¿Dimensionamiento del centro de carga, paneles, tablero de distribución y unidad de consumo según NEC e IEC?
La planificación es la primera y clave prioridad para todos los proyectos de cableado eléctrico y se debe realizar una estimación y un análisis adecuados basados en cálculos precisos al diseñar e instalar un sistema de distribución en aplicaciones residenciales o comerciales. Esto se debe a que el tamaño correctamente determinado del centro de carga y de los paneles transportará y manejará la carga actual y futura (si la hubiera) de forma segura y sin problemas.
De esta manera, los centros de carga y los tableros de distribución deben dimensionarse adecuadamente de acuerdo con NEC e IEC u otros códigos regionales aplicables (de manera similar, dimensionar un alambre y cable adecuados, seleccionar MCB del tamaño correcto o calcular la clasificación de enchufes y tomacorrientes, etc.). En la guía paso a paso de hoy, mostraremos cómo seleccionar un panel del tamaño correcto (centro de carga, tablero de distribución o panel de disyuntores) de acuerdo con NEC e IEC con ejemplos resueltos.
Panel, centro de carga y tablero de distribución o unidad de consumo
Se utilizan diferentes términos para el mismo, es decir, centro de carga, panel, tablero de distribución o unidad de consumo. En resumen, un panel o tablero de distribución es una combinación de múltiples dispositivos de protección, como disyuntores, que se utiliza para controlar y distribuir de forma segura la energía ecléctica a los puntos de carga, como puntos de iluminación y circuitos finales.
- Términos utilizados en EE. UU.: Panelboard, Centro de carga, Caja de disyuntores, panel de servicio o cuadro eléctrico principal.
- Términos utilizados en el Reino Unido y la UE: Tablero de distribución (comercial), unidad de consumo (residencial), caja de disyuntores, panel principal, etc.
Ya lo hemos discutido en detalle en nuestra publicación anterior, avancemos al tutorial paso a paso. El siguiente ejemplo también se puede utilizar para determinar la capacidad de carga del disyuntor principal así como también se puede utilizar para calcular la carga eléctrica total en una casa.
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Los niveles de voltaje comunes en los EE. UU. para aplicaciones residenciales son 120 V y 240 V monofásicos. Los tres cables (identificados como Vivo1 como color negro, Vivo 2 como color rojo y Neutro como color blanco) del lado secundario del transformador dividido ingresan a la caja del medidor y al panel de servicio principal (disyuntor del interruptor principal).
De esta forma, la tensión disponible en un sistema de distribución monofásico es la siguiente:
- Voltaje entre cualquier Vivo (Vivo 1 o Vivo 2) y Neutro = 120V
- Voltaje entre Hot 1 y Hot 2 = 240 V
La siguiente figura muestra la descripción general de una caja de panel, el nivel de voltaje entre los diferentes conductores y la cantidad de disyuntores.
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Nota 1: El siguiente ejemplo se basa en VA (voltios x amperios), que se conoce como potencia aparente. Se puede utilizar la potencia activa o real (en Watts) que es igual a Potencia aparente x factor de potencia o VA x PF ya que el factor de potencia en edificios residenciales es casi la unidad (1). En este caso, la potencia aparente en VA es igual a la potencia real en W “Watts”.
Ahora veamos el siguiente ejemplo para determinar el tamaño adecuado del panel (centro de carga o tablero de distribución).
Nota 2: Este ejemplo se basa en NEC, que es aplicable en Norteamérica, especialmente en EE. UU. y Canadá, que sigue a NEC y CEC. Consulte los otros ejemplos de IEC y Reino Unido/UE justo después de este ejemplo.
A continuación se muestra una descripción general de un panel de servicio principal y sus diferentes partes, incluido el espacio para futuros puntos de carga y circuitos de 120 V y 240 V.
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Ejemplo:
Calcule el tamaño correcto del centro de carga o tablero de distribución para 1500 pies2 (pie cuadrado) o 139,35 m2 (metros cuadrados) plano de planta de la vivienda que tiene los siguientes puntos de carga:
- Aire acondicionado: 240V x 25A = 6000 VA = 6 kVA
- Rango eléctrico: 240V x 35A = 9600 VA = 8,4 kVA
- Calentador eléctrico: 240V x 30A = 7200 VA = 7,2 kVA
- Secadora de ropa: 240V x 15A = 3600 VA = 3,6 kVA
- Lavavajillas: 120V x 10A = 1200 VA = 1,2 kVA
- Eliminación de basura = 120V x 8A = 960VA = 0,96 kVA
- Dos circuitos de pequeños electrodomésticos en la cocina para frigorífico, persiana, etc.
- Iluminación general, ventiladores, electrodomésticos de baño y carga futura etc.
Solución:
Busquemos y calculemos la potencia nominal de diferentes electrodomésticos según el plano de planta sin sótano ni garaje utilizando códigos NEC y tablas relacionadas.
Carga de iluminación general:
La carga mínima de iluminación general, incluidos los receptáculos que no sean electrodomésticos (por ejemplo, TV, luz de mesa, etc.) para una vivienda, es de 3 VA por pie.2 (Cuadro 220.12 del NEC).
De esta manera, la carga de iluminación general para 1800 pies2 (dado en el ejemplo):
3 VA x 1500 pies2 = 4500 VA = 4,5kVA
Carga de pequeños electrodomésticos
Debe haber al menos dos circuitos para electrodomésticos pequeños de 120 V y 20 A, es decir, en la cocina, para electrodomésticos pequeños como cafeteras, tostadoras, etc. (artículo 210.11(C)(1) del NEC). Estos circuitos deben tener una potencia nominal de 1,5 kVA (artículo 220.52 del NEC). (A) De esta forma, los pequeños electrodomésticos se cargan en la casa de ejemplo dada:
2 x 1500 VA = 3000 VA = 3kVA
Circuito de Lavandería
Debe haber al menos un circuito de 120 V, 20 A para el área de lavandería (Artículo 210.11(C)(2) del NEC). La clasificación mínima en VA del circuito de lavandería debe ser de 1,5 kVA (Artículo 220.52(B) del NEC). Calificación en el área de lavandería:
1500 VA = 1,5kVA
De esta forma, la clasificación total del circuito de iluminación general y pequeños electrodomésticos incluido el de lavandería:
- Iluminación general = 4,5 kVA
- Carga de electrodomésticos pequeños = 3 kVA
- Circuito de lavandería = 1,5 kVA
Total de iluminación general y pequeños electrodomésticos = 4,5 kVA + 3 kVA + 1,5 kVA = 9kVA
Factor de demanda
Como sabemos, no todos los aparatos eléctricos están operativos a la vez, es decir, solo uno puede usarse como calentador eléctrico o refrigerador dependiendo de la temperatura. De manera similar, no todos los equipos siempre están encendidos continuamente, como plancha eléctrica, calentador de agua, iluminación, ventiladores, etc. Por esta razón, los primeros 3 kVA están clasificados al 100% mientras que la carga restante puede clasificarse con un factor de demanda del 35% ( Cuadro NEC 220.42). Por aquí
- Los primeros 3 kVA al 100% = 3 kVA
- 6 kVA restantes (9 kVA – 3 kVA) al 35 % = 2,1 kVA
Total neto de iluminación general y pequeños electrodomésticos = 3 kVA + 2,1 kVA = 5,1kVA
Grandes cargas de electrodomésticos
Los valores de potencia elevados, por ejemplo, los electrodomésticos grandes con funcionamiento continuo y no continuo, deben manejarse de forma diferente. Tenemos los siguientes electrodomésticos de alta potencia en el ejemplo anterior:
- Aire acondicionado: 240V x 25A = 6 kVA
- Autonomía eléctrica: 240V x 35A = 8,4 kVA
- Calentador eléctrico: 240V x 30A = 7,2 kVA
- Secadora de ropa: 240V x 15A = 3,6 kVA
Como ya hemos mencionado anteriormente, se puede utilizar un aire acondicionado o un calentador eléctrico al mismo tiempo, es decir, solo se necesita un aparato para funcionar según la temperatura. En este caso, se deben tener en cuenta los electrodomésticos con clasificaciones más altas (Artículo 220.82(C) de NEC®). En nuestro ejemplo, la potencia del calentador eléctrico (7,2 kVA) es mayor que la del aire acondicionado (6 kVA), por lo que consideraremos el calentador entonces, es decir, 7,2 kVA.
El resto de los electrodomésticos deben tener una potencia nominal del 100 %, excepto la autonomía eléctrica, ya que se utiliza durante poco tiempo, es decir, es muy discontinua en comparación con otros electrodomésticos. El factor de demanda permitido para un calentador eléctrico de 7,2 kW es 5,76 kW (Tabla NEC 220.55). Supusimos que el factor de potencia es la unidad, es decir, “1”, donde potencia aparente = potencia real, por ejemplo, kVA = kW. Por aquí;
- Autonomía eléctrica: = 8,4 kVA
- Calentador eléctrico = 5,76 kVA
- Secadora de ropa: = 3,6 kVA
Total neto de electrodomésticos de gran potencia = 8,4 kVA + 5,76 kVA + 3,6 kVA = 17,76kVA
Cargas varias
Las cargas diversas dadas en el ejemplo son:
- Lavavajillas = 1,2 kVA
- Eliminación de basura = 0,96 kVA
Clasificación de carga miscelánea neta = 1,2 kVA + 0,96 kVA = 2.16 kVA
Carga total
| Puntos de carga | Clasificación en kW o kVA |
| Iluminación general, lavandería y carga pequeña. | 5,1kVA |
| Carga neta de electrodomésticos grandes | 17,76kVA |
| Carga de electrodomésticos varios | 2,16kVA |
| Carga total | 25,02kVA |
Servicio necesario
Los niveles de voltaje de suministro comunes en los EE. UU. suministrados a hogares residenciales son 120 V/240 V. Por lo tanto, podemos usar el nivel más alto de voltaje para determinar el servicio requerido (en amperios) usando la siguiente fórmula.
I = P/V
Dónde:
Poniendo los valores;
I = 25,02 kVA / 240V
I = 104,25A
Es decir, el servicio requerido es 105A. Pero también hay que añadir el factor de futura expansión y seguridad.
Carga futura:
Es importante agregar un espacio de al menos dos circuitos derivados para una futura ampliación. Se debe agregar un mínimo de 2 disyuntores cada uno con un espacio mínimo de 10 A, es decir, 2 x 10 A = 20A
Los amperios totales = 20 A + 104,25 A = 124.25A
Factor de seguridad
Se recomienda agregar un factor de seguridad del 20% al amperaje total ya que los disyuntores y sus operaciones en el centro de carga se ven afectados por el aumento de la temperatura. De esta forma, la corriente total en amperios:
Amperios totales netos = 20% + 124,25A = 149A
El tamaño adecuado del centro de carga o panel de distribución = 150 amperios
Con base en los cálculos anteriores, el tamaño correcto del centro de carga o panel del teclado es 150A que es el más cercano disponible al valor calculado.
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¿Cómo dimensionar un tablero de distribución? Trifásico, 400 V – IEC
En el siguiente ejemplo, le mostraremos cómo calcular el tamaño correcto de un tablero de distribución trifásico de 400 V, que se aplica principalmente en países que siguen las normas IEC, por ejemplo, el Reino Unido, la UE y las antiguas colonias británicas.
Ejemplo:
¿Cuál es el tamaño adecuado de un cuadro de distribución trifásico si la carga total estimada en una vivienda es de 50 kVA? La carga es una combinación de sistemas monofásicos y trifásicos (400 V y 230 V CA), que incluyen aire acondicionado, refrigerador, estufa eléctrica, bombas de agua, lavadoras y puntos de iluminación general, etc. Considere el factor de potencia de 0,9.
Solución:
En primer lugar, encontraremos los amperios necesarios utilizando la fórmula de corriente trifásica.
P = √3 x Vx I x Cos Ф
I = P / √3x V x Cos Ф
Poniendo los valores:
I = 50kW x / √3x 400V x 0,9
I = 80.18A
Factor de Demanda o Diversidad:
El factor de diversidad general es el 80 % de la carga conectada (consulte IEC 60439 para obtener más detalles). En este caso,
80% x 80,18A = 64,15 A.
Futura expansión:
La regla general para el factor de seguridad es del 20%. Así que también puedes agregarlo si es necesario.
20% x 64,15A = 76,98 A
Factor de seguridad
El rango mínimo de seguridad del factor de seguridad es del 20 al 25 %. Entonces lo agregaremos al valor calculado de la corriente de carga de la siguiente manera:
25% x 76,98 A = 96.22A
Ahora, La clasificación estándar disponible más cercana de MCCB será 100 A. para el cuadro de distribución trifásico de 400 V, que tiene el tamaño adecuado para manejar una carga de 50 kW.
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¿Cómo dimensionar una unidad de consumo? Monofásico, 230V – IEC
El siguiente ejemplo le mostrará cómo encontrar el tamaño correcto de unidad de consumo o unidad de garaje monofásica de 230 VCA y MCB/MCCB asociado para manejar la carga residencial.
Ejemplo:
Encuentre el tamaño adecuado de una unidad de consumo monofásica si la carga total estimada en una casa es de 12 kVA.
Solución:
Generalmente, el factor de potencia de las viviendas residenciales con cargas normales se considera unidad “1”. De esta forma, la carga total en kVA = kW, es decir, la potencia aparente es igual a la potencia real en vatios debido a la ausencia de factor de potencia.
Ahora, primero tendremos que calcular la corriente de carga usando la fórmula general de corriente en amperios para circuitos monofásicos.
En primer lugar, encontraremos los amperios necesarios utilizando la fórmula de corriente trifásica.
P = Vx I x Cos Ф
I = P / V x Cos Ф
Poniendo los valores:
I = 12 kW x / 230 V x 1
I = 52.17A
Factor de Demanda o Diversidad:
El factor de diversidad general es el 80% de la carga conectada (puede seleccionar el porcentaje adecuado según el tipo de carga en IEC 60439). En este caso,
80% x 52,17A = 41,74 A
Futura expansión:
La regla general para el factor de seguridad es del 20%. Así que también puedes agregarlo si es necesario.
20% x 41,74A = 50 A
Factor de seguridad
El rango mínimo de seguridad del factor de seguridad es del 20 al 25 %. Entonces lo agregaremos al valor calculado de la corriente de carga de la siguiente manera:
25% x 50 A = 62,5 A
De esta manera, podemos seleccionar la clasificación estándar disponible más cercana de MCCB, que es 63 A para la unidad de consumo monofásica de 230 V. Según el cálculo, esto 63A MCB o MCCB Tiene el tamaño adecuado para manejar una carga de 12 kW en viviendas residenciales.
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