¿Cómo calcular la caída de voltaje? Fórmula y ejemplos

Como es sabido, los consumidores de electricidad deben pagar la cantidad total de kilovatios-hora suministrados por el concesionario de electricidad, medidos en el medidor de energía correspondiente. Sin embargo, debido a que ningún conductor eléctrico es perfecto e incluso el cableado de la más alta calidad tiene resistencia, parte de esta electricidad se pierde entre el medidor de potencia y el punto de uso.

¿Qué es la caída de voltaje?

Uno de los principios básicos de la ingeniería eléctrica es la ley de Ohm, que establece que la caída de voltaje a través de un conductor o carga es equivalente al producto de la corriente y la resistencia (V = I x R). La corriente eléctrica está determinada por la carga de un circuito, mientras que la resistencia está determinada por las propiedades físicas del conductor.

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El concepto de caída de voltaje se utiliza para describir la diferencia entre el voltaje suministrado en la fuente y el voltaje medido en la carga. Los factores que determinan la caída de tensión se resumen en la siguiente tabla:

¿Cómo se puede controlar la caída de tensión?

Como no existe un conductor perfecto y todos los materiales tienen resistencia eléctrica, es imposible eliminar por completo la caída de tensión. Sin embargo, hay muchas formas de minimizarlo:

1. Mejorar la eficiencia del sistema
   Suponiendo que la carga sigue siendo la misma, aumentar la eficiencia de los equipos eléctricos reduce el consumo de energía. Debido a que el voltaje de suministro es constante, la eficiencia mejorada da como resultado menos corriente y una caída de voltaje reducida.
2. Solucion de problemas
   Algunos problemas eléctricos provocan un aumento innecesario de corriente o resistencia, lo que conlleva una mayor caída de voltaje. Una vez resueltos estos problemas, la caída de voltaje vuelve a la normalidad.
3. Corrección de tamaños de conductores.
   Si los conductores de un circuito no se seleccionan correctamente, pueden experimentar una caída de tensión importante. Al seleccionar conductores, es importante tener en cuenta factores como la corriente de carga total, la temperatura ambiente y la cantidad de conductores en una canalización.
4. Distribución eléctrica centralizada
   Si el eje eléctrico principal y los cuadros de distribución están ubicados cerca del centro de un edificio, el cableado debe recorrer distancias más cortas para llegar a las diferentes cargas. Este tipo de diseño minimiza la caída de voltaje. Por otro lado, cuando el eje eléctrico y los paneles se ubican en un extremo del edificio, los circuitos deben atravesar todo el edificio para llegar a las cargas del lado opuesto.
5. Distribución de carga equilibrada
   Los grandes edificios comerciales suelen utilizar circuitos trifásicos, que tienen tres conductores energizados, como su nombre lo indica. Si una fase está muy cargada, también experimentará una mayor caída de corriente y tensión en comparación con las otras fases.

Estas son medidas específicas que se pueden implementar para reducir la caída de voltaje. En general, cualquier medida que logre uno de los siguientes efectos es factible siempre que lo permita el Código Eléctrico de Nueva York:

• Disminuyendo la corriente de carga
• Aumentar el diámetro del conductor.
• Aumentar el número de conductores paralelos.
• Disminución de la longitud del conductor.
• Temperatura del conductor decreciente

Caída de voltaje permitida según NEC, edición 2011

El Código Eléctrico Nacional (NEC) de NFPA, que es la base del Código Eléctrico de Nueva York, establece dos condiciones para la caída de voltaje permitida en instalaciones eléctricas:

• El voltaje máximo permitido en un circuito derivado es del 3%, medido entre el panel eléctrico correspondiente y el tomacorriente más lejano que suministra energía, calefacción, iluminación o cualquier combinación de dichas cargas.
• La máxima caída de voltaje combinada entre los alimentadores principales y los circuitos derivados es del 5%, medida desde la conexión de servicio hasta el tomacorriente eléctrico más alejado.

Se considera que estos niveles de caída de voltaje proporcionan una eficiencia operativa razonable. Es importante tener en cuenta que cuando se aumenta el tamaño de los conductores del circuito para compensar la caída de voltaje, el conductor de conexión a tierra del equipo debe aumentarse en consecuencia.

Cómo calcular la caída de voltaje

Es importante tener en cuenta que la fórmula de caída de voltaje cambia dependiendo del número de fases del circuito (monofásico o trifásico). En las siguientes ecuaciones, las variables utilizadas son:

• Z = Impedancia del conductor (ohmios por 1000 pies u ohmios/kft)
• I = Corriente de carga (amperios)
• L = Longitud (pies)

Las fórmulas se dividen por 1000 porque los valores de impedancia estándar se dan por cada 1000 pies. De esta manera se convierten a ohmios por pie. El Capítulo 9 de NEC proporciona propiedades del conductor basadas en una clasificación de temperatura de 75 °C.

Para demostrar el procedimiento, suponga que un circuito monofásico de 120 V transporta una corriente de 22 A, donde la impedancia del conductor es de 1,29 ohmios por 1000 pies y la longitud del circuito es de 50 pies.

• Caída de voltaje = (2 x 1,29 ohmios / kft x 22 A x 50 pies) / 1000 = 2,84 V
• Caída porcentual de voltaje = 2,84 V / 120 V = 0,0237 = 2,37%

Si hay más de un conductor por fase, se debe dividir el cálculo anterior entre el número de conductores por fase, ya que se reduce la resistencia. Por ejemplo, si hay dos conductores por fase en el ejemplo anterior, la resistencia se reduce a la mitad y la caída de voltaje sería de 1,42 V (1,18 %).

Seleccione el material, cobre o aluminio, tamaño del conductor, voltaje y fase de una lista de voltajes comunes, luego ingrese la longitud del circuito unidireccional en pies y la carga en amperios. Este programa encuentra la caída de voltaje, el porcentaje de caída de voltaje y los voltios al final del circuito.

¿Cómo seleccionar el tamaño del cable?

El procedimiento explicado anteriormente se puede ajustar para seleccionar el tamaño del conductor en función de la caída de voltaje permitida. Supongamos que un circuito está sujeto a las siguientes condiciones:

• Tensión de funcionamiento = 120 V
• Configuración: Monofásica
• Corriente = 25 A
• Longitud = 100 pies

La fórmula de caída de voltaje se puede ajustar de la siguiente manera para calcular la impedancia requerida.

• Caída de tensión = 2 x Z x I x L / 1000
• Z = (1000 x Caída de tensión) / (2 x I x L)

Sustituyendo los valores anteriores en la fórmula se obtiene el siguiente resultado:

• Caída de voltaje permitida = 120 V x 3% = 3,6 V
• Z = (1000 x 3,6 V) / (2 x 25 A x 100 pies) = 0,72 ohmios / kpie

Según el NEC en el Capítulo 9, Tabla 8, el tamaño del conductor requerido para mantener la caída de voltaje por debajo del 3 % es AWG #6 (0,510 ohm/kft). El siguiente tamaño es AWG #8, pero su resistencia es muy alta (0.809 ohm/kft) y la caída de voltaje superaría el 3%.

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Instalación de múltiples conductores en conductos, cables o canalizaciones.

Las tablas NEC 310.16 a 310.19 proporcionan ampacidades permitidas para un máximo de tres conductores en un conducto, cable o canalización. Cuando el número de conductores es cuatro o más, la ampacidad permitida se reduce como se muestra en la siguiente tabla:

Los conductores deben tener una ampacidad adecuada para la carga según las tablas 310.16 a 310.19, además de tener una caída de tensión inferior al valor máximo permisible del 3%. Además, tenga en cuenta que la clasificación de ampacidad se reduce cuando se instalan varios conductores juntos. Se deben verificar los tres factores para tener una instalación eléctrica que cumpla con el código.

Resumen

El NEC recomienda una caída de voltaje máxima del 5% en alimentadores y circuitos derivados y del 3% solo en el circuito derivado. Se considera que este nivel de caída de voltaje proporciona las condiciones adecuadas para el rendimiento óptimo del equipo. Tenga en cuenta que el nivel máximo de caída de voltaje permitido no es una medida de seguridad, sino una medida de rendimiento.