Generación de energía
El generador de una estación eléctrica genera electricidad trifásica. Cada una de estas fases tiene una tensión alterna de 230 voltios (o una tensión diferente, según el país). La tensión alterna con una frecuencia de 50 (o 60) Hz. Y debido a la rotación de las bovinas del generador, hay un desplazamiento de fase de 120° entre cada fase.
Las tres bovinas están conectadas entre sí y crean un circuito triple, denominado configuración en estrella. Una sola bovina (fase) tiene un potencial de 230 Vac. Y se crea un segundo nivel de potencial entre las dos bovinas. Debido al desplazamiento de fase de 120° el potencial es de 400 Vac.
Para poder usar estas fases por separado, se conecta el punto común (el punto estrella) a un conductor llamado “neutro”. Entre el neutro y una de las fases hay una tensión de 230 Vac. El conductor neutro es un conductor que pueden usar las tres fases y que puede usarse en tres circuitos eléctricos diferentes.
El punto de la estrella actúa como neutro en la instalación eléctrica de una casa. La función del conductor neutro es permitir el uso por separado de cada fase y cada fase puede usarse como un suministro independiente de 230 Vac.
El neutro también se conecta a un piqueta metálica dirigida hacia el suelo, la llamada pica de tierra. De esta forma el potencial de la tierra es igual a 0 voltios. Esta conexión se llama puesta a tierra o toma de tierra.
Una carga trifásica, como un motor eléctrico trifásico, usa electricidad de las tres fases. El neutro no tiene una función porque los tres circuitos eléctricos se mantienen equilibrados entre sí. Solo si una de las fases consume más carga que las otras, el neutro empezará a conducir corriente. Esta corriente se llama “corriente de compensación o de ecualización”.
Cuando configure inversores/cargadores trifásicos tendrá que usar una configuración de estrella. Han de tener un neutro común. No se permite la configuración delta. Pero el sistema trifásico de inversor/cargador puede alimentar una carga con configuración delta.
Cuando los inversores/cargadores trabajan en modo inversor, las cargas desiguales no son un problema, pero sí pueden serlo si están trabajando en un modo de paso a través y están conectadas a un generador que no puede aceptar una carga desequilibrada.
Redes de distribución
Hay diferentes formas de distribuir la energía al consumidor eléctrico. Y distintas formas de conectar el sistema del consumidor eléctrico. Todas las redes suministran tres fases, pero el enlace entre el neutro y la toma de tierra cambia según el tipo de red.
Red TN-S
El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra.
Se distribuyen las fases, el neutro y la tierra.
El consumidor eléctrico usa las fases, el neutro y la tierra suministrados.
El neutro y la tierra no están conectados entre sí.
Red TN-C
El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra.
Se distribuyen las fases y un neutro-tierra combinado.
El consumidor eléctrico reparte el neutro y la tierra entrantes (enlace MEN).
El consumidor eléctrico usa las fases suministradas y el neutro y la tierra de nueva creación.
Red TN-C-S
El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra.
Se distribuyen las fases y un neutro-tierra combinado.
El consumidor eléctrico reparte el neutro y la tierra entrantes (enlace MEN).
El consumidor eléctrico conecta la tierra a una estaca de tierra.
El consumidor eléctrico usa las fases suministradas y el neutro y la tierra de nueva creación.
Red TT
El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra.
Se distribuyen las fases y el neutro.
El consumidor usa las fases suministradas y el neutro.
El consumidor eléctrico crea una toma de tierra local con una estaca de tierra.
Red IT
El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra.
Se distribuyen las fases.
El consumidor eléctrico usa las fases suministradas.
El consumidor eléctrico crea una conexión a tierra local.
VA y vatios de la corriente del sistema
Para poder calcular correctamente el tipo de fusibles y las dimensiones de los cables o del inversor, será necesario saber el valor de la corriente del circuito. Para poder calcular la corriente correctamente, hay un aspecto de la energía CA que que hay que explicar: vatios y VA.
Como hemos explicado antes, la energía CA es alterna. Ni la tensión ni la corriente tienen un valor constante como la CC, sino que se alternan entre positivo y negativo. Hacen esto unas 50 veces por segundo en un sistema de 50 Hz y unas 60 veces por segundo en un sistema de 60 Hz. La forma de la onda es sinusoidal.
No solo la tensión es alterna en un circuito CA, la corriente también. En un sistema resistivo se alternan al mismo tiempo. Sin embargo, si el circuito contiene cargas no resistivas, la onda sinusoidal de la corriente puede quedarse por detrás o adelantarse con respecto a la de la tensión.
Las cargas resistivas son cargas con elementos resistivos como: calentadores, bombillas incandescentes, tostadores y secadores de pelo, entre otros.
Las cargas inductivas son cargas con bovinas, como electromotores o transformadores. Por ejemplo: frigoríficos, compresores, aires acondicionados o lámparas fluorescentes. Las cargas capacitivas son cargas que contienen condensadores, como bancos de condensadores, motores de arranque, cargadores de baterías y dispositivos SAI.
Los vatios son la potencia real extraída por el equipo. La potencia nominal en vatios determina la potencia real que se compra a la compañía eléctrica, el diésel consumido por un generador o la carga de calor generada por el equipo.
VA es la “potencia aparente” y es el producto de la tensión por la corriente extraída por el equipo. La VA nominal se usa para dimensionar el cableado, los disyuntores, los inversores y los generadores.
En un circuito CA puramente resistivo, las ondas de tensión y de corriente van a la par (o están en fase). Para calcular la corriente se puede usar esta fórmula:
Corriente = Potencia/Tensión
I = P/V
En un sistema totalmente resistivo, el factor de potencia es 1.
Cuando el circuito CA contiene cargas como inductores o condensadores, se produce un desplazamiento de fase entre las ondas de corriente y de tensión. Estas dos ondas ya no van a la par, ya no están en fase.
Si se conoce el factor de potencia se puede calcular la potencia aparente.
W = V x A x Factor de potencia
Potencia verdadera = Potencia aparente x factor de potencia
En general, un circuito de CA doméstico tiene un factor de potencia medio de 0,8. De modo que para cálculos generales, se puede usar 0,8 como factor de potencia.
Luego hay otro tipo de carga: la carga no lineal. Estas son cargas que no cargan toda la onda sinusoidal por igual o que puede que solo usen una parte de la onda. La corriente extraída por una carga no lineal no tendrá forma de onda sinusoidal, aunque la carga esté conectada a una tensión de onda sinusoidal.
A menudo estas son cargas que contienen semiconductores, como diodos o LED. Por ejemplo, iluminación LED, reguladores de la intensidad de la luz, pistolas de calor y algunos dispositivos de arranque suave de CA. Cuando un inversor alimenta una carga no lineal, llegará a la sobrecarga antes que la potencia nominal de la carga.
Cableado CA
En una instalación doméstica, la electricidad entrante se divide en grupos, normalmente en un panel de distribución.
El diámetro de los cables eléctricos de cada circuito CA (grupo) debe ajustarse al valor de la máxima corriente que se puede esperar en el circuito. Esto es para proteger las cargas conectadas y los cables eléctricos.
En circuitos CA también se pueden producir caídas de tensión y calentamiento de cables. Las caídas de tensión pueden producir daños en los aparatos conectados y pueden hacer que los cables se calienten y en casos extremos pueden provocar incendios domésticos.
También es importante conectar bien los cables. Unos cables mal conectados también pueden producir caídas de tensión y calentamiento. Utilice las orientaciones que se han descrito anteriormente.
Para los cálculos del cableado puede usar los mismos cálculos que se han explicado para el cableado CC.
Pero tenga en cuenta que la regla general mencionada antes ya no sirve. Para cableados con tensiones de entre 100 y 400 Vac aplique esta regla general:
Corriente nominal / 8 = diámetro del conductor en mm
Sume 1 mm² por cada 5 metros de longitud del cable.
Fusibles y disyuntores
Los fusibles se suelen colocar en el panel de distribución. Cada circuito (grupo) CA tiene su propio fusible. El fusible se ajusta a las dimensiones de la carga esperada y al grosor del cable.
El fusible protege de:
Sobrecarga - cuando hay más corriente en el sistema de la que se puede esperar en condiciones normales.
Cortocircuito - cuando un conductor de fase entra en contacto con el neutro o con la toma de tierra por accidente.
Tradicionalmente, un fusible tiene un hilo que se funde cuando lo atraviesa una corriente excesiva. Cuando el hilo del fusible se derrite, el circuito eléctrico se rompe y ya no puede pasar más corriente por él.
Es más frecuente usar disyuntores automáticos para proteger de un exceso de corriente. Estos dispositivos se llaman: “Disyuntores en miniatura” (Miniature Circuit Breaker o MCB). Este dispositivo tiene dos umbrales que activan su mecanismo de apagado. Un umbral térmico para corrientes de sobrecarga pequeña de larga duración, y un umbral magnético para corrientes elevadas de corta duración como las de los cortocircuitos.
Hay MCB de tres tipos: B, C y D. Todos tienen las mismas características térmicas. Pero tienen diferentes niveles de corriente de cortocircuito.
El tipo B se desconecta a 5 ln (5 corrientes nominales) y se usa normalmente como MCB doméstico.
El tipo C se desconecta a 10 ln y se usa para transformadores y lámparas fluorescentes.
El tipo D se desconecta a 20 ln y se usa para motores grandes, transformadores y lámparas de mercurio.
Cuando se produce una corriente de cortocircuito, con suficiente corriente, el MCB (B, C o D) se apaga en menos de 100 ms.
Conmutador de entrada CA
Se recomienda añadir un conmutador de entrada manual a los sistemas de inversor/cargador. Esto es especialmente útil en sistemas que sean críticos para la misión. Este conmutador permite puentear el inversor/cargador y conecta la entrada de CA (red o generador) directamente a las cargas.
Un conmutador como este resultará de gran utilidad en caso de que el inversor/cargador necesite un cambio de configuración o si algo falla con el inversor/cargador y es necesario retirarlo del servicio.
El conmutador de entrada tendrá que romper el camino de entrada y salida de CA desde y hacia el inversor/cargador y luego tendrá que hacer el circuito de puente. El conmutador necesita ajustarse a la carga de CA completa del sistema.
Consideraciones especiales para el cableado CA de inversores/cargadores en paralelo o trifásicos
Cableado CA
Se pueden conectar varios inversores/cargadores en paralelo para tener un inversor/cargador más grande. Cuando se conecta un sistema en paralelo a una fuente de CA la longitud y el grosor de los cables de CA es importante. A diferencia del cableado CC, para el cableado CA es importante que los cables no sean muy cortos ni muy gruesos. No es aconsejable sobredimensionar los cables de CA. Usar cables demasiado gruesos tiene efectos negativos.
En un sistema en paralelo todos los inversores/cargadores deberían ser idénticos. Pero esto no siempre es así. Cada inversor/cargador tiene un contactor de entrada de CA interno. Estos contactores no son siempre exactamente iguales, pueden tener una pequeña diferencia en su resistencia interna, en comparación con los otros contactores. La pequeña diferencia de resistencia puede hacer que la corriente CA se desvíe de una unidad a otra.
En un sistema en paralelo, la corriente CA debería distribuirse uniformemente entre todas las unidades de inversor/cargador en paralelo.
Cuando la resistencia del cableado es muy baja, la pequeña diferencia en la resistencia de los contactores se convertirá en una diferencia relativamente grande. Y esto resultará en una distribución desigual de la corriente.
La mejor forma de comprobar si este tipo de problema de cableado está afectando a un sistema en paralelo es la siguiente:
Cargue el sistema por completo.
Mida con una pinza amperimétrica las corrientes CA individuales de cada unidad.
Compare las corrientes.
Las lecturas de corriente deberían ser muy similares. Si hay diferencias muy grandes, es que hay un problema con el cableado (o con una conexión).
Fusibles de CA en cadenas en paralelo
Para unidades en paralelo, se recomienda usar un fusible de CA para todas las unidades de esa fase. Tanto en la entrada como en la salida. Se pueden usar varios fusibles conectados de forma mecánica, esto cuenta como un fusible.
Rotación de fase
Las 3 fases: L1, L2 y L3 de una fuente trifásica deben conectarse por orden numérico. Preste especial atención a la rotación de fase de la fuente de CA de la red o del generador. Si se conecta en la rotación incorrecta, el sistema no aceptará la entrada de la red de suministro y solo funcionará en modo inversor. En este caso, cambie dos fases para corregirlo. Una forma rápida de arreglar la rotación de fase es cambiar dos fases al azar y ver si así el sistema del inversor acepta la CA de entrada.
Si se trata de un sistema móvil,es probable que en algún punto haya una conexión al generador o a la red con una rotación de fase mal conectada y el sistema de inversor/cargador rechazará la entrada y permanecerá en modo inversor, agotando así las baterías.
Montar un interruptor de conmutación sencillo que pueda cambiar dos de las fases es una buena solución que arregla inmediatamente el problema de la rotación de fase, sin dilatar la situación. Además del cambio manual, hay también dispositivos automáticos que hacen esto.
Fuente: Wiring Unlimited de Victron Energy
Cableado CA