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Conceptos Fundamentales de Electricidad

El circuito eléctrico

Las variables eléctricas de un sistema que alimenta una lámpara, un motor o un edificio pueden ser analizadas mediante un modelo denominado "CIRCUTO ELECTRICO" el cual se puede ver en la siguiente figura.

En donde se puede identificar:

La fuente de energía eléctrica cuyo voltaje es 220 V

El consumidor de energía, en este caso un horno de 11 kW

Los conductores que forman un circuito cerrado, los cuales conducen una corriente de 50 A

Las variables eléctricas que se deben conocer para analizar el consumo de energía son las siguientes:

La corriente eléctrica (I)

Es definida como el flujo ordenado de cargas eléctricas que transporta la energía desde la fuente al "consumidor", denominada también como "intensidad de corriente" es definida por la expresión:

La unidad de la intensidad de corriente en el sistema internacional es el Ampere (A). De acuerdo a su magnitud se utilizan los siguientes múltiplos:

1 microampere (uA) = 0,000 001 A (Ejemplo: corriente en las memorias de PC)

1 miliampere (mA) = 0,001 A (Ejemplo: 250 mA muerte de una persona)

1 kiloampere (kA) = 1.000 A (Ejemplo: Maquinas de soldar, hornos de fusión, etc)

En el ejemplo, el horno "consume" una corriente de 50 Amperes.

La Tensión eléctrica (U)

La capacidad de transporte de carga eléctrica (energía) que tiene toda fuente eléctrica. El voltaje entre dos puntos "a" y "b" del circuito se define como la diferencia en el nivel de energía de una unidad de carga localizada en dichos puntos. Se define por la expresión:

La unidad del sistema internacional es el Voltio (V), como en el caso anterior se puede trabajar con multiplicadores.

1 microvoltio (uV) = 0,000 001 V (Ejemplo: voltajes inducidos)

1 milivoltio (mV) = 0,001 V (Ejemplo: voltajes en circuitos electrónicos)

1 kilovoltio (kV) = 1.000 V (Ejemplo: voltajes de transmisión y distribución)

Los voltajes industriales más usados en nuestro país son 220 V, 380 V, 440 V y 660 V. En la transmisión y distribución 10 kV, 13,2 kV, 60 kV y 220 kV. En el caso del ejemplo, tenemos una fuente de 220 V

La potencia eléctrica (P)

La potencia eléctrica es la capacidad que tiene la electricidad de producir un trabajo o de transformar la energía en un tiempo dado. Se define por la siguiente expresión:

P = U * I

En el sistema internacional, la unidad de potencia es el Watt (W) y se cumple la siguiente relación:

1 Watt = 1 Ampere x 1 Voltio

1 kilowatt (kW) = 1.000 Watts (Ejemplo: Fuerza motriz en general, planchas, etc)

1 Megawatt (MW) = 1.000.000 Watts (Ejemplo: Plantas industriales, ciudades)

Los niveles de potencia con los cuales se trabaja normalmente son del orden de 150 kW para pequeñas plantas industriales y por encima de 1 MW las grandes instalaciones. En el acaso del ejemplo, se tiene una potencia que se transforma en un flujo de calor de 11 kW.

La Energía Eléctrica (E).

La energía eléctrica (E) es la forma más versátil de las energías manejadas por el hombre. Se define como el trabajo que puede realizar una potencia eléctrica dada en un tiempo dado. Por lo tanto la energía se puede calcular mediante la expresión siguiente:

La energía eléctrica se mide en Joules (J), sin embargo en el campo de la electricidad se suele utilizar el kW-h (kilowatt hora). Y esta unidad es la que aparece en las facturas de la empresa eléctrica.

1 kW-h = 3,6 Megajoule

En el ejemplo, si el horno estuviera funcionando 10 horas, la energía consumida sería:

Energía = P.t = 11 kW * 10 horas = 110 kW-h.

La resistencia eléctrica (R)

Es la oposición que ofrece todo cuerpo al paso de la corriente, depende en mayor o menor grado de su constitución atómica y/o molecular de cada material. La resistencia eléctrica se mide en Ohms (W ) y los multiplicadores usados son.

1 microohm (u ) = 0,000 001 Ohm

1 miliohm (m ) = 0,001 Ohm

1 kiloohm (k ) = 1.000 Ohm

1 megaohm (M ) = 1.000.000 Ohm

La manifestación de la presencia de una resistencia en el circuito, es la generación de calor, la que ocurre al pasar la corriente a través de ella, de allí su importancia para un auditor energético.

La ley de Ohm.

La relación más importante en un circuito eléctrico es la ley de Ohm, la cual relaciona la tensión, la corriente y la resistencia, la cual se expresa así:

U = I x R

Lo que implica que 1 Voltio = 1 Ampere x 1 y que debe entenderse como que al circular una corriente de 1 amper por un cuerpo cuya resistencia es 1, se produce una caída de tensión en los terminales de 1 voltio.

En el ejemplo, el horno consume 50 Amperes y en sus terminales existe una tensión eléctrica de 220 V, por lo tanto la resistencia del horno se puede calcular usando la expresión de Ohm.

Usando la relación de Ohm, se puede determinar la potencia eléctrica en función de la resistencia y cualquiera de las variables eléctricas.

Es decir conociendo el valor de la resistencia y la corriente, podemos determinar la energía calorífica que se disipa en un conductor eléctrico.

La corriente directa y la corriente alterna

La corriente directa o continua es aquella cuyo valor y sentido son constantes (no cambian en el tiempo).
En el siguiente gráfico, se puede ver la representación gráfica de la corriente directa, por ejemplo es una corriente de 10 A.

Por lo tanto, una corriente continua se produce en un circuito cuando se aplica una fuente de tensión continua a este circuito, por ejemplo una batería de auto o un panel fotovoltaico que alimenta unas lámparas incandescentes.

Por ejemplo, la batería de un automóvil cuyo voltaje es 12 VDC, alimenta a una lámpara cuya resistencia es 3 , entonces la corriente producida será 4A DC y la potencia disipada será 48 Watts.

La corriente alterna es aquella cuyo valor y sentido cambian en el tiempo de forma periódica. En el caso de la corriente usada industrialmente, al graficar la corriente alterna, la gráfica obtenida tiene la forma de una onda sinusoidal.

Donde:

u, i = Valores instantáneos de tensión y corriente, en A y V respectivamente

Umax , Imax = Valores máximos de tensión y corriente, en V y A respectivamente.

w = Frecuencia angular o velocidad angular del generador, en rad/s.

t = Tiempo, en segundos.

j u, j i = Ángulos de desfase inicial de la tensión y la corriente, en radianes.

En el siguiente gráfico se muestra la onda de la tensión alterna (u) cuyo j u = 0° y la onda de corriente alterna (i) que se produciría al circular por un componente inductivo (en parte resistivo y en parte inductivo, tal como seria el caso de un motor eléctrico típico) cuyo j i = -60°. En este caso se dice que la corriente esta atrasada o desplazada en el tiempo 60 grados eléctricos con respecto a la tensión.

Este comportamiento es el resultado de la forma como responde un componente inductivo (bobina, motor, etc.) cargando un campo magnético dentro de sí. En el caso, de un condensador o capacitor, la corriente en lugar de atrasarse, se adelanta a la tensión. En el condensador, se carga un campo eléctrico dentro de él.

La corriente alterna presenta características únicas, las cuales deben ser evaluadas por el auditor energético para determinar la eficiencia de un sistema eléctrico alimentado por ella. Estas magnitudes son:

El ángulo de fase

El valor eficaz

La frecuencia.

La potencia eléctrica y la corriente alterna.

El ángulo de fase.

La diferencia en el tiempo que existe entre la onda de tensión y la onda de corriente es el ángulo de desfase f que existe entre la tensión y la corriente. Este ángulo es una característica del tipo de componente conectado a un circuito eléctrico alimentado con corriente alterna.

f > -90° componentes inductivos — resistivos, f = -90° inductancia

f = 0° Componentes resistivos puros.

f £ 90° Componente capacitivo — resistivo, f = +90° condensador

Nos interesan los componentes más comunes, en este caso resistencias puras, como es el caso de un horno o una calefactor, donde el ángulo f = 0. El caso de los motores, que son una combinación de resistencia e inductancia (bobina), el ángulo f > -90°, como —65° Y finalmente, los condensadores usados en los sistemas de compensación de energía reactiva cuyo f = 90°.

Que efecto tiene este comportamiento de la corriente y el voltaje en un sistema industrial?
La consecuencia del desfase será estudiada en el inciso (d) La corriente alterna y la potencia eléctrica.

El valor eficaz.

Si analizamos la onda de corriente, el valor de la corriente cambia constantemente siguiendo el comportamiento sinusoidal. Por lo tanto, ¿como podemos comparar una corriente directa de 5 A DC, con una corriente alterna que cambia constantemente de valor? La respuesta es por sus efectos caloríficos y por ello se creo el concepto de valor eficaz, el cual se define de la siguiente forma:

Se dice que 1 Ampere eficaz de corriente alterna produce los mismos efectos caloríficos que un 1 Ampere de corriente directa al circular por el mismo componente resistivo.

El valor eficaz se calcula a partir de la siguiente expresión:

Donde:

Ieficaz = Valor eficaz de corriente, en Ampere.

T = Período de la onda sinusoidal, en segundos.

i = Corriente instantánea para un tiempo t, en segundos.

En el caso de la onda sinusoidal, el valor eficaz se puede calcular mediante la siguiente expresión:

La cual puede ser aplicada a la tensión eléctrica. En el caso del voltaje doméstico, el valor 220 VCA es el valor eficaz de la tensión recibida de la concesionaria y corresponde a una onda de corriente alterna cuyo valor máximo es 220Ö 2 » 311 Voltios.

Los valores eficaces se identifican mediante letras mayúsculas, I para la corriente o U para el voltaje. Y en general se utilizan indistintamente para el caso de corriente alterna o directa.

El valor eficaz de una corriente cambia si la onda se distorsiona y pierde la forma sinusoidal pura, de allí que la elección de instrumentos de medición debe tomar en cuenta esta situación. Los instrumentos más baratos realizan la operación matemática directa de la expresión mostrada en la página anterior, en cambio los más modernos y precisos, mediante el uso de microprocesadores realizan operaciones instantáneas y calculan el verdadero valor eficaz (denominados instrumentos de medición TRUE RMS).

La frecuencia.

Es el número de ciclos por unidad de tiempo, se identifica con la letra "f" y la unidad usada en el sistema internacional es el ciclo por segundo, bautizado como Hertz. Las frecuencias industriales más usadas son:

60 Hz Perú, EEUU, México

50 Hz Argentina, Europa, Ecuador, Paraguay.

Se trabaja con valores más altos en la transmisión de datos o en telecomunicaciones, pero no serán mencionadas aquí.

La potencia y la corriente alterna

La corriente alterna lleva energía hacia los componentes del circuito y de acuerdo a la naturaleza del circuito esta será utilizada de diferente forma:

Los componentes resistivos traducirán esta energía en calor que se irradia a hacia el exterior del circuito, para ser usado en el calentamiento de un proceso por ejemplo. Estos componentes usan la energía de la fuente en forma activa, como un consumo, y por ello la potencia consumida por ellos se denomina Potencia Activa ó Potencia útil.

La unidad de la potencia activa es el watt (W). Y se le representa mediante la letra P

Los componentes inductivos usan la energía en crear campos magnéticos que reciben la misma y la devuelven al circuito, de manera no se toma energía efectiva de la fuente. Este consumo se denomina Potencia reactiva.

La unidad de la potencia reactiva es el Voltio Ampere Reactivo (VAR). Y se le representa mediante la letra Q

Los condensadores cuando son alimentados con corriente alterna, se encuentran en un proceso cíclico de carga y descarga dentro de ellos, es decir toman energía para cargar un campo eléctrico y la devuelven a la fuente al descargarse, ocurriendo un fenómeno similar al que ocurre con una inductancia, por lo que también consumen Potencia reactiva.

Este consumo de potencia se puede visualizar mediante una analogía mecánica en la siguiente figura, imaginemos un carrito de tren que es tirado por una cuerda que no esta alineada con la dirección del tren, sino que forma un ángulo f con ella, debido a esto ocurre lo siguiente:

La potencia activa (P) contribuye efectivamente al movimiento del carro.

La potencia reactiva (Q) solamente tiende a pegarlo contra el riel y utiliza parte de la capacidad del que esta jalando la cuerda, en forma inútil.

La potencia aparente (S) representa la capacidad total que se usa jalando la cuerda.

El ángulo f es el ángulo de desfase que existe entre la tensión que se aplica a un consumidor y la corriente que este consume. Observe que cuanto mayor es el ángulo f menos eficientemente se utiliza la capacidad de la fuente

Las potencias se calculan mediante las siguientes expresiones:

Donde:

S = Potencia aparente, en VoltioAmpere (VA)

P = Potencia útil o potencia activa, en watts (W)

Q = Potencia reactiva, en VoltioAmpereReactivo (VAR)

U = Tensión o voltaje aplicado a la carga, en Voltios (V)

I = Corriente consumida por la carga, en Amperes (A)

f = Angulo de desfase entre la tensión y la corriente con signo cambiado.

Las potencias se expresan en kVA, kW o kVAR, solamente cargas cuyo consumo es muy pequeño se trabajan en watts.

En estas expresiones se puede observar, que la tensión o voltaje es una constante, por ejemplo 220 V o 440 V , en cambio la magnitud de la corriente representa la energía que se transporta de la fuente al consumidor y que de acuerdo a la magnitud del ángulo f se reparte en forma de potencia activa y potencia reactiva.

Por ejemplo: el voltaje en las plantas industriales "A" y "B" es 380 V y en ambas la corriente es 200 A. El ángulo de desfase entre la corriente y la tensión en la planta "A" es 53° y en la planta "B" el ángulo de desfase es 30°.

Planta A

Planta B

S = 380V*200 A /1000 = 83,6 kVA

P = 380*200*cos53°/1000= 50,3 kW

Q = 380*200*sen53°/1000= 60,7 kVAR

S = 380*200/1000 = 83,6 kVA

P = 380*200*cos30°/1000 = 65,8 kW

Q = 380*200*sen30°/1000 = 38,0 kVAR

La planta "A" consume 50.3 kW, en cambio la planta "B" consume 65,8 kW. La segunda utiliza mejor la capacidad de su fuente de energía (suministro, subestación eléctrica o grupo electrógeno), para una misma corriente consume 15,3 kW más. El análisis que se realice debe considerar la capacidad instalada de la fuente.

Analice la siguiente situación, la planta "C" y la planta "D" utilizan 65 kW cada una, sin embargo tienen ángulos de desfase diferentes, ángulos f C = 53° y . f D = 30° respectivamente. ¿Cuál usa mejor la capacidad de su fuente de energía? La respuesta es la planta "D"

Observe que un motor eléctrico se puede representar como una combinación de una resistencia y una inductancia (bobina), tal como se puede ver en la siguiente figura.

La resistencia representa con su consumo la potencia activa que se obtiene del motor y la inductancia (bobina), los campos magnéticos que se establecen en el motor para producir el movimiento y con ello la potencia reactiva que consumen. El ángulo de desfase tiene signo negativo y al ser introducido en la expresión de potencia se vuelve positivo.

Los condensadores tienen un ángulo de desfase de +90° y por lo tanto al calcular las potencias se usa un ángulo de —90°, con lo que se obtiene una potencia reactiva con signo negativo, opuesta a la que consume un motor.

El Factor de potencia (F.P.)

El factor de potencia se define como la razón de la potencia activa a la potencia aparente, tal como se expresa a continuación:

Para el caso de corriente alterna pura (sinusoidal sin distorsión) se cumple:

Por lo tanto, cuanto menor sea el ángulo de desfase, mayor será la potencia activa obtenida a partir de una potencia aparente dada.

El factor de potencia de un motor eléctrico esta entre 0,86 y 0,94 para su carga nominal. En el caso de las lámparas fluorescentes, el factor de potencia está entre 0,55 y 0,65.

Los Sistemas Trifásicos

Los sistemas de transmisión y distribución de mayor utilización son los sistemas trifásicos, los cuales están constituidos por tres tensiones de igual magnitud, desfasadas 120° entre sí. Las ventajas de usar este tipo de distribución son las siguientes:

Para alimentar una carga de igual potencia eléctrica, las corrientes en los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofásico.

Para una misma potencia, las maquinas eléctricas son de menor tamaño que las maquinas eléctricas monofásicas.

La diferencia entre un sistema monofásico y uno trifásico se presenta en las siguientes figuras.

Se puede ver que en un sistema trifásico es posible conectar cargas monofásicas y trifásicas simultáneamente. Por ejemplo, en la figura anterior el esquema muestra un generador trifásico que alimenta a través de tres conductores alimentadores una única carga trifásica de 45 kW y las demás son cargas monofásicas.

Configuraciones de los circuitos trifásicos.

Los circuitos trifásicos presentan dos configuraciones básicas en función de la conexión del generador, las que se pueden ver en la siguiente figura.

En ambos sistemas se requiere de las 3 líneas activas, denominadas R,S y T, para la alimentación de las cargas trifásicas, la conexión interna de las cargas puede ser en estrella o triángulo indistintamente, tal como se muestra en la siguiente figura.

En la siguiente figura (Carga trifásica alimentada por un sistema trifásico), la línea neutra N nos indica que la fuente trifásica del sistema de distribución es un generador conectado en estrella, sin embargo no se requiere para alimentar las cargas trifásicas. Si la línea neutra "N", no existiera como es el caso de un sistema de distribución alimentado por un generador conectado en triángulo, las cargas trifásicas seguirían funcionando.


Las variables eléctricas de un sistema trifásico.

El estudio del consumo de energía eléctrica en un sistema trifásico requiere estudiar las variables eléctricas que se presentan en este tipo de circuito, las variables trifásicas más importantes son:

La corriente en las líneas. Si las tres corrientes de línea son iguales, se dice que el sistema esta balanceado, como ocurre con un motor eléctrico, en caso contrario se dice que esta desbalanceado.

IR, IS, IT (denominadas actualmente IL1, IL2, IL3 según la IEC)

Las tensiones entre las líneas.

URS, UST, UTR (denominadas actualmente U12 ,U23 , U31 según IEC)

Las corrientes de línea y tensiones entre líneas son mostradas en la siguiente figura.

Observe que las corrientes de línea pueden ser medidas para cada carga; así como para todo el sistema.

En el análisis del consumo de energía eléctrica de una carga balanceada, se requiere conocer el voltaje entre líneas, las corrientes de línea y el factor de potencia de la carga trifásica.

Las potencias eléctricas trifásicas que para una carga balanceada se puede calcular mediante las expresiones siguientes:

Donde:

P3f _ = Potencia trifásica, en kW

Q3f = Potencia reactiva trifásica, en kVAR

S3f = Potencia aparente trifásica, en kVA

Ulinea = Tensión entre líneas, en Voltios (V)

Ilinea = Corriente de línea, en Amperes (A)

cosf = Coseno del ángulo de desfase o factor de potencia de la carga trifásica.

Si la carga es desbalanceada, se requiere el factor de potencia por fase. Aunque en estos casos, se trata de manejar un factor de potencia promedio, especialmente cuando se diseña sistemas de compensación de energía reactiva.

Las tensiones y corrientes presentan una distribución en el tiempo como la mostrada en la siguiente figura.

Si las plantas A y B del ejemplo anterior hubieran tenido una alimentación trifásica, suponiendo que las corrientes de línea eran iguales (carga balanceada) y manteniendo los mismos datos, las potencias serían:

Planta A

Planta B

S = Ö 3*380V*200 A /1000 = 131,6 kVA

P = Ö 3*380*200*cos53°/1000= 78,9 kW

Q= Ö 3*380*200*sen53°/1000= 105,3 kVAR

S = Ö 3*380*200/1000 = 131,6 kVA

P = Ö 3*380*200*cos30°/1000 = 113,9 kW

Q = Ö 3*380*200*sen30°/1000 = 65,8 kVAR

Los Instrumentos de medición necesarios para evaluar la eficiencia energética eléctrica

La se siguiente figura muestra un circuito monofásico con los instrumentos de medición necesarios para determinar todos sus parámetros eléctricos, como son:

La intensidad de corriente (I), Amperes

La tensión o voltaje (U), Voltios

La potencia activa (P), kW

El Factor de potencia del sistema (cos f ó F.P)

La energía eléctrica consumida (E), kW-h

En donde se debe destacar la forma como deben ser conectados los instrumentos para conseguir una medida correcta y precisa.


Medición de tensión eléctrica - El voltímetro

Este instrumento permite medir tensiones eléctricas y caídas de tensión, se conecta en paralelo a los puntos en donde se desea conocer la diferencia de potencial. Tal como se muestra en la siguiente figura.



Medición de intensidad de corriente - El amperímetro

El amperímetro mide las intensidades de corriente en una rama del circuito, se conecta seriado en dicha rama. En nuestro caso debemos realizar medidas rápidas sin efectuar desconexiones, por lo que se utilizan pinzas amperimétricas. La siguiente figura muestra un amperímetro de pinzas midiendo la corriente en una de las líneas de un interruptor trifásico.

La pinzas amperimétricas aprovechan la presencia del campo magnético que se establece alrededor del conductor donde circula la corriente y la relación directamente proporcional que existe entre la intensidad del campo magnético y la intensidad de la corriente.

Son de dos tipos:

Pinzas amperimétricas de tipo inductivo o tipo transformador, que aprovechan la tensión inducida por el campo magnético en un núcleo de hierro, las cuales miden solamente corriente alterna.

Pinzas de efecto Hall, que utilizan un semiconductor y un circuito de amplificación independiente que pueden medir corriente alterna o continua. En la actualidad, la tendencia es utilizar este principio de medición en los instrumentos portátiles.

Las pinzas amperimétricas pueden trabajar asociadas a un multímetro o incorporadas a uno tal como se muestra en la siguiente figura.

En general se debe buscar que tengan las siguientes características:

Retención de lectura.

Medición de lecturas de verdadero valor eficaz (true R.M.S.)

Registro de Max, Min y promedios en diferentes periodos de tiempo.

Velocidad de registro que permita sensar corrientes de arranque en motores.


Medición de potencia - El Vatímetro.

La medición de potencia eléctrica activa se realiza con el vatímetro. Este instrumento de medición tiene una parte amperimétrica, la cual se conecta como los amperímetros comunes (intercalado en la línea) y una parte voltimétrica que se conecta como los voltímetros, en paralelo a las líneas que conducen la corriente eléctrica, de manera que se obtenga la potencia por efecto de ambas medidas.

El vatímetro de pinzas, es un dispositivo similar a una pinza amperimétrica que sensa la corriente y la tensión en la carga, realizando el cálculo de la potencia por medio de un dispositivo electrónico. La medida de potencia puede ser mostrada directamente por el equipo o indirectamente a través de un multímetro, tal como se muestra en la siguiente figura.

Podemos observar la conexión voltimétrica en los puntos "R" y "B"; así como el sensado de la corriente mediante una pinza de efecto Hall. Este tipo de instrumento es muy sencillo de utilizar, pero requiere de cuidado con la polaridad al efectuar las conexiones.

Medición de potencia trifásica.

La medición de potencia trifásica depende del sistema trifásico que sé este evaluado, es decir si tenemos 3 hilos (triángulo o estrella sin neutro) o 4 hilos (estrella con neutro) tal como se muestra a continuación.

Medición de potencia en sistemas trifásicos de tres hilos (Método de Aron)

En este caso se realizan dos mediciones con la pinza vatímetrica y la potencia se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde :

P3_ = Potencia trifásica, en kW

P1 = Potencia de medida en la posición 1 (kW1 en la figura siguiente)

P2 = Potencia de medida en la posición 2, (kW2 en la figura siguiente)

Medición de potencia en sistemas trifásicos de cuatro hilos (estrella con neutro)

En este caso se realizan tres mediciones con la pinza vatímetrica y la potencia se obtiene mediante la siguiente expresión:

Donde :

P3f = Potencia trifásica, en kW

P1 = Potencia de medida en la posición 1 (kW1 en la figura siguiente)

P2 = Potencia de medida en la posición 2, (kW2 en la figura siguiente)

P3 = Potencia de medida en la posición 3, (kW3 en la figura siguiente)

Este sistema permite medir potencia en cargas trifásicas desbalanceadas, tal como se muestra en la siguiente figura siguiente.

En algunos casos se puede obtener directamente la potencia trifásica para cargas balanceadas, debido a que el aparato crea un neutro artificial y calcula la potencia con las medidas de tensión y corriente. En la siguiente figura se puede ver la conexión que se debe realizar.

Medición de factor de potencia — Cosfimetro.

El factor de potencia se medía tradicionalmente con un instrumento cuyo principio de funcionamiento es el mismo que el de un vatímetro, sin embargo los modernos vatímetros digitales han desplazado estos instrumentos, de tal manera que en la actualidad muchos fabricantes de instrumentación electrónica han dejado de fabricarlos.

La forma de conexión es similar a la descrita en el inciso anterior y puede hacerse referencia a estas figuras en donde se cambiaría el valor leído. En caso, el vatímetro disponible carezca de la función de medición del factor de potencia, se puede recurrir al procedimiento descrito a continuación.

1. Mida la tensión de la carga con el multímetro o un voltímetro.

2. Mida la corriente de alimentación con una pinza amperimétrica.

3. Mida la potencia de carga real con la pinza vatímetrica.

4. Utilice las fórmulas siguientes para calcular el factor de potencia a partir de los datos medidos.

Donde:

F.P. = Factor de potencia en sistemas monofásicos

F.P.3f = Factor de potencia promedio en sistemas trifásicos.

U = Tensión entre líneas, en Voltios

I = Corriente de línea, en Amperes

P = Potencia en sistemas monofásicos, en W

P3f = Potencia promedio en sistemas trifásicos, en W.

S = Potencia aparente en sistemas monofásicos, en VA

S3f = Potencia aparente en sistemas trifásicos, VA

A continuación se presenta un ejemplo de cálculo del factor de potencia de una carga equilibrada en un sistema de trifásico, de 3 conductores, alimentada por una línea a 440 V:

1. Se mide con un multímetro la tensión de carga entre fases, que resulta ser de 445 voltios.

2. Se mide la corriente de la fase con la pinza amperimétrica, obteniéndose una lectura de 468 amperios.

3. Se mide la potencia total con el vatímetro y se obtiene una lectura de 245 kW (ver figura Medición de potencia trifásica en cargas balanceadas).

4. Se calcula la potencia aparente a partir de los datos medidos en los pasos (1) y (2). La potencia aparente es

S3f = Ö 3*U*I = Ö 3*468A*445V = 360.716,90 VA = 360,72 kVA

1. Se calcula el factor de potencia a partir de los datos medidos en el paso 3 y de la potencia aparente en kVA calculada en el paso 4, entonces el factor de potencia es 0,679

Los analizadores de red.

Estos instrumentos de medición permiten el análisis de sistemas de distribución industrial trifásica, son similares a los vatímetros, con la diferencia que registran las tres corrientes de línea y las tensiones entre líneas simultáneamente, efectuando las operaciones matemáticas necesarias para el cálculo de:

Voltajes entre líneas promedio, máximos y mínimos.

Corrientes de línea promedio, máximas y mínimas.

Potencia activa, por fase y total.

Potencia reactiva, por fase y total.

Factor de potencia, por fase y promedio.

Registro de Energía activa, reactiva inductiva y reactiva capacitiva

Frecuencia

La siguiente figura muestra un analizador de red típico, se debe observar la presencia de las tres pinzas amperimétricas que permiten el registro simultaneo de las tres corrientes de línea en el sistema trifásico.

En general, los analizadores de red tienen capacidades de registro que permiten llegar al análisis del consumo de energía de una planta industrial o edificio comercial ocurrido en largos períodos de tiempo. Y en la actualidad, sus funciones se han extendido al campo de la calidad de la energía pudiendo evaluar corrientes armónicas, transitorios y flicker, las cuales incrementan sus costos.

Parámetros eléctricos a medir en el sistema industrial

Finalmente, los instrumentos de medición permitirán al auditor energético la determinación de las variables eléctricas de un sistema eléctrico industrial y con ello definir su eficiencia en el uso de la energía. A continuación como una forma de repaso, se presenta un diagrama unifilar de una planta industrial en la siguiente figura, en el se han numerado puntos para su evaluación, que instrumentos se utilizarán y para que finalidad.

Punto 1 Voltaje, corriente y potencia de todo el sistema.

Punto 2 Corriente y potencia

Punto 3 Voltaje , corriente y potencia

Punto 4 Voltaje, corriente, potencia y nivel de iluminación.

Punto 5 Voltaje, corriente y potencia del banco de condensadores.

Medición de intensidad de luz - el luxómetro

El luxómetro nos permite la medición de los niveles de iluminación que proporcionan los sistemas de iluminación en las estaciones de trabajo o ambientes en donde se encuentran instalados. Las normas internacionales nos dan una referencia de los niveles recomendados para diferentes tipos de ambientes y actividades, de manera que podamos comparar los valores medidos de iluminación en un ambiente y determinar si el sistema de iluminación instalado esta sobredimensionado o subdimensionado.

El luxómetro digital moderno consta de una celda de fotosensible que capta la luz y presenta la lectura en un dispositivo similar a un multímetro, tal como lo muestra la siguiente.

Niveles de Iluminación recomendados en Función de la Tarea y la Actividad desarrollada.

Tipo de tarea visual

Ambiente o actividad

Nivel de iluminación recomendado
(lux)

Orientación solamente

Zonas de tráfico

20

Tarea visual fácil

Plantas de producción con actividades ocasionales

Trabajos bastos de montaje y supervisión.

100

200

Tarea visual normal

Tareas medias, torneado, fresado o calderería, aulas

Tareas finas, maquinas con utillajes u oficinas

300

500

Tarea visual difícil con pequeños detalles y poco contrastes

Oficinas de supervisión, dibujo, oficinas de gran área.

Ensayo de colores, montaje mecánico fino, oficinas abiertas con reflectancias medias.

1000

1000

Tarea visual muy difícil

Aseguramiento de la calidad con requerimientos muy altos, reparación de artefactos ópticos o relojería de precisión, procesamiento de textiles.

1500

Detalles muy finos con muy poco contraste.

Grabado de metales y joyería

2000

Esta tabla puede ser tomada como referencia para el diagnóstico del sistema de iluminación, sin embargo es preferible utilizar las normas nacionales vigentes.

Normas de Seguridad

Las siguientes normas deben ser observadas con cuidado durante la realización de trabajos en el sistema de distribución eléctrica con el fin de reducir el peligro de accidentes personales y daños en los equipos o instrumentos de medición.

En general, se debe recordar que la electricidad es una forma de transporte de energía muy fácil de emplear y controlar, pero también muy peligrosa, por lo que cualquier precaución no esta demás.

Antes de iniciar cualquier medición en una subestación eléctrica, tablero distribución o una parte cualquiera del sistema eléctrico, se debe realizar una inspección cuidadosa de la misma, reconociendo todas sus partes, en especial las partes activas es decir aquellas con tensión eléctrica. Si se dispone de diagramas eléctricos úselos como base para el reconocimiento inicial.

Identifique los interruptores que permitan la maniobra de los circuitos en donde se realizarán los trabajos. Y de ser posible, todo trabajo debe ser realizado desconectando el circuito a reparar o examinar, dando aviso al personal de la planta antes de efectuar la maniobra de desconexión o conexión, para evitar accidentes.

Los instrumentos de medición y herramientas que se utilicen deben ser homologados para el nivel de tensión del sistema eléctrico en donde se realizarán los trabajos, siempre use herramientas con mangos aislados. El trabajo en un sistema de media tensión como son las barras de 10 kV o 13,2 kV requiere de herramientas cuyo aislamiento soporte esos niveles de tensión.

Toda experiencia o trabajo con electricidad, de ser realizada en compañía de otras personas, por si es necesario recibir auxilio.

Al efectuar una conexión provisional, no use cables o alambres sin aislamiento o con aislamiento deteriorado. En caso de encontrar cables defectuosos, comuníquelo al personal de mantenimiento.

Evitar el contacto con las partes metálicas de tableros, equipos o instrumentos que no estén conectados a tierra. Cuídese del contacto accidental de anillos o relojes con los conductores o barras con tensión.

En caso de trabajo con equipo eléctrico energizado, utilice guantes y anteojos de protección, una chispa eléctrica no tiene mucha energía, sin embargo, puede dañar irreparablemente el ojo humano.

Si en el circuito, se observa una marcha anormal, ruidos extraños, calentamiento excesivo o chispas, abra el interruptor principal de inmediato.

Al maniobrar de interruptores, la operación debe ser realizada de manera rápida para evitar la formación de arcos eléctricos, chispas y consecuentes quemaduras. En especial si el circuito alimenta elementos inductivos o capacitivos

No toque los bornes de los condensadores de potencia, ya que pueden estar cargados.

Todos los circuitos de potencia son peligrosos. Al trabajar con tensiones mayores de 400 V, se debe usar guantes y/o alfombras o taburetes aislantes siempre.

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