La selección de los voltajes o tensiones de un sistema eléctrico es crucial para el diseño exitoso del sistema de potencia.
En la labor de escoger el voltaje mas optimo para un edificio debe participar activamente el cliente o representante dueño de la instalación y la parte de venta de equipos. Esto debido a que gran parte de la información necesaria para determinar el voltaje debe estar dada por el cliente y la parte comercial.
Como recomendación en media tensión y baja tensión lo mas optimo es manejar dos niveles de tensión estándares. Si se requieren niveles de tensión especiales se recomienda tener un transformador para estos equipos en particular.
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Voltajes comerciales de acuerdo a diferentes normas
Voltajes estándares de acuerdo a la NEC/NTC2050 (Sección 220.5)
(A) Tensiones. Si no se especifican otras tensiones para el cálculo de cargas del alimentador y los circuitos ramales, se deben aplicar las tensiones nominales de 120, 120/240, 208Y/120, 240, 347, 480Y/277, 480, 600Y/347 y 600 V.
El NEC/NTC2050 define las clases de voltaje de la siguiente manera:
Bajo voltaje (LV): Voltajes nominales del sistema de 1000 V o menos.
Media Tensión (MV): Voltajes nominales del sistema superiores a 1.000 V e inferiores a 100 kV.
Alta Tensión (HV): Voltajes nominales del sistema igual o superior a 100 kV e igual o inferior a 230 kV.
Voltaje extra alto (EHV): Voltajes nominales del sistema superiores a 230 kV pero inferiores a 1000 kV.
Ultra-High Voltage (UHV): Voltajes nominales del sistema iguales o mayores a 1,000kV.”
Voltajes estándares de acuerdo a la norma NTC1340
Voltajes estándares de acuerdo a la Norma IEC60038
Sistemas de AC de 100 V a 1000 V:
| Tensión nominal (Voltios) | ||
|---|---|---|
| Sistemas trifásicos de tres o cuatro hilos | Sistemas monofásicos | |
| 50 Hz | 60 Hz | 60 Hz |
| – | 208/120 | 240/120 |
| – | 240 | – |
| 400/230 | 4808/277 | – |
| 690/400 | 480 | – |
| – | 600/347 | – |
| 1000 | 600 | – |
Sistemas de AC por encima de 1 kV a 35 kV:
| Voltaje en kV | ||||
|---|---|---|---|---|
| Serie I | Serie 2 | |||
| más alto | Nominal | más alto | Nominal | |
| 3.6 | 3.3 | 3 | 4.40 | 4.16 |
| 7.2 | 6.6 | 6 | ||
| 12 | 11 | 10 | ||
| 13.2 | 12.47 | |||
| 13.97 | 13.2 | |||
| 14.52 | 13.8 | |||
| (17.5) | (15) | |||
| 24 | 22 | 20 | ||
| 26.47 | 24.94 | |||
| 36 | 33 | |||
| 36.5 | 34.5 | |||
| 40.5 | 35 | |||
Selección del voltaje en industrias, comercio, oficinas, hospitales y edificios residenciales
Los factores mas importantes que afectan la selección de los niveles de voltaje nominal para los sistemas eléctricos son:
- Tipo y potencia de los equipos.
- Distancia a la que se va a transmitir la potencia (Regulación de voltaje y amperaje).
Tipo y potencia de los equipos eléctricos
La definición del voltaje nominal que tendrá el sistema eléctrico depende del tipo y clasificación de los equipos que requieren el voltaje.
En industrias, el comercio, las áreas de salud y en la parte residencial, generalmente se tienen motores, maquinas especiales, iluminación, oficinas, locales, aires acondicionados y/o ventilación, aire comprimido, salidas eléctricas para mantenimiento, ascensores, piscinas etc.
Por tanto para determinar los voltajes principales de estas áreas se debe conocer…la potencia total de los equipos y el tipo de equipos, para con ello determinar cuales son los voltajes mas adecuados.
Lo primero que se debe hacer es una tabla en donde se tengan todos los equipos que tendrá el edificio, con los datos de potencia, para luego agrupar los que pueden tener un voltaje igual.
En baja tensión comúnmente los computadores e impresoras de una oficina se alimenta a 120V, los servidores, equipos de aire acondicionado tipo minisplit, se alimentan a 208V, los motores, ascensores y aireas acondicionados grandes a 480V, la iluminación puede ser alimentada a 277V, 120V o 208V y los equipos especiales al voltaje recomendado por el fabricante.
Como referencia se puede tener que por debajo de los 200-400kW, los motores se recomiendan alimentarlos a 480V y los motores de más de 400kW se recomiendan alimentarlos con un nivel de voltaje de 4160V.
Los motores de más de 400 kW también se pueden alimentar con 480 V; sin embargo, esto da como resultado un aumento en el costo del motor y el tamaño del motor, lo que no es económico.
Distancia a la que se va a transmitir la potencia (Regulación de voltaje y amperaje).
La regulación de voltaje o caída de tensión aumenta con la distancia entre la fuente y el equipo, por ello mientras mas amplia es esta distancia, mas se debe aumentar el voltaje. Con ello se disminuye los costos en el cableado.
Es mas costoso alimentar un motor eléctrico de…1250kW a 480V que esta a 250m del transformador , que alimentar el mismo motor con 4160V.
Esto se da debido a que el cableado para alimentar el motor a 480V es mucho mas costoso que el cableado para alimentarlo a 4160V, no solo por la caída de tensión y regulación sino también por el amperaje de cada voltaje, recordar que a mayor voltaje menor amperaje.
Como recomendación para transmitir altas potencias a largas distancias, se debe elegir un voltaje de operación más alto.
Ejemplo de determinación de voltajes en una industria
Una industria de mermeladas esta situada a las afueras de una ciudad principal. El operador de la red eléctrica le asigno un voltaje en media tensión de 13800V, sin embargo la asignación de los voltajes de baja tensión son responsabilidad del diseñador eléctrico.
De acuerdo a lo anterior y a los siguientes equipos que se instalaran en la planta industrial se debe determinar los voltajes óptimos en baja tensión:
| kW | Voltaje | |
| Compresores (3 unidades 150kW c/u) | 450 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Maquinas especiales (Contienen motores de 460V, motor mas grande 40hp) | 750 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Aires acondicionados | 1500 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Extracción | 800 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Iluminación | 250 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Salidas eléctricas para mantenimiento | 80 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Oficinas | 50 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Cargador de bus eléctrico | 150 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
| Motor principal de triturado | 1250 | Cliente solicita que se recomiende Voltaje |
El representante del dueño de la planta de producción solicita se le recomiende los voltajes mas óptimos para los equipos y toda la planta industrial.
Para recomendar los voltajes se debe reunir los tipos de equipos que pueden tener un voltaje similar, lo cual se puede hacer en conjunto con el cliente y la parte comercial de compra de los equipos, por tanto reuniremos los siguientes equipos: compresores, maquinas especiales, aires acondicionados, extracción e iluminación, los anteriores equipos pueden tener un voltaje comercial de 480V/277V (NEC/NTC2050), se define este voltaje debido a que es un voltaje comercial que presenta ventajas en baja tensión en cuanto a menor calibre de cable, baja regulación (caída de tensión) y protecciones mas pequeñas, en comparación con voltajes mas pequeños como 208/120V.
Para las salidas eléctricas de mantenimiento y las oficinas se recomienda 208/120V(NEC/NTC2050), esto debido a que la mayoría de los equipos de mantenimiento industrial y oficinas son a 120V (Taladros, computadoras, cortadoras) y 208V(Servidores, soldadores).
Para los cargadores eléctricos se recomienda 480V/277V o 400V, esta ultima tensión es común en equipos de carga eléctrica debido a que la mayoría proceden de Europa. Al hablar con el vendedor del equipo este nos informa que el equipo llegara a una tensión de 400V.
En el caso del motor de triturado este se debe conectar a 4160V, la razón es que conectarlo a un voltaje de 480/277V generaría unos calibres de cableado y protecciones demasiado altos en baja tensión y con ello costos de infraestructura eléctrica elevada.
En resumen los voltajes de la industria quedarían de la siguiente forma:
| kW | Voltaje recomendado | |
| Compresores (3 unidades 150kW c/u) | 450 | 480/277 |
| Maquinas especiales (Contienen motores de 460V) | 750 | 480/277 |
| Aires acondicionados | 1500 | 480/277 |
| Extracción | 800 | 480/277 |
| Iluminación | 250 | 480/277 |
| Salidas eléctricas para mantenimiento | 80 | 208/120 |
| Oficinas | 50 | 208/120 |
| Cargador de bus eléctrico | 150 | 400 |
| Motor principal de triturado | 1250 | 4160 |
La planta industrial de mermeladas tendrá entonces 4 transformadores:
- Transformador(es) de 13800V a 480/277V
- Transformador(es) de 13800V a 208/120V
- Transformador (es) de 13800V a 400/230V
- Transformador(es) de 13800V a 4160/2401V
Lo ideal es que los transformadores queden cercanos a la carga mas grande y con ello disminuir los costos de cableado, por ello se recomienda hacer varias subestaciones dependiendo del espacio disponible y la distribución de las cargas, con ello además de disminuir los costos, también aumenta la confiablidad de la planta de producción.