Dimensionamiento Preciso de Centros de Carga y Tableros: Guía NEC e IEC

Dimensionamiento de Centro de Carga, Tableros, 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 una estimación y análisis adecuados basados en cálculos precisos son imprescindibles al diseñar e instalar un sistema de distribución en aplicaciones residenciales o comerciales. Es porque el tamaño correctamente determinado del centro de carga y tableros transportará y manejará la corriente así como la carga futura (si la hay) de forma segura y suave.

De esta manera, los centros de carga y tableros de distribución deben dimensionarse adecuadamente según NEC e IEC u otros códigos regionales aplicables (similar al dimensionamiento de cable y alambre adecuado, selección del tamaño correcto de MCB o cálculo de la clasificación de enchufes y tomas, etc.). En la guía paso a paso de hoy, mostraremos cómo seleccionar el tamaño correcto del tablero (centro de carga, tablero de distribución o panel de interruptores) según NEC e IEC con ejemplos resueltos.

Tablero, Centro de Carga y Tablero de Distribución o Unidad de Consumo

Diferentes términos se usan para lo mismo, es decir, centro de carga, tablero, tablero de distribución o unidad de consumo. En resumen, un tablero o tablero de distribución es una combinación de múltiples dispositivos de protección como interruptores automáticos que se usa para controlar y distribuir de forma segura la energía eléctrica a los puntos de carga como puntos de iluminación y circuitos finales.

• Términos usados en EE. UU.: Tablero, Centro de carga, Caja de interruptores, Panel de servicio o Panel eléctrico principal.
• Términos usados en Reino Unido y UE: Tablero de distribución (comercial), Unidad de consumo (residencial), Caja de interruptores, Panel principal, etc.

Ya discutimos esto en detalle en nuestra publicación anterior, avancemos al tutorial paso a paso. El siguiente ejemplo también puede usarse para determinar la capacidad de carga del interruptor principal así como para calcular la carga eléctrica total en un hogar.

Cómo Dimensionar un Tablero y Centro de Carga? 120/240V - NEC

Los niveles de voltaje comunes en EE. UU. para aplicaciones residenciales son 120V y 240V monofásicos. Los tres cables (identificados como Caliente 1 color Negro, Caliente 2 color Rojo y Neutro color Blanco) desde el lado secundario del transformador de fase dividida entran en la caja de medidor y panel de servicio principal (Interruptor principal).

De esta manera, el voltaje disponible en un sistema de distribución monofásico es el siguiente:

• Voltaje entre cualquier Caliente (Caliente 1 o Caliente 2) y Neutro = 120V
• Voltaje entre Caliente 1 y Caliente 2 = 240V

La siguiente figura muestra la visión general de una caja de panel, nivel de voltaje entre diferentes conductores y número de interruptores.

 

Nota 1: El siguiente ejemplo se basa en VA (Volt × Amperios) que se conoce como potencia aparente. Puede usar la potencia activa o real (en Vatios) que es igual a Potencia aparente × factor de potencia o VA × FP ya que el factor de potencia en edificios residenciales es casi unidad (1). En este caso, la potencia aparente en VA es igual a la potencia real en W "Vatios".

Ahora veamos el siguiente ejemplo para determinar el tamaño adecuado del tablero (centro de carga o tablero de distribución).

Nota 2: Este ejemplo se basa en NEC que es aplicable en América del Norte, especialmente en EE. UU. y Canadá que siguen NEC y CEC. Consulte los otros ejemplos para IEC y Reino Unido/UE justo después de este ejemplo.

A continuación se muestra una visión general de un panel de servicio principal y sus diferentes partes incluyendo el espacio para puntos de carga futura y circuitos de 120V y 240V.

Ejemplo:

Calcule el tamaño correcto del centro de carga o tablero de distribución para una casa de 1500 ft² (pies cuadrados) o 139.35 m² (metros cuadrados) con los siguientes puntos de carga:

• Aire acondicionado: 240V × 25A = 6000 VA = 6 kVA
• Estufa eléctrica: 240V × 35A = 9600 VA = 8.4 kVA
• Calentador eléctrico: 240V × 30A = 7200 VA = 7.2 kVA
• Secadora de ropa: 240V × 15A = 3600 VA = 3.6 kVA
• Lavavajillas: 120V × 10A = 1200 VA = 1.2 kVA
• Triturador de basura = 120V × 8A = 960 VA = 0.96 kVA
• Dos circuitos de pequeños electrodomésticos en la cocina para refrigeradora, licuadora, etc.
• Iluminación general, ventiladores, electrodomésticos de baño y carga futura, etc.

Solución:

Encontremos y calculemos la potencia nominal para diferentes electrodomésticos basados en el plano sin sótano y garaje usando códigos NEC y tablas relacionadas.

Carga de Iluminación General:

La carga mínima de iluminación general incluyendo receptáculos no electrodomésticos para electrodomésticos domésticos (ej. TV, lámpara de mesa, etc.) para una vivienda es 3 VA por ft² (Tabla NEC 220.12).

De esta manera, la carga de iluminación general para 1500 ft² (dado en el ejemplo):

3 VA × 1500 ft² = 4500 VA = 4.5 kVA

Carga de Pequeños Electrodomésticos

Debe haber al menos dos circuitos de pequeños electrodomésticos de 120V, 20A, es decir, en la cocina para pequeños electrodomésticos como cafetera y tostadoras, etc. (Artículo NEC 210.11(C)(1). Estos circuitos deben clasificarse a 1.5 kVA (Artículo NEC 220.52(A)). De esta manera, las cargas de pequeños electrodomésticos en la casa del ejemplo:

2 × 1500 VA = 3000 VA = 3 kVA

Circuito de Lavandería

Debe haber al menos un circuito de 120V, 20A para el área de lavandería (Artículo NEC 210.11(C)(2). La clasificación VA mínima del circuito de lavandería debe ser 1.5 kVA (Artículo NEC 220.52(B)). De esta manera, la clasificación de carga en el área de lavandería:

1500 VA = 1.5 kVA

De esta manera, la carga total de iluminación general y pequeños electrodomésticos incluyendo circuito de lavandería:

• Iluminación general = 4.5 kVA
• Carga pequeños electrodomésticos = 3 kVA
• Circuito lavandería = 1.5 kVA

Total de iluminación general y pequeños electrodomésticos = 4.5 kVA + 3 kVA + 1.5 kVA = 9 kVA

Factor de Demanda

Como sabemos que no todos los electrodomésticos están operativos a la vez (es decir, solo uno puede usarse, ya sea calentador eléctrico o refrigeradora dependiendo de la temperatura). Similarmente, no todos los equipos están siempre encendidos continuamente como plancha, calentador de agua, iluminación, ventiladores, etc. Por esta razón, los primeros 3 kVA se clasifican al 100% mientras que la carga restante puede clasificarse a un factor de demanda del 35% (Tabla NEC 220.42). De esta manera:

• Los primeros 3 kVA al 100% = 3 kVA
• Los 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 = 5.1 kVA

Cargas de Grandes Electrodomésticos

Las altas potencias, es decir, grandes electrodomésticos con operación continua y no continua deben manejarse de manera diferente. Tenemos los siguientes electrodomésticos de alta potencia en el ejemplo anterior:

• Aire acondicionado: 240V × 25A = 6 kVA
• Estufa eléctrica: 240V × 35A = 8.4 kVA
• Calentador eléctrico: 240V × 30A = 7.2 kVA
• Secadora de ropa: 240V × 15A = 3.6 kVA

Como ya mencionamos, un aire acondicionado o calentador eléctrico pueden usarse al mismo tiempo, es decir, solo un electrodoméstico es necesario operar basado en la temperatura. En este caso, los electrodomésticos con clasificaciones mayores deben tomarse en cuenta (Artículo NEC® 220.82(C)). En nuestro ejemplo, la clasificación del calentador eléctrico (7.2 kVA) es mayor que el aire acondicionado (6 kVA), así que consideraremos el calentador, es decir, 7.2 kVA.

El resto de los electrodomésticos deben clasificarse al 100% excepto la estufa eléctrica ya que se usa por poco tiempo, es decir, es muy no continua comparada con otros electrodomésticos. El factor de demanda permitido para calentador eléctrico de 7.2 kW es 5.76 kW (Tabla NEC 220.55). Asumimos que el factor de potencia es unidad "1" donde potencia aparente = potencia real, ej. kVA = kW. De esta manera:

• Estufa eléctrica: = 8.4 kVA
• Calentador eléctrico = 5.76 kVA
• Secadora de ropa: = 3.6 kVA

Total neto de electrodomésticos de alta potencia = 8.4 kVA + 5.76 kVA + 3.6 kVA = 17.76 kVA

Cargas Diversas

Las cargas diversas dadas en el ejemplo son:

• Lavavajillas = 1.2 kVA
• Triturador de basura = 0.96 kVA

Carga diversa neta = 1.2 kVA + 0.96 kVA = 2.16 kVA

Carga Total

Puntos de Carga	Clasificación kW o kVA
Iluminación general, lavandería y carga pequeña	5.1 kVA
Carga neta de grandes electrodomésticos	17.76 kVA
Carga de electrodomésticos diversos	2.16 kVA
Carga Total	25.02 kVA

Servicio Necesario

Los niveles de voltaje de alimentación comunes en EE. UU. suministrados a hogares residenciales son 120V/240V. Así, podemos usar el nivel más alto de voltaje para determinar el servicio requerido (para amperios) usando la siguiente fórmula.

I = P / V

Donde:

• I = Corriente en Amperios
• P = Potencia en Vatios (o kVA donde FP = 1)
• V = Voltaje en Voltios

Poniendo los valores:

I = 25.02 kVA / 240V

I = 104.25 A

Significa que el servicio requerido es 105A. Pero tenemos que agregar la expansión futura y factor de seguridad también.

Carga Futura:

Es importante agregar un espacio de al menos dos circuitos derivados para expansión futura. El mínimo de 2 interruptores cada uno de min 10A de espacio debe agregarse, es decir, 2 × 10A = 20 A

Total Amperios = 20A + 104.25A = 124.25 A

Factor de Seguridad

Se recomienda agregar un factor de seguridad del 20% al amperaje total ya que los interruptores y sus operaciones en el centro de carga se ven afectados por el aumento de temperatura. De esta manera, la corriente total en amperios:

Total neto Amperios = 20% + 124.25A = 149 A

El tamaño adecuado del centro de carga o panel de distribución = 150 Amperios

Basado en los cálculos anteriores, el tamaño correcto del centro de carga o tablero es 150A que es el valor estándar más cercano al calculado.

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Cómo Dimensionar un Tablero de Distribución? 3-Fases, 400V - IEC

En el siguiente ejemplo, le mostraremos cómo calcular el tamaño correcto de un tablero de distribución trifásico de 400V que es mayormente aplicable en países que siguen las reglas IEC, ej. Reino Unido, UE y ex colonias británicas.

Ejemplo:

¿Cuál es el tamaño correcto de un tablero de distribución trifásico si la carga total estimada en una casa es 50 kVA. La carga es una combinación de sistemas monofásicos y trifásicos (400V y 230V AC) incluyendo aire acondicionado, refrigeradora, estufa eléctrica, bombas de agua, lavadoras y puntos de iluminación general, etc. Considere el factor de potencia de 0.9.

Solución:

Primero, encontraremos los amperios requeridos usando la fórmula de corriente trifásica.

P = √3 × V × I × Cos φ

I = P / (√3 × V × Cos φ)

Poniendo los valores:

I = 50 kW / (√3 × 400V × 0.9)

I = 80.18 A

Factor de Demanda o Diversidad:

El factor de diversidad general es 80% de la carga conectada (ver IEC 60439 para más detalles). En este caso:

80% × 80.18 A = 64.15 A.

Expansión Futura:

La regla general para factor de seguridad es 20%. Así que puede agregarlo también si es necesario.

20% × 64.15 A = 76.98 A

Factor de Seguridad

El rango mínimo seguro del factor de seguridad es 20-25%. Así que lo agregaremos al valor calculado de corriente de carga como sigue:

25% × 76.98 A = 96.22 A

Ahora, la clasificación estándar más cercana de MCCB será 100A para el tablero de distribución trifásico 400V que es el tamaño adecuado para manejar una carga de 50 kW.

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Cómo Dimensionar una Unidad de Consumo? Monofásica, 230V - IEC

El siguiente ejemplo le mostrará cómo encontrar el tamaño correcto de una unidad de consumo monofásica 230V AC o unidad de garaje 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 12 kVA.

Solución:

Generalmente, el factor de potencia de hogares residenciales con cargas normales se considera unidad "1". De esta manera, 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, tendremos que calcular primero la corriente de carga usando la fórmula general de corriente en amperios para circuitos monofásicos.

Primero, encontraremos los amperios requeridos usando la fórmula de corriente trifásica.

P = V × I × Cos φ

I = P / (V × Cos φ)

Poniendo los valores:

I = 12 kW / (230V × 1)

I = 52.17 A

Factor de Demanda o Diversidad:

El factor de diversidad general es 80% de la carga conectada (Puede seleccionar el % apropiado según el tipo de carga en IEC 60439). En este caso:

80% × 52.17 A = 41.74 A

Expansión Futura:

La regla general para factor de seguridad es 20%. Así que puede agregarlo también si es necesario.

20% × 41.74 A = 50 A

Factor de Seguridad

El rango mínimo seguro del factor de seguridad es 20-25%. Así que lo agregaremos al valor calculado de corriente de carga como sigue:

25% × 50 A = 62.5 A

De esta manera, podemos seleccionar la clasificación estándar más cercana de MCCB que es 63A para la unidad de consumo monofásica 230V. Basado en el cálculo, este MCB o MCCB de 63A es el tamaño correcto para manejar una carga de 12kW en hogares residenciales.

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