 210 ºC, lo cual produciría serios daños. Como las sondas térmicas sólo pueden detectar calentamientos con un cierto retardo, no suministran una protección rápida, como sería de desear, en los casos contra fallos de fase, bloqueo del motor, cortocircuito entre fases, y defectos o derivaciones con respecto a tierra. Tampoco las sondas térmicas protegen a los conductores de alimentación, por lo que su empleo sólo es aconsejable en combinación con otros sistemas de protección.


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6.5. PROTECCIÓN ELECTRÓNICA DE MOTORES El secreto de una buena protección está en simular lo más exactamente posible el comportamiento térmico del motor, lo que evidentemente no es nada fácil. Son muchas las causas que afectan al buen funcionamiento de un motor y por lo tanto solamente un dispositivo electrónico es capaz de realizar los distintos reglajes y las distintas combinaciones necesarias para poder cubrir la casi totalidad de las posibles causas de avería que se pueden presentar en un motor. Seguidamente pasamos a describir dos modelos electrónicos para la protección de motores: el modelo CEF1 y el modelo CET3, ambos de la casa Sprecher. 6.5.1. RELÉ ELECTRÓNICO DE PROTECCIÓN DE MOTOR CEF1 Se trata de un aparato de fijación sobre rail omega en el que todos los elementos de mando y señalización se han dispuesto en la parte frontal del aparato. El CEF1 realiza todas las funciones de simulación que le caracterizan mediante la señal extraída de tres transformadores de intensidad, incorporados en el propio aparato. De esta forma podemos decir que no hay una conexión directa del relé con el circuito de potencia que alimenta al motor. El circuito electrónico del relé se alimenta con tensión alterna de 220V., lo cual quiere decir que en la gran mayoría de los casos obtendremos esta tensión entre una cualquiera de las fases de alimentación del motor y el neutro. Al igual que la mayoría de los relés electrónicos, la combinación de todas sus características y funciones se traduce finalmente en dos contactos, uno normalmente cerrado y otro normalmente abierto. Por lo general es el contacto normalmente cerrado el que se utilizará para desactivar la función memoria del contactor, en caso de detección de avería, y el normalmente abierto para la señalización. Pasemos seguidamente a describir las distintas funciones que es capaz de realizar el relé CEF1. Reglaje de la intensidad nominal La intensidad nominal de empleo del motor In se regla de forma digital con la ayuda de 8 conmutadores de contacto deslizante. Para ello hay que desplazar hacia la derecha los conmutadores que, sumados los valores de base de los dos modelos existentes (20 A. para el CEF1-11 y 12 y 160 para el CEF1-22), completen el valor de la intensidad de empleo del motor.


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Esto nos muestra como el campo de reglaje del modelo CEF1-11 y 12 puede hacerse de 20 a 180 A. mientras que el modelo CEF-22 tiene un campo de reglaje de 160 a 400 A. A primera vista parece que este tipo de relé no cubre la gama de motores pequeños, (menos de 20 A.), pero no es así, ya que la gama comprendida entre 0,5 y 20 A. puede obtenerse dotando a los transformadores de intensidad de los pasos necesarios, con los conductores de alimentación del motor, para conseguir la relación de transformación deseada.

Protección contra sobrecargas La curva de variación por sobrecargas puede variarse a voluntad mediante conmutadores deslizantes situados en la parte frontal del aparato. La selección de la curva se hace regulando el tiempo de disparo, para el que la intensidad resulta ser 6 veces la nominal entre 2 y 30 segundos, en escalones de 2 segundos. Disponer de una curva de disparo variable nos permitirá adaptarnos a la forma de arranque del motor, pues si se trata de un arranque rápido (p.e. en una bomba sumergida), elegiremos una curva rápida, y por el contrario si se trata de un arranque difícil (p.e. en centrifugadoras, molinos o grandes ventiladores), elegiremos una curva lenta. Autocontrol de la curva de disparo Mediante un pulsador situado en la parte frontal del aparato se puede realizar el Test "6xIn", es decir, pulsando este botón simulamos las condiciones en las que la intensidad por el motor es seis veces la nominal, debiendo efectuarse el disparo en el tiempo prefijado.


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Señalización de sobrecarga Cuando la intensidad del motor supera el 110% del valor ajustado para la intensidad nominal, existe un diodo luminoso (LED), que se ilumina de forma intermitente. Con ello se puede controlar la duración del arranque o ajustar la intensidad nominal a su justo valor.

Protección contra fallos de fase y asimetría En el caso de fallo de fase o asimetría de las intensidades superiores al 25%, el relé CEF1 dispara en 1,5 segundos durante el arranque y en 3 segundos en marcha normal, independientemente de la carga del motor. El disparo queda señalizado mediante el LED correspondiente. Protección térmica mediante sonda CTP El CEF1 lleva incorporada la circuitería correspondiente al disparo por sondas térmicas. El disparo térmico, la ruptura o el cortocircuito de la sonda son señalizados mediante un LED. Pulsador reset Después de un disparo del relé, este debe ser rearmado manualmente mediante un pulsador de "Reset" colocado en la parte frontal del aparato. Cuando el disparo se ha producido por sobrecarga, el rearme tarda un tiempo en poder realizarse con el fin de dar tiempo a que se enfríe el motor. Señalización del estado de funcionamiento Un diodo luminoso, LED, de color verde, señala la presencia de alimentación y que el aparato está preparado para entrar en servicio. La conexión del relé es muy simple ya que se alimenta como hemos dicho anteriormente a 220V., los transformadores de intensidad incorporados obtienen la señal de mando del relé, y el contacto normalmente cerrado, 95-96, sirve para controlar la función memoria del contactor. El contacto


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normalmente abierto, 97-98, se utiliza como señalización.

1.- Reglaje de la intensidad nominal. 2.- Selección de la curva de disparo. 3.- Señalización de disparo por sondas CTP. 4.- Señalización de fallo de fase o asimetría. 5.- Señalización de disparo por sobrecarga o de corriente de sobrecarga (intermitente). 6.- Señalización del estado de funcionamiento. 7.- Conexión de la tensión de alimentación. 8.- Bornes de conexión de los contactos. 9.- Botón test para autocontrol de la curva de disparo 6 x I. 10.- Botón de rearme. 11.- Conexión de las sondas térmicas.


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La tensión de alimentación, 220V., del relé y del circuito de mando del motor la podemos obtener entre una de las fases L1 y el neutro de la red general.

La función memoria tiene como pulsador de mando el contacto 13-14, como pulsador de paro el 21-22, siendo el contacto de retención el 13-14, perteneciente al contactor K1M.


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6.6. CRITERIOS DE ELECCIÓN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN Establecer unos criterios generales para la elección del sistema de protección más adecuado en cada caso no resulta fácil, entre otras razones porque la elección depende de la responsabilidad del funcionamiento del motor en el conjunto de la instalación. En primer lugar habrá que tener presente las características de los distintos sistemas de protección estudiados. En segundo lugar es necesario considerar el precio de cada sistema de protección en comparación con el coste de un motor nuevo y con el coste de la reparación del mismo. Los precios aproximados se han indicado para la gama de potencias más usuales, considerando motores de jaula de ardilla, 380/660 V, forma B-3 y protección IP-54. Así, sobre la figura siguiente podemos ver cómo para un motor de 15 CV. el térmico vale 3.200 pts., el KTA3 5.200 pts., el CEF1-11 21.000 pts., el CET3 75.200, el precio del motor nuevo es de 80.000 pts. y rebobinar el estator cuesta unas 30.000 pts. Ahora, fácilmente podemos deducir que a partir de 15 CV el coste de la reparación del motor es superior al precio del relé electrónico CEF1-11, mientras que a partir de 50 CV, el coste de la reparación es superior al precio del relé electrónico de protección integral CET3. Es decir, que con una sola vez que se evite el quemado de un motor queda amortizado el coste de la protección y todo ello, sin considerar la pérdida de producción originada por la sustitución del motor averiado. A la vista de todos los factores considerados (características y precios) aconsejamos utilizar el criterio de elección siguiente:


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* Hasta 15 CV, relés térmicos o mejor aún, interruptores automáticos de motor, KTA3-25 sin fusibles. * A partir de 15 CV, relés electrónicos CEF1. * A partir de 50 CV, relés electrónicos CET3, y si la inversión no es posible, relés CEF1. * A partir de 100 CV, relés electrónicos CET3. * Siempre que sea posible, como complemento es aconsejable instalar también la sonda térmica CTP, ya que como vimos es la mejor forma de proteger el motor contra una temperatura ambiente excesiva o un fallo del sistema de refrigeración.


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7. ELECTRODOMÉSTICOS 7.1. HORNOS MICROONDAS Los hornos microondas son hornos que alimentados mediante energía eléctrica producen ondas electromagnéticas de una determinada frecuencia, llamadas MICROONDAS, siendo su principal finalidad la de calentar alimentos. Dentro del espectro de frecuencias, las microondas se sitúan entre la radiofrecuencia y la luz infrarroja, compartiendo las propiedades de ambas radiaciones, por lo que se utilizan tanto en comunicaciones (ondas de radio) como para cocinar (rayos infrarrojos).

La propiedad de las microondas de poder ser moduladas, las hace aptas para ser utilizadas en comunicaciones, pues en determinadas condiciones atmosféricas se propagan mejor que otras ondas de menor frecuencia. A semejanza con las radiaciones luminosas, las microondas pueden ser proyectadas en forma de haces compactos, por lo que su utilización resulta imprescindible en ciertas comunicaciones de radio y TV, así como también en las transmisiones vía satélite. El radar también funciona a base de microondas. Aprovechando la facilidad de enviarlas en haces rectilíneos, es posible detectar la posición, velocidad y trayectoria, de objetos muy distantes, tan sólo con analizar las ondas reflejadas por estos. Dentro del espectro electromagnético, las microondas son ondas cortas de una longitud comprendida entre unos pocos milímetros y varios centímetros, lo cual equivale a decir que su frecuencia de oscilación estará comprendida entre unos cuantos cientos de megaciclos y unos miles de megaciclos.


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Al igual que sus vecinos, los rayos infrarrojos, las microondas comparten la propiedad de hacer vibrar ciertas moléculas de los cuerpos que atraviesan, calentándolos, propiedad que es utilizada en los "hornos microondas". Así pues, si colocamos un alimento dentro de la influencia de un campo electro-magnético de, por ejemplo, 2.450 MHZ., las cargas eléctricas de las microondas se tropezarán con las cargas eléctricas del alimento expuesto, y debido a la ley de atracción y repulsión, las del mismo signo se repelerán y las de distinto se atraerán, dando lugar a un movimiento oscilatorio entre moléculas, que a su vez crea una fricción entre ellas y en consecuencia un calentamiento.

Naturalmente, éste calentamiento está en función del número de oscilaciones y éstas son función de la frecuencia; en el caso que nos ocupa, por ser la frecuencia 2.450 MHz., los cambios de polaridad y por tanto las oscilaciones serán de 4.900 millones por segundo. Si además tenemos en cuenta que hay del orden de 125 cuatrillones de moléculas por mm3 de alimento, no es difícil imaginar los frotamientos que resultan y la rapidez con que se produce el calor. No todas las moléculas de que se compone un cuerpo sufren el efecto descrito; para que se produzca, las moléculas deben tener una configuración dipolo. Una molécula con una configuración dipolo deberá tener una carga positiva a un lado y una carga negativa en el otro, es decir, con dos polos opuestos, como un imán. El agua, compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, forma una molécula con configuración dipolo; el átomo de oxígeno forma el núcleo central de la molécula y está cargado de energía positiva, mientras que los átomos de hidrógeno forman la capa orbital y poseen energía negativa. Las grasas, albúminas e hidratos de carbono también tienen sus moléculas en configuración dipolo.

Molécula de agua


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Puesto que los materiales que nos interesa exponer al horno microondas son los alimentos comestibles, y estos están compuestos fundamentalmente por moléculas de agua (entre un 70 y un 90%), grasas e hidratos de carbono en mayor o menor proporción, se comprende el elevado rendimiento de este tipo de hornos. Este efecto selectivo de las microondas sobre los materiales que son dipolares, nos demuestra cómo es posible calentar el contenido de un plato y sacarlo con la mano desnuda sin quemarse; lo que se ha calentado es el contenido y no el plato, porque la loza es un material no dipolar. La acción de las microondas sobre los distintos materiales puede dividirse en tres grupos: A) Materiales sobre los que las microondas se reflejan según las leyes de la óptica. Esto es lo que sucede con todos los materiales metálicos; su comportamiento frente a las ondas es equivalente a un espejo. B) Materiales eléctricamente neutros sobre los cuales las microondas pasan sin causar ningún efecto. Son transparentes a las microondas y por tanto no se calientan: los plásticos, el vidrio, la cerámica, el papel, etc.. C) Materiales con configuración dipolar que absorben las microondas y en consecuencia se calientan. Estos materiales son principalmente el agua, las grasas, las albúminas y los hidratos de carbono.

Otra cuestión digna de tener presente es la forma de actuación de las microondas frente a los métodos convencionales. Mientras que en los métodos tradicionales de cocción, el calor va entrando en los file:///E|/io/tema7/7-1.htm (3 of 12) [22/04/2005 01:20:06 a.m.]

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alimentos desde el exterior al interior por transmisión de calor, las microondas surten efecto directamente en todo el volumen a calentar, hasta cuatro centímetros de profundidad. El punto de máximo calentamiento se encuentra a un centímetro y medio de la superficie tratada. 7.1.1. CONFIGURACIÓN DE UN HORNO MICROONDAS Tal y como puede comprobarse en el esquema, un horno a microondas está constituido por una fuente de alimentación, un Magnetrón generador de las microondas, un canal de guía de ondas, un agitador de ondas y una cavidad de cocción. Todo este conjunto dispone de una serie de controles y temporizadores que garantizan el buen funcionamiento del horno.

Fuente de alimentación La fuente de alimentación consta de un transformador y de un doblador de tensión. El transformador, con un primario alimentado a 220 V., dispone de dos secundarios, uno que suministra 3,5 V. para alimentar el filamento del magnetrón, y otro que suministra 2000 V.

Un condensador y un diodo forman el doblador de tensión para de esta forma obtener los 4000 V. que necesita el magnetrón. file:///E|/io/tema7/7-1.htm (4 of 12) [22/04/2005 01:20:06 a.m.]

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Magnetrón El magnetrón esta formado por un cátodo caldeado por un filamento, un ánodo y un imán que rodea el conjunto.

Cuando se aplica tensión (3,5 V.) al filamento, éste calienta al cátodo y emite electrones que se ven atraídos por los 4000 V. aplicados al ánodo. Los electrones que en condiciones normales saldrían en línea recta en dirección al ánodo, se ven frenados por el campo magnético y obligados a moverse en un orbital situado entre el ánodo y el cátodo. El paso de los electrones por las proximidades del ánodo, en donde están situadas pequeñas cavidades resonantes, produce las oscilaciones de alta frecuencia, 2.450 MHZ. Aunque la intensidad electrónica que es capaz de emitir un cátodo es muy pequeña, como la tensión de ánodo es muy grande, la potencia total suministrada es relativamente grande, del orden de 1.000 W. La energía del microondas obtenida es radiada por una antena dispuesta en el magnetrón e introducida en un guía-ondas que las dirige a la cavidad del horno. Cavidad de cocción. Guía-ondas La cavidad de cocción es simplemente una caja metálica donde se coloca el alimento a cocinar.


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Las microondas son dirigidas desde el magnetrón hasta la cavidad de cocción mediante una canal que las transporta con escasas pérdidas. Este canal guía-ondas, debe tener unas dimensiones muy precisas, estando directamente ligadas a la frecuencia que transporta. Al entrar las microondas a la cavidad de cocción, son agitadas por una especie de ventilador que hace que se dirijan en todas las direcciones, rebotando sobre las paredes metálicas hasta que son absorbidas por el alimento. Algunos hornos disponen para la colocación de los alimentos, de un soporte o plato giratorio que hace que el alimento aproveche mejor la distribución de las microondas. Naturalmente las zonas de mayor potencia de microondas se encuentran en el centro del plato giratorio. Control y temporizadores Además de los tres microinterruptores que lleva la puerta del horno para asegurar su desconexión cuando la puerta esté abierta, el circuito dispone de dos temporizadores para el control del tiempo de funcionamiento de horno y para el control de la potencia. Por otra parte, estos hornos disponen de dos protecciones térmicas y una protección contra sobretensiones. Las protecciones térmicas se hacen a través de dos termostatos de seguridad, uno que controla la temperatura de la cavidad del horno y otro que controla la temperatura del magnetrón.


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Con el fin de evitar que pueda llegar al transformador de alimentación del magnetrón un exceso de tensión, se dispone de un relé de sobretensión.

Así, cuando la tensión sobrepase los 220 V., el contacto del relé se abrirá, haciendo pasar la corriente a través de una resistencia de 20 Ω. Esto provoca una caída de tensión en la resistencia, con la consiguiente disminución de la tensión. 7.1.2. DESCRIPCIÓN DE UN HORNO MICROONDAS Un horno microondas consta de los siguientes elementos: 1.- PESTILLOS PUERTA Utiliza un mecanismo automático de cierre. Cuando se cierra el pestillo queda automáticamente enclavado.


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2.- VENTANA PUERTA


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Permite ver los alimentos mientras se cocinan. Sin embargo las microondas no pueden pasar a través de la pantalla metálica que va colocada entre el cristal. 3.- PLATO DE COCCIÓN Los alimentos se pueden cocinar directamente sobre el plato. Gira durante la cocción y asegura la máxima absorción de las microondas. 4.- DISPERSOR DE ONDAS Opera cuando se utiliza el horno y proporciona una mayor agitación de las microondas. Un tape de plástico lo protege de posibles salpicaduras de los alimentos. 5.- SELECTOR VARIABLE DE POTENCIA El selector de potencia permite la selección de distintas potencias de cocción mediante ciclos de paro-marcha. 6.- RELOJ TEMPORIZADOR Es un reloj que controla el tiempo de funcionamiento del horno. Puede controlarse entre 1' y 45'.

7.- PILOTO DE FUNCIONAMIENTO Se ilumina cuando la tecla de puesta en marcha está pulsada, la puerta cerrada y el temporizador en posición de funcionamiento. 8.- TECLA DE PUESTA EN MARCHA Pulsándola comienza el proceso de cocción; previamente se habrá seleccionado, con el selector, la potencia y con el temporizador, el tiempo. Si durante la cocción se abre la puerta, la tecla debe volver a pulsarse para continuar una vez que la puerta haya sido cerrada. 9.- TECLA APERTURA PUERTA


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Pulsando actúa el mecanismo que abre la puerta y desconecta el paso de corriente a todos los receptores, excepto a la lámpara de luz interior del horno, siempre que el temporizador esté conectado. 10.- LUZ INTERIOR Se trata de una lamparita que ilumina el interior del horno. Funciona siempre que el temporizador no esté en posición "0" y no haya ningún termostato de seguridad, bien del horno o del magnetrón, abierto. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS HORNOS DE 27 LITROS ESPECIFICACIONES TECNICAS Tensión de alimentación

220 V. 50 Hz.

Potencia de consumo

1250 W.

Potencia aprovechada en calor

650 W.

Tipo de fusible

SOC 250 V. - 10 A.

Filtro antiparasitario Tensión de entrada del transformador

220 V. 50 Hz

Tensiones de salida del transformador

3,5 V. , 2.000 V.

Entrada del circuito doblador

2.000 V.

Salida del circuito doblador

4.000 V.

Frecuencia producida por el magnetrón

2.450 MHz.

Oscilación de las microondas

4.900 millones/sg.

Temperatura máxima del magnetrón

140 + 5ºC

Capacidad de la cavidad del horno

27 litros

Temperatura máxima en la cavidad del horno

120 + 5ºC

Plato giratorio

320 mm.

Peso

27 kg

DIMENSIONES

EXTERIORES

CAVIDAD INTERIOR

ANCHO

550 mm.

330 mm.

ALTO

380 mm.

270 mm.


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410 mm.


340 mm.

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7.1.3. COMPROBACIÓN DE LA POTENCIA DE UN HORNO MICROONDAS Tal y como se especifica en los datos técnicos, la potencia consumida por el horno es de 1.250 W., mientras que la que realmente se obtiene en el plato es de 650 W. Comprobar prácticamente este dato resulta relativamente sencillo si nos planteamos el problema de determinar la cantidad de energía que absorbe una cierta cantidad de agua expuesta durante un tiempo al efecto de las microondas. Cuando una potencia eléctrica P actúa durante un tiempo t, produce un número de calorías igual a:

Por otro lado, si un volumen de agua V a una temperatura Tamb se introduce en un horno y al cabo de cierto tiempo la temperatura del agua aumenta a un valor T, esto quiere decir que el agua ha recibido un número de calorías igual a:

Como el calor aportado por el horno es igual al recibido por el agua, tendremos que:

de donde:

Así, conociendo la elevación de temperatura que experimenta un determinado volumen de agua durante un cierto tiempo, podremos determinar la potencia desarrollada por el horno. Por ejemplo: un litro de agua (1.000 ml.) expuesto durante tres minutos (180 seg) provoca un aumento de temperatura del agua de 28ºC., lo cual nos indica que el horno esta suministrando 633 W.


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7.2. LAVADORAS Una lavadora equivale, eléctricamente, a un curioso y valioso electrodoméstico cuyo sistema de funcionamiento es digno de tener en cuenta. La pieza fundamental de toda lavadora es el programador, el cual se encarga de coordinar el funcionamiento de los distintos elementos de que se compone una lavadora. Estos elementos son: 1.- Electroválvula. 2.- Grupo motor-bomba. 3.- Detector de nivel. 4.- Resistencia calefactora. 5.- Motor de lavado-centrifugado. Electroválvula La electroválvula es un dispositivo mediante el cual se llena de agua la lavadora. La bobina de un electroimán, alimentada a 220 V., acciona una membrana que deja paso o corta el caudal de agua. Cuando se aplica tensión a la electroválvula, el paso de agua a la lavadora queda abierto, admitiendo un caudal que depende de la presión del agua de la red de suministro, y que suele ser de 8 litros por minuto, para una presión de red de 2 kg./cm2. Grupo motor-bomba Se trata de un pequeño motor, 150 VA. de consumo, acoplado a una pequeña bomba, capaz de sacar un caudal de agua del orden de 22 litros por minuto. El cuerpo de la bomba lleva incorporado un tape que accede a un filtro de desagüe. Detector de nivel La misión del detector de nivel es dejar que la lavadora se llene de agua hasta una altura determinada, aproximadamente 13 cm. Un pequeño tubo introducido en el interior del tambor, acciona por presión a una membrana que actúa sobre un contacto conmutado (un contacto se abre y el otro se cierra). Esta no es la única misión del detector de nivel, ya que si el nivel de agua sigue subiendo por cualquier motivo, voluntario o involuntario, al sobrepasar en 12 cm. el nivel anteriormente descrito, 13 + 12 = 25 cm., se cierra un nuevo contacto cuya misión, como veremos más adelante, será la de poner en marcha el grupo motor-bomba. Esto es lo que da lugar a lo que más tarde llamaremos segundo nivel de llenado.


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Resistencia calefactora La resistencia calefactora tiene como misión calentar el agua a un valor prefijado por un termostato. La potencia consumida por esta resistencia es de 3000 W. Motor de lavado-centrifugado Se trata de un motor de doble devanado, uno para la operación de lavado y otro para la de centrifugado. El devanado para la operación de lavado, confiere al motor una velocidad de 450 rpm y un consumo de 300 VA. Mediante un condensador, es posible invertir el sentido de giro del motor, operación ampliamente repetida en los ciclos de lavado. El devanado correspondiente al centrifugado imprime al motor una velocidad de 2.800 rpm y tiene un consumo de 750 VA. El conjunto del motor se halla térmicamente protegido mediante un bimetal que autodesconecta el motor cuando por alguna circunstancia se calienta en exceso. 7.2.1. FUNCIONAMIENTO DE UNA LAVADORA El funcionamiento de una lavadora se centra fundamentalmente en cuatro operaciones: prelavado, lavado, aclarados y centrifugado. La operación de prelavado, al igual que la de lavado, consiste en una recogida de agua con detergente, un movimiento cíclico del tambor con sucesivas inversiones del sentido de giro, y un calentamiento simultáneo del agua. Transcurrido un cierto tiempo de prelavado o lavado, se procede a un segundo llenado, hasta el segundo nivel, seguido de un vaciado.


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Los aclarados consisten en sucesivos llenados, primero a un nivel y luego al llamado segundo nivel, seguidos de movimientos cíclicos con inversiones del sentido de giro. Cada uno de estos ciclos termina con un vaciado. El centrifugado tiene por objeto extraer el agua de las prendas lavadas, por lo tanto durante éste tiempo se procede también a un vaciado. 7.2.2. CIRCUITO ELÉCTRICO DE UNA LAVADORA El circuito eléctrico de una lavadora es relativamente sencillo, así como su funcionamiento. Si suponemos cerrados el interruptor general I.G., el de puerta I.P. y el de línea 22-2, la electroválvula a través del contacto 51-52 cierra circuito, y en consecuencia empieza a entrar agua a la lavadora (la electroválvula se halla en serie con el motor-bomba, pero esto no supone ningún inconveniente, ya que la impedancia de la electroválvula es mucho mayor que la del grupo motor-bomba). Cuando el nivel del agua ha alcanzado el valor determinado por el detector de nivel, el contacto 51-52 se conmuta y pasa a la posición 51-53, el cual deja a la resistencia de caldeo en posición apta para funcionar siempre que el contacto 7-27 del programador lo permita, así como el termostato C.T. Si el contacto del programador 13-21 se cierra, la electroválvula también se acciona, llenando la lavadora hasta nuevo nivel "segundo nivel". Caso de que este nivel fuera sobrepasado, el contacto 51-53 pasaría a la posición 51-53-54, con lo que se pondría en marcha la bomba y se vaciaría el exceso de nivel.


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El grupo motor-bomba se acciona también cuando el contacto del programador 13-29 se cierra. El motor de lavado está en posición cuando los contactos 28-08 y 23-3 están cerrados, siendo el contacto 13-25 el que determina su puesta en marcha. Los contactos 45-41 y 45-42 conectan a un lado u otro el condensador, con lo que se consigue la inversión del sentido de giro del motor. Cuando los contactos 28-8 y 23-03 están cerrados, el motor se encuentra en posición de centrifugado, siendo el contacto 24-8 quien determina su puesta en marcha. El pulsador manual E.C. de exclusión de centrifugado sirve para eliminar, si se desea, esta función. 7.2.3. PROGRAMADOR El programador es el cerebro de toda lavadora. Se trata de un pequeño motor síncrono que va moviendo una serie de levas según un programa preestablecido, y éstas a su vez van cerrando o abriendo una serie de contactos. Por lo general, los programadores de lavadoras disponen de 60 impulsos o posiciones, con unos tiempos entre impulsos que varían según los tipos, en nuestro caso, 2'-8'-24'. Las levas se van moviendo a lo largo de estos 60 impulsos configurando la característica propia de cada programador.


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Así, el contacto 22-2 llamado "línea" supedita el total funcionamiento de la lavadora y por tanto es el que determina los programas que hay en cada ciclo. En este caso el ciclo de 60 impulsos de la lavadora está dividido en tres programas, uno de 34 impulsos, otro de 20 y un último de 3. Siguiendo detenidamente el diagrama de tiempos del programador iremos determinando la función que se realiza en cada impulso. La lavadora descrita corresponde a un modelo ampliamente comercializado con distintas marcas, Balay, Philips, Zanussi. etc. y un único fabricante, Balay. Naturalmente existen otros modelos mas sofisticados que incluyen alguna otra función como por ejemplo la regulación de velocidad del centrifugado, la función Flot, ahorro de agua y energía en casos de poca carga, etc., pero en esencia todos los modelos son muy similares.


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7.3. TERMOS ELÉCTRICOS El termo eléctrico es posiblemente el electrodoméstico más utilizado, después de la lavadora. Se trata de un calderín o depósito de agua al que interiormente se ha colocado una resistencia eléctrica de una potencia determinada. De esta manera el agua se calienta a una cierta temperatura durante un tiempo que depende de la capacidad del depósito, de la potencia de la resistencia eléctrica, y de la temperatura de entrada del agua. Suponiendo un depósito sin pérdidas de calor, tendremos que el calor aportado por la resistencia eléctrica será igual al calor recibido por el agua.

Por ejemplo, un termo de 50 litros de capacidad lleva incorporada una resistencia de 1,5 kW., por tanto el tiempo que tardará en calentar el agua de 15 ºC a 60 ºC, será:

Naturalmente este es un tiempo teórico, ya que el termo, pese a llevar una capa de aislante térmico (poliuretano), tiene unas pérdidas, y por consiguiente el tiempo que tarda es ligeramente mayor. Algunos fabricantes aprovechan la particularidad de utilizar la combinación de dos resistencias "serie-paralelo", para dar al termo la posibilidad de tener dos potencias y por tanto dos velocidades de calentamiento: mínima "resistencias en serie" y máxima "resistencias en paralelo". Comercialmente son dos los modelos que se fabrican: - Modelo lujo. - Modelo superlujo. Cada modelo tiene unas características específicas que naturalmente se ven reflejadas en el precio final de venta al público. Así, en un termo eléctrico la regulación de la temperatura se realiza por medio de un termostato encargado de conectar y desconectar las resistencias eléctricas según las necesidades. Este termostato es fijo (70ºC) para el modelo de Lujo y regulables exteriormente entre 30 y 70ºC, en el modelo Superlujo. Un calentamiento excesivo del agua por fallo del termostato podría ocasionar un serio accidente, por lo que todos los modelos están protegidos por un limitador de seguridad que corta la alimentación y deja sin tensión al termo en caso de fallo del termostato. La resistencia calefactora se halla en el interior de un vaina metálica que la protege, por tanto no se encuentra en contacto directo con el agua; esto supone una gran ventaja y seguridad.


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Una pieza especialmente interesante en todo termo eléctrico es la barra de magnesio. Su misión es la de hacer de ánodo sacrificable, es decir, que evita la corrosión del depósito del termo a costa de su propia destrucción. La instalación de este tipo de electrodoméstico es muy sencilla y solamente habrá que tener presente unas cuantas consideraciones fundamentales. Así, siempre que la presión del agua procedente de la red de alimentación sobrepase la presión de 5 kg/cm2 se deberá colocar un reductor de presión en la tubería de entrada al termo. Con el termo el fabricante deberá suministrar una válvula de seguridad, que se coloca en la entrada del agua fría, y que tiene una triple finalidad: 1) Contrarrestar el aumento de presión en el interior del termo, como consecuencia del aumento de temperatura. Esto se consigue purgando automáticamente el exceso por la boquilla de drenaje. 2) Evitar que el termo pueda vaciarse de forma involuntaria. 3) Vaciar el termo por el desagüe, accionando el grifo de vaciado que lleva dicha válvula de seguridad.


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CARACTERÍSTICAS GENERALES CAPACIDAD

30 l.

POTENCIA/TENSIÓN TIEMPO CALENT.

50 l.

75 l.

100 l.

150 l.

0,75 kW (mínima) 1,5 kW (máxima) 220 V. 1h 3'

1h 45'

2h 38'

3h 30'

5h 16'

A 60ºC (∆ t = 45ºC) DIÁMETROS TUBOS

Rosca gas 1/2"

PERSONAS

2


Rosca gas 3/4" 4

6

7-3

30 l.

50 l.

75 l.

100 l.

150 l.

A

536

736

675

840

1179

B

598

798

737

902

1241

C

596

796

730

898

1234

D

380

380

489

489

489

E

393

393

516

516

516

F

120

120

175

175

175

G

235

435

280

435

790

H

155

200

250

250

250

I

160

160

230

230

230

J

185

185

440

440

440

También en el tubo de entrada del agua fría, deberá colocarse un llave de paso con el fin de cortar, cuando se desee, la entrada de agua hacia el termo.

Otra cuestión digna de tener presente es la posible formación de pares galvánicos al conectar las tuberías del termo con las de la red general de alimentación. Para evitar este riesgo se utilizarán los manguitos plásticos que van con el termo y que le dejan aislado del resto. La instalación eléctrica de un termo no precisa de nada fuera de lo normal, pero sí debe ajustarse al Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión. file:///E|/io/tema7/7-3.htm (4 of 7) [22/04/2005 01:20:22 a.m.]

7-3

Así, la instalación eléctrica deberá hacerse a través de un interruptor omnipolar, disyuntor o contactor, debiendo proteger la instalación con fusibles del calibre correspondiente a la intensidad absorbida. Puesto que toda instalación debe llevar su correspondiente toma de tierra, para facilitar esta conexión el enchufe del termo va provisto del oportuno contacto, por tanto basta con que la base del enchufe sea la que le corresponde. Caso de no disponer de la reglamentaria toma de tierra, es recomendable instalar un interruptor diferencial de 30 mA. de sensibilidad. Cuando el termo haya de colocarse en cuartos de baño, deberán de tenerse en cuenta los volúmenes marcados por el Reglamento y las recomendaciones que hacen a tal fin. VOLUMEN DE PROHIBICIÓN: Es el volumen limitado por planos verticales tangentes a los bordes exteriores de la bañera, baño-aseo o ducha, y los horizontales constituidos por el suelo y por un plano situado a 2,25 m. por encima del fondo de aquellos o por encima del suelo, en el caso de que estos aparatos estuviesen empotrados con el mismo. VOLUMEN DE PROTECCIÓN: Es el comprendido entre los mismos planos horizontales señalados para el volumen de prohibición y otros verticales situados a 1 metro de los del citado volumen, tal y como se indica en la figura.

En el volumen de prohibición no se instalarán interruptores, tomas de corriente ni aparatos de iluminación. Se admiten por encima de este volumen, contactores de mando de sonería accionados por un cordón o cadena de material no hidroscópico. En el volumen de protección no se instalarán interruptores, pero podrán instalarse tomas de corriente de seguridad.


7-3

El calentador de agua deberá instalarse, a ser posible, fuera del volumen de prohibición, con objeto de evitar las proyecciones de agua al interior del aparato. Sobre el mismo calentador, o en sus proximidades, deberá colocarse un cartel de advertencia que señale la necesidad de cortar la corriente antes de abrir la caja de conexiones del calentador, así como de no reestablecerla hasta que la caja se encuentre nuevamente cerrada. La determinación del consumo de agua caliente sanitaria no puede valorarse mediante una fórmula matemática. Por este motivo el cálculo deberá establecerse sobre la base de datos estadísticos realizados y que cubren las necesidades en el momento más desfavorable de demanda. Los datos de referencia utilizados como base para los estudios estadísticos son aplicables para una vivienda: - Número de habitaciones. - Número de personas. - Nivel de confort. - Número de aparatos sanitarios con consumo. - Clase o tipo de edificio. Sea cual fuere el sistema de producción de agua caliente para usos sanitarios, las necesidades han de determinarse a partir de: - Cálculo de necesidad diaria. - Cálculo de la necesidad máxima horaria (hora punta). El consumo diario de agua caliente es función de los aparatos instalados y puede valorarse para una vivienda de 3 o 4 personas, de la siguiente manera: CONSUMO DIARIO DE AGUA CALIENTE VIVIENDA PARA TRES O CUATRO PERSONAS APARATO

CONSUMO LITROS

TEMPERATURA ºC

Fregadero

46

60

Lavabo

18

40

Ducha / Bañera

110

40-45

Bidé

6

40

TOTAL: 180 litros diarios


7-3

A la vista de estos resultados estadísticos, podremos considerar un consumo medio estimado de: 1 persona = 50 litros / día a 45 ºC Teniendo en cuenta que el consumo total de agua (caliente y fría) está cifrado en 200 litros por persona y día, la cifra 50 litros de agua caliente no parece un consumo exagerado. Queremos dejar bien claro que se trata de un consumo medio y por lo tanto esto quiere decir que una parte de la población consume más agua caliente, mientras que la otra está por debajo del consumo medio citado.


7-4

7.4. CALEFACCIÓN La calefacción es el medio por el cual nuestro hogar y nuestro lugar de trabajo alcanzan el agradable bienestar que supera las inclemencias de las bajas temperaturas. Por fortuna resulta para todos algo habitual y ya imprescindible en nuestra vida. Por lo tanto, característica típica de una adecuada calefacción, es la temperatura interior de confort (ti) alcanzada, la cual va a depender de las actividades que se realicen en el local o vivienda en cuestión. Así, en un local donde se realicen trabajos con esfuerzos físicos notables se necesitará una temperatura inferior a la de una vivienda donde nos encontremos en situación de descanso. Con el fin de dar una idea de las temperaturas interiores de confort, exponemos la siguiente tabla, bien entendido que la temperatura de "confort" depende de muchos factores, tales como la edad, situación física en la que nos encontremos, grado de humedad ambiente, etc.. TEMPERATURAS INTERIORES RECOMENDADAS Tipo de local

Temperatura ºC

Viviendas

21-25

Locales de espectáculos

20-24

Hospitales

23-26

Residencias de ancianos

23-27

Almacenes y comercios

20-24

Oficinas

22-24

Talleres y fábricas

17-22

La temperatura exterior (te) es un factor que interviene de una manera decisiva en el cálculo de las necesidades caloríficas de un local o una vivienda, ya que para unas condiciones determinadas será este valor quien determine la potencia calorífica máxima necesaria. Naturalmente, la temperatura exterior a aplicar en un determinado cálculo de la potencia calorífica máxima, depende de la situación geográfica de donde se halle el local o la vivienda en cuestión. En nuestro caso haremos referencia al mapa de zonificación dado en la NBE CT-79 en el cual España esta dividida en cinco zonas climáticas, que determinan lo que más adelante llamaremos "grados/día anuales con base 15-15". Estas zonas climáticas dan idea de las temperaturas mínimas que tienen los distintos puntos de nuestra geografía, de tal manera que podemos asegurar que las temperaturas mínimas dadas en la tabla corresponden a valores cuya media no es superior a 10 días al año con temperaturas iguales o inferiores a la indicada.


7-4

Zona

Temperatura exterior

Grados/día anuales. 15-15

Zona A

3

Zona B

1

401 a 800

Zona C

-1

801 a 1300

Zona D

-4

1300 a 1800

Zona E

-6

> 1800

≤

400

Por supuesto este no es el único criterio utilizado para determinar la temperatura mínima de calculo de una calefacción. Cualquier otro puede resultar también lo suficientemente bueno si está razonablemente justificado. 7.4.1. COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR K Hablar de calefacción sin antes hablar de aislamiento resultaría incongruente, ya que ambos conceptos deben ir íntimamente ligados. Para calcular las necesidades de calor de un local o una vivienda, lo primero que tendremos que examinar es el grado de aislamiento que posee para que de esta manera podamos determinar las pérdidas caloríficas. Desgraciadamente se piensa poco en el aislamiento, aunque posteriormente al realizar los cálculos de la potencia calorífica necesaria, nos demos cuenta de su extremada importancia. Cada uno de los cerramientos de que se compone un local o vivienda tiene unas características específicas respecto al "coeficiente de transmisión del calor K" o número de kilocalorías que se pierden por hora, metro cuadrado de superficie expuesta, y por grado


7-4

centígrado de temperatura (kcal / h m2 ºC ). Con el fin de hacernos una idea del valor que en cada caso tiene dicho coeficiente, en la siguiente figura exponemos los casos más comunes.


7-4

De esta manera, si suponemos una superficie cualquiera de valor S, coeficiente de transmisión K, temperatura exterior te y temperatura interior ti , las pérdidas de calor que en ella se producen, tendrán un valor: Q = S K (ti - te ) donde: Q es el calor perdido en kcal/h. S es la superficie de pérdidas en m2. K es el coeficiente de transmisión en kcal/h m2 ºC. ti y te son las temperaturas interior y exterior en ºC.

7.4.2. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN GLOBAL KG.

Según NBE-CT79 Puesto que de lo que se trata es de calentar un recinto en el que la temperatura exterior es inferior a la del interior, y tiene unas superficies a través de las cuales se va perdiendo el calor, iniciemos el proceso determinando el "coeficiente de transmisión global del calor KG". A primera vista puede parecer sencillo, pero no lo es, ya que en un edificio existen zonas con pérdidas notablemente diferentes, en cuanto al coeficiente K y sobre todo, en cuanto al tratamiento de la temperatura exterior, sobre ciertas superficies. Según las normas NBE (Normas Básicas de la Edificación), en un edificio se deberán considerar cuatro tipos de superficies de pérdidas: SE Superficies de los cerramientos en contacto con el ambiente exterior SQ Superficies de cerramientos de techo o cubierta. SN Superficies de cerramientos de separación con otros edificios o con locales no calefactados. SS Superficies de cerramientos de separación con el terreno. La suma de los productos S⋅ K nos darán las pérdidas (kcal/h ºC) en cada una de las distintas superficies de pérdidas que forman cada tipo, y dentro de cada tipo, se aplicará un coeficiente de corrección que depende de las condiciones en que se encuentre con


7-4

respecto a la temperatura exterior:

En contacto directo con el exterior Protegidas del exterior Muy poco protegidas del exterior Protegidas del exterior

Naturalmente existe un quinto tipo de superficies que no se consideran, ya que se suponen en contacto con locales o edificios calefactados, y por lo tanto, las pérdidas por transmisión son nulas.

Ejemplo de vivienda colindante con diversos tipos de cerramientos


7-4

Nota.- Las temperaturas te2 , te3, te4, correspondientes a los casos (2), (3), (4), son estimativas y pueden ser aplicadas según un coeficiente corrector (n), como en el caso de las normas NBE-CT79. También pueden ser aplicadas directamente en las fórmulas de las pérdidas de calor por transmisión, estimando la temperatura a que se encuentran dichos recintos, tal y como se hace en la norma DIN 4701.

Según estos principios, las Normas Básicas de la Edificación CT-79 suministran un impreso para realizar estos cálculos, que mostramos a continuación.

Elemento constructivo Tipo

Apartado E Cerramientos en contacto con el ambiente exterior

Superf. S m2

Coefic. K kcal/h m2 ºC

SK kcal/h ºC

Coefic. Correc. n

SE

KE

SE KE

1

nΣSK kcal/h ºC n Σ SE KE

Huecos exteriores verticales, puertas, ventanas

Cerramientos verticales o inclinados más de 60º con la horizontal

1

Forjados sobre espacios exteriores

Tipo

Apartado N Cerramientos de separación con otros edificios o locales no calefactados

SN

KN

SN K N

0,5

n Σ SN KN

Cerramientos verticales de separación con locales no calefactados, o medianerías.

Forjados sobre espacios cerrados no calefactados de altura > 1 m.

0,5

Huecos, puertas, ventanas.

Tipo

Apartado Q Cerramientos de techo o cubierta

SQ

KQ

SQ KQ

0,8

Huecos, lucernarios, claraboyas.

Azoteas. 0,8

Cubiertas inclinadas menos de 60º con la horizontal.


n Σ SQ KQ

7-4

Tipo

Apartado S Cerramientos de separación con el terreno

SS

KS

SS K S

0,5

n Σ SSKS

Soleras..

Forjados sobre cámara de aire de altura ≤ 1 m.

0,5

Muros enterrados o semienterrados

Σ total --------

Superficie total de pérdidas St --------

Con estos cálculos ya podremos valorar el coeficiente de transmisión global medio de un determinado recinto o edificio, siendo:

por lo que el calor perdido, será:

Según DIN 4701 Para calcular el coeficiente global de transmisión KG, según normas DIN, vamos a aprovechar el mismo impreso que el utilizado en las normas NBE CT-79, pero con algunas modificaciones ya que ahora en lugar de utilizar un coeficiente reductor de pérdidas para las superficies que no se encuentran directamente expuestas a la temperatura exterior, haremos una valoración estimativa de la temperatura a que se encuentra el recinto colindante, en función de la temperatura exterior, aplicándole luego la fórmula general de pérdidas. A título orientativo damos algunos valores de temperatura estimadas, en función de la temperatura exterior, para los casos correspondientes a los Apartados 2 y 4, y para el Apartado 3. Temperatura exterior considerada ºC Apartado 1

2y4

Recinto considerado Cerramientos en contacto directo con el exterior

Locales no calefactados Sótanos no calefactados Muros enterrados o semienterrados Forjados sobre espacios cerrados

te 3

0

-4

15

13

12


7-4

3

Huecos, lucernarias, claraboyas Azoteas, y áticos sin recubrimiento

8

7

6

A continuación exponemos la tabla que nos servirá para calcular de una forma racional las calorías necesarias, de manera análoga a como se hizo para NBE CT-79, pero en este caso, interviniendo las temperaturas. Superf. S m2

Coefic. K kcal/h m2 ºC

Tipo

S1

K1

S1 K1

Tipo

S2

K2

Tipo

S3

K3

Elemento constructivo Apartado 1 Cerramientos en contacto con el ambiente exterior

SK Temp.Int. kcal/h ºC ºC

Temp. Ext. ºC

Pérd. Trans. kcal/h ºC

ti1

te1

Σ S1K1(ti-te1)

S2 K2

ti2

te2

Σ S2 K2(ti-te2)

S3 K3

ti3

te3

Σ S3 K3(ti-te3)

Huecos exteriores verticales, puertas, ventanas

Cerramientos verticales o inclinados más de 60º con la horizontal Forjados sobre espacios exteriores

Apartado 2 Cerramientos de separación con otros edificios o locales no calefactados

Cerramientos verticales de separación con locales no calefactados, o medianerías. Forjados sobre espacios cerrados no calefactados de altura > 1 m. Huecos, puertas, ventanas.

Apartado 3 Cerramientos de techo o cubierta

Huecos, lucernarios, claraboyas.

Azoteas.

Cubiertas inclinadas menos de 60º con la horizontal.


7-4

Tipo

Apartado 4 Cerramientos de separación con el terreno

S4

K4

S4 K4

ti4

te4

Σ S4K4(ti-te4)

Soleras.

Forjados sobre cámara de aire de altura ≤ 1 m.

Muros enterrados o semienterrados

Σ Sn Kn (ti-ten)

Superficie total de pérdidas St ------

---------

A la vista de los resultados, podemos deducir que las pérdidas por transmisión son, en este caso: Q = Σ Sn Kn (ti-ten) Estas pérdidas, para un coeficiente global medio de transmisión KG y para una superficie total de pérdidas St, será:

Nota.- Obsérvese como el coeficiente global medio de transmisión obtenido, en el caso NBE no depende de la temperatura , mientras que en el caso DIN, sí depende. Esto es completamente lógico ya que en el caso NBE, para simplificar, se utilizan coeficientes de reducción en lugar de los incrementos de temperatura.

7.4.3. PÉRDIDAS SUPLEMENTARIAS Hasta aquí hemos calculado las pérdidas de calor debido a las distintas superficies, pero no es este el único concepto a tener en cuenta en el cálculo de potencia calorífica total necesaria. Seguidamente vamos a ver algunos de los principales conceptos que también intervienen con mayor o menor importancia. Suplemento por orientación.- La orientación del local o vivienda tiene su importancia como consecuencia de la ganancia o pérdida de calorías debido a la aportación solar con respecto a una orientación media (E , O) de referencia . Según la Norma DIN 4701 el suplemento a aplicar será el indicado en la siguiente tabla: Orientación

Suplemento ZO %

SE S SO

-5

EO

0

NO N NE

+5

Suplemento por arranque y pared fría. El normal funcionamiento de una instalación de calefacción lleva consigo el funcionamiento a marcha reducida, a ciertas horas del día, y las lógicas interrupciones marcha-paro del servicio conforme marca el correspondiente termostato de control. Con el fin de conseguir la temperatura de régimen después de una interrupción, es conveniente incrementar en un determinado tanto por ciento el


7-4

valor de la potencia calorífica a aportar. El suplemento por pared fría tiene como finalidad el compensar la menor temperatura de las paredes directamente expuestas a la temperatura exterior, amortiguando en lo posible el efecto de una temperatura radiante demasiado fría. La suma de estos dos conceptos, arranque y pared fría, los englobamos en un único suplemento ZAP , suma de los dos suplementos citados, y cuyo valor suele estar comprendido entre un 7 y un 20% Pérdidas por ventilación e infiltración. La ventilación es un concepto muy importante, digno de tener presente en los modernos sistemas de calefacción y refrigeración. Consiste en la renovación del aire viciado por otro limpio y menos contaminado procedente del exterior. Las pérdidas por ventilación se pueden calcular mediante la fórmula Qv = 0,307 r V (ti-te ) Donde Qv son las pérdidas por ventilación en kcal/h 0,307 es el calor específico del aire en kcal/m3 ºC r es el número de renovaciones hora. V volumen del espacio considerado en m3. ti y te temperatura interior y exterior consideradas. El número de renovaciones/hora depende de la utilidad que se le dé al volumen a calentar, bien sea vivienda, bares, discotecas, fábricas, ect. . La tabla adjunta nos dará una idea del número de renovaciones a aplicar en cada caso. Tipo de local

Renov./hora

Viviendas

0,5 a 1,5

Bares

1,5 a 2,5

Fábricas

2a4

Las pérdidas por infiltración corresponden a una ventilación natural no provocada, y se originan como consecuencia de la falta de hermeticidad de las uniones de los diferentes elementos que componen una determinada construcción. Estas pérdidas son muy difíciles de calcular y solamente la experiencia nos podrá dar idea de su valor real. 7.4.4. PÉRDIDAS TOTALES DE CALOR Las pérdidas totales de calor, iguales a la potencia calorífica necesaria, será la suma de las pérdidas por transmisión, incrementadas con los correspondientes suplementos, más las pérdidas por ventilación e infiltración:

Un dato muy interesante y que más adelante utilizaremos es el correspondiente a las pérdidas globales por unidad de volumen

en la que Gv son las pérdidas globales por unidad de volumen en kcal/h m3. Qt es la potencia calorífica necesaria en kcal/h


7-4

V es el volumen de la vivienda o local en m3 En ocasiones también se suele utilizar el valor de las pérdidas por unidad de volumen y grado de temperatura, es decir:

7.4.5. CONSUMOS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN. Para obtener las calorías necesarias al objeto de compensar las pérdidas totales en una instalación, tendremos que utilizar los combustibles tradicionales, desechando todos aquellos que no resultan prácticos, económicos o excesivamente contaminantes. En nuestro caso no vamos a polemizar sobre cual es el mejor sistema, pero sí determinaremos los distintos consumos y seguidamente haremos una valoración global de los distintos gastos anuales, utilizando los combustibles más ampliamente utilizados. Estos combustibles quedan expuestos, junto con sus correspondientes calorías, rendimientos y precios aproximados, en la siguiente tabla. Combustible

Poder Calorífico Pc

Rendimiento η

Precio Pts

860 kcal / kWh

1

17

2.150 kcal / kWh

"1"

17

Gasóleo C

8.400 kcal / l.

0,68

75

Gas ciudad

3.700 kcal / m3

0,71

26

Gas propano

11.400 kcal / kg

0,71

86

Gas butano

10.900 kcal / kg

0,71

84

Electricidad Bomba de calor

Para obtener los consumos para cada uno de ellos, aplicaremos la siguiente fórmula:

en la que C es el consumo del combustible utilizado Qt la potencia calorífica que necesitamos obtener. Pc es el poder calorífico del combustible. η es el rendimiento del sistema utilizado para obtener las calorías. Comparativamente, para hacernos una idea de lo que cuesta la utilización de cada uno de estos combustibles, lo más intuitivo es valorar el costo de la obtención de 1.000 kcal útiles para cada uno de los combustibles en estudio. Así, por ejemplo, para el gasóleo, teniendo en cuenta su rendimiento, las calorías útiles que se pueden obtener por litro, son: 8.400 × 0,68 = 5.512 kcal/l y como cuesta 75 Pts litro las 1000 kcal costarán 75× 1000 : 5712 = 13,1 Pts file:///E|/io/tema7/7-4.htm (11 of 14) [22/04/2005 01:20:35 a.m.]

7-4

Repitiendo estos cálculos para el resto de los combustibles, obtendremos: Combustible

Poder Calorífico

Precio

Resistencias eléctricas

1.000

19,70 pts

Bomba de calor

1.000

7,90 pts

Gasóleo C

1.000

13,1 pts

Gas ciudad

1.000

9,90 pts

Gas propano

1.000

10,60 pts

Gas butano

1.000

10,80 pts

Según estos cálculos la electricidad aplicada a la bomba de calor es el sistema de calefacción más económico, mientras que la electricidad convencional (calor por efecto Joule) es el más caro. No obstante esto no puede ser definitivamente excluyente del resto de los sistemas, ya que deberemos de tener en cuenta otros factores cuya importancia habrá que valorar en cada caso particular.

Resulta de especialísimo interés los siguientes puntos: 1º) Costo del sistema de almacenamiento del combustible. 2º) Costo de la caldera o sistema de producción de calor. 3º) Costo del sistema de distribución del calor. 4º) Limpieza, seguridad y mantenimiento del sistema elegido. 5º) Posibilidad de obtener el máximo confort, mediante aire acondicionado. El gasóleo y el propano son los combustibles cuyo almacenamiento resulta más costoso, sobre todo en viviendas unifamiliares. Los sistemas eléctricos no precisan de almacenamiento, basta con aumentar la potencia contratada para poder disponer de la potencia que se desee. La distribución del calor mediante radiadores de agua es el sistema más caro, sin duda alguna mucho más caro que un sistema de distribución por conductos de aire. Las resistencias eléctricas para calefacción, por cualquiera de los procedimientos, convectores, placas solares, etc., es el sistema más económico de producción y distribución de calor ( hacen las dos funciones simultáneamente ). El gas ciudad resulta, por su precio, muy interesante en aquellas viviendas comunitarias que disponen de este servicio, sin que ello nos haga olvidar los inconvenientes del gas. De manera indiscutible, el sistema de calefacción más limpio, más seguro y de menos mantenimiento es el eléctrico. El sistema de calefacción por aire forzado a través de conductos, es posiblemente el que proporciona un mayor confort, y el único procedimiento que permite distribuir aire frío y caliente (Climatización). La bomba de calor aire-aire, con un bajo costo de combustible es el único procedimiento para obtener aire frío y caliente. 7.4.6. GASTOS ANUALES EN CALEFACCIÓN Para poder determinar los gastos anuales de un sistema cualquiera de calefacción, deberemos comenzar por aclarar el concepto de grados-día anuales, cuyo mapa de zonificación se comentaba al inicio de esta exposición. Para explicar el concepto de grados-día, inicialmente diremos que las calorías necesarias en un periodo de una hora, serán:


7-4

Si ahora consideramos un periodo de un día

El sumatorio de las veinticuatro diferencias de temperatura, podemos descomponerlo de la siguiente manera:

sacando factor común la temperatura interior, tendremos:

y teniendo presente que la temperatura media de las veinticuatro horas del día es

De todo esto deducimos que las calorías necesarias en las 24 horas del día serán:

A lo largo del año este consumo diario se ira repitiendo todos los días, siempre y cuando la temperatura exterior sea inferior a la interior, ya que cuando la temperatura exterior sea superior a la interior no se necesitará aportación de calor. Por lo tanto tendremos que el gasto en un año, será:

siendo Gd = Σ (ti-tm) = grados-día anuales. Este concepto es el aplicado por las NBE CT-79 para definir los llamados grados-día anuales con base 15/15, es decir, que parte de una temperatura interior base ti de 15ºC y una temperatura media exterior tm , que lógicamente no puede sobrepasar los 15ºC. En el mapa de zonificación que se daba al comienzo de esta exposición, divide a España en 5 Zonas climatológicas y da para cada una de ellas los límites máximo y mínimo de los grados-día anuales con base 15/15. Este valor de los "grados-día anuales" puede parecernos escaso para el cálculo real del consumo anual, ya que se limita la temperatura base a 15ºC, y este valor es claramente insuficiente. Nosotros nos limitamos a hacer los cálculos con estos valores, pero si queremos tener un valor más exacto, las Comunidades Autónomas suelen publicar estos datos con más amplitud y suelen incluir los "grados-día anuales" para temperaturas de 18 y 20ºC. Dado que un sistema de calefacción no funciona las 24 horas del día, a esta fórmula del gasto anual le incorporaremos un coeficiente de utilización que tenga en cuenta el tanto por ciento de las horas del día que esta activo, incluso pueda ser aplicado en aquellos casos en los que por la noche se utiliza la calefacción a potencia reducida. Llamando CU al coeficiente de utilización, tendremos el gasto real de calorías en un año:

Para convertir estas calorías al equivalente gasto anual de un determinado combustible (kWh, litros, m3 o kg), basta con dividir esta expresión por la potencia calorífica correspondiente Pc y por su rendimiento η ,


7-4

Así obtenidos los gastos anuales de calefacción para cada uno los combustibles considerados, si los multiplicamos por el precio unitario de cada uno de ellos, obtendremos el importe anual en pesetas.


7-5

7.5. AIRE ACONDICIONADO El aire acondicionado es una técnica moderna que consiste en el tratamiento del aire con el fin de aportarle las condiciones de confort que puedan faltarle. Un aire correctamente tratado deberá incidir sobre las siguientes variables: 1) Temperatura. 2) Humedad. 3) Velocidad del aire. 4) Limpieza del aire. 5) Ventilación. Estas cinco variables son un claro exponente de un bienestar ambiental, por lo que su adecuación a las necesidades de cada caso será de vital importancia. Temperatura Es la primera variable a considerar y su función es la de eliminar la sensación de frío o calor. La temperatura que debe tener el aire para que se dé esta situación, suele ser: Verano: 23ºC →

28ºC

→

24ºC

Invierno: 19ºC Humedad relativa

Es la variable que nos produce la sensación de seco o húmedo y es tan desagradable cuando hay exceso como cuando hay defecto. Su valor normal para cualquier época del año suele ser del 55% al 65%. Velocidad del aire Conseguidas unas condiciones de temperatura y humedad, éstas deben hacerse llegar al cuerpo humano mediante un correcto movimiento del aire y siempre con una velocidad no molesta para los ocupantes del local. Limpieza del aire El hombre respira normalmente 15 kg. de aire por día, lo que da idea de lo fundamental que es para la salud y el confort la limpieza del mismo. El aire suele contener polvo, humos, etc. y por lo tanto debe filtrarse. Ventilación Es imprescindible aportar una cierta cantidad de aire de ventilación, aire del exterior, al local a acondicionar, con objeto de eliminar el aire viciado y los malos olores.


7-5

Además de una buena ventilación, en ocasiones se hace imprescindible una desinfección y una desodorización del aire. Un procedimiento para conseguir estos dos cometidos es la ozonización del aire; recordemos que el ozono es un excelente desinfectante y a la vez es un buen desodorante.


7-6

7.6. CALEFACCIÓN ELÉCTRICA Partiendo de la base de que 1 kWh = 1.000 Wh, puede suministrarnos una cantidad de calorías igual a 0,237 P t = 0,237 × 1.000 × 3.600 = 860.000 cal. = 860 kcal. y que esta transformación eléctrica por efecto de Joule se hace siempre con un rendimiento prácticamente igual a la unidad, sea cual sea el aparato que utilicemos, veamos seguidamente los diferentes sistemas de calefacción eléctrica. CONVECTORES NATURALES Estos aparatos calientan el aire mediante una resistencia situada en su parte inferior. El aire en contacto con la resistencia se calienta y se pone por sí solo en circulación (convección), ya que al disminuir su densidad, se eleva, cede su calor por la habitación, se enfría y baja de nuevo hasta el suelo, iniciándose de nuevo el ciclo.

Estos convectores están diseñados para que el movimiento natural del aire se vea acelerado, produciendo de esta forma un tiro forzado análogo al de una chimenea. De esta manera la repartición del calor por la habitación es lenta pero agradable. La temperatura de salida del aire es inferior a los 90ºC, lo que en parte evita que se ensucien las paredes como consecuencia del polvo carbonizado. Disponen generalmente de termostato para la regulación de la temperatura máxima de la habitación y se fabrican para potencias comprendidas entre 350 W y 2.000 W. PLACAS SOLARES Están formadas por una resistencia que, en forma de circuito impreso se coloca sobre una chapa de acero con esmalte vitrificado. file:///E|/io/tema7/7-6.htm (1 of 7) [22/04/2005 01:20:54 a.m.]

7-6

Las placas solares emiten calor preferentemente por radiación, aunque no obstante también tienen un cierto grado de convección. La temperatura superficial de las placas oscila entre 150 y 250ºC, por lo que necesariamente deben estar dotadas de rejillas protectoras. Las potencias que se encuentran en el mercado oscilan entre 500 y 2.000 W. Algunos fabricantes ofrecen la posibilidad de poder seleccionar varias potencias, así como la particularidad de poder ser programados en su funcionamiento.

Este sistema es adecuado para estancias que dispongan de una gran superficie diáfana, o donde se necesite una sensación rápida de calor, aunque posiblemente el calor radiado resulte algo desagradable. CALOR NEGRO Este sistema está formado por una resistencia cubierta por una carcasa de chapa. Se denominó calor negro porque su resistencia no se ponía al rojo.

Debido a la facilidad de fabricación de este sistema de calefacción el mercado se vio inundado por estos aparatos, de bajo coste y de muy baja calidad, con el consiguiente desprestigio del sistema. VENTILOCONVECTORES También llamados electroconvectores, convector forzado, etc, están formados por una resistencia a través de la cual un pequeño ventilador hace pasar aire, que se reparte rápidamente por la habitación. file:///E|/io/tema7/7-6.htm (2 of 7) [22/04/2005 01:20:54 a.m.]

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Es posiblemente el mejor sistema para aquellos lugares donde se pretende alcanzar la temperatura de confort en un tiempo reducido, como por ejemplo en cuartos de baño. Por lo general se fabrican con conexiones estancas y están protegidos contra la humedad. Estos aparatos suelen disponer de cuatro posibilidades de funcionamiento: parado, aire natural forzado, aire caliente forzado con 1.000 W de consumo, y aire con 2.000W. RADIADORES DE ACEITE Estos aparatos están constituidos por una carcasa de chapa similar a las utilizadas en calefacciones tradicionales por agua. En el interior de esta carcasa y en su parte inferior lleva una resistencia eléctrica, sumergida en un fluido, generalmente aceite.

La emisión de calor es por radiación y convección, dependiendo su proporción de la forma del aparato. Así, el de tipo panel emite la mayor parte del calor por radiación. Tal y como ilustramos en el dibujo, existen dos versiones de este aparato: radiador de columnas y radiador tipo panel. Ambos se comercializan en modelos fijos y móviles.


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El radiador de columnas tiene más inercia térmica y, por tanto, tarda más en alcanzar su nivel de temperatura. El radiador alcanza una temperatura del orden de 80ºC y se presenta generalmente en potencias de 500 a 2.220 W. Debido a su inercia térmica, solamente son apropiados en viviendas de ocupación permanente. INFRARROJOS Están constituidos por una resistencia alojada dentro de un tubo de cuarzo, produciendo de esta manera radiaciones infrarrojas. La emisión de estas radiaciones es dirigida, mediante una pantalla, hacia la zona a calefactar.

Las resistencias alcanzan temperaturas muy altas, entre 500 y 1.000 ºC, que ponen al rojo el tubo, debiendo colocarse a una altura superior a 2 metros para evitar contactos accidentales. Por lo general se colocan encima de las puertas. Se trata de un aparato de escasa utilización, y solamente recomendable en zonas de ocupación muy limitadas, como zonas de paso. CALDERAS ELÉCTRICAS Son aparatos similares a las calderas de agua utilizadas en los sistemas tradicionales de calefacción. En ellas el calor producido por unas resistencias eléctricas es cedido a un circuito de agua que lo lleva a los radiadores, situados en cada una de las habitaciones. Su tamaño es reducido ya que al disponer de circulación forzada necesita un reducido volumen de agua. Las potencias existentes en el mercado se presentan a partir de los 4.000 W. La temperatura del agua en circulación oscila entre los 60 y 80 ºC, dependiendo de las necesidades de calor. Se utilizan principalmente como sustitutivos de los sistemas tradicionales de calefacción y tienen el inconveniente de tener un consumo y un precio mayor que el que resulta de un sistema de calefacción directa y unitaria. CALDERAS PARA AIRE IMPULSADO Se trata de un sistema de convección forzada que consta de una unidad que aspira el aire de la vivienda o local, lo hace pasar por un filtro, para purificarlo, y luego lo pasa a través de un conjunto de resistencias eléctricas, donde se calienta, y es impulsado por un ventilador para distribuirlo por las habitaciones.


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El aire caliente se distribuye a toda la vivienda por medio de conductos especiales, que llevan una rejilla de salida en cada una de las habitaciones. La temperatura de salida del aire debe situarse entre 33 y 42 ºC, evitando de esta manera el efecto desagradable que supone la incidencia sobre la piel de aire excesivamente caliente. También hay que tener especial precaución en que la velocidad de salida del aire, por cada una de las rejillas de salida, no sea excesiva. Esta solución resultaba factible en aquellos casos en los que estaba prevista la climatización de la vivienda, ya que los conductos sirven para distribuir tanto el aire caliente como el frío. Con la aparición de la "bomba de calor", de la que más tarde hablaremos, ya no podemos aconsejar esta solución, debido a que la bomba de calor nos servirá para ambos cometidos, con un rendimiento tres veces superior al eléctrico convencional. RADIACION POR SUELO Se trata de un sistema de radiación a baja temperatura, consistente en la instalación de elementos calefactores en el suelo de las habitaciones. Se puede utilizar como sistema único y directo de calefacción o como sistema mixto.


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Cuando se utiliza de manera mixta, la calefacción del suelo suministra el calor necesario para que la temperatura del local alcance del orden de 16ºC, con independencia del exterior. El resto de calor, hasta la temperatura de confort, lo aportan los pequeños convectores con termostato. Este sistema requiere de un buen aislamiento térmico del suelo, es adecuado para todo tipo de viviendas en construcción y proporciona un alto nivel de confort. RADIACION POR TECHO Se trata de un sistema de radiación a baja temperatura; consiste en la instalación de elementos calefactores en el techo de las habitaciones. Los elementos calefactores normalmente empleados se fabrican a base de cables o paneles. Los cables calefactores son unas resistencias eléctricas en forma de hilo, cubiertas por una o varias envolturas protectoras. Los paneles son también resistencias eléctricas en forma de lámina, colocada entre dos láminas no conductoras que le sirven de soporte.


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La colocación de estas resistencias se hace debajo del forjado tal y como se indica en el dibujo. La temperatura que alcanzan estos elementos calefactores suele estar comprendida entre 30 y 35 ºC y el techo entre 28 y 32 ºC, lo que permite emitir calor por radiación. Naturalmente este sistema requiere reforzar el aislamiento del techo, y siempre que no se sobrepase la temperatura máxima indicada, la sensación de confort que se consigue es elevada.


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7.7. ACUMULADORES DE CALOR La producción de energía eléctrica es casi constante a lo largo de las 24 horas del día, mientras que el consumo se centra mayoritariamente en las horas diurnas. En consecuencia, se produce un desequilibrio notable entre la producción y la demanda. Con el fin de aminorar en lo posible este desequilibrio, las compañías eléctricas no tienen otra alternativa que la de incentivar los consumos nocturnos. El consumo nocturno industrial esta incentivado, y lo mismo sucede para usos domésticos. Mediante la llamada "Tarifa Nocturna", las viviendas pueden disponer de energías a precios más asequibles, siempre que dispongan de un contador de doble tarifa y de un reloj horario que vaya cambiando la tarifa según las horas del día establecidas. Actualmente la Tarifa Nocturna para usos domésticos rige durante las siguientes horas: En invierno de 23,00 a 7,00 h.

En verano de 0,00 a 8,00 h.

En estas condiciones el precio del kilovatio nocturno ve reducido su precio en un 55% mientras que el diurno aumenta en un 3%. (En la actualidad estos tantos por cientos se han suprimido y se aplican unos valores ligéramente distintos). Para aprovechar adecuadamente esta ventaja se han ideado los acumuladores de calor, cuya misión no es otra que la de acumular calor durante las horas nocturnas en las que el precio del kilovatio resulta más económico, para soltarlo durante las horas del día en las que realmente necesitamos el calor. Los acumuladores estáticos que actualmente podamos ver se basan en un principio sencillísimo y ya conocido por todos. Se trata de acumular calor en ladrillos refractarios especiales calentados por resistencias eléctricas convencionales. La cantidad de calor almacenado es función del volumen de los ladrillos y de la temperatura que alcancen. Teniendo en cuenta que los acumuladores de calor llevan ladrillos con un peso variable según los modelos, pero que oscila entre los 75 y 150 kg., y que la temperatura que alcanza es del orden de los 600 a 700 ºC, podremos hacernos idea de la cantidad de calor que pueden almacenar, superior a las 15.000 kcal. En la figura podemos ver las distintas partes de que se compone un acumulador de calor. Además de los ladrillos, resistencias calefactoras y aislamiento del conjunto, existe un control automático para la carga de calor y otro para la descarga del calor en las horas precisas.


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La descarga del calor acumulado se lleva a cabo a través de unas rejillas termostáticas practicadas en la parte delantera del aparato, el cual se desprende del calor por convección. Seguidamente ofrecemos los datos característicos de tres modelos ampliamente comercializados, así como también la curva de carga y descarga del modelo WM-724. PROGRAMA DE SUMINISTRO Y DATOS TECNICOS: Aparatos serie WM, tipos Carga nominal Capacidad de carga ( 8h. ) Descarga máxima file:///E|/io/tema7/7-7.htm (2 of 4) [22/04/2005 01:21:01 a.m.]

WM-712

WM-718

WM-724

1,6 kW

2,41 kW

3,22 kW

12,5 kWh

18,9 kWh

25,1 kWh

745 W

1.011 W

1.320 W

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Descarga mínima

255 W

390 W

510 W

en el suelo

3 ºC

7 ºC

4 ºC

en la carcasa

76 ºC

77 ºC

72 ºC

alto

705 mm.

705 mm.

705 mm.

largo

514 mm.

725 mm.

937 mm.

grueso

180 mm.

180 mm.

180 mm.

pesos

80 kg.

116 kg.

153 kg.

Número de ladrillos

8

12

16

Número de resistencias

2

3

4

Temperaturas:

Medidas y pesos

La curva de carga dura 8 horas durante las cuales el acumulador consume 3,22 kW, y por tanto almacena 3,22 × 8 = 25,78 kWh. teóricos, prácticos según las tablas 25,1 kWh. Estos kilovatios almacenados equivalen a 25,1 × 860 = 21.586 kcal / h. Seguidamente, si se desea, ya se puede proceder a la descarga del acumulador, que lo podrá hacer durante el resto de las 16 horas con una potencia inicial máxima de 1.320 W. y una potencia final mínima de 510 W.


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7.8. BOMBA DE CALOR En principio, el funcionamiento de la "bomba de calor" se basa en el sistema tradicional de generación mecánica de frío, pudiéndose comparar al frigorífico doméstico de una vivienda. En un frigorífico se extrae el calor de los alimentos, verduras, carnes, leche, etc., enfriándose los mismos; el calor extraído se entrega al ambiente a través del condensador situado en la parte posterior del frigorífico. Concretamente, la bomba de calor es un aparato capaz de extraer el calor de una fuente energética natural, aire, agua, etc., y transmitirlo a otro lugar para su utilización. De ahí el nombre de "bomba de calor" por su comparación al bombeo de energía de un lugar a otro. La energía utilizada para el funcionamiento propio de la bomba de calor es la electricidad (un motor eléctrico mueve a un compresor), pero tiene la particularidad sobre los sistemas convencionales de que por cada kilovatio consumido por la bomba de calor se obtiene el equivalente a 2.580 kcal, aproximadamente, es decir, tres veces más que por efecto Joule, 3 x 860 = 2.580. La razón de este elevado rendimiento es precisamente el aprovechamiento de la energía del medio ambiente. No existe una diferencia fundamental entre el conocido ciclo de una instalación frigorífica y el ciclo de una bomba de calor. Termodinámicamente ambos sistemas son bombas de calor que utilizan un compresor, un condensador, un evaporador y demás componentes, con el único fin de absorber calor de un cuerpo y desprenderlo sobre otro. Si el calor se absorbe del aire y se desprende sobre el aire, la bomba se denomina aire-aire. Así, según cual sea el origen de la fuente de calor y el sistema de transporte del mismo a los servicios de la vivienda o local, las bombas de calor pueden denominarse: aire-aire, aire-agua, agua-aire, agua-agua. En el campo concreto del aire acondicionado, la bomba de calor resulta imprescindible ya que se utilizará para suministrar calor durante los momentos en los que se requiera calefacción y para extraerlo en los períodos en los que se requiera refrigeración. Para clarificar los cambios termodinámicos que sufre el líquido refrigerante que mueve el compresor de una bomba de calor, se utiliza el diagrama Presión-Entalpía (P-H), representando en él las familias de curvas de temperatura, entropía y volumen constante. La línea que engloba la campana representa la zona de líquido + vapor, es en donde se produce el cambio de estado. La zona de la derecha de la línea vapor saturado, representa el sector de vapor sobrecalentado. La zona de la izquierda de la línea líquido saturado, representa el sector del líquido subenfriado. El amoniaco fue el refrigerante más utilizado en los primeros tiempos de la refrigeración. Tiene la propiedad de tener un calor latente muy grande, pero tiene el inconveniente de ser altamente tóxico por lo que su utilización es muy limitada. Pruebas realizadas en los últimos decenios han permitido descubrir unos agentes refrigerantes de excelentes cualidades. Se trata de asociaciones Flúor-Cloro del Metano y Etano, denominados Freones, siendo los más comúnmente utilizados el R-22 y R-502. El R-22 es el refrigerante más utilizados para la aplicación en bombas de calor. Su denominación es Difluordiclorometano y es un gas incombustible, no inflamable, ni tóxico, carente de efectos perjudiciales sobre los productos alimenticios. Se trata de un gas de excelentes cualidades y con un punto de ebullición de


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-30 ºC a la presión atmosférica. Seguidamente veamos el funcionamiento de un ciclo de la bomba de calor (ver figuras siguientes): 1º) El refrigerante en estado de vapor sobrecalentado, a una temperatura Td y a una presión P1, es aspirado por el compresor, punto C, que lo comprime adiabáticamente hasta alcanzar la temperatura Te y presión P2, punto D. Durante este proceso el vapor ha ido aumentando su presión y temperatura alcanzando un valor máximo de temperatura debido al calor de compresión (h4 - h3), producido por el propio compresor. 2º) En el intervalo D-E de condensación, el refrigerante pasa de vapor sobrecalentado a vapor saturado, punto F, y a partir de este punto el vapor comienza a condensarse hasta llegar al punto G en donde el refrigerante se encuentra en estado de líquido saturado. El proceso sigue hasta el punto E, subenfriándose el líquido. Vemos cómo durante la condensación el refrigerante va cediendo calor a un agente externo (aire), pasando de una temperatura Te a otra inferior Tb, cediendo un calor total (h4-h1), y manteniendo la presión. 3º) El refrigerante al pasar a través de la válvula de expansión, experimenta una reducción de su presión, de P2 a P1, y de su temperatura, de Tb a Ta, a entalpía constante, es decir, sin pérdida de calor. En la expansión, parte del refrigerante líquido, se transforma en vapor, terminando en el punto A en un estado líquido + vapor. 4º) Al entrar el refrigerante en el evaporador, en forma de líquido + vapor, el líquido se va evaporando hasta llegar al punto B donde todo el refrigerante se encuentra en forma de vapor saturado, pasando al punto C en forma de vapor sobrecalentado. Esta fase de evaporación se ha realizado a presión constante y con un aumento de temperatura de Ta a Td, absorbiendo del agente exterior (aire), un calor total h3-h1. De la descripción del ciclo de la bomba de calor nace el término "coeficiente de funcionamiento", Performance, "COP", que se utiliza para indicar su rendimiento.


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y siendo el Calor Cedido por el Condensador igual al Calor Extraído por el Evaporador más el Calor Suministrado por el Compresor, tendremos:

El calor cedido por el medio ambiente y el suministrado por el compresor son variables y dependen de la temperatura del aire que circula por el evaporador, por lo que el COP de una bomba de calor es variable. Por lo general suele ser de 3, para una temperatura del aire en el evaporador de 8 ºC, es decir, que del 100% de la potencia calorífica obtenida en el condensador, el 33% corresponde a la potencia suministrada por el compresor, y el resto, el 67%, corresponde a la potencia absorbida por el evaporador del medio ambiente. El rendimiento global de la bomba de calor será ligeramente inferior al COP descrito, ya que a la potencia suministrada por el compresor hay que sumarle el rendimiento del grupo motor-compresor y los consumos de los ventiladores que fuerzan el paso del aire por el condensador y por el evaporador. El COP aumenta con la temperatura del aire del evaporador; es del orden de 2,7 para temperaturas bajo cero y del orden de 3,5 para temperaturas superiores a los 12 ºC. Ya hemos visto cómo en el evaporador se obtiene un disminución de la temperatura del aire (refrigeración), mientras que en el condensador se obtiene una elevación de temperatura del aire (calefacción). Si mediante una válvula invirtiéramos la alimentación al compresor, tendríamos que el evaporador haría de compresor y viceversa, invirtiendo el ciclo calor-frío en frío-calor. Seguidamente mostramos un ejemplo de bomba de calor aplicada en sus dos facetas de calefacción y refrigeración. Se trata de una bomba de calor aire-aire en la que el caudal de aire interior es de 1.600 m3 / h y en el exterior 4.000 m3 / h. Sabiendo las temperaturas de entrada y salida del aire al evaporador y al compresor nos será muy fácil obtener el calor aportado por la bomba de calor y su rendimiento, teniendo presente que la cantidad de calor ganada (calorías) o la cantidad de calor perdida (frigorías), se calcula por la fórmula: Q = V C ( T1 - T2 ) en la que: V = Caudal de aire tratado en m3 / h. C = Calor específico del aire, 0,307 kcal / m3 ºC. T1 = Temperatura del aire de entrada en ºC. T2 = Temperatura del aire de salida en ºC. Q = Cantidad de calor aportado al aire en kcal / h. Cuando la bomba de calor trabaja en ciclo de refrigeración, el factor COP no nos dice gran cosa, por lo que se utiliza otro factor conocido por las siglas EER, y representa el cociente entre el calor extraído por el evaporador y el calor cedido por el compresor:


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La bomba de calor aire-aire descrita es de las más utilizadas en viviendas, aunque también suele utilizarse un modelo aire-agua que tiene aplicación en calefacción y para obtener agua caliente sanitaria.


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Calor cedido por el condensador: Q1 = 1.600 × 0,307 ( 35 - 20 ) = 7.368 kcal / h. Calor extraído por el evaporador: Q2 = 4.000 × 0,307 ( 4 - 8 ) = - 4.912 kcal / h. Por lo tanto el calor cedido por el compresor será: Q1 + Q2 = 7.368 - 4.912 = 2.456 kcal / h. obeniendo un COP de:


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COP = 7.368 / 2.456 = 3

Calor extraído por el evaporador: Q1= 1600 × 0,307 (14 - 28 ) = - 6.876 kcal/h.(Frigorías).


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Calor cedido por el condensador: Q2 = 4.000 × 0,307 ( 45 - 37,3 ) = 9455 kcal / h. Calor cedido por el compresor: Q1 + Q2 = 9.455 - 6876 = 2.579 kcal / h. obteniendo un EER de: EER = 6.876 / 2.579 = 2,6


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8. LUMINOTECNIA 8.1. LUMINOTECNIA Luminotecnia es la ciencia que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su control y aplicación. Iniciemos su estudio examinando las variaciones electromagnéticas simples, que pueden clasificarse bien por su forma de generarse, por sus manifestaciones o efectos, o simplemente por su longitud de onda.

Las radiaciones visibles se caracterizan por ser capaces de estimular el sentido de la vista y estar comprendidas dentro de una franja de longitud de onda muy estrecha, comprendida aproximadamente entre 380 y 780 µ m. (1 milimicra = 10-9 m.). Esta franja de radiaciones visibles, está limitada de un lado por las radiaciones ultravioleta y de otro, por las radiaciones infrarrojas, que naturalmente no son perceptibles por el ojo humano. Una de las características más importantes de las radiaciones visibles, es el color. Estas radiaciones, además de suministrar una impresión luminosa, proporcionan una sensación del color de los objetos que file:///E|/io/tema8/8-1.htm (1 of 8) [22/04/2005 01:21:16 a.m.]

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nos rodean. Dentro del espectro visible, pueden clasificarse una serie de franjas, cada una de las cuales se caracteriza por producir una impresión distinta, característica peculiar de cada color. Puesto que el receptor de estas sensaciones de color es el ojo humano, resultaba interesante conocer su sensibilidad para cada una de estas radiaciones. Para ello se dispuso de fuentes de luz capaces de generar cantidades iguales de energía de todas las longitudes de onda visibles, y se realizó el ensayo comparativo de la sensación luminosa producida a un gran número de personas. El ensayo dio como resultado que no todas las longitudes de onda producian la misma impresión luminosa y que la radiación que más impresión causaba era la correspondiente a una longitud de onda de 550 mµ ., propia del color amarillo-verde. Esta impresión iba decreciendo a derecha e izquierda del valor máximo característico, siendo para los colores rojo y violeta los que daban una menor impresión.

De estos resultados se obtuvo la "Curva Internacional de Sensibilidad del ojo humano", tal y como se representa en la figura. Otro dato digno de tener presente en luminotecnia es el conocido con el nombre de "Temperatura del Color". Considerado el cuerpo negro como radiante teóricamente perfecto, este va cambiando de color a medida que vamos aumentando su temperatura, adquiriendo al principio el tono de un rojo sin brillo, para luego alcanzar el rojo claro, el naranja, el amarillo, el blanco, el blanco azulado, y finalmente el azul. De esta idea nace la "Temperatura del Color", y se utiliza para indicar el color de una fuente de luz por comparación de esta con el color del cuerpo negro a una determinada temperatura. Así, por ejemplo, el color de la llama de una vela es similar al de un cuerpo negro calentado a 1.800 ºK, por lo que se dice que la temperatura de color de la llama de una vela es de 1.800 ºK. La temperatura de color solamente puede ser aplicada a aquellas fuentes de luz que tengan una semejanza con el color del cuerpo negro, como por ejemplo la luz del día, la luz de las lámparas incandescentes, la luz de las lámparas fluorescentes, etc.. El color de las lámparas de vapor de sodio, no coincide con el color del cuerpo negro a ninguna temperatura, por lo que ni pueden ser comparadas con él, ni se les puede asignar ninguna temperatura de color. Seguidamente damos algunas temperaturas de color, con el fin de que nos familiaricemos con ellas: file:///E|/io/tema8/8-1.htm (2 of 8) [22/04/2005 01:21:16 a.m.]

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Cielo azul 20.000 ºK

Cielo nublado 7.000 ºK

Luz solar directa 5.000 ºK

Luz de velas 1.800 ºK

Lámparas fluorescentes

Lámparas incandescentes

Blanco cálido 3.000 ºK

Normales 2.600 ºK

Luz día 6.500 ºK

Halógenas 3.100 ºK

Existe una cierta relación entre la temperatura de color y el nivel de iluminación, de tal forma que a mayor temperatura de color, la iluminación ha de ser también mayor para conseguir una sensación agradable. Partiendo de la base de que para poder hablar de iluminación es preciso contar con la existencia de una fuente productora de luz y de un objeto a iluminar, las magnitudes que deben conocerse y definirse son las siguientes: MAGNITUD

UNIDAD

SIMBOLO

Lumen

φ

Nivel de iluminación Iluminancia

Lumen / m2 = Lux

E

Intensidad luminosa

Candela

I

Candela / m2

L

Flujo luminoso

Luminancia

El flujo luminoso y la intensidad luminosa son magnitudes características de las fuentes de luz, indicando la primera la cantidad de luz emitida por dicha fuente en 1 segundo en todas direcciones, mientras que la segunda indica la cantidad de luz emitida en 1 segundo y en una determinada dirección. Seguidamente pasemos a definir más detalladamente cada una de estas magnitudes. A) Flujo luminoso Es la magnitud que mide la potencia o caudal de energía de la radiación luminosa y se puede definir de la siguiente manera: Flujo luminoso es la cantidad total de luz radiada o emitida por una fuente durante un segundo.


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f = Flujo luminoso en Lúmenes. Q = Cantidad de luz emitida en Lúmenes x seg. t = Tiempo en segundos. El Lumen como unidad de potencia corresponde a 1/680 W emitidos a la longitud de onda de 550 mµ . Ejemplos de flujos luminosos: Lámpara de incandescencia de 60 W.

730 Lm.

Lámpara fluorescente de 65 W. "blanca"

5.100 Lm.

Lámpara halógena de 1000 W.

22.000 Lm.

Lámpara de vapor de mercurio 125 W.

5.600 Lm.

Lámpara de sodio de 1000 W.

120.000 Lm.

B) Nivel de iluminación En nivel de iluminación o iluminancia se define como el flujo luminoso incidente por unidad de superficie.

A su vez, el Lux se puede definir como la iluminación de una superficie de 1 m2 cuando sobre ella incide, uniformemente repartido, un flujo luminoso de 1 Lumen. Ejemplos de niveles de iluminación: Mediodía en verano

100.000 Lux.

Mediodía en invierno

20.000 Lux.

Oficina bien iluminada Calle bien iluminada Luna llena con cielo claro

400 a 800 Lux. 20 Lux. 0,25 a 0,50 Lux.


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C) Intensidad luminosa La intensidad luminosa de una fuente de luz en una dirección dada, es la relación que existe entre el flujo luminoso contenido en un ángulo sólido cualquiera, cuyo eje coincida con la dirección considerada, y el valor de dicho ángulo sólido expresado en estereoradianes.

I = Intensidad luminosa en candelas. φ = Flujo luminoso en lúmenes. ω = Ángulo sólido en estereoradianes. La candela se define también como 1/60 de la intensidad luminosa por cm2 del "cuerpo negro" a la temperatura de solidificación del platino (2.042 ºK). Con el fin de aclarar el concepto de ángulo sólido, imaginemos una esfera de radio unidad y en su superficie delimitemos un casquete esférico de 1 m2 de superficie. Uniendo el centro de la esfera con todos los puntos de la circunferencia que limitan dicho casquete, se nos formará un cono con la base esférica; el valor del ángulo sólido determinado por el vértice de este cono, es igual a un estereoradián, o lo que es lo mismo, un ángulo sólido de valor unidad. En general, definiremos el estereoradián como el valor de un ángulo sólido que determina sobre la superficie de una esfera un casquete cuya área es igual al cuadrado del radio de la esfera considerada.

Según podemos apreciar en la figura, la definición de ángulo sólido nos da idea de la relación existente entre flujo luminoso, nivel de iluminación e intensidad luminosa.

Ejemplos de intensidad luminosa:


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Lámpara para faro de bicicleta sin reflector Lámpara PAR-64 muy concentrada Faro marítimo ( Centro del haz )

1 cd. 200.000 cd. 2.000.000 cd.

D) Luminancia Luminancia es la intensidad luminosa por unidad de superficie perpendicular a la dirección de la luz.

La luminancia L suele expresarse indistintamente en candelas/cm2 o en candelas/m2.

Cuando la superficie considerada S1 no es perpendicular a la dirección de la luz, habrá que considerar la superficie real S2, que resulta de proyectar S1 sobre dicha perpendicular. S2 = S1 cos θ por lo tanto:

Ejemplos de luminancia: Filamento de lámpara incandescente

10.000.000 cd./m2

Arco voltaico

160.000.000 cd./m2

Luna llena

2.500 cd./m2

Con ayuda de la figura y algunas de las fórmulas anteriormente expuestas, podemos llegar a interesantes file:///E|/io/tema8/8-1.htm (6 of 8) [22/04/2005 01:21:16 a.m.]

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conclusiones, que más adelante nos servirán para los cálculos. Siendo:

tendremos que

Si tenemos en cuenta que los flujos luminosos y las intensidades luminosas son iguales en ambas superficies, tendremos que:

de donde:

Según estas fórmulas observamos como una fuente de luz con una intensidad luminosa de 200 candelas en la dirección del eje de la figura determina sobre un punto situado a 1 metro de distancia, un nivel de iluminación de:

Si ahora suponemos que el punto está situado a 3 metros, el nivel de iluminación se verá reducido en una novena parte.


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Cuando la superficie iluminada no es perpendicular a la dirección del rayo luminoso, la iluminancia o nivel de iluminación, viene modificado por el coseno del ángulo de incidencia, que es el ángulo formado por la dirección del rayo incidente y la normal a la superficie en el punto considerado.

Así tendremos que:

Suponiendo que el punto de luz se encuentra a una altura H, sobre la horizontal,

y por tanto,

Por ejemplo, si suponemos una fuente de luz a una altura de 8 metros, con una intensidad luminosa de 200 candelas, en un punto que forma 20º con la vertical, el nivel de iluminación en dicho punto será:


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8.2. LÁMPARAS Y SUS COMPONENTES Desde la primera lámpara de Edison, hace ya más de 100 años, se ha ido acumulando una gran experiencia en el campo de la iluminación, que supone una parte muy importante en el conjunto de la electricidad moderna. A lo largo de estos años se han descubierto nuevos tipos de lámparas a las que se han ido adaptando una serie de componentes y aparatos auxiliares, tales como casquillos, portalámparas, reactancias, etc. Seguidamente exponemos algunos de ellos. Las lámparas pueden ser de muchas clases, cada una de ellas con sus particularidades y características específicas, que pasamos a estudiar con detalle.

8.2.1. LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA La incandescencia es un sistema en el que la luz se genera como consecuencia del paso de una corriente eléctrica a través de un filamento conductor. Muchos han sido los materiales utilizados para la construcción de filamentos, pero en la actualidad el material de uso exclusivo es el tungsteno o wolframio, cuya temperatura de fusión es del orden de 3.400 ºC. Con este tipo de filamentos se puede llegar a temperaturas normales de trabajo del orden de 2.500 a 2.900 ºC, lo cual permite fabricar lámparas de incandescencia de una vida relativamente grande, con rendimientos también relativamente grandes, sobre todo si los comparamos con los obtenidos tan sólo hace unas cuantas décadas. El filamento entraría en combustión con el oxígeno del aire si no lo protegiéramos mediante una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha file:///E|/io/tema8/8-2.htm (1 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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rellenado de un gas inerte. Un factor importante que condiciona la vida de un filamento, es el llamado "fenómeno de evaporación". Dicho fenómeno consiste en que debido a las elevadas temperaturas del filamento, este emite partículas que lo van adelgazando lentamente, produciendo finalmente su rotura. Para evitar en parte este fenómeno, los filamentos se arrollan en forma de espiral y la ampolla se rellena con un gas inerte a una determinada presión. El gas inerte de relleno suele ser de una mezcla de nitrógeno y argón, aunque también suele utilizarse kripton exclusivamente. La ampolla constituye la envoltura del filamento y del gas de relleno, siendo su tamaño función de la potencia eléctrica desarrollada. El material que se utilizó para las primeras lámparas era el cristal, aunque en la actualidad el vidrio a la cal es el más utilizado. Su forma no está supeditada fundamentalmente a ningún concepto técnico, siguiendo generalmente criterios estéticos o decorativos, por lo que se fabrican según una extensa variedad de formas. El modelo estándar es el más corrientemente utilizado.

El casquillo tiene como misión la de recoger los dos hilos que salen del filamento, a través del vidrio, hacia el exterior; al mismo tiempo sirve como elemento de unión con la red de alimentación. Existe una gran diversidad de formas y tamaños de casquillos, aunque los más corrientemente utilizados son los de rosca Edison E-27, para potencias inferiores a los 300W, y la rosca E-40 o Goliat, en lámparas de igual o superior potencia. Para un buen conocimiento del comportamiento de estas lámparas, es necesario tener en cuenta su curva de distribución espectral de las diferentes radiaciones que la componen. En la figura mostramos la distribución espectral de una lámpara de incandescencia, tipo estándar, de 500W, en función de la energía radiada. De esta curva se deduce que la energía radiada por estas lámparas tiene un carácter continuo y que gran parte de la energía se encuentra en la zona de los colores rojos, mientras que solamente una pequeña parte lo hace en la zona del color violeta. De esto se deduce que la luz radiada por este tipo de lámparas se file:///E|/io/tema8/8-2.htm (2 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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asemeja a la luz solar.

La eficacia luminosa o rendimiento de una lámpara se expresa como el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica consumida,

La eficacia de las lámparas de incandescencia es la más baja de todas las lámparas y es del orden de 8 Lm/W para lámparas de pequeña potencia y del orden de 20 Lm/W para las de gran potencia. No debemos confundir la eficacia de una lámpara con el rendimiento de la transformación "energía eléctrica energía luminosa". Casi la totalidad de la energía eléctrica aplicada a las lámparas se transforma en calor, y solamente una pequeñísima parte se transforma en luz, es difícil encontrar rendimientos peores. El flujo luminoso de las lámparas de incandescencia no es constante a lo largo de toda su vida. La causa hay que buscarla en el fenómeno de la evaporación del filamento, ya que por una parte las partículas de tungsteno desprendidas por el filamento se depositan sobre la pared interna de la ampolla ennegreciéndola, y por otra parte el adelgazamiento experimentado por dicho filamento hace que aumente su resistencia, lo que provoca una disminución de la potencia absorbida. Ambos efectos provocan una disminución del flujo total emitido.


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A lo largo de la vida media de una lámpara de incandescencia, la depreciación de su flujo va aumentando progresivamente y resulta ser del orden del 20% cuando alcanza su vida media. Se considera como vida media de una lámpara al promedio de las vidas o duraciones de un grupo de ellas funcionando en condiciones normales. Este es un dato muy importante a tener en cuenta en cualquier tipo de lámpara, ya que de él dependerá, fundamentalmente, el mayor o menor rendimiento económico de la instalación. La vida media de una lámpara de incandescencia se estima en unas 1.000 horas, es decir, que parte de ellas durarán menos, mientras que otras sobrepasarán esta cifra. La vida media de las lámparas de incandescencia es la menor de todas las lámparas, no obstante, por sus características es la que más se utiliza en el alumbrado de viviendas. La tensión de alimentación de una lámpara de incandescencia es un factor que afecta a todas sus variables, resistencia eléctrica del filamento, corriente, potencia, flujo luminoso, eficacia luminosa y vida media. Hemos representado todas estas variables en la figura, de la que podemos obtener interesantes conclusiones. Es interesante observar cómo varía la vida media de una lámpara, en función de la tensión. Un aumento de la tensión de un 30% deja a la lámpara prácticamente sin vida, mientras que una disminución del 10% aumenta la vida en un 400%. Referente al valor de la resistencia eléctrica del filamento de una lámpara de incandescencia, vemos como no resulta ser constante con la tensión, como sería de esperar. Ello se debe a que al aumentar la tensión aumenta su temperatura y con ella su resistencia, como consecuencia de que el tungsteno tiene un coeficiente positivo de temperatura relativamente grande.

El resto de los valores siguen un comportamiento lógico, tal y como puede apreciarse. Hemos observado la vida extremadamente corta de las lámparas incandescentes, su pequeña eficacia luminosa, y la enorme influencia que tiene la tensión sobre sus características fundamentales. Pese a ello y con una antigüedad de más de 100 años, las lámparas incandescentes siguen alumbrando la casi totalidad de los hogares, ya que no existe nada mejor que las sustituya.


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8.2.2. LÁMPARAS DE INCANDESCENCIA CON HALOGENUROS Las lámparas de incandescencia con halogenuros o simplemente lámparas halógenas no son más que lámparas de incandescencia perfeccionadas. En las lámparas de incandescencia tiene lugar el ya conocido fenómeno de evaporación del filamento, que consiste en el desprendimiento de partículas de tungsteno que siguiendo las corrientes de convección del gas en el interior de la lámpara, acaban por depositarse sobre la pared interior de la ampolla, ennegreciéndola. Si al gas de relleno de una lámpara de incandescencia se le añade una pequeña cantidad de yodo en forma de yoduro, en las zonas externas de la lámpara en las que la temperatura es del orden de los 600 ºC, tiene lugar una reacción química en virtud de la cual los átomos de tungsteno se recombinan con los átomos de yodo, dando como resultado un compuesto llamado yoduro de tungsteno:


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Por otra parte, cuando las moléculas de este nuevo compuesto se aproximan al filamento, zona en la que la temperatura es superior a los 2.000 ºC, se produce la reacción opuesta, es decir, el yoduro de tungsteno se disocia en yodo y tungsteno, depositándose este último sobre el filamento, siguiendo el yodo el camino determinado por las corrientes de convección, para repetir el proceso. Como ya hemos dicho, una parte de la reacción química se produce a una temperatura de 600ºC, en la pared de la ampolla de la lámpara. Para poder alcanzar tan elevada temperatura no queda más remedio que reducir considerablemente el tamaño de la ampolla y como el vidrio no soporta estas temperaturas tan elevadas, se recurre al cuarzo, que tiene una temperatura de reblandecimiento superior a los 1.300 ºC. El resultado de lo expuesto es una gran disminución del tamaño de estas lámparas, aproximadamente el 5% del volumen de una lámpara convencional de la misma potencia. En una atmósfera halógena no pueden emplearse materiales corrientes, en base a la gran afinidad química, por lo que los soportes del filamento se hacen también de tungsteno. Las salidas de los conductores de alimentación de estas lámparas, se hacen a través de unas finísimas hojas de molibdeno. Debido al pequeño coeficiente de dilatación de este material y a las dimensiones extremadamente pequeñas de la hoja que atraviesa el cuarzo, este se ve sometido a esfuerzos relativamente pequeños. El extremadamente pequeño volumen de estas lámparas, permite realizar ampollas de cuarzo de gran resistencia, admitiendo un relleno de gas a mayor presión. Todo lo dicho sobre las lámparas halógenas nos permite citar las siguientes ventajas sobre las lámparas de incandescencia convencionales: - El flujo luminoso es mayor, debido a que el filamento puede trabajar a mayores temperaturas. Esto es posible gracias a la regeneración del tungsteno. - La vida media resulta mayor, 2.000 h., debido también a la regeneración del tungsteno. - La ampolla de cuarzo apenas se ennegrece, puesto que no se deposita tungsteno sobre ella, lo que se traduce en una menor depreciación del flujo luminoso, que permanece casi inalterable a lo largo de su vida. - Debido a sus reducidas dimensiones es posible conseguir un control más preciso del haz luminoso. Para la manipulación de estas lámparas hay que tener presentes dos cuestiones muy importantes: - Evitar la presencia de grasa sobre la ampolla de cuarzo, es decir, no deben tocarse con las manos, ya que a altas temperaturas se puede originar la desvitrificación del cuarzo con las anomalías consiguientes. - Su posición de trabajo debe de ser siempre horizontal con una tolerancia máxima de unos 4º. Una mayor inclinación altera el equilibrio térmico de la regeneración, afectando seriamente a la vida de la lámpara. La temperatura de color de estas lámparas resulta ser de 3.100 ºC y la eficacia luminosa es del orden de 22 Lm/W, algo mayor que la correspondiente a lámparas de incandescencia convencionales. En la actualidad se fabrican dos tipos de lámparas halógenas, las llamadas de casquillos cerámicos y las de doble envoltura, tal y como se muestra en la file:///E|/io/tema8/8-2.htm (6 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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figura.

Las lámparas halógenas de casquillos cerámicos están formadas por una ampolla cilíndrica de cuarzo de diámetro muy reducido, en cuyo interior se encuentra el filamento de tungsteno, arrollado en espiral, sumergido en una atmósfera de nitrógeno-argón y un halógeno que acostumbra a ser de yodo. Los extremos de la ampolla terminan en dos casquillos cerámicos que protegen los contactos de conexión. La posición de trabajo de este tipo de lámparas debe ser siempre horizontal, con una desviación máxima de 4º, y debe evitarse el contacto de la ampolla con las manos, tal y como ya hemos indicado. Para evitar los problemas que trae consigo la desvitrificación y al mismo tiempo permitir el funcionamiento de la lámpara en cualquier posición, se han creado las lámparas de doble envoltura, en las que el tubo de cuarzo está situado en el interior de un segundo tubo, en este caso de vidrio normal, cuya misión no es otra que la de proteger el tubo de cuarzo y al mismo tiempo proporcionarle el equilibrio térmico que precisa para su buen funcionamiento.


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Este equilibrio térmico necesario para que se produzca la regeneración del filamento en cualquier posición de trabajo de la lámpara, se consigue rellenando con nitrógeno el espacio que hay entre la lámpara y el segundo tubo de vidrio. Las lámparas de doble envoltura disponen de casquillos normalizados del tipo E-27 o E-40, siendo fácilmente adaptables en portalámparas destinados a lámparas de incandescencia convencionales. La posibilidad de un encendido y reencendido instantáneo, la gran facilidad de controlar el haz luminoso y una muy buena reproducción cromática, hace de estas lámparas un medio excelente para el alumbrado de pistas deportivas, carteles publicitarios, edificios y monumentos. No obstante, debido a la corta vida media de estas lámparas, se trata de un alumbrado bueno pero muy caro. Además de los dos tipos de lámparas halógenas que acabamos de describir y cuya aplicación se centra principalmente en el alumbrado industrial, existen otras lámparas halógenas para aplicaciones diversas, tales como pequeñas lámparas de sobremesa, lámparas para faros de automóviles, lámparas para proyectores de transparencias y diapositivas, etc..

8.2.3. LÁMPARAS FLUORESCENTES Las lámparas fluorescentes son fuentes luminosas originadas como consecuencia de una descarga eléctrica en atmósfera de vapor de mercurio a baja presión, en las que la luz se genera por el fenómeno de fluorescencia. Este fenómeno consiste en que determinadas sustancias luminiscentes, al ser excitadas file:///E|/io/tema8/8-2.htm (8 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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por la radiación ultravioleta del vapor de mercurio a baja presión, transforman esta radiación invisible en otra de onda más larga y que se encuentra dentro del espectro visible. La lámpara fluorescente normal consta de un tubo de vidrio de un cierto diámetro y longitud variable según la potencia, recubierto internamente de una capa de sustancia fluorescente. En los extremos de este tubo se encuentran los cátodos de wolframio impregnados en una pasta formada por óxidos alcalinotérreos que facilitan la emisión de electrones. El tubo está relleno de gas argón a baja presión y una pequeña cantidad de mercurio. Conectada la lámpara en su correspondiente circuito, la corriente eléctrica que atraviesa los electrodos, los calienta y les hace emitir electrones, iniciándose la descarga si la tensión aplicada entre los extremos es suficiente. El calor producido, evapora rápidamente el mercurio por lo que la descarga se mantiene en una atmósfera de mayor conductividad, mezcla de gas argón y del vapor de mercurio.

Los electrones así obtenidos, en su recorrido de un extremo a otro del tubo, chocan con los átomos de mercurio y la energía desprendida en el choque se transforma en radiaciones ultravioleta y por lo tanto invisibles, pero capaces de excitar la capa fluorescente que recubre el interior del tubo, con lo que se transforman en luz visible. Esta es la explicación que inicialmente ofrecemos para justificar el funcionamiento de los tubos fluorescentes, aunque no obstante vamos a completarla con ciertos pormenores prácticos que facilitarán una mayor comprensión del funcionamiento. Las lámparas fluorescentes, como todas las de descarga, presentan una resistencia al paso de la corriente que disminuye a medida que esta se incrementa. Este efecto las llevaría a la autodestrucción si no les colocáramos algún elemento que controle la intensidad que circula por ellas; este elemento es una reactancia cuyo nombre específico para este caso es "balasto". La reactancia o balasto está formada por una bobina de hilo de cobre esmaltado con su correspondiente núcleo magnético. Este conjunto va introducido dentro de un contenedor metálico, y todo ello impregnado al vacío con resinas capaces de penetrar hasta el interior de los más pequeños huecos existentes entre espiras; con ello conseguimos un considerable aumento de la rigidez dieléctrica de la bobina, una mejor disipación del calor formado, y una total eliminación de las posibles vibraciones del núcleo magnético. Las funciones que debe cumplir una reactancia, en el orden en que se realizan al poner en funcionamiento un tubo fluorescente, son: - Proporcionar la corriente de arranque o precalentamiento de los filamentos para conseguir de éstos la emisión inicial de electrones. - Suministrar la tensión de salida en vacío suficiente para hacer saltar el arco en el interior de la lámpara. - Limitar la corriente en la lámpara a los valores adecuados para un correcto funcionamiento. En la figura mostramos el circuito fundamental de funcionamiento de una lámpara fluorescente con su balasto y su interruptor de puesta en marcha file:///E|/io/tema8/8-2.htm (9 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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(cebador) .

Si aplicamos tensión al circuito, no circulará corriente por el mismo, ya que no puede establecerse la descarga, por falta de electrones. Si ahora cerramos momentáneamente el interruptor, el circuito se cierra a través del balasto y de los filamentos del tubo, los cuales iniciarán la emisión de electrones. Si ahora abrimos el interruptor, se crea una sobretensión como consecuencia de la autoinducción de la bobina del balasto, y encontrándose el tubo fuertemente ionizado como consecuencia de la emisión de electrones, se iniciará la descarga en el seno del gas de relleno y posteriormente en el vapor de mercurio. Así cebado el tubo, quien ahora limita la corriente es el balasto y en bornas de la lámpara quedará la tensión de arco necesaria para mantenerlo. Esta tensión de mantenimiento del arco depende principalmente de la longitud del tubo y suele estar comprendida entre 40 y 100 V. Todo lo dicho sobre el funcionamiento de la lámpara es perfectamente válido, a excepción del interruptor manual de puesta en funcionamiento, que deberá ser sustituido por un interruptor automático "Cebador". El cebador consiste en una pequeña ampolla de vidrio llena de gas argón a baja presión, y en cuyo interior se encuentran dos electrodos; uno de ellos, o los dos, son laminillas de diferente coeficiente de dilatación que, por la acción del calor, pueden doblarse ligeramente, y que se encuentran muy próximas. En paralelo con estos dos electrodos encontramos un condensador cuya misión es la de evitar en lo posible las interferencias en las bandas de radiodifusión y TV, que este interruptor automático pueda ocasionar. Estos dos elementos van alojados en un pequeño recipiente cilíndrico de aluminio o de material aislante.

Así constituido el cebador, su funcionamiento puede resumirse de la siguiente manera: Al conectar el circuito a la red, toda la tensión queda aplicada entre los dos electrodos del cebador. Como consecuencia de la proximidad a que se file:///E|/io/tema8/8-2.htm (10 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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encuentran, se establece entre ellos y a través del gas de relleno un pequeño arco, el cual produce un aumento de la temperatura en la lámina, y en consecuencia su deformación, hasta ponerse en contacto con la fija, cerrando con ello el circuito de caldeo de los filamentos. Al cesar el arco, la laminilla bimetálica se enfría y por tanto vuelve a su posición inicial, abriendo bruscamente el circuito y provocando la reactancia, la sobretensión ya prevista, que inicia la descarga en el tubo. Puesta en funcionamiento la lámpara, como la tensión entre sus extremos disminuye a un valor igual al de formación del arco, ya no es capaz de iniciar, entre los electrodos del cebador, ese pequeño arco, y en consecuencia no vuelven a unirse. Hemos supuesto que a la primera interrupción del cebador, la lámpara inicia la descarga, pero si ello no ocurre, el cebador volverá a cerrar y abrir su contacto hasta que la tensión entre sus extremos disminuya al valor de formación del arco. Finalmente destacamos que los polvos fluorescentes que recubren el interior del tubo constituyen posiblemente el elemento más importante de esta fuente de luz, ya que el 90% de la luz emitida por los tubos se debe a su acción. Las investigaciones llevadas a cabo en el campo de la química han permitido descubrir nuevos materiales fluorescentes que mejoran sensiblemente la transformación de las radiaciones ultravioleta en luz visible, al mismo tiempo que permiten la obtención de tonalidades diversas de luz. La adecuada dosificación en la mezcla de estas nuevas materias ha permitido la fabricación de una amplia gama de lámparas fluorescentes, con unas características de emisión a diferentes temperaturas de color y con rendimientos cromáticos distintos. La extensa gama de tonalidades aparecidas en el mercado, y después de una lógica racionalización, ha quedado establecida en tres categorías básicas, según la temperatura de color: 1ª ) Tonalidades cálidas (2.700-3.100 ºK) 2ª ) Tonalidades frías (3.800-4.500 ºK) 3ª ) Tonalidades luz de día (6.500-7.500 ºK)

La figura nos muestra la curva de distribución espectral relativa de una lámpara fluorescente de tono "Blanco cálido". file:///E|/io/tema8/8-2.htm (11 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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La vida media de los tubos fluorescentes es del orden de 7.500 horas y la depreciación del flujo emitido para la vida media es aproximadamente del 25%.

Hasta no hace mucho los modelos que normalmente se fabricaban correspondían a las potencias de 20 W, 40 W, y 65 W, con una longitud variable con la potencia y un diámetro de 36 mm. En la actualidad estos modelos están siendo sustituidos por otros tres tipos de mayor rendimiento luminoso, de potencias 18 W, 36 W y 56 W, de igual longitud y con un diámetro de tan sólo 26 mm. El funcionamiento de las lámparas fluorescentes puede verse sensiblemente afectado por diversos factores tales como temperatura y humedad ambiente, número de encendidos y tensión de alimentación. La máxima emisión luminosa de los fluorescentes se produce a temperaturas comprendidas entre 38 y 49 ºC, experimentando una pérdida de un 1% por cada grado de variación. Ello es debido a la enorme influencia que tiene la temperatura sobre la producción de rayos ultravioleta. La presencia de aire húmedo en las proximidades de un tubo fluorescente puede formar una película de humedad sobre el mismo, variando la carga electrostática de la superficie del tubo y haciendo necesarias unas tensiones de arranque superiores a las normales. Este efecto puede eliminarse en gran parte disponiendo sobre la pared externa del tubo una delgada capa de silicona que dispersa la película de agua permitiendo el arranque en mejores condiciones. La "muerte" de un tubo fluorescente, es casi siempre consecuencia del agotamiento de sus electrodos. El momento más perjudicial para su integridad es siempre el arranque, de lo que puede deducirse que existirá una relación entre el número de encendidos y la vida del tubo. La duración de la vida de los tubos fluorescentes suele indicarse para una frecuencia de encendidos de uno cada tres horas. El flujo luminoso y la potencia de un tubo fluorescente se ven afectados por la variación de la tensión de alimentación, tal y como podemos ver en la figura.


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La tensión mínima para la cual se mantiene el arco, suele ser del 75% de la nominal. La eficacia de una lámpara fluorescente, tomada como la relación entre el flujo luminoso y la potencia de la lámpara, es del orden de 55 a 82 Lm/W. Esta es la eficacia que suelen dar los fabricantes, aunque en realidad la eficacia real resultará ser la relación entre el flujo luminoso y la potencia activa total consumida; en este caso tendremos que la eficacia será notablemente menor, de 33 a 68 Lm/W. Finalmente diremos que la luz de los fluorescentes es especialmente indicada en todos aquellos lugares donde se necesite una iluminación de calidad. Así, es imprescindible en oficinas, tiendas, talleres, y salas y salones de actos.

8.2.3.1. Consideraciones eléctricas sobre los tubos fluorescentes Como ya hemos visto, son tres los elementos fundamentales en los circuitos con lámparas fluorescentes: tubo, balasto y cebador. Eléctricamente el tubo equivale a una carga puramente óhmica, mientras que el balasto supone una carga fuertemente inductiva. Así, pues, el conjunto lámpara-balasto equivale a una carga inductiva con un bajo factor de potencia.

Por ejemplo, las características eléctricas de un tubo fluorescente de 36 W, son: Tensión de alimentación 220 V. file:///E|/io/tema8/8-2.htm (13 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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Intensidad nominal 0,43 A. Potencia del tubo 36 W. Potencia del balasto 12 W. Potencia total 36 + 12 = 48 W. De estas características deducimos la potencia aparente total consumida, Wap = U Iap = 220 ⋅ 0,43 = 94,6 VA. por lo tanto el factor de potencia del conjunto tubo-reactancia, será:

Esto quiere decir que la intensidad aparente que consume el circuito, Iap = 0,43 A, se descompone en una parte activa y otra reactiva:

Disponiendo de un condensador a la entrada del circuito, capaz de suministrar la intensidad reactiva que consume el circuito, conseguiremos que el conjunto tubo-reactancia trabaje con un factor de potencia igual a la unidad. Siendo:

Con un condensador de estas dimensiones, además de conseguir la bonificación correspondiente a un factor de potencia unidad, conseguimos que la intensidad por el circuito quede reducida a un valor de intensidad aparente igual a la activa (0,218 A.), con el consiguiente ahorro de sección. En la práctica no existirá el condensador de 5,3 mF, por lo que habrá que colocar el de valor más próximo tomado por defecto. En ocasiones no interesa llegar a un factor de potencia unidad, quedando fijado en un valor más bajo. Normalmente las casas fabricantes de reactancias dan el valor del condensador necesario para un factor de potencia de 0,90, es decir,

y siendo:

tendremos que:


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y para esta intensidad, le corresponde un condensador:

En la mayoría de las aplicaciones las lámparas fluorescentes van en parejas, por lo que en vez de recurrir a un montaje con dos reactancias se suele utilizar una sola, disponiendo los dos tubos en serie, tal y como indica la figura. El condensador necesario puede calcularse de forma similar.

Un fenómeno de especial transcendencia se produce durante el funcionamiento de las lámparas fluorescentes: se trata del llamado "efecto estroboscópico". Puesto que el arco de una lámpara funciona con corriente alterna de 50 ciclos por segundo, las corrientes de las lámparas se anulan 100 veces por segundo, disminuyendo su intensidad luminosa casi a cero en esos momentos. Por este motivo aparece el llamado efecto estroboscópico que produce la sensación de que los cuerpos en movimiento lo hacen a velocidad menor que la real, aparece una especie de sombra a su alrededor, y el parpadeo luminoso aumenta la fatiga visual. Naturalmente es necesario compensar o corregir este fenómeno si queremos tener un alumbrado en perfectas condiciones. Para ello será necesario desfasar las tensiones de unas lámparas con respecto a otras, de forma que cuando un grupo de ellas pase por cero haya otras que se encuentren en un máximo. La forma más simple de conseguir esto es alimentar las lámparas en grupos de tres, a una red trifásica, de forma que las lámparas, conectadas entre cada una de las fases y el neutro, se encontrarán siempre con un desfase de 120º. Cuando no se disponga de una red trifásica también podremos compensar el efecto estroboscopio mediante la utilización de un condensador en serie con el circuito de una de las lámparas del grupo de dos que se necesitan para este tipo de compensación. Con el condensador conectado en serie en una de las lámparas, lo que conseguimos es alimentarla con una intensidad desfasada 90º con respecto a la otra, y por consiguiente, cuando una de ellas pase por cero la otra se encontrará en un máximo. Calculando el condensador de forma que la impedancia que presente sea aproximadamente la mitad de la que representa la reactancia inductiva, conseguiremos evitar el efecto estroboscópico y hacer que el conjunto de estos dos tubos funcione con un factor de potencia próximo a la unidad. Las reactancias a que hemos hecho referencia hasta ahora tienen unas pérdidas consideradas como normales, pero que no obstante podrían ser notablemente inferiores, aumentando el rendimiento de los circuitos. file:///E|/io/tema8/8-2.htm (15 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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Existe un tipo de reactancias denominadas de "bajas pérdidas", que consumen una potencia que suele ser el 60% menor que las reactancias de tipo normal. Mediante estas reactancias de bajas pérdidas el ahorro de explotación resulta notable, cuestión de fácil demostración con un simple estudio económico. Sea un hipotético almacén que dispone de 1.000 lámparas de 36 W. funcionando a 220 V., durante 8 horas diarias y 215 días al año. Las características eléctricas de una reactancia normal y otra de bajas pérdidas, son: DATOS DE COMPARACION

REACTANCIA N.

REACTANCIA B.P.

Tensión de red

220 V.

220 V.

Potencia en lámpara

36 W.

36 W.

Potencia en la reactancia

12 W.

4,5 W.

Potencia total

48 W.

40,5 W.

Intensidad en lámpara

0,43 A.

0,43 A.

Rendimiento de equipo

0,75 %

0,88 %

La potencia ahorrada sería de: 1.000 ⋅ 8 ⋅ 215 ⋅ (12 - 4,5) = 12.900.000 Wh. = 12.900 kWh y estimando el precio del kWh. a 15 pts, el ahorro anual resultará ser de: 12.900 ⋅ 15 = 193.000 pts/año Naturalmente una reactancia de bajas pérdidas cuesta más que una normal, ya que está muy sobredimensionada, pero con otro simple cálculo podemos llegar a la conclusión de que se pueden amortizar en un tiempo inferior a los dos años. Los fabricantes aseguran para las reactancias una vida media de 10 años, por lo que el ahorro mínimo previsto en este tiempo sería de 1.930.000 Pts. El rendimiento del equipo, visto como el cociente de la potencia consumida por el tubo y la total consumida por el equipo, será en cada uno de los dos casos:

8.2.4. PEQUEÑAS LÁMPARAS FLUORESCENTES Este tipo de lámparas denominadas Dulux, PL, etc..., están basadas en el principio de descarga en vapor de mercurio a baja presión, similar al de las file:///E|/io/tema8/8-2.htm (16 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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lámparas fluorescentes convencionales. Su principal atributo es su reducido tamaño, comparable al de las lámparas de incandescencia. La eficacia luminosa es del orden de 40 Lm/W., su vida media de unas 6.000 horas y la temperatura de color de 2.700 ºK. La depreciación del flujo luminoso para su vida media es del 20%. Se fabrican en cuatro potencias 5W, 7W, 9W y 11W., y tienen la particularidad de que el cebador va incorporado en la base de la lámpara. El balasto es común para las cuatro lámparas y su conexión es, naturalmente, en serie. También se pueden conectar dos lámparas en serie con un sólo balasto, a excepción de la de 11W., que no es posible debido a su elevada tensión de lámpara.

Las características expuestas dotan a estas lámparas de buenas razones para sustituir a las de incandescencia en aquellos lugares de elevada utilización, como hoteles, restaurantes, locales de venta, etc.. El principal inconveniente es que el nivel de iluminación nominal no se alcanza hasta después de transcurridos unos tres minutos.

8.2.5. LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO El funcionamiento de las lámparas de vapor de mercurio a alta presión, conocidas simplemente como de vapor de mercurio, se basa en el mismo principio que el de las lámparas fluorescentes. Así como una lámpara fluorescente de descarga en mercurio a baja presión genera casi exclusivamente radiaciones ultravioleta, con altas presiones de vapor el espectro cambia notablemente, emitiendo varias bandas que corresponden a las sensaciones de color violeta (405 file:///E|/io/tema8/8-2.htm (17 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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mµ .), azul (435 mµ .), verde (546 mµ .) y amarillo (570 mµ .), emitiendo también una pequeña cantidad de radiaciones ultravioleta. Como las cualidades cromáticas de estas radiaciones no resultan muy buenas, debido en gran parte a la ausencia de radiaciones rojas, las radiaciones ultravioleta se transforman, mediante sustancias fluorescentes, en radiaciones comprendidas dentro del espectro rojo, dando como resultado una lámpara con un mejor rendimiento cromático. Las lámparas de vapor de mercurio están constituidas por una pequeña ampolla de cuarzo, provista de dos electrodos principales y uno o dos auxiliares, en cuyo interior se encuentra una cierta cantidad de argón y unas gotas de mercurio. Los electrodos auxiliares llevan una resistencia en serie que limita la intensidad que por ellos puede circular.

La pequeña ampolla de cuarzo está contenida dentro de otra de mucho mayor tamaño, de vidrio, cuya misión es la de proteger a la pequeña ampolla, establecer un cierto equilibrio térmico, así como también la de ser depositaria en su interior de sustancias fluorescentes encargadas de darle una cierta tonalidad roja.


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Como todas las lámparas de descarga, la lámpara de vapor de mercurio debe llevar un elemento limitador de corriente, balasto. Cuando la conectemos a la red de alimentación, se producirá inicialmente una descarga entre el electrodo principal y el auxiliar, que se encuentran muy próximos, lo que ioniza el argón, haciéndolo conductor y estableciendo un tenue arco entre los dos electrodos principales; el calor generado por esta descarga va progresivamente evaporando el mercurio del interior de la ampolla, y poco a poco se va convirtiendo en el conductor principal. A medida que aumenta la temperatura en el tubo de descarga, aumenta la presión del vapor de mercurio y con ella la potencia activa consumida y el flujo luminoso emitido, hasta alcanzar, al cabo de 3 o 4 minutos, los valores normales de régimen. La intensidad absorbida por el circuito se inicia con un valor del orden del 40 al 50% mayor que el nominal, y va reduciéndose progresivamente tal y como hemos indicado. Esta variación de la intensidad durante el arranque de la lámpara tiene una muy importante influencia en el circuito, ya que en un alumbrado de este tipo, el limitador deberá estar dimensionado para poder aguantar dicha intensidad. Si por algún motivo se apaga la lámpara, y seguidamente queremos volver a encenderla, ello no resulta posible debido a que el vapor de mercurio no se habrá enfriado y estará con una presión elevada. Transcurridos tres o cuatro minutos, la lámpara se habrá enfriado y reanudará el periodo de encendido; esto supone un serio inconveniente para este tipo de lámparas. La curva de distribución espectral viene representada en la siguiente figura, pudiendo observar los cuatro colores predominantes, así como también la zona del rojo que genera la capa fluorescente.


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La temperatura de color de estas lámparas, depende del tipo de recubrimiento fluorescente que lleve, pero suele estar comprendida entre 3.800 y 4.000 ºK, y tiene un rendimiento luminoso que oscila entre 40 y 60 Lm/W. La depreciación del flujo luminoso depende naturalmente de las horas de funcionamiento de la lámpara. La depreciación suele ser del 12% a las 8.000 horas de funcionamiento y del 35% a las 15.000 horas.

La vida media de la lámpara es extraordinariamente elevada, del orden de 24.000 horas, aunque para estas horas de funcionamiento la depreciación del flujo luminoso sea del orden del 50%. Los fabricantes aconsejan cambiar la lámpara antes de las 15.000 horas de funcionamiento, cuando la depreciación del flujo no es superior al 25%. Las lámparas de vapor de mercurio resultan muy aconsejables en alumbrados públicos y en grandes almacenes. file:///E|/io/tema8/8-2.htm (20 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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Al igual que para las lámparas fluorescentes, la reactancia hace que el circuito tenga un bajo factor de potencia, por lo que se recomienda la colocación de condensadores. Así, por ejemplo, la lámpara de 125 W. a 220 V., tiene un consumo de 1,15 A. y una potencia total consumida de 137 W, por lo tanto tendremos un factor de potencia:

La capacidad necesaria para que el circuito trabaje con un factor de potencia 0,9, será:

8.2.6. LÁMPARAS DE LUZ MEZCLA Las lámparas de luz mezcla son una variante de las de vapor de mercurio. El control de la intensidad que normalmente se consigue con una reactancia, en las lámparas de vapor de mercurio, en el caso de las lámparas de luz mezcla se hace mediante una resistencia en forma de filamento de tungsteno colocado en su interior, contribuyendo además a la emisión luminosa.


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Como consecuencia de la aportación luminosa del filamento de incandescencia, el espectro de la radiación es el resultado de la adición al espectro típico de la lámpara de vapor de mercurio, el espectro de una lámpara de incandescencia rica en radicaciones rojas e infrarrojas.

La eficacia de estas lámparas es del orden de 25 Lm/W., y tienen una depreciación del flujo luminoso muy pequeña, no llega al 20%, para la vida media de la lámpara, que es del orden de 6.000 h., para un encendido cada tres horas.


8-2

Es importante resaltar en estas lámparas que, durante el periodo de arranque, el exceso de tensión no absorbido por el tubo de descarga sobrecarga considerablemente el filamento, motivo por el que la vida media se ve en gran medida afectada por el número de encendidos. Debido a la posibilidad de sustitución directa de estas lámparas por las de incandescencia, resultan adecuadas en aquellos casos en los que se pretende mejorar la iluminación sin grandes complicaciones. 8.2.7. LÁMPARAS DE MERCURIO CON HALOGENUROS La constitución de las lámparas de halogenuros metálicos es similar a la de las de vapor de mercurio, de las que se diferencia en que, además de mercurio, contienen halogenuros de tierras raras, tales como disprosio, talio, indio, holmio o tulio, con lo que se obtienen mayores rendimientos luminosos y sobre todo una mejor reproducción cromática. El tubo de descarga es de cuarzo con un electrodo de wolframio en cada extremo, recubierto de un material emisor de electrones. El bulbo exterior es de vidrio duro y sirve para el equilibrio térmico del tubo de descarga y para su aislamiento.


8-2

Aunque las condiciones de funcionamiento son similares a las de las lámparas de vapor de mercurio, la adición de halogenuros hace necesaria una tensión de encendido muy superior a la de una red de alimentación, 200/380 V., por lo que necesita un arrancador que proporcione tensiones de pico del orden de 1,5 a 5 kV. Las lámparas de halogenuros metálicos, como todas las de descarga se deben conectar a la red a través de una reactancia que controle la intensidad, debiendo tener especial cuidado de que la combinación reactancia-arrancador sea la adecuada. Dos son los circuitos que se suelen utilizar para el funcionamiento de estas lámparas. El período de arranque es de 3 a 5 minutos, hasta que la lámpara da el flujo luminoso previsto y el reencendido de 10 a 20 minutos, dependiendo del tipo de luminaria y de la potencia de la lámpara. La tensión entre sus extremos, necesaria para mantener la descarga, es del orden de 100 a 200 V., depende de la potencia. Dado que estas lámparas no emiten radiaciones ultravioleta, eliminan la necesidad de la capa fluorescente, por lo que se suelen construir en ampollas cilíndricas y transparentes. Los tipos de lámparas existentes en el mercado son muy diversos y dependen principalmente del tipo de halogenuro introducido. Tanto la temperatura de color proporcionada, como la eficacia luminosa obtenida dependen de este concepto. Así, cuando se utilizan aditivos de sodio, talio e indio, se obtiene una eficacia luminosa del orden de 95 Lm/W. y una temperatura de color de unos 4.200 ºC. Cuando se utilizan aditivos a base de estaño, el rendimiento luminoso es de unos 45 Lm/W. y la temperatura de color del orden de 5.000 ºC.


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En la siguiente figura podemos ver la curva de distribución espectral de una lámpara típica de halogenuros metálicos. De todas las que hemos visto es la que tiene un espectro más continuo, y solamente tiene una cresta importante en la zona de los verdes. Tampoco podemos concretar nada sobre la vida media de estas lámparas cuyo valor puede decirse que se encuentra entre 2.000 y 8.000 horas, dependiendo muy directamente del tipo y del fabricante.


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Como ya hemos dicho, la principal cualidad de estas lámparas es la reproducción cromática, por lo que la hacen especialmente indicada en aquellos casos en los que la reproducción cromática sea fundamental, como por ejemplo en aplicaciones televisivas. El campo de utilización de estas lámparas, así como sus características especiales no están definidas totalmente, ya que se encuentran en pleno desarrollo. De hecho, en la actualidad, estas lámparas están siendo investigadas en profundidad, por lo que se desconoce el alcance real al que puedan llegar.


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8.2.8. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO A BAJA PRESIÓN Constructivamente las lámparas de vapor de sodio a baja presión están formadas por dos ampollas de vidrio tubulares. La ampolla interna o tubo de descarga tiene forma de U y en su interior se encuentra una pequeña cantidad de gas neón a baja presión y sodio puro en forma de gotas, cuando está frío; así mismo, en los extremos del tubo de descarga se encuentran dos electrodos de filamento de wolframio, sobre los que se ha depositado un material emisor de electrones.

La ampolla exterior envolvente, tiene como misión la protección térmica y mecánica del tubo de descarga, y entre las dos se ha hecho el vacío. Al aplicar tensión entre los electrodos, se produce la descarga a través del gas neón, la cual determina la emisión de una luz roja característica de este gas. El calor generado por la descarga produce la vaporización progresiva del sodio y, como consecuencia, la descarga pasa a efectuarse en una atmósfera en la que la concentración de sodio es cada vez mayor, produciendo una luz cada vez más amarilla. El proceso de encendido de una lámpara de vapor de sodio a baja presión dura unos 10 minutos y al final se obtiene una luz amarilla monocromática de una longitud de onda de 5.890 mµ . El rendimiento de estas lámparas es óptimo cuando la temperatura interna alcanza los 270 ºC, por lo que la pared interna del tubo exterior lleva una fina capa de óxido de indio, el cual permite el paso de las radiaciones visibles, pero detiene el 90% de las radicaciones infrarrojas, que se invierten en calentar el tubo. La curva de distribución espectral es monocromática, de color amarillo, situado en la zona donde la sensibilidad del ojo humano es de un 75% con respecto a la máxima. Por tal motivo estas lámparas resultan adecuadas en aquellos lugares en donde la reproducción de los colores es secundaria como, por ejemplo, en vías de tránsito urbano, en donde lo principal es la percepción del movimiento; también es aplicable este tipo de luz en grandes espacios industriales de carga, descarga y estacionamiento.


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La eficacia luminosa de las lámparas de vapor de sodio a baja presión es la más elevada de todas las existentes, llega a ser de 190 Lm/W. La vida media resulta ser de unas 15.000 horas, con una depreciación que no llega al 20%. La tensión mínima de arranque que necesitan estas lámparas es del orden de los 390 V. para potencias de lámpara pequeñas (35 W.) y del orden de los 600 V. para las de gran potencia (180 W.). Por tal motivo, se hace imprescindible en el circuito un elemento que además de controlar la intensidad, como en todas las lámparas de descarga, eleve la tensión de la red al valor necesario; esto se consigue mediante reactancias autotransformadoras de dispersión. Para algunas potencias de lámparas, cuya tensión de arranque es del orden de 390 V. y la tensión de funcionamiento del arco de unos 100 V., es posible utilizar reactancias de choque en lugar del autotransformador.


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Cuando se utilicen reactancias de choque es imprescindible utilizar también un arrancador capaz de producir unos impulsos de tensión elevada que inicien la descarga en el interior de la lámpara. Así, por ejemplo, en el segundo circuito indicado en la figura, cuando lo conectemos a la red, el arrancador recibe entre sus extremos la tensión total de la red, por lo que el pequeño circuito electrónico que lo forma comienza a oscilar, produciendo descargas de tensión de un valor de pico de unos 1.500 V. y de una duración de 3 a 4 ms. La energía de estos impulsos es suficiente para iniciar la descarga en la atmósfera de neón del interior de la lámpara, provocando el encendido de esta. Al producirse el cebado, la tensión en bornas de la lámpara disminuye, por lo que el arrancador queda alimentado a una tensión notablemente inferior a la de la red (100V.), que es insuficiente para hacerle oscilar, quedando en reposo durante todo el tiempo que la lámpara permanezca encendida. Este sistema de encendido permite utilizar reactancias más simples y ligeras, para las que el condensador de corrección del factor de potencia es de menos capacidad que en el caso de las reactancias autotransformadoras.


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8.2.9. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO A ALTA PRESIÓN Las lámparas de sodio a baja presión tienen una inmejorable eficacia luminosa, pero su reproducción cromática es muy deficiente. Para mejorar este tipo de lámparas hay que hacerles una serie de modificaciones, tales como aumentar la presión del vapor de sodio, a costa de trabajar a temperaturas más elevadas, y agregar además del gas inerte, xenón, una pequeña cantidad de mercurio que ayude a mejorar el espectro. Para que estas dos modificaciones se puedan hacer realidad hay que vencer una seria dificultad, dado que el sodio a alta presión y temperatura, ataca seriamente al vidrio y al cuarzo, materiales utilizados hasta ahora para estos cometidos.


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Para cumplir este cometido se han creado tubos de descarga a base de óxido de aluminio sinterizado, capaces de soportar la acción del sodio a temperaturas superiores a los 1.000 ºC y al mismo tiempo transmitir el 90% de la luz visible producida por la descarga eléctrica en su interior. Este tubo está cerrado mediante tapones de corindón sintético, en los que se soportan los electrodos. El tubo de descarga se aloja en el interior de una ampolla de vidrio duro, resistente a la intemperie que le sirve de protección y aislamiento eléctrico y térmico. La despreciable cantidad de radiaciones ultravioleta que generan estas lámparas, hace innecesario el empleo de material fluorescente, por lo que esta ampolla es totalmente transparente. Debido a la presión elevada del sodio en el tubo de descarga, para el encendido de estas lámparas es preciso aplicar tensiones de pico comprendidas entre 2.800 y 5.500 V., por lo que además de la imprescindible reactancia hay que colocar arrancadores especiales capaces de generar los impulsos de encendido. El modelo de lámpara de 70 W. lleva incorporado dicho arrancador.

Al conectar el circuito a la red de alimentación, el arrancador proporcionará los impulsos de tensión necesarios para iniciar la descarga en el gas xenón. La elevación de temperatura producida por la descarga, va evaporando el mercurio y el sodio, que pasan a ser conductores principales, con lo que la iluminación irá aumentando hasta que al cabo de unos 5 minutos se alcance el valor nominal. file:///E|/io/tema8/8-2.htm (31 of 36) [22/04/2005 01:21:37 a.m.]

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La intensidad de arranque de estas lámparas es del orden del 40 al 50% superior al valor nominal que se alcanza una vez transcurrido el tiempo de encendido. La potencia activa consumida por la lámpara va aumentando hasta alcanzar su valor nominal máximo, que junto con la potencia aparente nos determinará el factor de potencia típico de estos circuitos y que como en los demás casos resultará ser del orden de 0,5. Al igual que las otras lámparas de descarga, si por alguna circunstancia se desconectan, no pueden volver a encenderse hasta transcurrido el tiempo necesario para que la presión del sodio descienda a valores inferiores. Así, el tiempo de reencendido suele ser del orden de 2 a 3 minutos. La curva de distribución espectral de una lámpara de vapor de sodio a alta presión resulta sensiblemente mejorada con respecto a las de baja presión, pudiendo apreciar en ellas una mejor reproducción cromática.

La eficacia luminosa es francamente buena, del orden de 120 Lm/W. y la temperatura de color resulta ser de 2.200 ºK.


8-2

La vida media es de unas 15.000 horas, con una depreciación del flujo que no llega al 40%. La mejora de la reproducción cromática conseguida con estas lámparas, las hace muy apreciadas en alumbrados públicos, y en general en todos aquellos espacios en los que se requiera una iluminación económica sin grandes exigencias cromáticas.


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8.2.10. REACTANCIAS DE DOS NIVELES DE POTENCIA En alumbrados públicos, cuando a determinadas horas se desea reducir el alumbrado con el fin de obtener un cierto ahorro, es necesario disponer de dos circuitos independientes de manera que a determinada hora se pueda eliminar uno de ellos quedando el otro, generalmente distribuido alternativamente. Esta solución no es todo lo buena que sería de desear ya que además de necesitar dos circuitos independientes, la eliminación de puntos de luz crea zonas oscuras con muy mala visibilidad. Los fabricantes de reactancias con el fin de contribuir a solucionar este problema han creado las llamadas reactancias de dos niveles. Su funcionamiento se basa en la fabricación de reactancias con dos niveles de impedancia, de manera que el primer nivel corresponda con el de máximo rendimiento luminoso del circuito, mientras que el segundo nivel corresponde un descenso del nivel de iluminación, y por lo tanto de la potencia consumida. Dependiendo del tipo de lámpara, el descenso del nivel de iluminación, con respecto al Nivel Máximo, se considera aceptable cuando la reducción esté comprendida entre el 45 y el 55%, lo que corresponde con una reducción de la potencia consumida comprendida entre el 58 y el 63%. Reducciones de iluminación y de potencia mayores no serían aceptables ya que podrían aparecer problemas de estabilidad en las lámparas. POTENCIA ABSORBIDA

FLUJO LUMINOSO


AHORRO

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100 %

100 %

-

63 %

55 %

37

58 %

45 %

42

Tal y como se indica, para las lámparas de vapor de sodio a alta presión se dispone de conjuntos apropiados para cada potencia de lámpara, consistentes en una reactancia de dos niveles, arrancador, y relé para la conmutación de los dos niveles de potencia. Puesto que se prevén dos niveles de funcionamiento con dos potencias, también serán necesarios dos condensadores si se quiere compensar el factor de potencia. El primer condensador, el C1, corresponde a la capacidad necesaria para compensar el nivel mínimo, y el Cco, corresponde a la capacidad que le falta a C1 para poder compensar el nivel máximo. Estando el relé en posición de reposo, el contacto 3-1 se encuentra cerrado y por consiguiente la reactancia se halla conectada en su nivel máximo. Así mismo, el contacto 7-5 se encuentra también cerrado, por lo que en el circuito hay dos condensadores acoplados en paralelo, C1 y Cco. Al aplicar tensión al relé, el contacto 3-1 pasa a la posición 3-2, que conecta la reactancia en su nivel reducido, mientras que el contacto 7-5 pasa a la posición 7-6, quedando desconectado el condensador Cco. Obsérvese que de no existir el puente de resistencias entre los puntos 1, 3, al pasar de la posición de nivel máximo al mínimo, habría un instante en el que el circuito quedaría desconectado, por lo que la lámpara se apagaría, dando lugar a un reencendido de tres o cuatro minutos de duración. El circuito de aplicación lo representamos con el accionamiento por medio de un reloj horario, alimentado a 220 V., entre el neutro O y la fase R. Las lámparas conectadas alternativamente a las fases R, S y T, se alimentan a 220 V., y solamente es necesario llevar un conductor para realizar la conmutación. Todo lo dicho es perfectamente válido para lámparas de vapor de mercurio, por lo tanto solamente es necesario colocar el modelo adecuado en cada caso.


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9. INSTALACIONES DE ALUMBRADO 9.1. INSTALACIONES DE ALUMBRADO Como consecuencia de que existen períodos más o menos largos, durante los cuales hay ausencia total o parcial de la luz natural, se hace necesario sustituir o compensar esta mediante luz artificial. El problema se nos plantea ante la necesidad de disponer de una iluminación artificial, que si bien dista notablemente de la natural, al menos cumpla unos mínimos establecidos en cuanto a calidad y cantidad. El ojo humano está habituado a altos niveles de iluminación, proporcionados por la iluminación natural, por lo que lo ideal sería disponer de niveles similares a aquellos. Sin embargo, y a pesar de contar con fuentes de luz artificial de elevado rendimiento, en muy pocas ocasiones resulta conveniente, bajo el punto de vista económico, la utilización de niveles luminosos de magnitud similar a los proporcionados por la luz del día. La luz del día nos proporciona niveles de iluminación del orden de 10.000 a 100.000 lux, mientras que artificialmente raras veces sobrepasaremos niveles superiores a los 2.000 lux. Pese a esto, el ojo humano con su enorme capacidad de adaptación, nos permite obtener sensaciones de bienestar y satisfacción con niveles tan bajos. Con el fin de diferenciar los procedimientos de cálculo utilizados en las instalaciones de alumbrado artificial, estas las dividiremos en dos apartados: * Alumbrado de interiores. * Alumbrado de exteriores. Pasemos seguidamente a su estudio.


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9.2. ALUMBRADO DE INTERIORES Esta clase de alumbrado tiene por objeto proporcionar la iluminación adecuada en aquellos lugares cubiertos donde se desarrollan actividades laborales, docentes, o simplemente de recreo. En cada caso específico podremos recomendar un determinado nivel de iluminación, pudiendo ver en la tabla que seguidamente mostramos, los niveles más comúnmente utilizados. TABLA I ALUMBRADO DE INTERIORES

Clase de trabajo

Niveles de iluminación en lux Bueno

Muy bueno

Salas de dibujo

750

1500

Locales de oficina (mecanografía, escritura, etc.)

400

800

Lugares trabajo discontinuo (archivo, pasillo, etc.)

75

150

Aulas

250

500

Laboratorios

300

600

Salas de dibujo

400

800

Talleres

250

500

Gran precisión (relojería, grabados, etc.)

2.500

5.000

Precisión (ajuste, pulido, etc.)

1.000

2.000

Ordinaria (taladros, torneado, etc.)

400

800

Basto ( Forja, laminación, etc.)

150

380

Muy basto (almacenaje, embalaje, etc.)

80

150

1. Oficinas

2. Escuelas.

3. Industrias.


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4. Comercios. Grandes espacios de venta

500

1.000

Espacios normales de venta

250

5.000

1.000

2.000

500

1.000

Escaparates grandes Escaparates pequeños

Después de un minucioso reconocimiento del lugar a iluminar y conocida la actividad a desarrollar en el local motivo de estudio, lo primero que debemos hacer es concretar el nivel de iluminación que se necesita. Seguidamente pasemos a definir una serie de coeficientes y variables que son de suma importancia en el proyecto de un alumbrado. A) COEFICIENTE DE UTILIZACIÓN Al cociente entre el flujo luminoso que llega al plano de trabajo (flujo útil), y el flujo total emitido por las lámparas instaladas, es lo que llamaremos "Coeficiente de utilización".

Este coeficiente depende de diversas variables tales como la eficacia de las luminarias, la reflectancia de las paredes, y las dimensiones del local. La luminaria, aparato utilizado para soportar, alojar y distribuir el flujo luminoso de las lámparas, tiene una relativa incidencia sobre el coeficiente de utilización, según se trate de un sistema de iluminación directo, semidirecto o a través de difusores. El sistema directo o semidirecto tiene escasas pérdidas, no llegan al 4%, mientras que los sistemas a través de difusor tienen unas pérdidas comprendidas entre el 10 y el 20%. La reflexión de la luz sobre las paredes del local juega un importante papel sobre el coeficiente de utilización. De la totalidad del flujo luminoso que incide sobre las paredes, una parte se refleja, mientras que otra es absorbida y anulada, dependiendo la proporción de una y otra, del color de las paredes. Por ejemplo, en un local pintado de blanco, el flujo total que incide sobre las paredes se ve reflejado en un 70%, mientras que un 30% es absorbido. Por el contrario, si está pintado de un color oscuro, solamente el 10% de la luz incidente es reflejada, mientras que el 90% es absorbida. Aunque se pueden diferenciar un gran número de colores y tonalidades, para nuestro propósito será suficiente diferenciar cuatro tonalidades diferentes, según se indica en la tabla que mostramos siguiente. Tabla II Color

Reflexión


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Blanco

70 %

Claro

50 %

Medio

30 %

Oscuro

10 %

Así, el comportamiento del flujo total emitido por las lámparas de un local, es el siguiente: del flujo luminoso total emitido por las lámparas, solamente una parte llega directamente a la superficie de trabajo; otra parte del flujo emitido, se dirige a las paredes, donde, como ya sabemos, una fracción se absorbe y otra llega a la superficie de trabajo después de una o varias reflexiones; finalmente, otra parte del flujo luminoso se emite hacia el techo donde, como antes, una porción se absorbe y otra llega a la superficie de trabajo.

Por último, las dimensiones del local también juegan un papel importante sobre el valor del coeficiente de utilización. Esto se pone en evidencia con lo expresado anteriormente, "la proporción de flujo luminoso que llega a la superficie de trabajo depende de la relación que exista entre el flujo directo y el reflejado". Un local estrecho y alto desperdicia mucho más flujo luminoso que otro que en proporción sea más ancho y más bajo. Esto equivale a decir que la cantidad de flujo enviado al plano útil de trabajo es directamente proporcional a la superficie e inversamente proporcional a la altura. La dependencia de las dimensiones del local a iluminar sobre el coeficiente de utilización, se determina mediante una fórmula empírica

siendo:


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K = Coeficiente espacial. A = Anchura del local. L = Longitud del local. h = Altura útil entre las luminarias y el plano de trabajo. Así, según sean las proporciones del local, así será el coeficiente espacial K, estando comprendido, normalmente, entre 1 y 10. El valor uno corresponderá a locales muy estrechos y altos, mientras que el valor diez lo obtendrán locales anchos y bajos. Según lo expuesto, la interrelación de estas tres variables es fundamental en la determinación del coeficiente de utilización, y para un mejor entendimiento hemos resumido este concepto en seis tablas, cuya utilización resultará imprescindible para obtener el citado coeficiente. Sea, por ejemplo, un local de 4m. de ancho, 6m. de largo y con una altura útil, de las luminarias al plano de trabajo, de 2,2 m.; el techo se halla pintado de un color claro mientras que las paredes lo están con un color medio, y utiliza luminarias de tubos fluorescentes con difusor. Según estos datos el coeficiente espacial K, queda determinado:

La reflexión del techo será del 50%, mientras que las paredes la tienen del 30%. Según estos tres datos, en la tabla correspondiente a los tubos fluorescentes que utilizan difusores, encontramos el valor del coeficiente de utilización, siendo en este caso del 38%. Esto quiere decir que del total del flujo luminoso utilizado en este local, solamente se aprovecha el 38%. Obsérvese en esta tabla la enorme influencia que tiene la forma del local sobre el coeficiente espacial. B) FACTOR DE MANTENIMIENTO Una instalación de alumbrado no mantiene indefinidamente las características luminosas iniciales. Ello se debe a dos factores, principalmente: 1º) A la pérdida de flujo luminoso de las lámparas, motivada tanto por el envejecimiento natural como por el polvo y suciedad que se deposita en ellas. 2º) A la pérdida de reflexión del reflector o de transmisión del difusor o refractor, motivada asímismo por la suciedad. La estimación de este coeficiente debe hacerse teniendo en cuenta diversos factores relativos a la instalación, tales como el tipo de luminaria, grado de polvo y suciedad existente en la nave a iluminar, tipo de lámparas utilizadas, número de limpiezas anuales y asiduidad en la reposición de lámparas defectuosas. Todo ello y con la experiencia acumulada a lo largo de los años, hace posible situar el factor de mantenimiento dentro de límites comprendidos entre el 80 y el 50%, tal y como se indica en la tabla. Por consiguiente, al calcular el flujo total necesario para obtener un nivel medio de iluminación, será preciso tener en cuenta este factor, ya que de lo contrario obtendríamos el flujo luminoso del primer día de puesta en funcionamiento de la instalación, el cual iría degradándose poco a poco hasta llegar a ser insuficiente. Las consideraciones hechas hasta aquí, nos permiten determinar el flujo luminoso necesario para producir file:///E|/io/tema9/9-2.htm (4 of 11) [22/04/2005 01:21:59 a.m.]

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la iluminación E sobre una superficie útil de trabajo S. El flujo útil necesario será:

Recordando la definición hecha para el coeficiente de utilización, tendremos que:

por lo tanto:

Este será el flujo total necesario sin tener en cuenta la depreciación que sufre con el tiempo, es decir, sin considerar el factor de mantenimiento. Si queremos reflejar este factor en la fórmula del flujo total, tendremos:

Siendo: φ t = Flujo total necesario en Lm. E = Nivel luminoso en Lux. A = Anchura del local en metros. L = Longitud del local en metros. Cu = Coeficiente de utilización. fm = Factor de mantenimiento. TABLA III


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Conocido el flujo total necesario, podremos obtener el número de lámparas a utilizar, ya que

en la que N = Número de lámparas necesarias.


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φ t = Flujo total necesario. φ = Flujo de la lámpara elegida. Fácilmente puede deducirse que un mismo flujo luminoso total puede obtenerse mediante muchas lámparas de bajo flujo nominal, o mediante un pequeño número de lámparas de elevado flujo nominal. La ventaja de utilizar un elevado número de lámparas consiste en que de esta manera se obtiene una gran uniformidad en la iluminación, pero el mantenimiento resulta ser difícil y caro. Por el contrario, si utilizamos pocas lámparas, la uniformidad en la iluminación no es buena, aunque de esta manera se obtiene un mantenimiento sencillo y barato. Una vez obtenido el número de lámparas, previa determinación del flujo de la lámpara elegida, deberá de elegirse el número de lámparas que queremos que lleve cada luminaria, procediendo seguidamente a distribuirlas de una manera lógica y estética sobre la superficie del techo del local. El resto de los datos eléctricos serán inmediatos, tales como potencia activa y reactiva consumida, valor de los condensadores de mejora del factor de potencia, sección de los conductores utilizados, interruptores, magnetotérmicos, etc. Para mejor comprensión de lo hasta aquí expuesto, veamos seguidamente dos ejemplos. EJEMPLO 1º Se trata de iluminar un local para oficinas donde se supone se van a desarrollar trabajos de mecanografía, escritura, etc. Las dimensiones del local, son: Anchura

A = 6 metros.

Longitud

L = 20 metros.

Altura

H = 3,35 metros.

El plano de trabajo se sitúa a 0,85 metros del suelo, por lo que la distancia del plano de trabajo al falso techo es de 2,50 metros. Tanto los techos como las paredes están pintadas de color claro. Dada la característica del local, se prevé un buen mantenimiento y una buena conservación.


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Por tratarse de una oficina, elegimos para la iluminación plafones con difusor empotrados en el falso techo, conteniendo cada uno de ellos, cuatro tubos fluorescentes de 36W., Blanco Cálido. Estos plafones corresponden con el modelo INDALUX 404-FLTN. SOLUCIÓN Para este tipo de oficina elegimos un buen nivel de iluminación, que según la tabla I puede ser de 400 Lux. En primer lugar calculemos el coeficiente espacial del local;

Por tratarse de paredes y techo de color claro, tabla II, tomamos un factor de reflexión para ambos del 50%, por lo que según la tabla III, el coeficiente de utilización será del 53%, Cu = 0,53. El factor de mantenimiento es bueno, 78%, por lo tanto fm = 0,78. Con estos datos ya podemos determinar el flujo luminoso total:

Como las lámparas fluorescentes Blanco Cálido de 36W. tienen un flujo luminoso de 3.000 Lúmenes, el número de lámparas necesarias, será:


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que en plafones de cuatro lámparas cada uno, hacen un total de diez. La potencia activa total necesaria, teniendo en cuenta que los balastos consumen 10W, será:

y la potencia aparente, teniendo en cuenta que el consumo por lámpara es de 0,43A.:

EJEMPLO 2º Se pretende iluminar una nave industrial para trabajos de forja laminación, etc.. Las dimensiones de la nave, son: Anchura…………….A = 15 metros. Longitud………..L = 72 metros. Altura…………..H = 7 metros. El plano de trabajo para este tipo de actividades lo situamos a 0,5 metros del suelo, por lo que la distancia del techo al plano de trabajo es de 6,5 metros. El techo es de color medio y las paredes de color oscuro. Para esta iluminación se elige un reflector simétrico, directo y abierto, con lámparas de vapor de mercurio de 250W.. El modelo de reflector puede ser el INDALUX 440-SFA.


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Por tratarse de una nave industrial para calderería, se prevé un mal mantenimiento e igual conservación. SOLUCIÓN La tabla I recomienda para este tipo de trabajo una iluminación de 150 Lux. El coeficiente espacial será, en este caso:

El techo, de color medio, tiene un coeficiente de reflexión del 30% y las paredes del 10%, por lo que en la tabla II obtenemos un coeficiente de utilización del 66%, Cu=0,66. El factor de mantenimiento se supone que será malo, siendo el reflector de tipo abierto, fm=0,65. Según esto, el flujo total necesario valdrá:

Con lámparas de vapor de mercurio de 250 W., conseguimos un flujo luminoso de 12.000 Lúmenes, por lo tanto, el número de lámparas que se necesitarán será de:

Estas 31 lámparas pueden colocarse sobre la superficie del techo de la nave de muchas formas, aunque la file:///E|/io/tema9/9-2.htm (10 of 11) [22/04/2005 01:21:59 a.m.]

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solución que recomendamos es la de colocar las lámparas según la longitud de la nave, al tresbolillo según una disposición 2-1, con un total de 30 lámparas. Como las lámparas de vapor de mercurio de 250 W. llevan un balasto de 16W., la potencia activa total consumida será de:

y siendo el consumo de cada lámpara de 2,05A, tendremos que:


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9.3. REPRESENTACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS LUMINOSAS DE LAS LÁMPARAS Y LUMINARIAS Los cálculos que acabamos de ver para el alumbrado de interiores, se han hecho de forma global, en lo que al nivel de iluminación se refiere. Se comprende que en el plano de trabajo no habrá una iluminación totalmente uniforme, aunque realmente tengamos un nivel medio igual al calculado. Un cálculo exacto de la iluminación, debería contemplar el nivel de iluminación en todos los puntos del plano de trabajo, y en su defecto, por ser esto prácticamente imposible, debería considerar al menos una serie de puntos distribuidos estratégicamente por toda la superficie considerada. Esta idea aporta un concepto nuevo a la hora de estudiar lámparas y luminarias, ya que según esto resulta muy útil saber como se distribuye la luz emitida por una determinada lámpara y el modo en que la modifica la utilización de luminarias. La manera más simple de representar gráficamente la distribución luminosa de una lámpara o de un conjunto lámpara-luminaria, es a través de las curvas denominadas de "distribución luminosa" o curvas "fotométricas de intensidades". En realidad, las curvas de distribución luminosa son la representación gráfica de las medidas de las intensidades luminosas efectuadas en las infinitas direcciones que parten del centro de la lámpara o luminaria. La determinación de cada uno de los puntos situados en un mismo plano se realiza mediante coordenadas polares, el valor de la intensidad luminosa se representa sobre círculos concéntricos y se expresa en candelas. La distribución de las intensidades luminosas emitidas por una lámpara tipo standard, la mostramos de una forma general, para un flujo luminoso de 1.000 lúmenes, en la siguiente figura (siempre que no se indique lo contrario estas curvas vienen referidas a 1.000 Lm.). El volumen determinado por los vectores que representan las intensidades luminosas en todas las direcciones, resulta ser simétrico con respecto al eje Y-Y´; es como una figura de revolución engendrada por la curva fotométrica que gira alrededor del eje Y-Y´.

En los casos de simetría del volumen fotométrico, es suficiente con representar un solo plano que contenga la curva correspondiente, pero no en todos los casos nos encontraremos con volúmenes simétricos, por lo que de manera simplificada los fabricantes suelen dar, sobre un mismo plano, dos únicas curvas del total del volumen. file:///E|/io/tema9/9-3.htm (1 of 11) [22/04/2005 01:22:08 a.m.]

9-3

Así, en la figura se muestran dos curvas fotométricas correspondientes a la luminaria de distribución asimétrica; una de ellas correspondientes con el eje X de la luminaria, y la otra con el eje Y. Con un poco de imaginación podemos hacernos idea del volumen que determinan estas dos curvas. Veamos seguidamente un ejemplo de aplicación de las curvas fotométricas, para valorar su importancia. Sea una lámpara de incandescencia standard de 500W. a 220V., situada a 6 metros de altura. Pretendemos determinar los distintos niveles de iluminación en puntos situados en un plano horizontal y a distintas crecientes con respecto a la vertical que pasa por la lámpara. Así, un punto situado a 1 metro de la vertical, forma un ángulo, con respecto al punto emisor de la luz, de

La intensidad luminosa para este ángulo resulta ser de 145 candelas, para los 1.000 lúmenes a que se refiere la curva, por lo tanto para los 8.450 lúmenes de la lámpara de 500 W., le corresponderán:


9-3

Y según la fórmula obtenida en el apartado 12.1, la intensidad luminosa en el punto considerado será de:


9-3

Repitiendo estos cálculos para distintos puntos, obtendremos los diferentes niveles de iluminación que proporciona la lámpara sobre el plano horizontal y en una dirección determinada. Al ser simétrica la curva fotométrica con respecto a los dos ejes X-Y, en este caso, obtendremos valores idénticos sea cual sea la dirección elegida, por lo tanto los puntos de igual nivel de iluminación formarán circunferencias concéntricas alrededor de la vertical que pasa por la lámpara, (curvas Iso-lux).

Distancia metros

Angulo º

cos3a

I (1.000 Lm) Candelas

I (8.460 Lm) Candelas

E Lux

0

0,0

1

130

1.098

30,0

1

9,4

0,960

145

1.225

32,6

2

18,4

0,853

155

1.309

31,0

3

26,5

0,715

150

1.269

25,1

4

33,6

0,576

135

1.140

18,2

5

39,8

0,453

130

1.098

13,8

6

45,0

0,353

120

1.014

9,9

7

49,3

0,275

110

929

7,1

8

53,1

0,216

105

887

5,3

Para una gran parte de las aplicaciones es suficiente con la representación de una o dos curvas fotométricas de intensidades, las correspondientes a un solo plano o a dos planos perpendiculares. No obstante existen aplicaciones en las que hay que hacer uso de otro tipo de curvas que faciliten la solución gráfica de los problemas. Así, del cuadro expuesto anteriormente podemos obtener dos tipos de curvas de gran utilidad práctica, las llamadas "Iso-lux" e "Iso-candelas". A) CURVAS ISOLUX Una forma de representación, de gran utilidad en la elaboración de proyectos de alumbrado, se encuentra en las llamadas curvas Isolux, definidas como el lugar geométrico de puntos de una superficie que tienen igual nivel de iluminación. Son análogas a las curvas de nivel de los planos topográficos, con la salvedad de que ahora en lugar de indicar metros indicaremos lux.


9-3

En la siguiente figura hemos representado las curvas Isolux de una luminaria, para alumbrado viario, modelo F-12211 de BJC, junto con las inseparables curvas de utilización. Sobre las curvas Isolux distinguiremos dos zonas, una que corresponde a la emisión anterior de la luminaria, es decir, del lado de la calzada, y otra, correspondiente al lado posterior de la luminaria o lado de la acera. Estas dos zonas quedan delimitadas por el plano perpendicular al suelo y paralelo a la calzada, que pasa por el centro de la luminaria.


9-3

Mientras no se diga lo contrario, las curvas Isolux se suministran, para una determinada luminaria, reducidas a la distancia de 1 metro y referidas a 1.000 lúmenes. Los ejes de estas curvas están referidos a múltiplos de H (altura de las luminarias), lo cual nos obliga a utilizar escalas que reduzcan las medidas originales a su equivalente en el plano de las curvas Isolux; por lo tanto, según el triángulo tendremos:

Esto equivale a decir que una medida A en la realidad equivaldrá a otra a/H en el plano del dibujo. Así, por ejemplo, H en el plano del dibujo es de 32 mm., y si consideramos que la luminaria está a 10 metros, la escala resultante será de 32/10=3,2, es decir, que 1 metro en la realidad equivaldrá a 3,2 mm. en el plano del dibujo.


9-3

Puesto que, según hemos dicho, las curvas Isolux vienen siempre referidas a 1 metro y a 1.000 lux, esto nos obliga también a buscar un factor de corrección que adapte los valores de las curvas a otra distancia y a otro flujo luminoso. La adaptación a otra distancia H se deduce fácilmente si tenemos presente que

Para otro flujo, teniendo en cuenta que para una misma superficie,

Finalmente, el valor del nivel de iluminación adaptado a las nuevas condiciones, resultará ser:

Por ejemplo, en las curvas Isolux de la luminaria F-12211 y en el punto (0; 1,5H lado acera), le corresponde una iluminación de 20 lux. Calcular el nivel de iluminación correspondiente cuando la luminaria lleve una lámpara de 250 W., de vapor de mercurio (25.000 Lm.), y se halle colocada a una altura de 9 metros. Aplicando la fórmula tendremos:

La casa Indalux, con el fin de contribuir a una mayor exactitud en los cálculos de iluminación, suele dar las características de sus luminarias, según dos sistemas denominados B/BT y C/GM. B) Sistema de representación B/BT El sistema de representación B/BT consiste en dar los valores fotométricos, de 0 a 90º, de una serie de planos B con un eje de giro que pasando por el centro de la luminaria resulta paralelo a la dirección de la calzada. La matriz de intensidades así obtenida puede darnos idea exacta del volumen fotométrico, pudiendo confeccionarlo a nuestro antojo.


9-3

Seguidamente mostramos la matriz de intensidades B/BT, para 1.000 Lm, de una luminaria INDALUX tipo 470-CM. MATRIZ DE INTENSIDADES B/BT B/BT

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

-90

2

3

2

2

2

2

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

-80

2

3

2

3

3

3

4

3

3

3

4

4

4

5

5

4

3

4

4

-70

2

3

3

4

8

9

8

15

23

30

34

37

41

44

47

49

51

52

52

-60

2

5

7

10

16

36

52

61

69

75

77

79

80

79

79

79

80

80

81

-50

2

10

14

18

48

81

98

106

110

107

104

101

97

94

93

91

92

93

93

-40

2

14

21

40

83

119

146

153

144

131

121

116

115

114

110

110

112

116

117

-30

2

19

41

78

114

158

185

188

171

153

141

145

139

136

133

133

134

145

145

-20

2

22

66

117

164

195

214

214

196

174

167

163

160

157

157

161

162

168

170

-10

2

25

88

152

204

233

242

234

211

193

184

181

183

184

186

191

200

204

202

0

2

28

105

182

239

263

255

235

218

210

202

198

198

202

214

222

227

227

227

10

2

27

101

172

230

255

253

232

217

208

200

199

204

209

213

218

223

225

227

20

2

26

93

157

212

244

245

221

200

188

183

183

188

189

190

197

201

199

202

30

2

24

80

137

185

216

219

205

177

162

160

161

161

161

160

158

157

160

162

40

2

21

63

114

146

178

182

170

150

134

124

131

132

131

131

130

128

128

129

50

2

19

43

88

111

130

139

131

115

107

100

98

103

104

101

99

100

100

101

60

2

16

21

56

74

84

87

85

79

65

78

77

79

79

77

76

76

76

77


9-3 70

2

12

15

19

37

48

37

41

43

43

46

48

49

50

49

52

55

56

56

80

2

8

9

12

12

13

12

13

13

13

13

14

15

15

16

17

17

18

18

90

2

4

4

4

4

4

4

3

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

C) Sistema de representación C/GM Este sistema de representación da los valores fotométricos de 0 a 90º de una serie de semiplanos C, comprendidos a un lado de la luminaria y entre los ángulos 90-0-270º. Posiblemente sea este sistema de representación el más comúnmente utilizado, sobre todo para realizar cálculos por ordenador.

Seguidamente mostramos la matriz de intensidades C/GM, para 1.000 Lm, de una luminaria INDALUX tipo 470-CM. MATRIZ DE INTENSIDADES C/GM PARA 1000 LM. DE LÁMPARA C/GM

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

90

227

227

227

218

202

178

162

141

129

113

101

85

77

68

56

40

18

6

2

80

227

227

227

218

202

178

162

141

129

113

101

85

77

68

56

40

18

6

2

70

227

227

227

218

202

182

162

145

133

121

105

89

79

68

52

36

18

6

2

60

227

227

227

222

214

190

170

154

141

129

113

101

87

77

58

40

18

6

2

50

227

227

227

222

214

198

178

166

154

137

125

109

91

81

64

44

20

6

2

40

227

227

227

222

214

202

186

178

166

154

137

113

105

93

60

50

24

8

2

30

227

227

227

222

214

206

202

190

178

170

158

145

141

129

113

77

32

12

4


9-3 20

227

227

227

222

218

210

206

198

190

186

186

190

202

198

170

121

68

16

4

10

227

227

227

222

214

210

206

202

202

206

214

227

251

251

227

154

97

20

4

0

227

227

227

222

214

202

198

198

202

210

218

235

255

263

239

182

105

28

4

350

227

227

227

214

202

194

190

186

186

190

206

231

231

202

154

85

20

4

2

340

227

227

222

210

194

186

182

174

170

170

170

182

186

170

125

72

16

4

2

330

227

227

218

202

186

174

166

162

158

154

137

137

137

121

89

50

8

4

2

320

227

227

218

198

182

166

154

145

141

137

121

113

109

93

72

38

6

2

0

310

227

227

214

194

178

162

145

137

129

121

109

101

97

85

58

32

6

2

0

300

227

227

210

190

170

154

141

129

117

109

97

93

89

74

54

30

6

2

0

290

227

227

206

186

170

154

137

125

113

101

93

89

83

70

52

30

6

2

0

280

227

227

202

186

170

158

145

133

117

101

93

89

81

70

52

28

4

2

0

270

227

227

202

186

170

158

145

133

117

101

93

89

81

70

52

28

4

2

0

Por ejemplo, supongamos la luminaria INDALUX 470-CM, con una lámpara de vapor de mercurio de 250 W, a la que le corresponden 12.000 lúmenes. La luminaria está a 9 metros de altura y pretendemos calcular el nivel de iluminación en un punto localizado, según la representación C/GM, en C= 80º y GM= 40º.

Según la matriz de valores para esta luminaria, le corresponde una intensidad de 129 candelas, que referidas a los 12.000 lúmenes que da la lámpara, tendremos: file:///E|/io/tema9/9-3.htm (10 of 11) [22/04/2005 01:22:09 a.m.]

9-3

siendo el nivel de iluminación, en el mencionado punto:


9-4

9.4. ALUMBRADO DE EXTERIORES El alumbrado de exteriores trata de proporcionar el nivel de iluminación adecuado en todos aquellos lugares al aire libre que por un motivo u otro lo necesitan. Estos motivos pueden ser muy variados, como por ejemplo: turísticos, deportivos, estéticos, de seguridad ciudadana, de seguridad vial, etc.. Seguidamente ofrecemos una tabla de valores de niveles de iluminación que se suelen utilizar en alumbrados exteriores. ALUMBRADO DE EXTERIORES Espacio a iluminar

Niveles de iluminación en lux Bueno

Muy bueno

Autopistas

20

40

Carreteras con tráfico denso

15

30

Carreteras con tráfico medio

10

20

Calle de barrio industrial

10

20

Calle comercial con tráfico rodado

10

20

Calle comercial sin tráfico rodado importante

7,5

15

Calle residencial con tráfico rodado

7,5

15

Calle residencial sin tráfico rodado importante

5

10

Grandes plazas

20

25

Plazas en general

8

12

Paseos

12

16

100

200

1.000

2.000

30

60

Zonas de transporte

20

40

Lugares de almacenaje

20

40

Alumbrado de vigilancia

5

10

Entradas

50

100

Campos de fútbol

300

1.000

Pistas de tenis

100

300

Pistas de patinaje

10

30

1.- Alumbrado público

Túneles: - Durante el día - Alumbrado de acceso - Durante la noche 2.- Alumbrado industrial exterior

3.- Alumbrado por proyectores

Para nuestro propósito, dividiremos el alumbrado exterior en tres apartados:


9-4

* Alumbrado público viario. * Alumbrado industrial exterior. * Alumbrado por proyectores.

9.4.1. ALUMBRADO PÚBLICO VIARIO El alumbrado público viario se localiza en aquellos lugares abiertos al tránsito, siendo su finalidad la de favorecer la circulación nocturna y evitar los peligros que origina la oscuridad. El alumbrado viario se consigue mediante luminarias ubicadas sobre postes o mástiles especiales, existiendo, principalmente, cuatro formas diferentes de colocación: a) Unilateral Esta disposición de las luminarias consiste en la colocación de todas ellas a un mismo lado de la calzada. Se utiliza solamente en aquellos casos en los que el ancho de la vía es igual o inferior a la altura de montaje de las luminarias.

b) Tresbolillo Consiste en la colocación de las luminarias en ambos lados de la vía, al tresbolillo o en zigzag. Se emplea principalmente en aquellos casos en los que el ancho de la vía es de 1 a 1,5 veces la altura de montaje.

c) En oposición Esta disposición sitúa las luminarias una enfrente de la otra, y suele utilizarse cuando el ancho de la vía es mayor de 1,5 veces la altura de montaje.


9-4

d) Central con doble brazo

Este caso se utiliza en autopistas y vías de dos calzadas. En realidad se trata de una colocación unilateral para cada una de las dos calzadas; en ocasiones también se coloca frente a ellas otras luminarias, dando lugar a disposiciones dobles en oposición, o al tresbolillo. Estas son las cuatro maneras de colocación más comúnmente utilizadas, aunque pueden existir otras muchas. La experiencia acumulada en el alumbrado público, recomienda una serie de requisitos que deberemos de tener presente a la hora de los cálculos, sin que ello suponga una imposición que pueda limitar la actuación del proyectista. Seguidamente exponemos algunas de ellas. La altura a la que deberemos situar las luminarias, en cierto modo depende de la potencia luminosa instalada, por lo que deberemos de tener presente la siguiente tabla:

ALTURA RECOMENDADA SEGÚN EL FLUJO LUMINOSO DE LA LUMINARIA Potencia luminosa (lúmenes)

Altura de la luminaria (metros)

3.000 a 9.000

6,5 a 7,5

9.000 a 19.000

7,5 a 9

> 19.000

≥9

Según sea la iluminación media que queremos obtener, así deberá ser la relación entre la distancia de separación de


9-4

luminarias y su altura: RELACIÓN ENTRE SEPARACIÓN Y ALTURA SEGÚN EL NIVEL DE ILUMINACIÓN Iluminación media (lux)

Relación Separación / Altura

2 ≤ Em < 7

4a5

7 ≤ Em < 15

3,5 a 4

15 ≤ Em £ 30

2 a 3,5

Al igual que en alumbrados interiores, en el alumbrado público también deberemos tener en cuenta el coeficiente de mantenimiento por ensuciamiento y por depreciación del flujo luminoso. El coeficiente por ensuciamiento que deberemos aplicar en cada caso, lo mostramos en la tabla siguiente: FACTOR DE MANTENIMIENTO POR ENSUCIAMIENTO Tipo de luminaria

Factor recomendado

Hermética

0,80 a 0,87

Ventilada

0,70 a 0,80

Abierta

0,65 a 0,75

Los fabricantes de luminarias, además de suministrar las curvas Isolux, deben de suministrar también unas curvas llamadas "curvas de utilización", que en función de la tangente del ángulo formado entre la luminaria y la zona a iluminar, nos da el tanto por ciento del flujo utilizado correspondiente a la calzada y a la acera. Vamos a dividir el estudio detallado de este coeficiente en cuatro casos, para una mayor comprensión, teniendo siempre presente que nos referimos a la iluminación de la calzada y no a la de las aceras: 1º) Cuando la vertical que pasa por la luminaria coincide justamente con el final de la calzada y el principio de la acera. En este caso, el flujo correspondiente a la zona de acera (curvas Isolux), se utiliza para iluminar la acera, y el flujo correspondiente a la zona de calzada se utiliza para iluminar la misma.


9-4

2º) Cuando la vertical que pasa por la luminaria cae dentro de la calzada. Ahora la zona correspondiente a calzada se utiliza para iluminar la calzada, y parte de la zona de acera se utiliza también para iluminar la calzada.

3º) Cuando la vertical que pasa por la luminaria cae dentro de la acera. En este caso parte del flujo luminoso de la zona de calzada se utiliza para iluminar la acera.


9-4

4º) Cuando se utiliza iluminación central con doble brazo. Este caso difiere notablemente de los anteriores, ya que ahora hay que contar con parte de la zona de acera, de una de las calzadas, que ilumina la otra calzada.

Lo visto hasta ahora ya nos permite iniciar el proceso de cálculo de un alumbrado viario. Si tenemos presente lo expuesto para el alumbrado de interiores, fácilmente deduciremos que:

En la que:


9-4

E = Nivel de iluminación en lux. φ t = Flujo luminoso máximo de cada luminaria en Lúmenes. A = Ancho de la calzada en metros. D = Separación entre luminarias en metros. Cu = Coeficiente de utilización. Por ejemplo, consideremos la realización de un alumbrado viario con la luminaria de BJC (F-2211-W-25.000 Lm.), siendo la anchura de la calle, A=10 m., y el nivel de iluminación deseado de 32 lux. Se trata, pues, de determinar la separación a que deberemos colocar las luminarias para obtener el nivel de iluminación mencionado. Según lo dicho anteriormente, para un flujo luminoso de 25.000 Lm., se recomienda colocar la luminaria a una altura igual o superior a los 9m. Tomamos H = 9m. Siendo A = 10 y H = 9, la distribución de las luminarias se recomienda sea al tresbolillo. Suponiendo que la vertical de la luminaria se va a situar 1,5 metros dentro de la calzada, tendremos:

por lo tanto, el coeficiente de utilización será:

Con todos estos datos ya podemos calcular la separación entre luminarias.

Deliberadamente no hemos tenido en cuenta el factor de mantenimiento, ya que se supone que lo hemos incluido al dar el valor del nivel de iluminación, es decir, hemos supuesto inicialmente un nivel de iluminación un tanto por ciento mayor que el que se necesita, previendo una cierta depreciación. Con esto ya tenemos resuelto el problema, pero al igual que en el caso de alumbrados interiores, para una mayor seguridad en los resultados, sería deseable conocer el nivel de iluminación en una serie de puntos de la calzada, con el fin de poder determinar lo que más adelante llamaremos factor de uniformidad y que en realidad no será otra cosa que la relación entre el valor mínimo y máximo de una serie de valores obtenidos sobre la calzada. Veamos la manera de obtener el nivel de iluminación de un punto, mediante las curvas Isolux. Sea el punto P situado a 4 metros de la acera y a 7 metros de la luminaria L0; dicho punto tendrá una iluminación igual a la suma de las iluminaciones aportadas por L0, L1, L2, L3, etc..


9-4

Lo primero que deberemos hacer es determinar la escala con la que representaremos, sobre las curvas Isolux, las situaciones de los distintos puntos del problema. La escala, teniendo en cuenta que la distancia 0-H en el plano de las curvas es de 48 mm y que la altura real para las luminarias es de H = 9 metros, tendremos que:

es decir, que 1 metro en la realidad equivale a 5,3 mm en el plano del dibujo. Con esta escala, y partiendo del punto cero, como posición de la luminaria, situaremos el punto P, que se encuentra a 4 metros de la acera y a 7 de la luminaria L0. Seguidamente dibujamos la situación del punto P con respecto a la luminaria L1, que estará a 10 - 4 = 6 metros de la acera opuesta, y a 20 - 7 = 13 de la luminaria. El siguiente punto en influencia, el L2, se encuentra a 6 metros de la acera opuesta, y a 20 + 7 = 27 metros de la luminaria. Finalmente, la influencia de L3 puede despreciarse en este caso, ya que se encontrará en la misma línea que L0, pero a una distancia de 20 + 13 = 33 metros, con lo que le corresponde una iluminancia menor de un lux. Es conveniente recordar que las curvas Isolux, para este tipo de luminarias, resultan ser simétricas, por lo tanto, lo que dibujemos en este semiplano es válido también para el otro. Cada uno de estos puntos se halla situado sobre una curva de nivel E0 = 65 lux. E1 = 25 lux. Total:

E2 = 3 lux. Et = 93 lux.

Así, sobre las curvas Isolux tenemos una iluminación de 93 lux, referida a 1.000 Lm. y a 1 m., pero como las condiciones reales son distintas, f = 25.000 Lm, H = 9 m., después de la transformación resultará ser de:


9-4


9-4

Habíamos calculado la iluminación para 32 lux de media y nos sale para el punto P una iluminancia de 28 lux, lo cual nos file:///E|/io/tema9/9-4.htm (10 of 36) [22/04/2005 01:22:35 a.m.]

9-4

indica que los cálculos pueden estar bien desarrollados, aunque según podemos apreciar quedan un poco por debajo de lo previsto, al menos para el punto considerado. Con el fin de conseguir un procedimiento racional en la determinación del nivel de iluminación de una serie de puntos de la calzada y de la acera, se ha creado el llamado "Método de los 12 puntos". Este método consiste en dividir el ancho de la calzada en tres partes iguales y en dos la zona de aceras, de A a F, y la distancia entre luminarias en cuatro, cogiendo al menos tres de ellas, del 1 al 9, formando así una serie de cuadrículas a lo largo de la calzada, que determinan 12 puntos fundamentales, del P1 al P12, pertenecientes a la calzada, y 6 puntos, del R1 al R6, pertenecientes a la acera. Este dibujo, obtenido en papel transparente, se coloca encima de las curvas Isolux, de forma que la luminaria tomada como punto de referencia, la más próxima a P4, caiga justamente en el punto ( 0 ; 0 ) de las curvas Isolux, procediendo seguidamente a la lectura de los valores que sobre las curvas tienen cada una de las intersecciones, A-1, A-2, ..., B-1, B-2, ..., F-1, F-2, ..., anotándolos en la tabla confeccionada a tal fin.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A B C D E F Calzada

E

E.K

Acera

P1

B1 + E5 + E5

R1

A1 + F5 + F5

P2

C1 + D5 + D5

R2

A2 + F4 + F6 + B8

P3

D1 + C5 + C5

R3

F3 + F3 + F7 + A7

P4

E1 + B5 + B5

R4

F1 + A5


E

E.K

9-4

P5

B2 + E4 + E6 + B8

R5

F2 + A6 + A4 + F8

P6

C2 + D4 + D6 + C8

R6

F3 + A7 + A3 + F7

P7

D2 + C4 + C6 + D8

P8

E2 + B4 + B6 + E8

P9

B3 + E3 + B7 + E7

P10

C3 + D3 + C7 + D7

P11

D3 + C3 + D7 + C7

P12

E3 + B3 + E7 + B7

Seguidamente, teniendo muy en cuenta la simetría del conjunto, confeccionaremos la tabla que va reflejando las iluminaciones en cada punto, y que como ya sabemos, será la suma de las iluminaciones procedentes de las luminarias más próximas, generalmente tres o cuatro. Los valores así obtenidos se multiplican por la constante K de adaptación a los nuevos valores de φ y de H, y ya tenemos la tabla de los 12 valores reales correspondientes a la calzada. De igual manera procederemos con los 6 valores para las aceras. A la vista de los 12 valores de la iluminación real obtenida, tendremos un valor máximo, Emax, y un valor mínimo, Emin; así mismo, podremos obtener el valor medio de iluminación,

De estos tres valores, podremos extraer otros dos que nos darán idea de la uniformidad de la iluminación conseguida:

Finalmente, teniendo presente que los 12 puntos obtenidos son representativos de más de la mitad de los puntos comprendidos entre dos luminarias, y como a su vez podemos decir que son simétricas, esto nos permitirá dibujar sobre el plano de la calzada las curvas de nivel de iluminación, completando con ello el estudio.


9-4


9-4

A continuación realicemos el estudio completo de la iluminación de la calzada y de las aceras que vimos con anterioridad, y del que únicamente pudimos obtener el valor medio aproximado de la iluminación en la calzada. En primer lugar, dibujemos en papel transparente y a la escala conveniente (1m.® 5,3 mm.), el plano de la calzada y de las aceras con sus correspondiente cuadrículas (A-F y de 1-9), y superpongámoslo sobre las curvas Isolux; luego tomemos los valores necesarios para rellenar la tabla.

1

2

3

4

5

6

7

A

34

26

16

9

5

3

0

B

44

33

20

11

6

3

1

C

90

58

34

17

8

4

2

D

13

80

45

22

11

5

3

E

75

50

30

16

9

4

2

F

50

37

22

14

7

4

2

8

9

Con los valores de la tabla, podemos obtener los 12 puntos de la calzada, y los 6 de la acera, los cuales una vez multiplicados por la constante K = 0,308, quedarán transformados a las condiciones del problema real ( f = 25.000 Lm.; H = 9 m.).

Calzada

E

E .K

Acera

E

E´K

P1

44 + 9 + 9

62

19

R1

34 + 7 + 7

48

14

P2

90 + 11 + 11

112

34

R2

26 + 14 + 4

44

13

P3

125 + 8 + 8

141

43

R3

16 + 22 + 2

40

12

P4

75 + 6 + 6

87

26

R4

50 + 5

55

17

P5

33 + 16 + 4 + 0

53

16

R5

37 + 16 + 2

55

17

P6

58 + 22 + 5 + 0

85

26

R6

22 + 0 + 16 + 2

40

12

P7

80 + 17 + 4 + 0

101

31

P8

50 + 11 + 3 + 0

163

19

P9

20 + 30 + 1 + 2

53

16

P10

34 + 45 + 2 + 3

84

25

P11

45 + 34 + 3 + 2

84

25

P12

30 + 20 + 2 + 1

53

16

S E × K = 296 file:///E|/io/tema9/9-4.htm (14 of 36) [22/04/2005 01:22:35 a.m.]

S E × K = 85

9-4

La suma de los 12 valores de iluminación de la calzada valen 296, por lo tanto la iluminación media resultará ser de:

También podemos determinar la uniformidad media y mínima, siendo:

Para finalizar, si dibujamos sobre el plano de la calzada los puntos de iluminación obtenidos, podremos hacer una representación de las curvas de nivel de iluminación, las cuales nos proporcionarán una visión más clara de las variaciones del nivel de iluminación a lo largo de la calzada y aceras.

La iluminación media obtenida, 24,6 lux, es inferior a la deseada, 32 lux, por lo tanto habrá que modificar el valor, o valores, que creamos más pertinentes, volviendo a repetir el proceso. Sugerimos volver a realizar los cálculos disminuyendo en dos metros la separación entre luminarias, observando luego las diferencias obtenidas. El ejemplo que acabamos de ver se refiere a las luminarias colocadas al tresbolillo, y naturalmente no sirve para el caso de que estén en disposición unilateral. En esta disposición los resultados son los indicados en la tabla y tienen un especial significado, ya que con ligeras variaciones, puede servir también para resolver el alumbrado deportivo por proyectores, de los que más adelante hablaremos.


9-4

Calzada

E

E .K

Acera

P1

B1 + E1 + 2E5 + 2B5

R1

A1 + F1 + 2F5+ 2A5

P2

C1 + D1 + 2D5 + 2C5

R2

A2 + F2 + F4 + A4+ F6

P3

D1 + C1 + 2D5 + 2C5

R3

2A3 + 2F3

P4

E1 + B1 + 2B5 + 2E5

R4

F1 + A1 + 2A5 + 2F5

P5

B2 + E2 + E4 + B4 + E5

R5

F2 + A2 + A4 + F4 + F6

P6

C2 + D2 + D4 + C4+ D6

R6

2F3 +2 A3

P7

D2 + C1 + C4 + D4+ D6

P8

E2 + B2 + E4 + B4+ E6

P9

2D3 + 2C3

P10

2C3 + 2D3

P11

2C3 + 2D3

P12

2E3 +2B3

E

E .K

9.4.2. ALUMBRADO INDUSTRIAL EXTERIOR Se considerará como alumbrado industrial de exteriores a aquél que por su utilización esté relacionado con una actividad


9-4

de trabajo y a su vez se encuentre en lugares abiertos. Así, por ejemplo, podemos citar como alumbrados industriales exteriores, muelles de carga y descarga de mercancías, grandes zonas de aparcamiento de vehículos, estaciones de servicio de carreteras, zonas de servicios de naves industriales, etc.. Para este tipo de alumbrado podremos hacer uso de las mismas luminarias que para el alumbrado viario, y por lo tanto, también podremos utilizar los mismos procedimientos de cálculo. Una particularidad que caracteriza a esta clase de alumbrado exterior es que los niveles de iluminación que deben adoptarse en cada caso están condicionados a la actividad en dicho lugar. Así, el alumbrado en un muelle de carga de mercancías, está supeditado exclusivamente a las necesidades de dicho trabajo, mientras que en una estación de servicio en carretera, además de las necesidades propias del trabajo que en ellas se desarrolla, deberán considerarse ciertas motivaciones estéticas. Igualmente deberemos tratar el alumbrado del contorno exterior de una nave industrial. En él tendremos una zona de servicios cuyo nivel de iluminación será el que corresponda con el trabajo que en ella se desarrolle, pero también tendremos una zona de servicios que posiblemente sea zona de fachada y que, por lo tanto, deberá dársele un nivel de iluminación superior, por razones estéticas. De todas maneras, como la iluminación industrial de exteriores se extiende sobre un enorme campo de aplicaciones muy diversos, en cada caso es conveniente hacer un exhaustivo estudio, y de acuerdo con el cliente receptor del proyecto, colocar el nivel de iluminación más conveniente en cada caso, teniendo siempre presente que casi nunca podremos decir que la iluminación conseguida es excesiva. 9.4.3. ALUMBRADO POR PROYECTORES El alumbrado por proyectores tiene un especial significado en la iluminación decorativa, publicitaria y deportiva, delimitando un importante apartado en el campo de la iluminación moderna. Las luminarias que normalmente empleamos en el alumbrado viario, por lo general, son inadecuadas en los casos anteriormente citados, ya que ahora lo que se necesita es una mayor concentración del flujo luminoso, así como también un más exacto control de la luz emitida. Estas dos características son típicas de la luminarias llamadas "proyectores". El Comité Internacional de Iluminación C.I.E., define al proyector como una luminaria en la cual la luz es concentrada en un determinado ángulo sólido, mediante un sistema óptico, bien de espejos o bien de lentes, con el fin de obtener una intensidad luminosa elevada. El cálculo de un alumbrado por proyectores suele presentar mayores dificultades que un alumbrado viario, debido principalmente a que los proyectores suelen utilizarse con ángulos de orientación variables, según los casos, dando lugar a factores de utilización muy dispares y de difícil determinación. Esto elimina la posibilidad de representar los coeficientes de utilización de un proyector, por medio de tablas o gráficos de aplicación sencilla y rápida, como hacíamos para el alumbrado de interiores y para el viario. En el alumbrado por proyectores deberemos apoyarnos más frecuentemente sobre las curvas características, por lo que deberemos conocer con precisión las curvas fotométricas de intensidad, así como las demás curvas que de ellas pueden obtenerse, tales como las "Isocandelas" y las de "Isolux" referidas a distintas inclinaciones del proyector. Así pues, veamos la manera de ir obteniendo las diferentes curvas características de los proyectores. Sea el proyector 400-IZA-D de INDALUX; de él hemos obtenido en el laboratorio una serie de valores de intensidad luminosa en función del ángulo de proyección, referidos a sus dos planos perpendiculares X(0-180º)- Y (90-270º), y a un flujo de 1.000 Lumen. Por tratarse de un proyector de distribución simétrica, solamente hemos obtenido los valores de los dos semiplanos X-Y; lo ideal hubiera sido determinar muchos más puntos pertenecientes a otros planos, para obtener con una mayor precisión el volumen fotométrico, pero para nuestro propósito esto puede ser suficiente. Con los valores así obtenidos, lo primero que deberemos hacer es representarlos sobre un sistema de coordenadas polares, o mejor aún, sobre un sistema de coordenadas cartesianas. Para proyectores, este último sistema de representación resulta mucho más recomendable, ya que como hemos dicho, éstos disponen de una distribución del flujo mucho más concentrada que las luminarias comunes.


9-4

Una vez determinadas las dos curvas, correspondientes a los planos X-Y, ya podemos darnos una idea de la distribución luminosa que caracteriza a este proyector, aunque sin duda podremos hacernos una idea todavía más exacta, si de ellas sacamos las curvas "Isocandelas".


9-4

Φ = 1.000 Lm. YI 90º - 270º

IY Cd

XI 0º - 180º

IX Cd

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

566 540 500 460 380 315 220 140 85 60 45 20 12 6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18


9-4

Para distintas intensidades luminosas, 500, 400, 300, etc., vamos calculando los correspondientes ángulos, marcándolos sobre ejes de coordenadas X-Y. Uniendo ahora los puntos de igual intensidad, obtendremos una serie de curvas "Curvas Isocandelas" simétricas con respecto a sus dos ejes X-Y. Bien es verdad que estas curvas, son aproximadas, ya que deberíamos haber obtenido una serie de puntos intermedios que conformasen las curvas dentro de cada cuadrante. Las curvas realmente interesantes para la determinación de los niveles de iluminación obtenidos con proyectores, son las de Isolux. Al igual que para el alumbrado viario, si disponemos de las curvas características correspondientes, no resultará difícil la determinación del nivel luminoso de un punto cualquiera del plano iluminado. Dado que los proyectores suelen trabajar con inclinaciones variables, deberemos aprender a obtener las curvas Isolux para la inclinación que deseemos. CURVAS ISOCANDELAS Luminaria INDALUX 400-IZA-D ; Φ = 1.000 Lm.

Veamos primeramente la manera de obtener las curvas Isolux correspondientes para una instalación del proyector de cero grados. Según podemos apreciar en la figura, el nivel de iluminación en un punto cualquiera del plano iluminado por el proyector, resultará ser:

Las distancias del punto P a los ejes de coordenadas, (YE; XE), se determinan en función de H, altura a la que se file:///E|/io/tema9/9-4.htm (20 of 36) [22/04/2005 01:22:35 a.m.]

9-4

encuentra el proyector, siendo:

La única dificultad de las fórmulas expuestas la tenemos en la determinación del ángulo b, pero si nos fijamos en la figura, fácilmente deduciremos que:

de donde:

Así, por ejemplo, el proyector 400-IZA-D, situado a una altura de 9 metros, ilumina un punto situado a 3 metros del eje X, YE = 3 m., y a 5 del eje Y, XE = 5 m. ¿Qué nivel de iluminación tendrá dicho punto? En primer lugar determinemos los ángulos correspondientes a dicho punto,


9-4

De las curvas de Isocandelas deducimos que para estos ángulos, la intensidad luminosa es de 300 candelas y siendo el ángulo b igual a:

tendremos que:

Este valor está referido a 1.000 Lúmenes, pero como el proyector va equipado con una lámpara de 400 W de Vapor de Sodio a Alta Presión, el flujo luminoso será de 47.000 Lúmenes, es decir, 47 veces mayor; por lo tanto, 2,18 ´ 47 = 102 Lux. Las curvas Isolux, para el proyector 400-IZA-D, se obtienen partiendo de la tabla de intensidades que dábamos al principio, determinando una serie de puntos referidos a los ejes Y y X. Respecto a los puntos en el eje Y, teniendo en cuenta que XI = 0, sustituyendo en las fórmulas anteriormente expuestas, tendremos que:

Estas fórmulas, convenientemente ordenadas nos permiten ir obteniendo los sucesivos valores de las intensidades luminosas sobre el eje Y. Φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m. YI 90º - 270º

IY Cd

cos3b b = YI

EY Lux

YE tag YI ´ H

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

566 540 500 460 380 300 220 140 85 60 45 20 12 6

1,000 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744 0,649 0,549 0,449 0,353 0,265 0,188 0,125 0,075

566 533 477 414 315 223 142 76 38 21 11 3 1 0,4

0,00 H 0,08 H 0,17 H 0,26 H 0,36 H 0,46 H 0,57 H 0,70 H 0,83 H 1,00 H 1,19 H 1,42 H 1,73 H 2,14 H


9-4

Siempre que no se indique lo contrario, las curvas Isolux vienen referidas para un flujo luminoso de 1.000 lúmenes, y para una altura de la luminaria de 1 metro, así, pues, en nuestro caso H = 1 m. Los puntos de las curvas Isolux que cortan al eje X, los obtendremos teniendo presente que al ser YE = 0,

Al igual que en el caso anterior, obtendremos la correspondiente tabla que nos dará los puntos del eje X. Φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m. N 0º-180º

IX Cd

cos3b b = XI

EX Lux

XE tag XI ´ H

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18

1 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744 0,649 0,549 0,449 0,353 0,265 0,188 0,125 0,075

566 538 487 423 348 290 227 164 121 77 34 11 4 1

0,00 0,08 0,17 0,26 0,36 0,46 0,57 0,70 0,83 1,00 1,19 1,42 1,73 2,13

Uniendo puntos de idéntico nivel de iluminación, obtendremos las curvas Isolux para los valores que deseemos. Tal y como dijimos para las curvas Isocandelas, para una mayor precisión en la confección de las curvas, nos faltaría determinar una serie de puntos intermedios en cada cuadrante, pero ello no es posible debido a que hemos partido de tan sólo dos curvas de intensidades. Como el proyector considerado es simétrico con respecto a los ejes X e Y, sería suficiente con obtener los correspondientes a un sólo cuadrante. Cuando al proyector se le da una cierta inclinación con respecto a la vertical, las curvas Isolux adquieren unas características específicas que deben ser estudiadas en cada caso. Así, supongamos un proyector inclinado un ángulo a con respecto a la vertical. Tal y como vemos en la figura, un punto P del plano iluminado, tendrá un nivel de iluminación:

CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX-IZA-D


9-4

a = 0º ; Φ = 1.000 Lm. ; H = 1m.

Las distancias del punto considerado a cada uno de los ejes X,Y, serán, según puede deducirse de la figura:


9-4

Especial significado tiene el punto C, pues es aquí donde incide el centro de proyección del proyector, y se encuentra del punto O (vertical desde el proyector al plano iluminado) a una distancia igual a:

Veamos ahora la manera de obtener las curvas Isolux para el proyector 400-IZA-D, con un ángulo de inclinación a = 40º. Los puntos del eje Y los obtendremos haciendo XI = 0, en las fórmulas anteriormente expuestas, y por lo tanto:

a = 40º ; Φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m. YI º

IY Cd

b 40 + YI

cos3b


EY Lux

YE tag(40 + YI) ´ H

9-4

40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65

85 140 220 300 380 460 500 540 566 540 500 460 380 315 220 140 85 60 45 20 12 6

80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25

0,017 0,040 0,075 0,125 0,188 0,265 0,353 0,449 0,549 0,649 0,744 0,829 0,901 0,955 0,988 1 0,988 0,955 0,901 0,829 0,744

2 8 22 47 86 132 190 254 296 324 342 315 270 210 138 85 59 42 18 10 4

5,67 3,73 2,74 2,14 1,73 1,42 1,19 1 0,83 0,70 0,57 0,46 0,36 0,26 0,17 0,08 0,00 0,08 0,17 -0,26 -0,36 -0,46

De los valores obtenidos es importante destacar en primer lugar la pérdida de simetría de las curvas Isolux a 40º, con respecto al eje X, y en segundo lugar el hecho de que el nivel de iluminación en el punto C, centro de proyección del proyector, no da el valor máximo como a primera vista podría suponerse; el valor máximo corresponde en este caso, para un ángulo de 25º. También es importante destacar que para valores negativos de (40 + YI), es decir, por detrás de la vertical que pasa por la luminaria, los niveles de iluminación ya son relativamente pequeños. Naturalmente, cuanto mayor sea el ángulo a, menores serán estos valores. El plano que determinaba los valores de intensidad luminosa XI, ahora ya no se proyecta sobre el eje X, lo hace sobre la recta que pasa por C y es paralela a X, por lo tanto será sobre este nuevo eje sobre el que determinaremos los valores de EX. Haciendo YI = 0 tendremos:

Con ayuda de estas fórmulas ya estamos en posición de ir determinando los distintos niveles de iluminación correspondientes al eje que pasa por el punto O y que se encontrará a una distancia del eje Y igual a:

a = 40º ; Φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m.


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XI º

IX C

XE tag XI ´ H

b º

cos3b

EX Lux

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

566 545 510 470 420 390 350 300 270 220 130 60 35 18

0 0,08 0,17 0,26 0,36 0,46 0,57 0,70 0,83 1,00 1,19 1,42 1,73 2,14

40 40,1 40,6 41,3 42,4 43,8 45,5 47,5 49,8 52,5 55,5 58,8 62,5 79,3

0,449 0,449 0,437 0,422 0,402 0,375 0,343 0,307 0,267 0,224 0,181 0,138 0,098 0,006

254 244 223 198 169 146 120 92 72 49 23 8 3 -

Ahora ya podemos dibujar las curvas Isolux de la luminaria 400-IZA-D, para una inclinación de 40º. El resultado será una familia de curvas de igual nivel de iluminación, simétrica con respecto al eje Y.

CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX 400-IZA-D a = 40º ; Φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m.


9-4

CURVAS ISOLUX Luminaria INDALUX 400-IZA-D a = 50º ; φ = 1.000 Lm. ; H = 1 m.


9-4

9.4.4. ALUMBRADO DEPORTIVO Dentro del alumbrado por proyectores, tenemos el alumbrado deportivo, que últimamente ha alcanzado un auge extraordinario. Según sea el deporte elegido y su aplicación específica, así será el nivel de iluminación a aplicar, por lo que seguidamente mostramos algunos valores de iluminación recomendados en cada caso. Balonvolea Competición Entrenamiento Boxeo Campeonatos Profesional Aficionados

200 100 5.000 2.000 1.000


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Frontón Club Entrenamiento Fútbol 1ª División 2ª División 3ª División Torneos juveniles Entrenamiento Pistas de patinaje sobre hielo Pistas de competición Estanques o lagos Tenis. Una pista Campeonato Club Entrenamiento

200 100 1.000 500 300 200 100 50 10 300 200 100

La resolución de estos problemas puede hacerse analíticamente, punto por punto o gráficamente, de idéntica forma a como hacíamos para el alumbrado viario. Sea por ejemplo una pista de tenis, que queremos iluminar con el proyector 400-IZA-D. Una solución a primera vista viable, sería utilizar seis proyectores montados en otros tantos postes de 10 metros de altura y con una inclinación de 40º, tal y como mostramos en la figura. Sobre la pista, los 15 puntos que consideramos de mayor importancia los representamos sobre el dibujo, y observamos que es suficiente con determinar solamente 6, ya que el resto de los puntos son iguales por tratarse de un dibujo simétrico.


9-4

Al igual que hicimos para el alumbrado viario, iniciemos el proceso determinando la influencia que tiene cada uno de los seis proyectores, sobre cada uno de los seis puntos en cuestión. Seguidamente, llevemos sobre las curvas Isolux el dibujo de la pista de tenis, naturalmente a la misma escala de las curvas, 31/10, y determinemos el valor del nivel de iluminación que le corresponde a cada punto. Puesto que se trata de curvas referidas a 1 metro de altura y a 1.000 Lm., y el caso que tratamos de resolver utiliza postes de 10 metros de altura y proyectores con lámparas de vapor de mercurio a alta presión de 400 W. (47.000 Lm.), los valores obtenidos los multiplicaremos por una constante de corrección cuyo valor será:


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E

E´K

P1

C3 + A3 + C1 + A1

320 + 75 + 12 + 17

423

198

P2

2C2 + 2A2

2´85 + 2´60

280

131

P3

C3 + A3 + 2A1 + 2C1

320 + 75 + 2´17 + 2´14

451

211

P4

2B3 + 2B1

2´220 + 2´20

460

216

P5

4B2

4´105

400

188

P6

2B3 + 4A1

2´220 + 4´17

484

227


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El nivel de iluminación obtenido para estos seis puntos, nos da idea de la distribución de la iluminación sobre la pista, pudiendo obtener el valor medio de iluminación, así como el valor de uniformidad media y mínima, de manera análoga a como hacíamos para el alumbrado viario.

A la vista del dibujo de la pista sobre las curvas Isolux, podemos apreciar como una gran parte del flujo producido por las lámparas se desperdicia, pudiendo afirmar que el coeficiente de utilización de los proyectores resulta ser muy bajo en estos casos, del orden de 0,4 a 0,7. Así por ejemplo, aplicando la fórmula general del flujo total emitido con respecto a la superficie iluminada, tendremos que el coeficiente de utilización será:


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Es decir, que en el caso que nos ocupa, el 100-44,8 = 55,2% del flujo total emitido se desperdicia. Nada hemos dicho sobre el deslumbramiento, pero se comprende que en un alumbrado deportivo este concepto es de suma importancia. Como es sabido, el índice de deslumbramiento es función de diversas causas entre las que se cuentan la luminancia de los puntos de luz y la posición de éstos dentro del campo visual de los jugadores. La disminución de la luminancia, o intensidad luminosa por unidad de superficie, tiene difícil solución, ya que ello obligaría a aumentar considerablemente la superficie reflector de los proyectores, con el consiguiente aumento de volumen y peso de los mismos. A base de elevar los puntos de luz sobre la superficie de juego, se consigue controlar el deslumbramiento, pudiendo admitir que la mínima altura aceptable corresponde a la determinada por la dirección que partiendo de los ojos de un jugador en el centro del campo, forme un ángulo de 20º con la horizontal. Lógicamente, cuanto más altos se encuentren los proyectores menor será el deslumbramiento, por lo que seguidamente damos un gráfico mediante el cual puede conocerse de una forma aproximada la altura mínima de instalación en función de la anchura del terreno de juego y de la distancia existente entre la base de la vertical que pasa por los proyectores y el borde del área de juego. Otro alumbrado deportivo muy interesante lo tenemos en los campos de fútbol. Para fines de entrenamiento, este caso puede resolverse con ocho proyectores equipados con lámparas de mercurio con halogenuros metálicos de 2.000 W. (170.000 Lm.) ya que

Ahora hemos supuesto un coeficiente de utilización algo mayor, ya que por tratarse de un número mayor de protectores, las pérdidas de flujo serán menores. La altura de los proyectores, teniendo en cuenta que la anchura del terreno de juego es de 65 metros y que la distancia de los postes al borde de la cancha es de 5 metros, deberá ser como mínimo de 15 metros. Con estos datos ya se puede iniciar el proyecto de iluminación, debiendo elegir ahora el tipo de proyector a utilizar y la inclinación que vamos a darles. Como ejercicio adicional dejamos la resolución gráfica, punto por punto, de este caso.


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Electricidad - Libro de Instalaciones Electricas

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