Descripción: FUNDAMENTOS DE INSTALACIONES ELECTRICAS
Descripción: clase sobre instalaciones electricas
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Descripción: INGENIERÍA AGRÍCOLA - FCA - UNASAM
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Descripción: Instalaciones Electricas de una casa.
Descripción: Conceptos de instalaciones electricas domiciliarias BT
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I'
FUNDAMENTOS DE INSTAlACIONES ElECTRICAS
FUNDAMENTOS DE INSTALACIONES ELECTRICAS .,
JOSEPH H. FOLEY Volt Information Services, Inc. Traduccion:
JOSE HERNAN PEREZ CASTELLANOS Ingeniero Industrial Profesor Titular, I. P. N. Revision Tecnica:
JULIO FOURNIER GONZALEZ Ingeniero Nuclear ESIME, ESFM, I. P. N. M. en C. Ciencias Nucleares Facultad de Quimica, V.N.A.M.
McGRAW-HILL MEXICO. BOGOTA. BUENOS AtRES • GUATEMALA. LlSBOA • MADRID NUEVA YORK. PANAMA. SAN JUAN. SANTIAGO. sAo PAULO AUCKLAND. HAMBURGO • JOHANNESBURGO • LONDRES • MONTREAL NUEVA DELHI. PARIS. SAN FRANCISCO. SINGAPUR ST. LOUIS. SIDNEY .TOKIO .TORONTO
Impreso en MlIxico Esta obra se termin6 de imprlmir en mayo de 1985 en Litografica Ingramex, S. A. Centeno 162 Col. Granjas Esmeralda Delegaci6n Iztapalapa 09810 Mexico, D.F. Se tiraron 3700 ejemplares
8012346795 Printed in Mexico
NOTA DEL EDITOR En la traduccion del presentc libra, hemos procurado expresar fielmente el pensamiento del autor respetando las unidades de medida utilizadas en el texto. Para conveniencia del !ector, solo se han agregado, donde hemos creido necesario, las conversiones de las unidades de medida que emplea el autor al Sistema Internacional de Unidades (SI). Para seguridad de los usuarios y de los tecnicos que manipulan la electricidad. ser[ln de particular interes los capitulos 4 y 16. En ellos, el autor nos il ustra sobre 10 que hay que hacer en casos de accidente y la razon de emplear los sistemas de proteccion a tierra y los sistemas de control remoto a bajo voltaje. Existen diferencias entre los materiales y equipos usados en nuestro pais y los que sc detallan en el texto, 10 mismo que entre n uestros reglamentos y los de Estados U nidos. Dado el acelerado desarrollo de la industria elCctrica y el uso de nuevos materiales, todas las regIa mentaciones estan en constante revision. EI autor recomienda que se mantenga al dia y que consulte los codigos y reglamentos locales.
v
·CONTENIDO · PREFACIO
x
CAPiTULO 1 ELECTRICIDAD BAsICA
1
Electricidad estatica . Pequeno, mas pequeno, pequenisimo: moleculas, atomos, electrones .. Sistema metrico internacional . Unidades de medici6n electrica . Ley de Ohm. Conduct ores y aisladores . Preguntas de repaso.
CAPiTULO 2 CIRCUITOS ELECTRICOS
15
Circuito elect rico basico . Potencla electnca (ley de Watt) . Corriente continua. Preguntas de repaso .
CAPITULO 3 CORRIENTE ALTERNA
28
Maquinas de corriente aIterna . Caracteristicas de la corriente alterna . Preguntas de repaso
CAPiTULO 4 INSTALACIONES SEGURAS . SEGURIDAD EN EL TRABAJO
55
El Palacio de la Electricidad . El National Electrical Code (C6digo Nacional Electrico de Estados Unidos) . Los Underwriters' Laboratories (Laboratorios para Aseguradoras) . Dibujos arquitect6nicos y especificaciones . C6digos electricos locales . Choque electrico . Dispositivos de seguridad . Conexi6n a tierra para protecci6n . Si sucede un accidente . Preguntas de repaso
CAPITULO 5 EQUIPO DE PRUEBA Y HERRAMIENTAS
72
Probadores . Medidores . Herramientas con motor. Herramientas de mano del electricista . Herramientas de mana comunes . Preguntas de repaso
CAPiTULO 6 TRABAJO CON ALAMBRE Y CABLE
91
Alambre y cable . Tamanos de alambre . Materiales conductores . Materiales aislantes . Tipos de cable . Selecci6n del tamano correcto del conductor y aislamiento del cable. Remoci6n de los aislamientos de los cables Remoci6n del aislamiento de los conductores . Empalme de conductores . Conexi6n de los alambres a las terminales . Preguntas de repaso. vii
CAPiTULO 7 TRABAJO CON CONDUIT
115
Tipos y usos . Tamafios y capacidad de con'lUctores . Conduit rigido e intermedlO . Tuberia electrica metalica (TEM) Conduit flexible. Conduit no metalico . Instalaci6n del cO!1Juit en los edificios . Instalaci6n de los cond '.ctores en el conduit. Sustentaci6n de los conductores en tI conduit. Preguntas de repaso
CAPiTULO 8 TRABAJO CON CAJAS ELECTRICAS (REGISTROS)
135
Tipos y usos . Normalizaci6n . Tamafio de las cajas y capacidad de conductores . Instalaciones nuevas y ~'iejas . Ubicaci6n de las cajas . Montaje de las cajas en obras nuevas. Montaje de las caja~ en obras viejas . Cajas hermeticas . Preguntas de repaso
CAPiTULO 9 APAGADORES, CONTACTOS Y ARTEFACTOS
154
Conmutaci6n . Tipos de apagadores . Marcas en los apagadores y contactos . Auxiliares para el montaje y alambrado . Prueba de los apagadores y contactos . Artefactos incandescentes . Artefactos fluorescentes . Preguntas de repaso
CAPiTULO 10 PROTECCION CONTRA SOBRECORRIENTE
179
Causas de la condici6n de sobrecorriente . Fusibles . Interruptores automaticos de circuito . Protecci6n del circuito por falla de conexi6n a tierra. Preguntas de repaso
CAPiTULO 11 ENTRADA DE SERVICIO
192
Distribuci6n de potencia de CA . Entrada de serV1ClO . Linea de servicio (acometida) . Portamedidor Interruptor principal de desconexi6n . Tablero de servicio . Sistemas de e1ectrodos de conexi6n a tierra. Ca1culo de la carga . Determinaci6n del numero de circuitos derivados . EI medidor electrico . Preguntas de repaso
CAPiTULO 12 COMO USAR LOS DIAGRAMAS ELECTRICOS
218
Dibujos arquitect6nicos . Diagramas electricos . Preguntas de repaso
CAPiTULO 13 ALAMBRADO DE CIRCUITOS BASICOS
227
Circuitos de una sola y de varias tomas de corriente . Circuitos con un solo apagador . Circuitos con varios apagadores . Instalaci6n de contactos divididos . Planificaclon del alambrado de ram ales (circuitos derivados) . Repaso de los aspectos basic os del alambrado . Alambrado de una cas a pequefia . Preguntas de repaso
viii
Contenido
CAPITULO
1.4
PRUEBA Y LOCALIZACION DE FALLAS EN LOS CIRCUITOS BASICOS f)
:el
253
Obras nuevas v viejas . Secuencia de las pruebas . Equipos de prueba . Procedimientos de prueba a baja tension. Procedimiento de prueba ... pleno voltaje . Localizacion de fallas en los circuitos . Preguntas de repaso
CAPITULO 15 INSTALACION ELECTRICA EN EDIFICIOS TERMIl'iADOS
270
Planeacion . Procedimientos especiales . Diagramas de circuitos viejos . Trabajos tipicos en obras vie]as . Preguntas de repaso
CAPITULO 16 ALAMBRADO DE CIRCUITOS DE BAJA TENSION
290
Transformadores de baja tension. Alambrado de baja tension. Instalacion y alambrado de una antena . Montaje de una antena . Control remoto . PreguIitas de repaso
GLOSARIO
311
INDICE ANALITICO
317
Contenido
ix
•
r
I
· PREFACIO· Fundamentos de instalaciones electricas presenta al principiante los materiales y metodos que se aplican en el alambrado de residencias. Para 10 anterior se requiere conocimiento previo de la materia. El material esta organizado en una secuencia que permite al estudiante moverse con confianza a medida que estudia el tema. Cada capitulo se apoya en el que Ie antecede, y es su continuacion logica. La introduccion de cada capitulo describe la manera en que su contenido puede aplicarse a situaciones practicas en el alambrado electrico. Cuando resulta apropiado, esta introduccion tambien relaciona el contenido del capitulo con otros temas que se encuentran en el libro. Cada capitulo va seguido por preguntas de repaso. Las preguntas estan concebidas para reforzar el proceso de aprendizaje v examinar al estudiante acerca de su comprension de las reglas de los codigos y las practicas del ramo electrico. Las preguntas resumen los puntos principales que el estudiante debe aprender en cada capitulo; tambien permiten que el estudiante y el profesor midan el progreso e identifiquen aquello que requiera mas dedicacion. Se pretende que algunas preguntas estimulen el analisis; otras hacen necesario que el estudiante consulte el National Electrical Code y las normas y codigos nacionales. El autor cree que los estudiantes deben familiarizarse con la organizacion del material en el NEC y los codigos nacionales y aprender a localizar la informacion. Por esta razon, se han mantenido en un minimo dentro del texto las referencias exactas de codigos, con el fin de inducir a los estudiantes a hacer uso directo del NEC, las normas y los codigos. Las unidades electricas de medicion c:'}ue se us an en este libro son lasrecomendadas por la Metric Guide/or Educational Materials, publicada por el American National Metric Council. Sin embargo, en todo aquello no relacio-
x
nado con unidades electricas, en este libro se emplean medidas tradicionales para conformarse al uso de las normas y codigos establecidos en los catalogos y folletos de los principales fabricantes de material electrico. Laestructura y contenido de este libro han sido examinados con todo cuidado por revisores competentes. Antes de escribir el texto, un bosquejo detallado dellibro propuesto fue revisado y aprobado por un grupo de educadores familiarizados con ias necesidades de la ensefianza vocacional. Durante la etapa de preparacion, el manuscrito y las ilustraciones fueron igualmente revisados por educadores experimentados. Estamos profundamente agradecidos con todos ellos por su guia y comentarios.
RECONOCIMIENTOS Muchos fabricantes y organizaciones summlstraron material impreso e ilustraciones de productos, 10 cual constituyo la base para las ilustraciones de este libro. En especial, damos las gracias a Midland-Ross Corporation, General Cable Corporation, Slater Electric, Inc., Ideal Industries, General Electric Company, Amprobe Instruments, Square D Company, Underwriters' Laboratories, Inc. y la National Fire Protection Association. Tambien debemos agradecer a la New York State Division of Housing and Community Renewal por el permiso para usar material del manual de la construccion del Estado de Nueva York. Por ultimo, deseo agradecer ami esposa, Christine, sus valiosas sugerencias editoriales y el cuidado con el que edito mi manuscrito. Joseph H. Foley para Volt Information Sciences
1
ElECTRICIDAD BASICA
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• INTRODUCCION • La energia realiza trabajo. La electricidad es una forma de energia. La electricidad puede suministrar luz cuando y donde se Ie necesite, puede producir calor para calentarnos y cocinar, y puede hacer que los motures fl!7'.cionen para efectuar trabajo. La electricidad lIeva a cab') estas tareas cuando esta bajo control. Ellector ha vis to los rayos cortar el cielo de verano y, tal vez, daiiar las construcciones 0 producir incendios. Cuando lIueve con intensidad 0 sopla con fuerza el viento es posible que haya visto chis pazos y relampagos salir de las !ineas de energia electrica. De cuando en cuando probable mente haya sentido un ligero pero desagradable choque al tocar un aparato electrico. Estas son solo unas cuantas de las cosas que suceden cuando la electricidad esta fuera de contro!' Bien diseiiados y correctamente instalados, los sistemas electricos mantienen a la electricidad bajo control. Un buen sistema elect rico tam bien conserva la energia. Cuando el alambre, cable, interruptores, artefactos y tomas de corriente se usan con propiedad, cuando se evitan las practicas antieconomicas en las instalaciones electricas, la energia electrica actua eficientemente al necesitarla. La mejor manera de aprender a realizar un trabajo efectivo y seguro, con la eIectricidad es saber primero que es esta ultima y como se com porta. Todos podemos ver que hace la electricidad, pero no podemos ver a la propia electricidad. A pesar de elIo, para saber como se comporta la electricidad, debemos aprender a pensar en ella como si pudieramos verla. Por fortuna, la mejor explicacion de la energia electrica, la teo ria electr6nica es facil de comprender. Esta teoria ayuda a formar imagenes en la mente de la forma en que fluye la electricidad, que la hace fluir y que la hace dejar de fluir. Este capitulo informa allector acerca de la teoria electronica. Lealo con cuidado; Ie ayudara a comprender la electricidad y las reglas de las instalaciones electricas que los electricistas deben conocer.
Para demostrar 10 anterior, se utilizaran materiales simples que gene ran pequeiias cargas estaticas. A continuacion se transferiran estas cargas a peq ueiios trozos de material ligero. En s"guida se hara yue estos trocitos de material se muevar:, sin que se aplique a ellos fuerza visible alguna. Al observar la manera en que se mueven los trocitos de material, podemos aprender algo sobre como actuan todas las cargas eiectricas. La electricidaJ estatica se puede demostrar con muchas clases diferentes de material, algunos de los cuales ~e enumeran a continuacion.
1. Dos bolitas de pasta de papel suspendidas por un hila en dos soportes movibles. 2. Materiales generadores estaticos. Un juego consta de una barra de vidrio y un trozo de tela de seda; el otro, de una barra de caucho duro y un trozo de piel peluda. Para obtener los mejores resultados, la demostracion se debe hacer en un dia seco (no humedo 0 lIuvioso). E!ijase una zona protegida contra corrientes de aire que podrian afectar los resultados. Ahora siganse los pasos que se indican a continuacion.
Paso 1. Coloquense los soportes con las bolitas colgadas, sobre una mesa. Dejese entre ellos una distancia de aproximadamente un pie (30 cm). Paso 2. Frotese la barra de vidrio con rapidez contra el trozo de tela de seda durante 15 0 20 segundos. Paso 3. Sostengase la barra cerca de una de la bolitas de papel. La bolita oscilara hacia la barra y se pegara a ella. Paso 4. Alejese la barra lentamente hasta que el tiron de la bolita sea leve y cuelgue libre. En el paso 2 se genero una carga estatica sobre la barra de vidrio. En el paso 3 se transfirio esta carga a una de las bolitas. Paso 5. Frotese la barra de caucho contra la piel (Fig. I-I ).
ELECTRICIDAD ESTATICA Se pueden utilizar los principios de una forma de la energia, lIamada "electricidad estatica", con el fin de demostrar como actuan las cargas electricas. La electric idad estatica es la energia que, por ejemplo, provoca el choque que sentimos al tocar la manija de la puerta de un automovil, despues de deslizarnos frotandonos contra el asiento. Tambien es electricidad estatica la energia que hace que cierta ropa se pegue al cuerpo.
2
Fundamentos de Instalaciones Electricas
Paso 6. Sostengase esta barra cerca de la otra bolita. La bolita oscilara hacia la barra y se pegara a ella. Paso 7. Alt!jese la barra de modo que la bolita cuelgue libremente. En el paso 5 se genero una carga estatica sobre la barra de caucho. En el paso 6 se transfirio esta carga a la bolita. Paso 8. Acerquense los soportes uno al otro con las bolitas colgando. A medida que los soportes se aproxi-
les Itide
LOS DOS MATERIALES SON ELE:CTRICAMENTE NEUTROS. EL MISMO NUMERO DE + Y DE -
de za en re BOLITAS DE PAPEL
In
1-
n
BARRA DE CAUCHO
LAS CAR GAS NEGATIVAS SE MUEVEN DE LA BOLITA HACIA LA BARRA
BARRA DE VIDRIO
BOLITA DE PAPEL
DESPUE:S DE FROTAR, LA BARRA DE CAUCHO TIENE MAs - QUE +
ENTONCES LA BOLITA TIENE CARGA POSITIVA
CUANDO SE USAN UNA BARRA DE VIDRIO Y TELA DE SEDA, LA BARRA DE VIDRIO TIENE MAs + QUE-
Figura I-I. Producci6n de carga estatica por fricci6n.
man entre Sl, las bolitas oscilaran una hacia la otra. Al aproximarse 10 suficiente, se tocanin (Fig. 1-2). Las cargas estaticas de las dos clases se pueden representar por los signos positivos (+) y negativo (-). Los materiales usados para generar las cargas hicieron que cada barra tuviera una carga diferente. La barra de vidrio se cargo positivamente y la de caucho se cargo negativa-
BOLITAS DE PAPEL
LAS CARGAS NEGATIVAS SE MUEVEN DE LA BARRA HACIA LA BOLITA BARRA DE CAUCHO
BOLITA DE PAPEL
ENTONCES LA BOLA TIENE CARGA NEGATIVA
Figura 1-2. Bolitas de pasta de papel que se atraen entre Sl.
Figura 1-3. Transferencia de la carga estatica hacia las bolitas de papel: a) usando la barra de vidrio; b) usando la barra de caucho. Eleel ricidad basica
J
-
r
mente. Estas cargas se transfirieron a las bolitas (Fig. 1-3). Al recibir cargas opuestas, las bolas se atrajeron entre si. Esto demuestra una ley electrica basica: cargas contrarias se atraen. Usense ahora los mismos materiales para llevar a cabo est os pasos: Paso 1. Toquese con el dedo cada una de las bolitas durante un instante. Esto elimina las cargas aplicadas con anterioridad y ahora las bolitas estan descargadas. Paso 2. Coloquense los soportes tan cercanos entre si como sea posible. Paso 3. Frotese la barra de vidrio contra el trozo de tela de seda para recargaria. Paso 4. Toquese una de la bolitas con la barra de vidrio, inmediatamente separese la barra. Recarguese la barra y toquese la segunda bolita. Paso 5. Las bolitas oscilaran alejandose una de la otra tanto como sea posible. Muevanse los soportes uno alrededor del otro; las bolas oscilanin en todas direcciones, evitandose entre si (Fig. 1-4).
Figura 1-4. Las bclitas de papel se repelen entre si.
En esta ocasion, a las dos bolitas se les dio la misma carga y se repelieron mutuamente. Esto demuestra la otra parte de esta ley basica: cargas iguales se repelen. En la seccion que sigue, cuando se yea de que est an hechos los atomos, el lector aprendera que significado tienen las cargas posit iva (+) Ynegativa (-) y que fuerza es la que provoca que las bolitas se muevan. 4
Fundamentos de instalaciones electricas
.PEQU~,NO, MAS PEQUENO,
PEQUENISIMO: MOLECULAS, ATOMOS, ELECTRONES· EI mundo en que vivimos esta hecho de much os millones de cosas diferentes que ocupan espacio y tienen peso. EI nombre gene rico para todaf estas cosas es materia. La materia inc1uye: los edificios en los que vivimos y trabajamos, la ropa que usamos, los automoviles que conducimos, el aire que respiramos, el agua que bebemos, inc1uso nuestros propios cuerpos. Todo, ya sea solido 0 gaseoso es materia. Por diferentes que parezcan todos los materiales que nos rodean, los cientificos han establecido que todas las cosas de nuestro mundo estan en realidad constituidas por un grupo relativamente pequeno de bloques basicos de construccion de la naturaleza. Por medio de acciones fisicas y quimicas en los laboratorios, todas las sustancias, sean solidas, Jiquidas 0 gaseosas, se pueden descomponer en pequenas particulas cada vez mas pequenas. Este proceso de separar las sustancias en pequenas particui as se puede continuar hasta obtener la particula mas pequena, la cual todavia conserva todas las caracteristicas quimicas de las porciones mas gran des de la sustancia. Esta pequenas particulas se llaman moleculas (Fig. 1-5). Una vez que se descubrio la diminuta molecula, los hombres de ciencia se hicieron la pregunta: l.Que encontramos si rompemos las moleculas en particulas todavia mas pequenas? Se idearon procesos quimicos para romper las moleculas y se encontro que estas estaban formadas por otra c1ase de particula mas pequena, a la que se dio el nombre de atomo. Algunas moleculas contenian varios atomos diferentes. Por ejemplo, cosas como la madera, el caucho, el agua y los plasticos se encontraban en este grupo (Fig. 1-6). Sin embargo, las moleculas de algunas otras sustancias solo contenian un atomo. EI cobre, el oro, el hierro y '!I azufre estaban en este grupo. Se encontro que solo exist ian alrededor de 100 c1ases diferentes de moleculas de un solo atomo. Las moleculas de todas las demas sustancias en el mundo contienen diversas combinaciones de estos atomos. Aquellas sustancias cuyas moleculas solo contienen un atomo se llaman elementos. Todas las cosas de nuestro mundo que tienen peso y ocupan espacio estan compuestas por combinaciones 0 mezc1as de estos elementos diferentes. Los atom os son tan pequenos que incluso es dificil imaginarios. la pizca mas diminuta de materia que pueda verse contiene bill ones y billones de ~itomos. Los microscopios mas poderosos no pueden hacer que los atomos se
vean; empero, sabemos mucho acerca de ellos y de su . estructura. Lo que sabemos de la estructura del atomo se basa en una teona, que se ha probado de muchas maneras especta-
culares. La mas espectacular es la explosion atomica. EI hecho de que ocurra este tipo de explosiones es una prueba de la teoria de la estructura atomica. Otra prueba es el uso de la energia atomic a en las plantas de generacion electrica.
0-
o. •a
,De que est an hechos los atomos?
11-
Los atomos constan de tres c1ases de particulas que se mantienen unidas por una fuerza natural. La fuerza, una forma de ener~ia que enlaza las particulas atomicas, es la verdadera fuente de energia eiectrica. Las tres particulas del atomo son los neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones se agrupan en el centro del atomo para formar un nuc1eo. Los electrones se mueven en trayectorias circulares (llamadas orbitas), alrededor del nuc1eo (Fig. 1-7). Cada una de las tres particulas del atomo tiene peso, pero los electrones son los mas ligeros. Se necesitarian 1840 electrones para igualar el peso de un proton 0 de un neutron.
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AAAAAI\I\A
666 6 666 6 6 6 6 6 6 6 6 6 ... Y AS; SUCESIVAMENTE HASTA UNA MOL~CULA
Figura 1-5. Division de una gota de agua.
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ELECTRONES EN ORBITA
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ATOMOS DE HIDROGENO
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J
NUCLEO
Figura 1-7. Modelo atomico.
ATOMO DE OXiGENO
Figura 1-6. Los ;homos de hidrogeno y oxigeno se combinan para formar una molecula de agua.
Los neutrones contribuyen al peso del atomo, pero no lIevan carga electrica. Los neutrones desempeiian un papel muy importante en el trabajo de liberar y controlar la energia encerrada en los atomos. De hecho, la palabra que mas escuchamos en relacion con la energia atomica, energia nuclear, se refiere al neutron y al nuc1eo del atomo. Sin embargo, las fuentes de la energia electrica son el proton y el electron, por consiguiente nos interesaremos en estas particulas. Con esta imagen del atomo en mente, repasemos el experimento descrito al principio de este capitulo. EI • experimento nos mostro como se podia generar por friccion una forma de electricidad, lIamada electricidad estatic a 0 carga estatica. Electricidad basica
5
Los materiales que se cargan por friccion son aquellos cuyos :itomos pueden ceder electrones al frotar su suptrficie. EI calor y el movimiento de frotamiento transfiere electrones de uno de los materiales al otro. Cuando esto sucede, se tienen algunos :itomos en una de las superficies a los que les faltan electrones, y existen algunos :ltomos en la otra superficie a los que les sobran electrones. Cuando la barra de vidrio se froto contra la seda, los electrones se movieron de la barra ala seda. Esto procovo una escasez de electrones en la barra de vidrio. Frotar la barra de caucho contra la piel hizo que los electrones se movieran de la piel a la barra. Esto trajo como consecuencia un superavit de electrones en la barra. Entonces, la energia que enlaza a los atomos ejerce una fuerza con el fin de restablecer el equilibrio natural. Esta es la fuerza que hizo que las bolitas se atrajeran entre si en el primer experimento (Fig. 1-8a).
a)
Se genera la fuerza porque dos de las particulas, los protones y los electrones, tier.en cargas elt!ctricas opuestas. La carga del proton es positiva y se ITlJestra como +; la del electron es negati'i3 y se muestra como -. Los simbolos + y,- representan cargas contrarias y la atraccion que muestran se enuncia como la ley electrica de que "cargas contrarias se atraen". La segunda parte del experimento con electricidad estatica mostro como, cuando se aplic6 la misma carga, se provoc6 que las bolitas se repelieran. Al cargar los l11ateriales se gener6 una carga positiva (+) en cada una de elias y, a continuaci6n se aproximaron (+) y (+); al hacerlo, se vio que existi? una fuerza que intentaba mantener separados a estos materiales (Fig, 1-8b). Esta es una demostraci6n de la segunda parte de esa importante ley electrica: "cargas iguales se repelen". La fuerza natural que hace a las cargas contrarias atraerse y a las iguales repelerse es la fuente de toda la energia electrica. No s610 la energia generada por los materiales que se frotan uno contra el otro, sino toda la energia electrica, sin importar c6mo se genere. Hemos aprendido que existen solo alrededor de cien tipos diferentes de atomos, un tipo para cada ele'mento. Ahora sabemo,s que todos los atomos estan compuestos de tres particulas diferentes. Entonces, l.en que difieren los atomos de elementos diferentes? S610 difieren en el numero de particulas que cada uno contiene. Todos los neutrones son iguales, todos los protones son iguales, todos los electrones son iguales. Pero estan unidos en numeros diferentes para formar los diferentes elementos. Por ejemplo, un atomo de hidrogeno, la sustancia mas ligera que se conoce, s610 contiene un proton y un electr6n; un atomo de cobre tiene 29 protones en el nueleo y 29 electrones en 6rbitas alrededor de el (Fig. 1-9). Cuando nada perturba el equilibrio, el numero de electrones y prot ones en cualquier atomo es exactamente el mismo. Por 10 tanto, las cargas positivas son exactamente iguales a las cargas negativas y el atomo es electricamente neutro.
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b) Figura \-8. Cargas estaticas: a) las cargas opuestas hacen que las bolitas se atraigan; b) las cargas iguales hacen que las boli tas se repelan.
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Fundamentos de instalaciones electricas
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Figura 1-9. Atomos de hidrogeno y de cobre.
La fuerza que mantiene a los ,itomos juntos es la atraccion entre los protones positivos del nueleo y los electrones negativos que 10 rodean. Recuerdese, el numero de cargas positivas y el de cargas negativas son iguales, y cargas opuestas se atraen.
Electrones libres Debido a que la carga positiva est a concentrada en el nuc1eo, en tanto que la carga negativa total esta constituida por muchos electrones en orbita, estos tienden a permanecer a distancias fijas del nueleo, conforme giran alrededor de el. Sin embargo, para mantener el equilibrio apropiado, algunos electrones describen sus orbitas cerca del nueleo y otros mas lejos. Se puede imaginar a los electrones cercanos al nueleo como si estuvieran encerrados en el atomo. Se necesitaria una fuerza tremenda para desalojar estos electrones. Los electrones que se encuentran en orbitas mas alejadas del nueleo no estan encerrados con tanta intensidad; estos electrones reciben el nombre de electrones fibres. Pueden pasar de un atomo a otro en forma aleatoria (Fig. 1-10). Si se pudiera forzar a todos 0 a la mayor parte de los electrones libres de algun material a que se amontonen en el mismo punto, ese punto pronto tendria un superavit de electrones. En virtud de que los electrones tienen carga negativa, un supenivit de electrones es otra manera de decir que ese punto tendria una carga negativa. Por supuesto; si se tiene un superavit de electrones en un punto, debe haber un deficit de los mismos en otro punto. Entonces, este segundo pun to tendria una carga positiva, porque la carga positiva del nueleo no estaria compensada por una carga negativa equivalente.
Figura I-lD. Electrones libres (desplazamiento aleatorio).
Lo antes descrito es basico para comprender la electri· cidad. Si alguna fuerza hace que los electrones libres de un material se muevan en una direcci6n, se pueden crear dos puntos que tienen cargas electricas opuestas (Fig. 1-11). EI punto hacia e1 cual se mueven los electrones se
----------1JIj. -i\ -----------------_._---- - - - - - - - -Figura 1-11. Electrones lib res (desplazamiento no aleatorio).
convertira en el punto negativo; aquel del cuallos electrones se alejan se convertira en el pun to positivo. Este movimiento de electrones y las cargas que resultan son 10 que constituyen la energia electrica (Fig. 1-12). Los hechos principales que deben recordarse de 10 visto en esta seccion son: 1. Toda sustancia, ya sea liquida, solida 0 gaseosz, esta compuesta por atomos. 2. Los atomos contienen particulas llamadas protones que tienen una carga positiva y particulas llamadas electrones que tienen una carga negativa. 3. Los protones estan agrupados en el centro del atomo, los electrones describen orbitas alrededor del centro. 4. En los atomos de algunos materiales, los electrones que se encuentran mas alejados del centro s610 estan ligados de manera ligera al atomo y pueden moverse de su atomo propio hacia otro cercano. 5. Si todos 0 la mayor parte de los electrones libres de algun material se pueden forzar a derivar en una direccion, el punto hacia el cual se mueve adquirira una carga negativa, y el punto que dejan adquirira una carga positiva. Decir que dos puntos tienen cargas positiva y negativa, respectivamente, es otra manera de decir que existe una fuerza entre ellos. La fuerza es una forma de la energia almacenada en los atomos. La fuerza tiende a restablecer el equilibrio natural de electrones y protones en el atomo. Esta fuerza se conoce como voltaje (0 tension). Entre mayor sea el desequilibrio entre prot ones y electrones (entre mayor sea el numero de atomos que han perdido electrones), mas intensa sera la fuerza, es decir, mayor sera el voltaje entre los dos puntos cargados (Fig. 1-13). Si se suministra una trayectoria [acil para que los electrones se muevan hacia los protones, los electrones seguiran ese camino. EI movimiento de los electrones a 10 largo de esta trayectoria se llama flujo de corriente. EI numero de electrones que se mueven depende de la fuerza (voltaje) que este actuando sobre ellos y de la facilidad con la que puedan moverse a 10 largo de la trayectoria. Si los electrones se pueden mover con libertad a 10 largo de la trayectoria, el flujo de electrones sera intenso, aun cuando la fuerza que actue sobre ellos sea pequeiia. Si la trayectoria que siguen los electrones les permite moverse con libertad, se puede deci'r que la trayectoria ofrece una resistencia "baja". Lo contra rio tambien se cumple. Si los electrones no se pueden mover con facilidad, la trayectoria ofrece resistencia "alta". Cuando la trayectoria ofrece una resistencia alta, el flujo de electrones sera ligero, aun cuando la fuerza (voltaje) aplicada sea alta (Fig. 1-14). Electricidad basica
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1 I I
.....
..............
~
MATERIA
--~~~~. ELECTRONES
e e
UNA SOLA MOLtCULA
MUCHAS MOLtCULAS
r I
I I I
•
e e e e e e e e
I
~I I I
I I MATERIA VISIBLE
COMPUESTO
UN SOLO ATOMO
NEUTRONES
I I \...
(UN CUMPUESTO ES UNA MOLtCULA QUE CONTI ENE ATOMOS DE l:JNA CLASE)
Figura 1-12. Ruptura de la materia en particulas electricas.
FUERZA DtBIL
DESEQUILIBRIO PEQUENO
Todas las afirmaciones hechas acerca del voltaje, corriente y resistencia sugieren que la fuerza electrica, el flujo de electrones y la facilidad del movimiento de los mismos estan intimamente relacionados. Un poco mas adelante, en la ley Ohm, veremos como funciona esta relacion. Antes de hacerlo, debemos considerar como se pueden describir en numeros estas importantes caracteristicas electricas.
a)
FUERZAINTENSA
DESEQUILIBRIO GRANDE
b) Figura I-B. Desequilibrio de electrones: a) ligero; b) intenso.
8
L
Fundamentos de instalaciones electricas
.SISTEMA METRICO INTERNACIONAL· Durante cerca de 200 aiios se han estado aplicando diversas formas del sistema met rico. En 1960 se establecio un moderno sistema simplificado. En la actualidad, este sistema es ellenguaje internacional estandar de medicion, abreviado: SI. Desde hace mucho tiempo, las unidades de medicion electricas basicas se han expresado en terminos metricos, de modo que se requieren pocos cambios en este senti do para conformarse al nuevo estandar metrico.
a
b
RESISTENCIA BAJA
RESISTENCIA ALTA
Figura 1-14. Resistencia al flujo de electrones: a) ligera; b) intensa.
Algunas cosas se definen mejor ooservando el efecto que producen. Por ejemplo, la temperatura del aire provoca mas 0 menos dilataci6n en la columna de mercurio de I!n termometro. Al dividir la columna en unidades iguales se pueden definir los cam bios de la temperatura en grados. La resistencia al flujo de electrones en cualquier material eleva la temperatura de este. Se puede definir una unidad de resistencia en terminos de la cantidad de calor generada en el material por el tlujo de una unidad de corriente. Si se puede definir una unidad de corriente y una de resistencia, se puede definir la tercera caracteristica, el voltaje, en terminos de aquellas dos. La definicion de cada una de las unidades de energia electrica marcaron importantes avances en la Fisica y, como consecuencia, a las unidades se les dio el nombre de sus descubridores.
I'
Medicion de la corriente Convertir los tamafios y unidades de medici6n de los productos y materiales elcctricos a los nuevos tamaiios y unidades implica un gasto considerable para los fabricantes. Por esta raz6n, en este campo, el cambio a unidades metricas se efectuani con lentitud. Es probable que por algun tiempo los fabricantes de articulos y materiales electricos conservanin los tamafios actuales de los productos, pero tal vez incluyan equivalentes metricos en los paquetes y catalogos. En este libro se usan unidades y notaci6n metricas para todas las cantidades electricas. Para los productos y materiales electricos se utilizan las unidades, abreviaturas y nombres estandar en el ramo. Cuando se presenta el caso de que una unidad 0 termino met rico reemplace final mente al termino comercial usual, esta unidad nueva se explicani en el texto.
• UNIDADES DE MEDICION ELECTRICA. Para describir la cantidad de una fuerza 0 sustancia, primero se debe definir una unidad de la fuerza 0, una unidad de la sustancia. Para poder medir y trabajar con corriente, resistencia y voltaje, se debe definir una unidad de corriente, una unidad de resistencia y una unidad de voltaje. La corriente es flujo de electrones. Por tanto, se necesita definir una unidad de flujo. Una definici6n de flujo debe incluir alguna unidad de tiempo, como en galones por hora 0 litros por segundo. Entonces, una unidad de corriente se puede definir como el movimiento de cierto numero de electrones en una cantidad dada de tiempo.
La ll~ de medicion pant el flujo cJe electrones, 0 corriente electrica, es el amper~ La unidad recibio el nombre en honor del cientifico frances· Andre Marie Ampere, quien vivio de 1775 a 1836 y realizo muchos descubrimientos importantes acerca del flujo de electrones. Am ere difini6 una unidad de corrieme como U\
:000'000 000 000 000 eteetrQIP:s que pasan P~;.' ·,.,·:'·~'~··• •9 (F~g. 1-15): Se necesita ese
flujode'
num n .grande para medu el fluJo de electrones porque la carga electrica en cada electron es pequefia y se deben mover muchos de ellos para hacer que la carga electrica combinada sea 10 suficientemente grande como para medirse. Es posible que ellector yea ese numero de electrones escrito como 6.25 X 1018 • El termino 10 18 es simplemente una manera abreviada de escribir el uno seguido de dieciocho ceros. Seis y un cuarto multiplicado por un uno, seguido de dieciocho ceros dara el numero que se mostro con anterioridad. Esta gran cantidad de electrones se conoce como coulomb. Sin embargo, la unidad practica de flujo de corriente que se usa en el trabajo elect rico es el ampere. La abreviatura estandar para representar el ampere es A. En matematicas, cuando se hace men cion al flujo de corriente como una caracteristica electrica, se usa el simboiol. En este contexto, I tiene el significado de intensidad del flujo. No debe confundirse esto con A, que representa unidades de flujo.
Medicion de la resistencia l.,a unidad para medir la resistencia es el ohm. Se Ie dio este nombre en honor de Georg Simon Ohm, fisico aleman que vivio de 1787 a 1854. La unidad de resistenciaes Electricidad basica
9
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P !
1
AMPERE = 6 250000000000000000 ELECTRDr-JES QUE PASAN POR ESTE PUNTO EN UN SEGUNDO
Figura 1-15. Flujo de electrones y tiempo.
en realidad una medida de calor. Cuando la resistencia se opone al flujo de electrones, la temperatura del material por el que estan fluyendo los electrones se eleva, es decir, se calienta (Fig. 1-16). Todos los materiales por los que pueden fluir electrones ofrecen derta resistencia. La resistencia puede ser muy pequeoa, pero nunca es cero. Ohm definio una pequeoa unidad de calor* y propuso que cualquier material cuya temperatura pudiera elevarse en esa cantidad por el flujo de un ampere tendria una unidad de resistencia. En este libro, cuando se mencionan en el texto 0 se muestran en las figuras las un idades de resistencia, siempre se utiliza la palabra ohm. EI simbolo metrico para los ohms es n, una letra griega Hamada omega. Con frecuencia, el lector vera este simbolo usado en los productos y dibujos para representar la resistencia electrica. Cuando se menciona la resistencia como una caracteristica electrica -como en matematicas- se usa el simbolo R.
TEMPERATURA BAJA
RESISTENCIA BAJA
Medici6n del voltaje L~.~Q,',Q.u;tpara
medir la fuerza que existe eotrCil PlHltOS positi¥9S y,n~iv,os> es el vall. Esta unidad tambien recibio su nombre por un antiguo experimentador, el Conde Alessandro Volta, quien vivi6 y trabajo en Italia (1745-1827). EI volt es la cantidad de presion requerida para hacer que I ampere de corriente fluya a traves de una resistencia de I ohm (Fig. 1-17). EI volt es una unidad de presion electrica provocada por una diferencia en el potencial electrico. La abreviatura estandar para los volts es V. EI simbolo V es el preferido, en matematicas, para el voltaje (0 tension) como una caracteristica electrica. Es posible que el estudiante vea el simbolo E usado para el voltaje en algunos text os matematicos. A veces al voltaje se Ie da el nombre de "fuerza electromotriz", 0 fern, por consiguiente se usa E como simbolo. En la actualidad el simbolo E resulta anticuado. 'La pequeiia unidad de Ohm era aproximadamente igual a la cuarta parte de una caloria. Una calori", es el calor requerido para elevar la temperatura de I gramo de agua en I QC.
10
Fundamentos de instalaciones electricas
TEMPERATURA ALTA
RESISTENCIA ALTA
Figura 1-16. Resistencia y calor.
Medidas mas grandes
0
mas pequeiias
La cantidad de voltaje, de flujo de electrones y de resistencia que se usa en la practica es a menudo demasiado grande 0 demasiado pequeoa como para que se enuncie de manera conveniente en las unidades: volts, amperes y ohms. Con el fin de resolver este problema, se agregaron prefijos a las unidades basicas. Los prefijos
Ohms Muchos dispositivos electricos ofrecen una gran resistencia al flujo de electrones; por tanto, la palabra ohms necesita un p~·efijo para dar a en tender una gran cantidad. En las conversaciones el estudiante escuchara el termino megohm. EI prefijo mega significa un millon. La afirmacion "ese aislamiento resulta bueno para 50 megohms" significa "ese aislamiento ofrece una resistencia de 50 millones de ohms al flujo de electrones". La abreviatura estandar para la resistencia electrica -Q- se puede combinar con los prefijos metricos para representar miles de ohms -krl- 0 mill ones de ohms -MQ. - Estos simbolos . se usan principal mente en los dibujos electricos.
-LEY DE OHMFigura 1-17. Un ampere que pasa a traves de un ohm es igual a un volt.
se colocan antes de (0 delante de) las palabras para cambiar su significado. Existen muchos prefijos posibles que se pueden usar, peroen las instalaciones electricas los mas comunes son los que se presentan en la figura 1-18.
1000 x VOLT
=
1/1000 AMPERE =
1 KILOVOLT 1 MILIAMPERE
1000000 x OHM =
1 MEGOHM
1 000 x OHM
1 KILOHM
=
Figura 1-18. Prefijos como multiplicadores.
Volts Se utilizan grandes voltajes para transportar la potencia por las lineas de transmisi6n a traves de las cuales las compaiiias suministran el servicio. Estos voltajes son tan grandes que resulta mas facil hablar en terminos de 1 000 volts que de 1 volt. El prefijo que significa 1 000 es kilo. Por tanto, la afirmacion "es una linea de 12 kilovolt" significa "el voltaje (0 tension) de la linea es de 12 000 volts". Kilovolt se abrevia kV.
Amperes Bajo ciertas condiciones, se pueden presentar cantidades muy pequefias de flujo de electrones en las instalaciones electricas. Para este ti po de situaciones es conveniente dividir el ampere en mil partes. El prefijo para cada una de estas partes es el de mili. El decir "8 miliamperes" sign ifica "ocho milesimas de un ampere". Miliampere se abrevia rnA.
La relacion entre el voltaje, la resistencia y el flujo de corriente fue descubierta hace mucho tiempo porel fisico en cuyo honor se dio el nombre a la unidad de resistencia. El anunci6 las formas en las que la corriente, el voltaje y la resistencia se afectan entre si, en una ley basica de la electricidad que guarda su nombre, la ley de Ohm. La ley de Ohm afirma que existe una sencilla relacion matematica entre las tres caracteristicas de la electricidad. Cuando existe una fuerza (voltaje) entre dos puntos y se crea una trayectoria (resistencia) para el flujo de electrones (corriente), el voltaje hara fluir la corriente y la relacion entre las tres caracteristicas, en unci ada en palabras, sera: 1. El voltaje en volts sera igual al flujo de electrones en
amperes multiplicado por la resistencia en ohms. 2. El flujo de electrones en amperes sera igual al voltaje en volts dividido entre la resistencia en ohms. 3. La resistencia en ohms sera igua\ al volta)e en volts dividido entre el flujo de electrones en amperes. Utilizando los simbolos V para el voltaje, Ipara el flujo de electrones y R para la resistencia, las mismas tres formulas se pueden escribir: 1. V 2. I 3. R
= I X R. = V/ R = V / I.
Debido a que esta ley es tan importante en el trabajo electrico, resulta util con tar con alguna ayuda para recordar estas formulas. Una manera que mucha gente cons idera facil es: el triangulo de la ley de Ohm (Fig. 1-19). Las posiciones de los simbolos indican como hallar la cantidad faltante. Electricidad basica
11
I
R
Figura 1-19. Triangulo de la ley de Ohm.
1. Para hallar V se debe conocer I y R. I Y R se encuenttan en el mismo renglon, por tanto deben multiplicarse, como en la formula 1 antes dada. 2. Para hallar 1, se deben conocer Vy R. Vesta sobre R, de donde, V debe dividirse entre R. 3. Para hallar R, se deben conocer Vel. Vesta sobre I, por consiguiente V se debe dividir entre l
Resumen 1. El voltaje (0 tension) es una fuerza que se crea al cambiar el equilibrio de electrones y protones en los atomos, haciendo que los electrones dejen algunos atomos. Se mide en volts. 2. La corriente es el flujo de electrones que se presenta cuando se cuenta con un voltaje y una trayectoria para el flujo. El flujo de electrones se mide en amperes. 3. La resistencia es una caracteristica de la trayectoria para el flujo de electrones que se opone al movimiento de tales electrones. La resistencia se mide en ohms. 4. El voltaje, el flujo de electrones y la resistencia estan intimamente relacionados. Se puede hallar cualquiera de los tres si se conocen los otros dos. La relacion matematica entre el voltaje, el flujo de electrones y la resistencia se llama: ley de Ohm.
·CONDUCTORES Y AISLADORES· Hasta aqui se ha examinado como fluyen los electrones a 10 largo de 10 que llam?'11os una trayectoria. Las trayectori as reales a 10 largo oe las cuales fluyen los electrones son los alambres. Ahora que sabemos algo acerca del voltaje, el flujo de electrones y la resistencia, sera mas facil ver por que algunos materiales constituyen buenas trayectorias pa'ra el flujo de electrones y otros no. 12
Fundamentos de instalaciones eh~ctricas
Sabemos que los atomos de cada elemento difieren en el numero de electrones y protones que cor. jenen. Cada atomo se puede identificar por un numero at6mico, un numeru que indica la cantidad de electrones y protones que tal atomo contiene. Tambien sabemos que los electrones describen orbitas en grupos 0 anillos a diversas distancias del nucleo. Cada uno de estos grupos 0 anillos de electrones puede contener un numero maximo de ellos. Cuando el anillo contiene el numero maximo, se dice que es "estable" y no aceptara ni cedera electrones. Se puede concebir esta condicion como un equilibrio. Cuando un anillo tiene su numero maximo de electrones, la masa que se encuentra girando esta bien equilibrada y, por 10 tanto, es estable. Los atom os estan formados de tal manera que los anillos se llenan sucesivamente hasta el maximo, a partir del interior hacia afuera. Entonces se tiene el anillo exterior, sea cual fuere el numero de electroneS que queden. Un atomo de cobre tiene 29 protones en el nucleo y, por consiguiente, 29 electrones en orbita. Si se observa un diagrama de ese atomo (Fig. 1-20), se ve que el anillo interior tiene 2 electrones, su numero maximo. El anillo siguiente tiene 8, su numero maximo. El tercer anillo tambien tiene su maximo de 18. Todos los electrones anteriores suman 2 -1- 8 +18 = 28. Solo queda un electron para el anillo exterior. A este anillo exterior Ie gustaria tener ocho electrones, su numero maximo. Con solo un electron, en donde se necesitan ocho para obtener el equilibrio, este anillo es inestable. Eso significa que, el electron de este anillo se puede desplazar con facilidad hacia otro anillo exterior. Entonces se pueden mover electrones hacia el anillo vacio, y el proceso continua.
1 ELECTRON EN UNA ORBITA DE 8 ELECTRONES. INCOMPLETA
Figura 1-20. Atomo de cobre mostrando los anillos de electrones.
hi
N L
Este anillo inestable es el que hace que eI cobre sea una buena trayectoria para el flujo de electrones. Otros materiales que tienen esta caracteristica son la plata, el oro, el aluminio y el hierro. En otras palabras, todos los metales tienen atomos cuyos anillos exteriores contienen mucho menos queel numero maximodeelectrones. Los materiales de este grupo reciben el nombre de conductores. Debido a que los electrones pueden fluir con facilidad en estos materiales, tienen baja resistencia. Las palabrc.s "flujo facil de electrones" y "baja resistencia" significan exactamente 10 mismo. Veamos ahora la condici6n opuesta en el anillo exterior de un atomo. En este caso, el anillo exterior tiene el numero maximo de electrones 0 casi el maximo. Esto hace que el anillo exterior este equilibrado 0 sea estable. No existen electrones libres para ir de un atomo a otro. los materiales con .homos estables se l1aman ais/adores. Los aisladores inc1uyen la mayor parte de los plasticos, el caucho, las telas, la madera y el papel. En este momenta se debe establecer una distinci6n. EI j1ujo de electrones como respuesta a un voltaje aplicado es bastante diferente al movimiento de electrones que puede l1evarse a cabo en cualquier material.
Figura 1-21.
En el experimento que se describi6 al principio de este capitulo, con el fin de demostrar c6mo se comportan las cargas electricas se utilizaron caucho, vidrio, piel y seda. Todos estos materiales son aisladores, sin embargo se cargan electricamente. l.Es est a una contradicci6n? La respuesta es "no". La transferencia de electrones entre los materiales aisladores fue una consecuencia del calor y la fricci6n, no de un voltaje aplicado. EI frotamiento arranc6 literalmente a los electrones de la superficie de uno de los materiales y los l1ev6 ala superficie del otro. Entonces se tuvo una Juerza entre los materiales cargados, pero no se lIev6 a efecto flujo de electrones. Esa es la Ill-ZOn por la que se califica como "estaticas" a las cargas e1ectricas en los materiales aisladores; tienden a permanecer en su lugar. Lo que debe recordarse entonces es que: s610 se realiza conducci6n e1ectrica, cuando estan presentes electrones lib res en un material y se aplica un voltaje. En el alambrado e1ectrico, las caracteristicas de los conductores y aisladores los convierten en una combinaci6n ideal: un buen conductor cubierto por un buen aislador. EI conductor permite a los electrones fluir con facilidad y el aislador que 10 cubre evita que el flujo de electrones encuentre otros caminos al tocar los objetos.
Alambres que Bevan la energia electrica desde la compafiia que suministra el servicio hasta el conracto en la pared. tlectricidad basica
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En la pnictica, el metal que se utiliza con mayor amplitud como conductor es el cobre. El cobre tiene la mejor combinacion de cualidades necesarias para el flujo de la corriente. En primer lugar, baja resistencia; en segundo lugar un costa razonable (en comparacion con el oro y la plata); en tercer lugar, buena resistencia para dimensiones dadas; y cuarto, es 10 suficientemente ligero al trabajar con el y, sin embargo, 10 suficientemente fuerte como para resistir el uso a veces duro al que se Ie somete en el trabajo. El alambre realiza su tarea porque los descubrimientos acerca de la estructura atomica y la teoria electronica se
han puesto en uso pnictico, con el fin de fabricar un producto necesario para poder con tar con la electricidad cuando y donde se necesite. El hecho de que los electrones se puedan mover con facilidad en algunos materiales, llamados conductores, y no se puedan mover facilmente en otros, llamados aisladores, da lugar al camino practico ideal del flujo de electrones: los alambres aislados. Los alambres y haces de alambres llamados cables, constituyen el material que lie va la energia electrica desde los enormes generadores de las compaiiias que suminstran el servicio directamente hasta el contacto en la pared de nuestros hogares (Fig. 1-21).
.PREGUNTAS DE REPASO. I.
Los atomos contienen tres particulas: protones, neutrones y electrones. Dos de estas particulas son la fuente de la energia.loCuales son?
2.
Las cargas electricas se representan por medio de signos positivos (+) y negativos (-). loCual signa se aplica a cada particula?
3.
El experimento estatico demostro dos leyes de la electricidad. locual ley representa cada una de estas figuras?
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Fundamentos de instalaciones electricas
4.
Algunas particulas atomicas pueden dejar a un atomo y pasar hacia otro. loComo se llaman?
5.
La presion electrica se llama voltaje (0 tension) y se mide en unidades llamadas volts.loCuales unidades se usan para medir la corriente? loY la resistencia?
6.
A veces se deben agregar prefijos a las unidades electricas con el fin de representar cantidades mas grandes 0 mas pequeiias. loCuales prefijos representan cada uno de los numeros?
x 1 000000
a.
mili
b.
mega
x 1 000
c.
kilo
-:- 1 000
7.
La ley de Ohm describe la relacion entre el voltaje, la corriente y la resistencia. Si se conocen dos cualesquiera de estas cantidades, se puede hallar la que falta. Consultese el triangulo de ley de Ohm (Fig. 1-19) y, escribase la formula para hallar cada cantidad.
8.
loQue nombre se les da a los materiales en los que puede fluir la corriente con facilidad?
9.
loQue nombre se les da a los materiales en los que la corriente no puede fluir?
4
2 CIRCUITOS ELECTRICOS
r
r-coNTRoLl
-INTRODUCCION-
I
I CONDUCTOR
,..-------I--ct
EI tema de este capitulo, circuitos electricos, es un area del conocimiento electrico con eI que un electricista debe familiarizarse. Los circuitos electric os se instalan en los edificios, de modo que la electricidad pueda realizar su trabajo. Los circtiitos combinan una fuente de energia, alambres, interruptores, contactos, artefact os y otros dispositivos electricos para lIevar la electricidad a donde se Ie necesite y suministrar lugares convenientes, para conectar lamparas y aparatos. En est.;: capitulo se informa al estudiante acerca de las diversas maneras en que se puede disponer un circuito y 10 que sucede al voItaje, la resistencia y la corriente en cada disposicion. EI capitulo 1 cubrio 10 que en realidad es la electricidad. Con esas bases, el estudiante no debe tener dificultad con el material de este capitulo.
-CIRCUITO ELECTRICO BAsICOPara controlar la electricidad y pone ria a disposicion en donde se Ie necesite, se deben combinar voItaje, corriente y resistencia con los conductores. Repasemos los puntos principales del capitulo 1. Si se puede hacer que los electrones libres de algun material se muevan en la misma direccion, se puede crear un punto que tenga un deficit de electrones y un punto con un superavit de los mismos. Existira una fuerza entre estos puntos que ejercera presion para restablecer el equilibrio de electrones. Si se suministra un camino entre los dos puntos, los electrones flu iran del punto con superavit hacia aquel con deficit. Si se dirige este flujo de electrones a traves de los dispositivos apropiados, se puede generar luz 0 calor, 0 hacer que los motores funcionen. La combinacion practica de dispositivos y accesorios electricos que hace funcionar a la teoria electronica se llama circuito. Todos los circuitos electricos tienen cuatro partes basicas (Fig. 2-1): 1.
2.
16
Unafuente de potencia. La fuente proporciona los dos puntos de superavit y deficit de electrones. Por 10 comun, los puntos se identifican como positivo (con deficit de e1ectrones) y negativo (con superavit de electrones). Entre mas electrones haya en un punto, mas negativo es el punto. Entre mayor sea el desequilibrio de electrones, mas intensa sera la presion entre los puntos. Conductores. Los conductores conectados a los puntos + y - y, a continuacion, a los otros puntos del circuito, suministran un camino para el flujo de electrones.
L ______ J
CARGA
CONDUCTOR Figura 2-1. Partes de un circuito basico.
3.
4.
Una carga. Por el momento se considerara como carga, cualquier dispositivo electrico que haga que el flujo de electrones realice trabajo: un bulbo luminoso, un motor, un calefactor. En la seccion que sigue se vera como funciona el flujo de electrones. Control. Para ser util, un circuito debe tener alguna forma de controlar el flujo de electrones. Los interruptores hacen que la corriente pase 0 deje de pasar y hacen que el flujo de electrones sea mas intenso 0 mas ligero, cambiando el camino del flujo. Como se vera en el capitulo 3, los cambios que ocurren dentro de la carga tambien P4eden afectar el flujo de electrones.
-POTENCIA ELECTRICA. LEY DE WATTLos tres valores de un circuito basico son: voItaje, corriente y resistencia. Si se conocen dos de estos valores y se desconoce el tercero, cualquiera que sea, puede calcularse su valor desconocido usando la ley de Ohm. Entonces se puede analizar la forma en que funciona el circuito (Fig. 2-2). Si se supone una fuente de voltaje de 10 volts y una resistencia de 5 ohms, se puede hallar el flujo de corriente dividiendo el voItaje (10 volts) entre la resistencia de carga (5 ohms):
I
=
V R
EI flujo de corriente es de 2 amperes. A partir de este calculo se puede concluir que una carga de 5 ohms de un lado a otro de una fuente de 10 volts produce un flujo de corriente de 2 amperes. Toma voltaje y corriente para realizar trabajo.
Fundamentos de iilstalaciones electricas
~l____________~.~______________________
NOTA: Una fuente de 10 volts no iluminara apropiadamente una lampara estandar de 100 watts. Esta es tan solo un ejemplo de la unidad de potencia.
L _____ J
EI simbolo para la potencia es W y la f6rmula es W = V X I. Esta formula como la ley de Ohm, se puede 5 OHMS
2 AMPERES
Figura 2-2. Circuito para una carga de 20 watts.
Otra ley electrica basica describe la combinaci6n de voltaje y corriente como la potencia requerida por esta carga de 5 ohms. La ley de Watt afirma que la potencia requerida por una carga es igual al producto de la corriente que pasa por la carga y el voitaje aplicado. La unidad de potencia es el watt, abreviado W. Tanto la ley como la unidad Bevan el nombre de James Watt, un inventor escoces. La unidad de potencia es importante para el trabajo elt~ctrico porque suministra una base uniforme para medir la rapidez con la que se esta consumiendo la energia 0 la rapidez con la que se esta realizando trabajo. Para realizar esta medici6n, no se puede usar el voltaje ni el flujo de corriente por si solos. EI watt combina el voltaje y 1a corriente en una sola unidad. De acuerdo con la ley de Watt, una lam para de 100 watts consumira la misma cantidad de energia al ser conectada a cualquiera de los circuitos que se dan en la figura 2-3. Si la lampara se ilumina durante 1 hora, la energia consumida en cada circuito es: 100 watts durante 1 hora, 0 100 watt-horas.
manipular de modo que es posible determinar los watts si se conocen dos val ores basicos, cualesquiera que estos <;ean. Por la ley de Ohm se sabe que V = I X R. Se puede sustituir esto en la f6rmula basica de Watt para obtener W = (/ X R) X I j aparece dos veces como multiplicador, por tanto la formula se puede escribir como W= ]2R. EI simbolo ]2. que se lee "I cuadrada", denota que I se multiplica por si misma. Por medio de un proceso semejante, se puede sustituir I por VIR. W = (VIR) X V, 0 bien, W = V.?/R. En el circuito de la figura 2-2, estos ca\culos serian:
W = VX[ = 10 X 2 = 20 watts W= [2 X R (2 X 2) X 5 = 4 X 5 = 20 watts
W= V2 R
10 X 10 5 = 100 5 = 20 watts
LAMPARA DE 100 WATTS
La energia electrica se puede generar en las formas que se mencionan a continuacion, las cuales se analizan aqui y en el capitulo 3.
10 VOLTS X 10 AMPERES = 100 WATTS
LAMPARA DE 100 WATTS
1 AMPERE 100 VOLTS X 1 AMPERE = 100 WATTS
Figura 2-3. Dos circuitos de 100 watts.
·CORRIENTE CONTINUA-
1.
Friccion. La idea de la electricidad estatica dada en el capitulo I mostro en que forma la friccion podria mover los electrones de un trozo de material a otro. Esto dio como resultado una carga electrica en cada trozo de material. Este principio se aplica en la industria cuando se roda pintura sobre superficies metalicas, como las carrocerias de los automoviles. Las particulas de pintura adquieren una pequeiia carga negativa como resultado de la friccion que encuentran en la boquilla Circuitos
eh~ctricos
17
r I
2.
3.
4.
que las rocia. El metal base de la carroceria se carga positivamente. Esto hace que las particulas de pintura sean atraidas hacia la superficie metalica y no permanezcan suspendidas en el aire que la rodea. Ademas, a medida que la pintura caJ~gada negativamente cubre la superficie, repele las particulas negativas que se estan rociando. Esto hace que las particulas caigan sobre el metal desnudo y den lugar a un baflO mas uniforme. Termoelectricidad. Cuando algunos materiales se calientan, emiten electrones. Este tipo de emisi6n de electrones se aplica, por ejemplo, en los cinescopios de televisi6n. Un bucle fino de alambre, llamado filamento, que se encuentra en la base del tubo se calienta al hacer pasar una corriente electrica por el. Entonces emite un haz de electrones que ilumina la pantalla de tubo. Piezoelectricidad. Esta forma de electricidad se genera al aplicar presi6n a ciertas sustancias cristalinas. Su forma mas comun se encuentra en el micrOfono de cristal. La presi6n de las ondas sonoras hace que se desarrolle un voltaje entre las caras opuestas de una astilla cristal. Fotoelectricidad. Algunos materiales emiten electrones cuando cae luz sobre ellos. Las celdas fotovoltaicas, 0 celdas solares, utilizan silicio para generar un voltaje de salida a partir de la luz.
La fricci6n, la termoelectricidad, lapiezoelectricidad y la fotoelectricidad tienen aplicaciones en la industria. Por el momento, ninguna de estas tecnicas de generaci6n puede producir potencia en cantidad 10 suficientemente grande como para usarse en la compaiiias que suministran el servicio de energia electrica. Las celdas solares son las mas promisorias como fuentes de energia para el futuro, pero todavia tienen que desarrollarse mas. En la actualidad, dos formas de generacion de electricidad tienen valor practico. Estas son la magnetoelectricidad y la acci6n quimica. En el capitulo 3 se describe la generaci6n magnetoelectrica. En seguida se describe la acci6n quimica. La energia electrica se produce en dos formas adicionales conocidas cOmo corriente continua (cc) y corriente alterna (ca). Como electricista, el estudiante trabajara con potencia y dispositivos de ca, casi todo el tiempo. Sin embargo, el estudio de la potencia y circuitos de cc es un medio para comprender la potencia y circuitos de ca. Los circuitos de corriente continua son mas simples en virtud de que las fuentes de potencia de cc producen un voltaje constante. Las fuentes de corriente alterna producen un voltaje que cambia constantemente. En cualquier instante, con el mismo voltaje aplicado, el flujo de electrones .::s exactamente el mismo en un circuito, sin importar si la 18
fuente de potencia que 10 esta produciendo es de cc 0 de ca. Consideraremos primero la potencia y circuitos de Cl y a continuaci6n utilizaremos esta informaci6n para com prender c6mo funcionan la potencia y los circuitos de ca
Fuentes de corriente continua CELDAS Y BA TERIAS. Las fuentes mas sencLllas y comunes de cc son las celdas, 0 pilas, y las baterias secas. Las celda~ 0 pilas secas aplican la acci6n qui mica para hacer que los electrones se muevan denlro de la pila , de una pieza de metal a otra. La acci6n quimica mantiene este desequilibrio de electrones. Los electrones fluyen en un circuito por fuera de la pi/{l para restablecer el equilibrio. Los terminos celda 0 pi/a y bate ria tienen significados diferentes. Una celda es una combinaci6n de dos electro· dos y una soluci6n qui mica. Los materiales que se usen determinan el voltaje producido. El tamaiio de una celda determina cuanto tiempo se puede extraer corriente de ella y que tan grande puede ser la extracci6n de corriente sin una disminuci6n significativa en el voltaje. Se pueden reunir las pilas de modo que se sumen los voltajes. Este agrupamiento se conoce como bateria. Existen dos clases de celdas: primarias y secundarias. CELDAS PRIMARIAS· Cuando dos sustancias diferentes, como el zinc y el cobre 0 el zinc y el carbono, se colocan separadas a una distancia pequeiia en ciertas soluciones acidas, conocidas como electr61itos se genera un voltaje entre elIas. Como resultado de este voltaje, se lie va a efecto un flujo de electrones del zinc hacia el electrodo de cobre (0 carbono), al conectarse externamente por medio de un conductor. La combinaci6n de las dos placas, electr6lito y recipiente se conoce como celda (pi/a) primaria (Fig. 2-4). Un ejemplo es la pila "seca" ordinaria (hablando estrictamente, no es seca), la cual usa una pasta que contiene cloruro de amonio como electr61ito. Su fuerza es de 1.53 volts; con otros electr6litos y electrodos la fuerza puede estar entre 0.7 y 2.5 volts. Conforme la acci6n qui mica continua: los materiales se consumen en la producci6n de electricidad. Cuando los materiales se agotan, el dispositivo queda inutil y no puede usarse otra vez. Un dispositivo de este tipo se conoce como celda primaria porque es una fuente primaria u original, de electricidad, y no se puede restablecer su utilidad despues de que se han consumido los materiales. El voltaje producido depende de los materiales que se usen y no del tamaiio de la celda. Una pila seca, que es una celda primaria, produce alrededor de 1.5 volts, sin importar que sea una diminuta celda para lam para 0 una pila seca grande del No.6 (Fig. 2-4), y siempre que se extraiga de la misma no mas que una corriente muy pequeiia. La corriente que se puede
Fundamentos de instalaciones electricas
.~
______
____________________
~~~b
de cc m-
:a.
LA TERMINAL NEGATIVA VA AL ENVASE DE ZINC
\
LA TERMINAL POSITIVA VA A UNA BARRA DE CARBONO QUE ESTA EN EL CENTRO DE LA PILA
y s.
SELLO DE CERA BARRA DE CARBONO
'a
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MATERIALES QUiMICOS
n '.
ENVASE DE ZINC
CUBIERTA DE PAPEL
Figura 2-4. Pila seca primaria.
extraer de una celda depende del tamaiio de la misma. Si se intenta extraer mas corriente de una celda que la que es capaz de suministrar, el voltaje disminuira hasta un valor bajo. Las pilas de carbono-zinc resultan mas apropiadas para periodos cortos de uso con baja extraccion de corriente. Se pueden utilizar otros tipos de pilas cuando
DIRECCION - - - - DEL FLUJO DE ELECTRONES CUANDO SE CIERRA EL INTERRUPTOR
se tienen otras necesidades. Las pilas de mercurio producen un voltaje de 1.4 volts aproximadamente. Estas pilas se combinan para formar diversos voltajes para la bateria. Las pilas de merc.urio pueden proporcionar un voltaje bastante constante, incluso cuando se utilizan durante periodos largos y con cargas cambiantes. CELDAS SECUNDARIAS. Estas son celdas quimicas que se pueden lIevar a su condicion original, al cargarJas por medio de una fuente exterior de electricidad (Fig. 2-5). Estas celdas se us an en los automoviles y se conocen como acumuladores. Por 10 comun, estas celdas se utilizan en baterias formadas por tres 0 seis. La salida de cada celda es aproximadamente de 2 volts. EI voltaje seria de 60 12 volts, dependiendo del numero de celdas conectadas de modo que los voltajes se sumen. Las celdas secundarias se pueden recargar haciendo pasar una corriente electrica a traves de elias, en una direccion opuesta a la de su descarga. Otras celdas secundarias son las pilas alcalinas y las de niquel-cadmio. Las pilas alcalinas producen un voltaje de 1.5 volts. Las baterias alcalinas se encuentran en varios tamaiios, hasta de 15 volts. Estas baterias resultan especialmente apropiadas para usarse en circuitos en los que la extraccion de corriente es alta. Tambien existen celdas alcalinas en la forma no recargable. Las pilas de niquel-cadmio producen un voltaje de 1.25 volts y tambien se encuentran en baterias hasta de 12 volts. Las pilas de niquel-cadmio pueden soportar un uso intenso sobre un amplio intervalo de temperaturas. G ENERADO RES. Tambien se puede producir corriente continua por medio de generadores de cc. Los generadores convierten la energia mecanica en energia electrica. Intemamente, todos los generadores producen corriente altema. La salida de corriente continua se obtiene agregando un dispositivo auto matico de conmutacion, llamado conmutador, a las salidas del generador. En el capitulo 3 se cubre la operacion de los generadores.
Circuitos TINA DE VIDRIO
ELECTROLITO
ZINC
Figura 2-5. Celda humeda tipica.
Usaremos algunos diagramas electricos sencillos para describir la forma.como ope ran los circuitos basicos. En el capitulo 12 se da una descripcion completa de los diversos tipos de diagramas electricos. Sent mas faci! entender como se leen y usan los diagramas electricos mas complejos, despues de que el estudiante haya cubierto el material de los Capitulos 1 alII. Por el momento, todo 10 que necesita conocer el estudiante son dos simbolos esquematicos: Circuitos e1ectricos
19
r Fuentes de voltaje. En la figura 2-6 se muestran los simbolos para las celdas (0 pilas) y baterias. Los otros simbolos que se muestran en la figura 2-6 son mas generales y pueden representar cualquier fuente de voltaje de acuerdo con la notacion. 2. Cargas de los circuitos. Se pueden usar los dispositivos llamados resistores con el fin de representar otras clases de car gas de cc, como lam paras, elementos calentadores 0 motores. En la figura 2-6 se dan simbolos y los dispositivos que representan.
1.
RESISTORES FIJOS
FUENTES DE POTENCIA
..JVV\rSiMBOLO ESQUEMATICO
PILA (0 CELDA)
--IL.._ _---J~ SiMBOLO DEL DIAGRAMA DE ALAMBRADO
BATERiA. VOL TAJE SEGUN SE MARQUE
--0RESISTOR TiPICO DE CARBONO
---0 SIMBOLO PARA FUENTES GENERALES DE POTENCIA VOL TAJE SEGUN SE MARQUE
Figura 2-6. Algunos simbolos esquematicos.
LEYES DE KIRCHHOFF-Hasta ahora se han cubierto dos juegos de leyes que nos dicen como se comporta la electricidad. Primero se vio la ley de Ohm, la cual enuncia la forma en que actuan el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito. En seguida, se vio la ley de Watt. Esta ley extendiola relacion entre el voltaje y la corriente para mostrar la manera en que se calcula la potencia electrica. Para comprender los circuitos de cc se debe considerar otro conjunto de leyes. Estas leyes fueron descritas por primera vez por Robert Gustav Kirchhoff, fisico aleman, del que ahora conservan el nombre. La primera ley de Kirchhofftrata del flujo de corriente: ley de la corriente de Kirchhoff, En cualquier circuito, la cantidad total de corriente (flujo de electrones) que sale de cualquier punto del circuito debe ser exactamente igual a la corriente total que llega a ese punto. 20
En la figura 2-7 se muestra un circuito que ilustra esta ley. Los resistores RI y R2 estan conectados de modo que la con iente de la bateria fluye a traves de los dos. De acuerdo con la ley de Kirchhoff, la corriente en el punto A debe ser igual a la suma de la corriente que pasa por R I Y la que pasa por R 2 • En el analisis de los circuitos en serie Y en paralelo se vera como se puede aplicar esta sencilla observacion para resolver los problemas de circuitos. La segunda ley de Kirchhoff trata del voltaje (ley del voltaje de Kirchhoff). En cualquier circuito, la suma de las caidas de voltaje alrededor de cualquier trayectoria completa es exactamente igual al voltaje aplicado a la trayectoria. Esto significa que todo el voltaje aplicado a un circuito sera usado para que la corriente fluya. Nada "quedara". En la figura 2-8 se muestran dos circuitos simples. El circuito A tiene una sola carga de 50 ohms y un voltaje de la fuente de 100 volts. El circuito B tiene 3 cargas que dan un total de 80 ohms y tambien tiene un voltaje de la fuente de 100 volts. A partir de la ley de Kirchhoff se sabe que el voltaje, a traves de la carga (mica de 50 ohms debe ser igual al voltaje apJicado. Analogamente, la suma de los voltajes a traves de las tres cargas en el circuito B tam bien debe ser igual al voltaje aplicado, Se puede aplicar la ley de Ohm para calcular el flujo de corriente en cada circui to. Con base en esto se puede calcular el voltaje a traves de cada resistor. Estos calculos muestran que fluiran 2 amperes en el circuito A y 2 amperes a traves de 50 ohms requieren 100 volts. El flujo de corriente en el circuito B es de 1.25 amperes y el voltaje a traves de cad a resistor es, respectivamente, de 12.5 volts, 25 volts y 62.5 volts 0 un total de 100 volts. Sin importar el numero 0 el valor de las cargas en un circuito, la suma de los voltajes a traves de cada carga sera igual al voltaje aplicado. La porcion del voltaje aplicado que es "consumida" por cada carga se llama caida de voltaje (0 de tension) a traves de esa carga.
A
Figura 2-7. Ley de la corriente de Kirchhoff.
Fundamentos de instaiaciones electricas
..
~-- ------------~-----------------
Se puede aplicar la ley de Ohm con el fin de calcular el flujo de corriente en el circuito:
a e e ~
50 OHMS
lOa--
VOLTS
/
f A
R2 20 OHMS
lOa-=-
VOLTS R3
V=/ V=/ V=/ V=/
50 OHMS B
Figura 2-8. Ley del voItaje de Kirchhoff.
Se tienen tres maneras para conectar cargas a una fuente: En sefle En patalelo En una combinacion serie-paralelo Se considerani 10 que sucede a la resistencia de carga, a la corriente y al voltaje en cada uho de estos circuitos.
CIRCUITOS SERlE· En un circuito serie, todas las cargas estan conectadas una a la otra en una vuelta continua. La corriente que sale del lado negativo de la fuente debe fluir por cada carga sucesivamente, hasta lIegar allado positivo de aquellas. De acuerdo conlaleyde la corriente de Kirchhoff, la corriente sera la misma en todo punto del circuito. En otras palabras, la misma cantidad de corriente fluira por cada carga independientemente de fa resistencia de fa misma. Si el flujo de corriente es con stante, entonces se requerira mas voltaje de la fuente para impulsar esta cantidad por cargas de alta resistencia y sera necesario menos voltaje de la fuente para cargas de baja resistencia. De acuerdo con la ley del voltaje de Kirchhoff, la suma de las caidas de voltaje a traves de las cargas sera igual al voltaje de la fuente. En la figura 2-9 (un circuito serie simple) se muestra como funciona esto. La resistencia total (RT) en un circuito serie es la suma de las resistencias separadas: + R2 + R3 + R4 8 + 15 + 20 + 17
RT
120 = 2 amperes 60
Se sabe que fluiran 2 amperes por cada resistencia, de modo que ahora puede calcularse la caida de voltaje a traves de cada carga:
Rl 10 OHMS
Rl
V
=-=
RT 60 ohms
X X X X
Rl R2 R3 R4
2 2 2 2
8 X 15 X 20 X 17
X
16 volts 30 volts = 40 volts 34 volts
Entonces, la caida total de voltaje es 16 + 30 + 40 + 34, o bien, 120 volts, el voltaje de la fuente. Se deben recordar tres cosas importantes acerca de los circuitos serie: 1.
2.
3.
El flujo de corriente que pasa por cada carga es el mismo en un circuito en serie. La caida de voltaje a traves de cada carga es proporcional a la resistencia de la misma. La suma de las caidas de voltaje es igual al voltaje aplicado (ley del voltaje de Kirchhoff).
CIRCUITOS EN PARALELO.Con mucho, la disposicion mas comun de los circuitos es la conexion de todas las cargas en paralelo. El calificativo "en paralelo" describe la relacion electrica entre las cargas. Cuando se muestran esquematicamente los circuitos en paralelo, las cargas quedan (si 10 permite la disposicion del dibujo) a traves de ramas paralelas del circuito. Por esta razon a los diagramas esquematicos de los circuitos en paralelo a veces se les da el nombre de diagramas de "escalera". Con
R, 8 OHMS
R2 15 OHMS
R4
R3
17 OHMS
20 OHMS
Figura 2-9. Circuito en serie simple. Circuitos electricos
21
r I
I
frecuencia resulta conveniente mostrar las dos lineas que van hacia la fuente de voltaje a 10 largo de la parte superior e inferior del dibujo. Entonces las cargas se muestran sobre rectas paralelas entre las lineas de potencia. La disposicion global semeja una escalera, en que las lineas de potencia son los soportes laterales y las cargas, los travesafios. Virtual mente, todos los circuitos de potencia residenciales y comerciales estan conectados en paralelo. Los circuitos en paralelo tienen varias ventajas practicas sobre los circuitos en serie. En los circuitos en paralelo se aplica el mismo voltaje a toda rama del circuito que este a traves de las lineas de potencia. En consecuencia, todos los dispositivos del circuito se pueden disefiar para un voltaje conocido. Se pueden colocar interruptores a cada rama que este a traves de las lineas de potencia y se puede hacer que por cada una de elias circule 0 no corriente, sin afectar el voltaje aplicado a las otras ramas. Analogamente, cada rama puede ser un punto de conexion (por ejemplo, una toma de corriente de pared) y pueden conectarse y desconectarse las cargas segun se desee. Se puede analizar tambien el voltaje, la corriente, la resistencia y la potencia en un circuito en paralelo, aplicando la leyes de Ohm, Kirchhoff y Watt. En la figura 2-10 se muestra un circuito en paralelo simple. El voltaje a traves de Rl y R2 es el mismo porque los dos extremos de Rl asi como los dos de R2 estan conectados directamente al voltaje de la fuente. Sin embargo, el flujo de corriente que pas a por R 1 YR2 depende de la resistencia. La corriente que pasa por Rl es:
120 V I =- =
Rl
10
12 amperes
La corriente que pasa por R2 es:
120
15
A
-=--
~
120 _ _ VOLTS
R, ~ 10 OHMS
~
Figura 2-10. Circuito en paralelo simple.
Un circuito en parale10 puede contener cualquier numero de ramas, pero el patron del flujo de corriente es el mismo. EI flujo de corriente se divide en cada rama en paralelo, de acuerdo con la resistencia de la rama, y la corriente de todas las ramas se unen en la linea de regreso. EI flujo total de corriente en un circuito en paralelo se ca1cula de dos maneras: aplicando la ley de Ohm con el fin de ca1cularel flujo de corriente por cada carga y sumar estos valores. En el ejemplo precedente se aplico este metodo. En el segundo metodo se ca1cula un valor de resistencia que sea equivalente a la resistencia efectiva de las cargas en paralelo. Entonces puede usarse este valor de resistencia para ca1cular la corriente total que se extraera de la fuente. Para entender la importancia de la resistencia equivalente y como se ca1cula, comparemos las disposiciones de las cargas en serie y en paralelo. Veamos que reglas generales se aplican a la corriente, al voltaje y a la resistencia en cada circuito. La figura 2-11 es un circuito en serie que tiene los mismos valores de las resistencias y el mismo voltaje aplicado que en el circuito en paralelo, de la figura 2-10. Para empezar se comparara el flujo de corriente en cada circuito. Previamente se ha ca1culado que, en el circuito en paralelo, fluyen 20 amperes. La formula de la corriente
R,
22
Fundamentos de instalaciones electricas
~
B
= 8 amperes
Notese que los val ores de 12 amperes y g amperes representan el flujo de corriente que pasa por cada resistor por separado. Pero en el punto A debe haber suficiente corriente como para abastecer a las dos ramas del circuito. Por 10 tanto, deben fluir 20 amperes por el punto A -por la ley de la corriente de Kirchhoff- y 20 amperes deben salir del punto A. Los 20 amperes se dividen de acuerdo con nuestros ci1culos: 12 amperes fluyen por R 1 Y los restantes 8 amperes fluyen por R 2• En el punto B, se reune la corriente que pasa por las dos ramas y 20 amperes fluyen de regreso a la fuente.
R2
15 OHMS>
10 OHMS
_ _ 120 -
VOLTS
R2 15 OHMS
Figura 2-11. Circuito en serie comparativo.
l
para el circuito en serie es j = VIRr, en donde Rr es la surna de las resistencias en el circuitn (RI + R 2 ):
I
30 5 6 ohms
= 120 = 4.8 amperes 25
Esto indica que, para la misma resistencia de la carga y el rnisrno voltaje de la fuente, el flujo de corriente es mayor en un circuito en paralelo. La razon para esta diferencia en el flujo de corriente es simple, pero no se ve con facilidad. En un circuito en serie, cada resistencia de carga se suma a las otras cargas del circuito. Entre mas cargas haya, mayor es la resistencia y, por 10 tanto, fluye menos corriente. Cada carga agregada reduce el flujo de :orriente. Cuando las cargas se conectan en paralelo, cada una proporciona otro camino para la corriente. Es decir, cada carga incrementa el flujo de cortiente de la fuente. Para observar esto desde otro punto de vista, calculemos el valor de la resistencia en serie que extraeria 20 amperes de la fuente:
V R =I
120 20
6 ohms
Esto nos hace ver que para que fluyetn 20 amperes cuando R I Y R 2 estan en paralelo, la fuente de potencia debe "sentir" a R I Y R 2 como de 6 ohms. EI valor de 6 ohms es la resistencia efectiva de una carga de 10 ohms y otra de 15 ohms en paralelo. Se puede calcular direct amente la resistencia efectiva de las cargas en paralelo, en lugar de dar un rodeo por el metodo de comparar circuitos en serie y en paralelo. Debido a que cada resistor agregado reduce la resistencia total efectiva, se aplica el metodo de "Ia inversa de las hwersas"
Se puede hacer un calculo mas rapido, cuando solo intervienen dos cargas; este es eI metodo del "producto dividido entre la suma":
10 X 15 10 + 15 150 25 =
Es posible aplicar este metodo para cualquier numero de cargas en paralelo, calculando sucesivamente grupos de dos. Para resumir el tema de la resistencia equivalente en los circuitos en paralelo, a continuacion se dan los dos metodos de calculo para el circuito de cargas multiples de la figura 2-12. 1.
RE
Metodo de la inversa de las inversas:
1
=
.1..+
1
10 =
Este metodo se aplica a cualquier numero de cargas en paralelo. Para el ejemplo dado del circuito con dos resistores, el calculo es:
1 1 .1..+l 1 15 + 40 24 + 60
-L30 120
120 30
1 1 1 10 + 15 1 5 30
6 ohms
4 ohms 2.
Metodo de las combinaciones sucesivas (Fig. 2-13):
Circuilos eleclricos
23
Paso 4. Hallese la resistenciaequivalente para (R I, R 2 ) Y (R3' R 4• R 5) Fig. 2-13d):
120
VOLTS
R,
R2
R3
R4
R5
(R 1 ,R 2 ) X (Ra,R4,R5) (R 1 , R 2 ) + (Ra, R 4 , R 5 )
10
15
40
24
60
OHMS
OHMS
OHMS
OHMS
OHMS
6 X 12 6 + 12
72
Figura 2-12. Cargas mUltiples en paralel0.
Paso 1. Hallese la resistencia equivalente paraR 1 y R (Fig. 2-13a):
18
10 X 15 10 + 15 150 25
X R4
+
R4
40 X 24 40 + 24 960 64 15 ohms Paso 3. Hallese la resistencia equivalente para (R 3, R 4 ) Y R5 (Fig. 2-13c): (Ra, R 4 ) X R5 (Ra, R 4 ) + R5
15 X 60 15 + 60 900 75 12 ohms
\ 24
=
E
Paso 2. Hallese la resistencia equivalente paraR3 y R4 (Fig. 2-13b):
Ra Ra
Al utilizar el metodo de las combinaciones sucesivas, es posible combinar las cargas en cua1quier orden. En los casos en que se conectan en paralelo dos 0 mas cargas de resistencia igual, la resistencia equiva1ente es simplemente la resistencia de una de las cargas dividida entre el numero de cargas. En el circuito de la figura 2-14, estan conectadas en paralelo tres cargas de 10 ohms; por 10 tanto, la resistencia equivalente es:
R
6 ohms
RE
4 ohms
2
Fundamentos de instalaciones electricas
Resistencia de una carg':. 10 Numero de cargas "3
3.3 ohms
Es posible combinar este metodo con cualquiera de los otros dos metodos, 0 con los dos, para calcular la resisten cia equiva1ente de cargas multiples en paralelo. Los calcu10s de la potencia para los circuitos en paralelo se llevan a cabo, aplicando las formulas correspondientes al circuito total 0 a cualquier parte de el. Para el circuito de cinco cargas (Fig. 2-12), la corriente que pasa por cada carga se encuentra por la ley de Ohm: /= VIR. Con Vigual a 120 volts y los valores de los resistores como se muestran en la figura 2-12, la corriente que pasa por cada carga es: Rl
12 amperes
R2
8 amperes
Ra
3 amperes
R4
5 amperes
R5
2 amperes
Conocemos el voltaje, la corriente y la resistencia de cada carga, de modo que la potencia consumida se puede calcular aplicando la ley de Watt: W = V X loW = PR. Para cada carga, la potencia consumida es: Rl =
1440 watts
R2
960 watts
R3
360 watts 600 watts 240 watts
10
10
10
OHMS
OHMS
OHMS
La potencia total es de 3 600 watts .. Figura 2-14. Resistencia equivalente de cargas iguales.
R3
R4
R5
40
24
OHMS
OHMS
60 OHMS
EI ca1culo de la resistencla equivalente para este circui to dio un valor de 4 ohms. EI flujo e corriente en terminos de la resistencia equivalente es:
I
V
120 4
R
= 30 amperes
a La potencia total es de 120 X 30 0 3600 watts. Los divers os metod os de calculo proporcionan una manera de comprobar las respuestas por partida doble.
R5
60 OHMS
b
--...-
>
c
....
RE
~
4 OHMS;>
-.--
d Figura 2-13. Manera de hallar la resistencia equivalente por combinaciones sucesivas.
CIRCUITOS EN SERIE-PARALELO· Tanto las disposiciones de la carga en serie como en paralelo se pueden utilizar en el mismo circuito. Esta combinacion se conoce como circuito en serie-paralelo. Para ca1cular el flujo de corriente, la resistencia equivalente 0 la potencia en un circuito en serie-paralelo, se aplican los procedimientos para serie y paralelo por separado a las partes apropiadas del circuito. En el circuito de la figura 2-15a, si se ca1cula la resistencia equivalente de R 1 Y R 2, esa resistencia mas la R 3 formara un circuito en serie simple. En un circuito en serie-paralelo mas complejo, se debe examinar el circuito para determinar la mejor manera de agrupar las cargas con fines de ca1culo. En el ciruito que se ve en la figura 2-15b, el procedimiento que se describe a continuacion proporcionara un valor de la resistencia equivalente en cuatro pasos. EI examen del circuito sugiere que si se encuentra la resistencia equivalente de R I' R 2• R3 Y R4 y, a continuacion, la resistencia equivalente de Rs. R6 Y R 7 , esos dos valores equivalentes formaran un circuito en serie simple con R 8 • EI procedimiento es como sigue:
Paso 1:
Hallese la resistencia equivalente deRI y R 2 :
Rl
X R2
Rl
+ R2
5 X 20 5 + 20 Circuit os electricos
25
100 25
(R RE
4 ohms
115 = 115
Paso 2. Hallese la resistencia equivalente de (R I • R 2 )
+ R4 en paralelo con R3:
X
R3
= 9.2 ohms
+ R3
(4 + 40) X 80 (4 + 40) + 80
Paso 4. Sumense las resistencias equivalentes de los pasos 2 y 3 a R 8:
3520 124 28.4 ohms Paso 3. Encuentrese la resistencia equivalente de (R 6 + R 7 ) en paralelo con Rs:
A.AA
v" ...
R2
"N.., R3
-
l
X 10 + 10
1150 125
[ (Rl' R 2 ) + R 4 ] [ (Rl' R 2 ) + R4 ]
RE
+ R 7 ) X R5 + R7 ) + R5
6 (R6
=
.c;
>
a
Paso 2
=
28.4
Paso 3
=
9.2
R8
= 150.0
=
187.6 ohms
CORTOS CIRCUITOS Y CIRCUITOS ABIERTOSLos dos problemas mas comunes en el trabajo electrico se conocen como cortos circuitos y circuitos abiertos. Las palabras corto y abierto se refieren a un cambio en la resistencia del circuito como resultado de un accidente, falIa del equipo 0 falla en la instalacion. EI cambio en la resistencia provocado por un corto circuito 0 un circuito abierto es por 10 comun extremadamente grande y, en general, ocurre repentinamente. Cuando ocurre un corto circuito se tiene una trayectoria de baja resistencia (casi cero) para el flujo de corriente en paralelo con la carga. En la operacion normal del circuito que se muestra en la figura 2-16, la corriente que fluye por la lampara de 100 watts al cerrar el interruptor es aproximadamente de 0.83
R3
SO OHMS R2
I
20 OHMS
I I
R4
RS
40 OHMS
100 OHMS
R1 50HMS
R5 10
RS
OHMS
o I
I
I I
I
I )-_L-_--'
150 OHMS
b Figura 2-15. Circuitos en serie-paralelo.
26
CORTO CIRCUITO RESIST EN CIA MENOR QUE 1 OHM
Fundamentos de instalaciones ell!ctricas
ljlRCUITO ABIERTO: AL TA RESISTENCIA
Figura 2-16. Corto circuito y circuito abierto.
LAM PARA DE 100 WATTS
(RESISTENCIA DE APROXIMADAMENTE 140 OHMS)
,
ampere. Si se presenta un corto circuito, tal como una trayectoria A, la baja resistencia en paralelo con 1a resistencia de la l
Si se presenta un circuito abierto - por ejemplo una rotura en el conductor en el punto B- se colocani una resistencia extremadamente alta en serie con la lampara de 100 watts. EI efecto es igual al de abrir el interruptor: el flujo de corriente cae hasta cero y la lam para se apaga. Cuando se presentan cortos circuitos 0 circuitos abiertos, se debe hallar la causa y corregirse. En el capitulo 14 se des crib en los procedimientos para encontrar y corregir estos problemas.
• PREGUNTAS DE REPASO • 1. N6mbrense los cuatro elementos de un circuito. 2.
~Cual
3.
La potencia en watts es el producto de _ _ _ __
9.
de los cuatro elementos de un circuito realiza el trabajo?
------------y------------4.
EI circuito que se muestra en .1a pregunta 8 es un circuito en serie. Contestese 10 que sigue: a.
~Cuanta
b.
De acuerdo con la ley del voltaje de Kirchhoff, ~a cuanto sera igual la suma de los voltajes alrededor del circuito?
c.
~Cuanto
~Por
que el valor de la corriente queda elevado al cuadrado (/2) en la formula de potencia P =ilK!
corriente fluye por cada resistencia?
del voltaje de la fuente usara R3?
5. "Por que el valor del voltaje queda elevado al cuadrado (V2) en la f6rmula de la potencia P = V2IR? 6.
7.
Las sustancias quimicas que se usan para producir la eletricidad en una celda (0 pila) determinan el ._ _ _ _ _ _ _ _ de salida. Las pilas para formar baterias se combinan para incrementar _ _ _ _ _ _ _ 0 _ _ _ _ _ _ __
8. "Cmil es la diferencia entra las celdas primarias y las secundarias? Rl
R2
10 OHMS
15 OHMS
R4
R3
R4
200 OHMS
300 OHMS
EI circuito que se muestra arriba es un circuito en paralelo. Dese respuesta a 10 que sigue: a.
"Cuanta corriente fluye por cada resistor?
b.
~Cual
es el flujo de corriente en el punto A?
c.
~Cual
es la resistencia equivalente de R 1, R 2, R3
Y R4?
50HMS 30 OHMS
R2
150 OHMS
A
10.
R3
Rl
100 OHMS
d.
"Como se puede utilizar la respuesta a la pregunta b con el fin de comprobar la respuesta a la pregunta c?
Circuitos electricos
27
a
3 CORRIENTE ALTERNA
..
c.
4
• INTRODUCCION •
NORTE MAGNnlCO
La forma de electricidad que las compafiias que sumistran el servicio generan y distribuyen se llama corriente alterna 0 ca. Virtual mente, todos los circuitos que instalan los electricistas usan corriente alterna. Este capitulo da a conocer allector que caracteristicas especiales tiene la corriente alterna. El estudiante aprendera 10 que la corriente aIterna puede hacer y como 10 hace. Por supuesto, existe mas ace rca de los circuitos electricos y la corriente alterna que 10 que este capitulo y el anterior pueden cubrir, pero los aspectos esenciales que se encuentran aqui Ie daran una base solida para 10 que sigue. El esfuerzo que haga por entender los circuitos electricos y la corriente alterna Ie beneficiaran en su trabajo futuro.
• MAQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA • Magnetismo Algunos materiales como el hierro, el niquel y el cobalto, tienen una propiedad unica que les permite magnetizarse. En particular, el hierro y las aleaciones de hierro muestran fuertes propiedades magneticas. El magnetismo es una fuerza que hace· que los materiales con cualidades magneticas experimenten atraccion 0 repulsion, de acuerdo con un conjunto definido de reglas. La propia Tierra es un iman gigante (Fig. 3-1) y se ha tornado como fuente de los nombres que se dan a los dos polos de fuerza de los imanes. Uno de los pol os magneticos de la Tierra esta cerca del Polo Norte geografico verdadero y el otro polo magnetico, cerca del Polo Sur geografico de la Tierra. Si se deja que un trozo largo de material magnetico se mueva con libertad suspendido de un hilo 0 flotando en un liquido, el material se alineara por si mismo de modo que; cada uno de sus extremos apunte hacia uno de los pol os magneticos de la Tierra. El extremo que apunta hacia el polo norte magnetico se conoce como polo norte del iman y el que apunta hacia el sur es el polo sur del iman. En algunos imanes y en los dibujos estos extremos se marcan como N y S, respectivamente. DEMOSTRACION DE LAS LiNEAS DE FUERZA • Unas cuantas demostraciones sencillas pueden mostrar la forma de la zona de fuerza magnetica y la manera en que interactuan los polos magneticos. Los materiales necesarios son: Dos imanes permanentes en barra Una brujula magnetica Alrededor de 112 taza de limaduras de hierro finas Un trozo de gis (clarion 0 tiza)
Figura 3-1.
La Tierra como un iman.
Si los extremos de los imanes no estan marcados con N y S, puede usarse la brujula con el fin de identificar los polos y marcar los imanes con el gis. Trabajese con los imanes uno por uno. Paso 1. Coloquense uno de los imanes y la brujula como se muestra en la figura 3-2. Paso 2. Acerquese la brujula al iman hasta que el indicador de aqueUa gire y quede en una posicion aproximadanente paralela al iman. Paso 3. El extremo norte del indicador esta apuntando hacia el sur del iman. Marquese ese extremo con una S. Paso 4. Marquese el otro extremo del iman con una N.
N
S
I Figura 3-2. iman.
Identificaci6n de los polos magneticos usando un
Corriente aIterna
29
_
LlMADURA DE HIERRC
Paso 5. Repitase este procedimiento con el otro iman y marquense tam bien sus extremos.
Se pueden utilizar los imanes marcados para "sentir" las !ineas de fuerzas magneticas. Cuando el extrema N de uno de los imanes se ace rca al extremo marcado S del otro iman, se "siente" la atraccion entre estos polos, ya que los imanes se pegan. Tambien puede sentirse la fuerza de repulsion al intentar unir los extremos con la misma polaridad. Es posible ver, indirectamente, lafuerza magnetica que se sintio en esta demostracion, si se utilizan limaduras de hierro. Paso 1. Coloquese uno de los imanes sobre una superficie plana. Pongase una hoja de papel sobre el iman. Paso 2. Espolvoreense las limaduras de hierro lentamente sobre el papel. Las limaduras se moveran para formar el patron de la figura 3-3. Este patron recibe el nombre de campo magnetico del iman.
Figura 3-4.
Paso 3. Levantese el papel del iman y regresense las limaduras al recipiente.
Paso 6. Repitase este procedimiento pero, colocando ahora los imanes con los polos iguales uno frente al otro. EI patron sera como el que se muestra en la figura 3-5.
Paso 4. Coloquense los dos imanes sobre la misma recta horizontal con los polos opuestos uno frente al otro, flero 10 suficientemente separados como para que los imanes no tiendan a pegarse. Paso 5. Coloquese una vez mas el papel sobre los imanes y espolvoreense las limaduras sobre eI. Las limaduras se moveran para formar el patron de la figura 3-4. POLO MAGN~TICO S
LlMADURAS DE HIERRO
Lineas de fuerza entre polos opuestos.
Se deben recordar cuatro hechos importantes respecto de la demostracion con los imanes: 1. Los polos magneticos opuestos se atraen. 2. Los polos magneticos iguales se repelen.
POLO MAGN~TICO N
I
LlMADURAS DE HIERRO
Figura 3-3. 30
LlMADURAS DE HIERRO
Campo magnetico de un iman en barra.
Fundamentos de instalaciones electricas
(8) PATRON QUE SE TOMA ENTRE POLOS MAGN~TICOS IGUALES
Figura 3-5
Lineas de fuerza entre polos iguales.
3. Las lineas de fuerza siguen una trayectoria curva desde uno de los polos hasta el otro. 4. EI patron de las hmaduras mostro que los campos magneticos son mas intensos cerca de los polos. La teoria molecular del magnetismo proporciona una explicacion relativa a la fuerza que se sintio en la demostracion con los imanes y la que hizo que las limaduras formaran patrones definidos. De acuerdo con esta teoria, cada molecula de material magnetico es respecto a si misma un iman diminuto. Ellector recordara, de 10 visto en el capitulo 1, que una molecula es la particula mas pequeiia de cualquier material que todavia conserva todas las caracteristicas de tal material. Cuando un trozo de material -por ejemplo, el hierro-no esta magnetizado, estos diminutos imanes moleculares estan dispuestos de una manera fortuita tal, que la fuerza magnetica de cada molecula tiende a ser cancelada por la fuerza de otra (Fig. 3-6). Entonces, el efecto global es que el trozo de material no muestra propiedades magneticas. Si se puede aplicar una fuerza a este material que haga que las moleculas se alineen de modo que todos los puntos N queden en una direccion, y todos los S en otra (Fig. 3-7), entonces el material mostrara las propiedades magneticas de atraccion y repulsion de los demas imanes. En algunos materiales, como los imanes que se usaron en la demostracion, una vez que las moleculas quedaron alineadas, permaneceran alineadas por mucho tiempo. En much os casos, estos imanes duran aiios, sin una disminucion en la intensidad magnt!tica que pueda notarse. Por supuesto, esta es la razon por la que se conocen como imanes permanentes. En otros materiales, las moleculas permanecen alineadas solo mientras se encuentre presente una fuerza que las .nantiene con esa alineacion. Tan pronto como se elimina esta fuerza, el magnetismo cae hasta UQ nivel bajo y pronto desaparece. La fuerza que alinea las moleculas es la electricidad y estos imanes se conocen como electroimanes.
Figura 3-7.
Patron molecular en un materia!" magnetizado.
gas y polos diferentes se atraen; cargas y polos iguales se repelen. Los primeros experimentadores en electricidad observaron esta semejanza y, por consiguiente, buscaron un eslabon entre la electricidad y el magnetismo. Se descubrio el primer eslabon al encontrarse que una corriente electrica que fluye por un alambre produce un campo magnetico alrededor de ese alambre. La forma del campo magnetico que existe alrededor de un alambre que lleva corriente difiere del que se encuentra alrededor de un iman. Las lineas de fuerza alrededor del alambre son circulares y tienen direccion (Fig. 3-8). EI campo magnetico que existe alrededor de un solo conductor es demasiado debit para tener algUn valor practico; por tanto, tuvo que hallarse una manera para reforzarlo. En primer lugar se encontro que si se formaba una gaza 0 una espiral con el alambre, todas las lineas de fuerza magneticas pasarian por el centro de la gaza y se reforzarian entre si (Fig. 3-9). En seguida se observo que las lineas de fuerza magneticas pasan con mayor facilidad a traves de un material magnetico que a traves del aire. En consecuencia se agrego una barra de hierro entre varias gazas para formar una bobina. Al fluir una corriente pOT LiNEAS DE FUERZA MAGN~TICAS
INDICACION DE LA BRUJULA
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CONDUCTOR
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I
I
Inducci6n ELECTROIMANES· EI estudiante probablemente ha observado por ahora que la accion de las cargas electricas y la de los polos magneticos siguen reglas similares. Car-
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FLUJO DE LA CORRIENTE
Figura 3-6.
Patron molecular en un material no magnetizado.
Figura 3-8.
Lineas de fuerza alrededor de un alambre recto. Corriente alterna
31
BOBINA
UNA SOLA GAZA
LiNEAS DE FUERZA BRUJULA
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BOBINA DE ALAMBRE
-
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FLUJO DE LA CORRIENTE
Figura 3-9. alambre.
!
BRUJULA
CAMPO MAGNETICO
Lineas de fuerza alrededor de una gaza de
el alambre, la barra se magnetiza; adquiere un polo norte y un polo sur, y puede atraer 0 repeler a otros materiales magneticos. Esta acci6n es exactamente la misma que la de los imanes en barra que se usaron al principio de este capitulo, excepto por una diferencia importante. Se puede iniciar 0 detener la acci6n magnetica de la barra haciendo pasar 0 suspendiendo el paso de la corriente electrica por la bobina (Fig. 3-10). La fuerza se vuelve util cuando se Ie puede controlar. La combinaci6n de la bobina de alambre y la barra 0 nuc1eo de hierro hacen que se pueda controlar la fuerza. EI principio electrico de inducci6n se pone en uso pnictico en los transformadores, generadores, motores, solenoides, relevadores y vibradores. Al analizar el magnetismo y la inducci6n se utiliza con frecuencia el termino polaridad. Un material 0 un dis positivo tiene polaridad cuando tiene puntos en los que existen fuerzas opuestas. UnimilO tiene polaridad porque tiene un polo norte y uno sur. Una bateria tiene polaridad porque tiene una terminal positiva y una negativa. Los dispositivos electromagneticos poseen tanto polos electricos positivos y negativos como polos magneticos norte y sur. Una propiedad especial de los dispositivos electromagneticos es que estos polos se pueden intercambiar 0 invertir, bajo ciertas condiciones que se describen posteriormente en este capitulo. Si se dice que la polaridad de un voltaje es opuesta a la de otro, simple mente se quiere dar a entender que la direcci6n de la corriente que fluye producida por uno de los voltajes es opuesta a la 32
~---
Fundamentos de instalaciones electricas
direcci6n de la corriente producida por el otro. Si se afirma que se invierte la polaridad de un voltaje, se quiere dar a entender que se invierten los polos positivos y negativo y, como consecuencia, se invierte la direcci6n del flujo de corriente. Para comprender mejor el efecto que la inducci6n tiene sobre un circuito, examinemos 10 que sucede en un electroiman cuando se hace pasar una corriente 0 se suspende
FUENTE DE CC DE 120 VOLTS
Figura 3-10.
Circuito basico de un electrOlman.
I
I I
i ~
Ii
su paso. Sup6ngase que se tiene un electroimitn, una fuente de cc de 120 volts y un interruptor conectados como se muestra en la figura 3-10. Las bobinas que se us an en los electroimanes ofrecen cierta resistencia al flujo de la corriente continua. Se supondni que la bobina del circuito de prueba del ejemplo tiene una resistencia de 15 ohms. Con la ley de Ohm se puede calcular el flujo de corriente en el circuito:
I =
V
R
120 15
8 amperes
Cuando se cierra el interruptor, empieza a fluir la corriente por la bobina. Tan pronto como empieza a fluir la corriente, se empieza a desarrollar un campo magnetico alrededor de la bobina. Mientras se esta desarroHando el campo magnetico, las !ineas de fuerza que rodean cada vue Ita de .alambre pasan por las demas vueltas e inducen un voltaje. Cuando las !ineas de fuerza se estan desarrollando hacia afuera, la polaridad del voltaje inducido en las vueltas de la bobina se opone al de la bateria. Este voltaje inducido hace que fluya corriente en oposici6n a la de la bateria, 10 cual, a su vez, hace que el campo se desarrolle mas lentamente. Entonces, las !ineas de fuerza se cortan mas lentamente, reduciendo asi la corriente de oposici6n. En corto tiempo, pero que se puede medir, el voltaje de la bate ria vence la oposici6n de la bobina. EI flujo de corriente en el circuito ahora es de 8 amperes. En este instante, el campo alrededor de la bobina ya no se esta desarrollando y no se induce voltaje que haga fluir corriente en oposici6n a la de la bateria. Mientras el interruptor permanezca cerrado, en el circuito existira una condici6n estable de voltaje, corriente y resistencia. Sin embargo, cuando se abre el interruptor, ocurre una accion similar en sentido contrario: se suspende el flujo de corriente de la bateria y el campo magnetico que se encuentra alrededor de la bobina empieza a desplomarse. Una vez mas, conforme las !ineas de fuerza pasan entre las gazas de alambre, se induce un voltaje y sigue fluyendo una corriente. Este voltaje inducido se opone al del campo magnetico en desarrollo y tiene la misma polaridad que el voltaje de la bateria. De hecho, la bobina intenta mantener fluyendo la corriente como sucedia en la condici6n estable. Sin entrada de energia al circuito, el campo magnetico alrededor de la bob ina se desploma y la corriente deja de fluir. N6tese que s610 se induce un voltaje en la bobina cuando el flujo de corriene esta cambiando. Se puede definir la inductancia como la capacidad de un conductor para inducir un voltaje en si mismo al cambiar el flujo dt corriente. La unidad de inductancia es el henry, nombraea asi, en honor de Joseph Henry, fisico americano. El simbolo
para la inductancia es L. Una bobina tiene una "inductancia" de 1 henry cuando se induce un voltaje de 1 volt por una rapidez uniforme de cambio en la corriente de 1 amnere por segundo. AI estudiar el circuito de prueba (Fig. 3-10), es importante recordar que cuando se cerr6 el interruptor, la bobina actu6 para oponerse al flujo de la corriente. Al abrirse el interruptor, la bobina actu6 para oponerse a la interrupci6n del flujo de corriente. La inductancia es esa propiedad de un circuito que se opone a cualquier cambio en la corriente: Esta caracteristica dl'! los dispositivos inductivos para comprender 10 relativo al factor de potencia se analiza en la secci6n Caracteristicas de la corriente aIterna.
Generadores Un quimico y fisico ingles llamado Michael Faraday (1791-1867) descubri6 otro eslab6n entre el magnetismo y la electricidad. Encontr6 que podia hacer que fl uyera una corriente electrica en un alambre al moverlo a traves del campo de un iman. Se dobla un iman en barra en forma de U para obtener el lIamado iman de herradura. En est a forma, los polos norte y sur se acercan mas y las !ineas de fuerza magneticas se concentran en el espacio de en medio. Si se mueve un conductor hacia abajo a traves del espacio que se encuentra entre los polos, se induce un voltaje en el alambre y fluira corriente. S610 fluira la corriente en tanto se este moviendo el conductor. EI movimiento del conductor hacia arriba, a traves del mismo espacio, inducira nueva mente un voItaje y fluira corriente. El flujo de la corriente sera en la direcci6n opuesta (Fig. 3-11). Si el conductor se mueve de manera continua hacia arriba y hacia abajo entre los polos del iman, primero fluira la corriente en una direcci6n y despUt!s en la direcci6n opuesta. Para inducir un voItaje en el conductor, este d~be moverse a traves de las !ineas de fuerza magneticas. De hecho, el conductor debe cortar las !ineas. Si el conductor se mueve en forma lateral, de modo que no corte lineas de fuerza alguna, no fluira corriente. La importancia real del descubrimiento de Faraday se apoya en el hecho de que proporciona una manera practica de generar electricidad. Mover un conductor a traves de un campo magnetico requiere energia mecanica. Se puede obtener esa energia del carb6n, el petr61eo 0 la potencia del agua. De esta manera, la energia que se encuentra en los combustibles convencionales puede convertirse en energia electrica. Durante los ultimos afios se ha sumado la energia nuclear a la lista de combustibles con los que puede generarse la electri cidad. Corriente altema
33
A
A
A
MOVIMIENTO
1
LA LAMPARA DE PRUEBA PARPADEA
Figura 3-11.
34
LA LAMPARA DE PRUEBA NO PARPADEA
Flujo de corriente en un campo magnetico.
Aun cuando no se alteraron los principios basicos, se necesitaron muchos avances y refinamientos para llevar las observaciones de Faraday a los generad(}res electricos practicos. En lugar de una sola gaza de alambre que se mueve a traves del campo magnetico, se desarrollo un dispositivo, llamado armadura (Fig. 3-12). La armadura es un nucleo de laminas de hierro montadas en un eje sobI'e la cual se devanan muchas vueltas de alambre. A la armadura se Ie da una forma para que se ajuste estrechamente entre los polos magneticos. Los extremos de los polos se curvan para hacer que la armadura gire incluso mas cerca. Esto hace que las vueltas de alambre de la armadura corten las !ineas de fuerza en sus puntos de maxima intensidad. Debido a que la energia electrica se induce en la arm adura, se utilizan unos contactos deslizantes -llamados
Figura 3-12.
B
B
Armadura tipica de un generador de ca.
Fundamentos de instalaciones electricas
anillos rozantes 0 colectores- para hacer que esta energia tluya hacia afuera de la armadura giratoria. Los extremos del alambre envuelto en la armadura se conec tan a los anillos metalicos montados en el eje de giro de la armadura. Unos contactos del tipo de resorte que est an montados en la parte estacionaria del generador se oprimen contra estos anillos giratorios y conducen asi ll·la energia electrica hacia afuera del generador. En virtud de que los contact os estacionarios se frotan contra los anillos colectores, estos se conocen como escobillas. En la actualidad se utilizan enormes generadores en las plantas de generacion de electricidad. En algunos, las armaduras del generador son tan grandes como un vagon de ferrocarril. La mayor parte de las plantas generadoras utilizan carbon, petroleo 0 combustibles nucleares para generar vapor. El vapor, a su vez, impulsa una turbina que hace girar estas armaduras gigantescas. Tambien se fabrican generadores mas pequeiios para salidas de potencia mas bajas. Estos varian desde generadores impulsados por motores diesel, que actuan como plantas de emergencia para edificios de hospitales y oficinas, hasta los pequefios generadores que activan linternas de mano. Sin importar el tamaiio 0 propos ito de un generador, la accion de la armadura giratoria produce potencia electrica en una forma distintiva. FORMA DEL VOLT AJE Y CORRIENTE AL TERNOS ·Para entender por que la corriente alterna tiene su forma distintiva, a continuacion se aprendera como se induce el voltaje en una sola vuelta de alambre conforme gira entre los polos magnetic os del generador. En primer lugar, se considerara la forma general de la potencia generada y, a continuacion, se explicara con
c
mas detalle el proceso de generacion con el fin de ver . Il6mo se forma la onda de salida. A medida que una vuelta de alambre se mueve hacia y a traves de la posicion que se muestra en la figura 3-130, las llneas de.iuerza se estan cortando casi a {mgulos rectos. En esta zona, el voltaje inducido en el devanado y el flujo de corrieate resultante son maxim os. Cuando la vuelta se ha movido alrededor de 90° (Fig. 3-13b), ambos lados de la espira se mueven casi paralelos a las lineas de fuerza . . En esta ubicacion poco 0 ningun voltaje se genera en la vuelta. Durante los siguientes 90° de rotacion, cada rama de la vuelta se mueve hacia la posicion que provoca el maximo voltaje inducido. Sin embargo, existe una diferencia: las dos ramas de la vuelta estan cortando las lineas de fuerza en la direccion opuesta. Esto hace que se invierta la polaridad del voltaje inducido y la corriente fluye en la ilireccion opuesta. A partir de esto se puede ver que la salida de un generador no sera de un voltaje constante, como 10 es la salida de una bateria. La salida del generador cambia en magnitud y polaridad constantemente, conforme gira la armadura. Para ver que forma toma esta salida, se trazara la grafica de la salida en varios puntos, conforme se hace girar una vue Ita de la armadura. Para simplifil:ar, se representara la posicion de la armadura con una sola recta. Sobre la recta de la derecha se indicara el voltaje y III polaridad. Transcurre un cierto tiempo para que la
N
N
s
s
a
b
Figura 3-13. Flujo de corriente en una sola vuelta giratoria.
armadura gire, por tanto se marcani el angulo que forma la armadura sobre la recta de la derecha, para mostrar la relacion de los cambios con el tiempo. Conforme la recta que representa Ja vuelta gira en sentido contrano al movimiento de las manecillas del reloj, la altura de la punta de la flecha por encima de la linea de partida representa la intensidad del voltaje inducido. Si se situa este punto ala derecha, arriba del angulo apropiado, estos puntos situados mostranin la manera en la que varia el voltaje durante una revolucion. Supongase que las lineas de fuerza magneticas van de la parte superior hacia la inferior de la pagina (el polo norte del iman arriba del circulo de rotacion de la armadura; el polo sur abajo). EI voltaje inducido en la vuelta en cada posicion es como sigue (Fig. 3-14):
1. Las lineas de fuerza pasan a traves de la vuelta. No se induce voltaje alguno. 2. A 45°, la vuelta corta las lineas de fuerza,pero no ha alcanzado todavia el angulo maximo de corte. Se induce alg6n voltaje. 3. A 90°, la vuelta corta las lineas de fuerza formando el angulo mas pronunciado. Se induceel voltaje maximo. 4. A 135° la condicion es semejante a la que se tiene a 45°. EI voltaje cae desde un maximo hasta un nivel mas bajo. 5. A 180°, una vez mas las lineas de fuerza pasan a Haves de 1a vuelta. No se induce voltaje alguno. 6. A 225° la vue Ita corta una vez mas a las lineas de fuerza un poco, pero ahora la vuelta se mueve a traves de las lineas de fuerza en la direccion opuesta. Se induce un voltaje de polarizacion opuesta. 7. A 270°, la vuelta corta las lineas con eficiencia maxima, como a 90°, pero todavia con polaridad opuesta a la que correspunde a 90°. 8. A 315°, el voltaje inducido ha caido jesde el valor pico, pero todavia se induce algun voltaje. 9. A 360°, 00°, se ha regresado al punto de donde se partio. No se induce voltaje alguno. Una rotacion completa de la armadura representa un cicIo del voltaje de salida. La velocidad de rotacion de la armadura determina la rapidez con la que se repite el cicIo. Aun cuando solo se han situado nueve puntos, se han unido por medio de una linea curva, en lugar de una recta. Si el estudiante coloca una regIa entre los puntos que corresponden a 0° y 90° vera que la salida a 45° no cae sobre esa recta. Se debe trazar una curva para unir los puntos correspondientes a 0°, 45° Y 90°. Si se situaran maspuntos, la forma completa de la curva seria como la que se muestra. Corriente ahema
Una curva de esta forma se conoce como curva senoidal. EI nombre se refiere a una de las funciones trigonometricas de un triangulo rectangulo. EI angulo, en este caso, es el angulo de rotacion de la armadura. La hipotenusa es la recta que representa la armadura. Esta recta tiene la misma longitud en todo angulo. La razon con el lado opuesto a la hipotenusa varia entonces en la misma forma que el propio lado opuesto. Ellado opuesto es una recta vertical bajada de la punta de la flecha a la recta base (Fig. 3-15). A 0° e!lado opuesto tiene una longitud 0, por tanto, el seno de 0° es O. A 90° la hipotenusa y el lado opuesto tienen la misma longitud, por tanto, la razon es I: 1 es decir, I. En la figura 3-15 se muestra la razon para algunos puntos intermedios. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA-Los generadores de corriente continua operan exactamente igual que los generadores de ca. La salida de cc se obtiene conmutando la salida de la armadura cada medio ciclo para invertir la polaridad. EI dispositivo que realiza la conmutacion se llama conmutador. La salida de un generador de ca se obtiene por la armadura a traves de los anillos rozantes. Las escobillas montadas en el armazon del generador mantienen un contacto continuo con los anillos rozantes conforme gira la armadura. Para obtener una salida de cc, los anillos se reemplazan por segmentos semicirculares separados con material aislador entre ellos. Cada segmento se conecta a uno de los extremos de la vue Ita giratoria. Los segmentos se colocan en la armadura de modo que la salida se con mute cada 180° de rotacion (Fig. 3-16). Enconsecuencia, la corriente que fluye a traves de las escobillas siempre tiene la misma direccion. Las armaduras reales tienen muchas vueltas de alambre y los conmutadores reales tienen muchos segmentos. Sin embargo, el principio es el mismo. Los dos segmentos del conmutador que estan haciendo contacto con las escobillas siempre tienen la misma polaridad en el in stante del contacto. La salida de un generador de cc no es una cc estable, como 10 es la de una bateria. Por el contrario es una cc pulsante. La polaridad (direccion del flujo de corriente) de la salida no cambia, pero el nive! del voltaje varia. Se puede sua vizar esta variacion en la salida por medio de un proceso llamado: filtracion. Este proceso sedescribe en los parrafos relativos a la capacitancia, al final de esta seccion.
Transformadores s Figura 3-14.
36
Generacion de un cicio de corriente alterna.
Fundamentos de instalaciones elcctncas
Nuestro estudio acerca de los generadores mostro que la energia producida por una armadura giratoria en un campo magnetico cambia constantemente en amplitud y,
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---------------------------------------A~a
A = 15°
ALt
A = 30°
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A
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Figura 3-15.
A
= 45°
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a
c
-ca
~ 0.2588
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SEGUNDO MEDIO CICLO. PRIMER MEDIO CICLO. LA CORRIENTE FLUYE DE A LA CORRIENTE FLUYE DE HACIA B __- - - . B HACIA A VUELTA DE LA ARMADURA
0.5000
0']071
+ A
= 60°
A
=
75°
+
~ ~ 0.8660 c
a -c
VOL TAJE DE SALIDA
= 0.9659
Val ores de la onda senoidal.
peri6dicamente, cambia en la direccion del flujo. Si se aplica esta energia -corriente alterna- a dispositivos inductivos, se puede cambiar 0 transformar la energia aplicada de diversas maneras. Estas transformaciones nos permiten·hacer muchas cosas que facilitan el uso de la electricidad asi como su distribucion a traves de las !ineas. Los dispositivos inductivos que hacen posibles estas cosas son los transformadores. INDUCTANCIA MUTUA- Las !ineas magneticas de fuerza que se desarrollan y contraen alrededor de una sola bobina no solo inducen un voltaje en la propia bobina, sino que tambien pueden inducir un voltaje en otra bobina (Fig. 3-17). Para obtener una eficiencia maxima, los dos arrollamientos se devanan sobre un nueleo comun (Fig. 3-18). Consideremos como trabaja un transformador en un circuito sencillo (Fig. 3-19). Se conectara una bobina a una fuente de potencia y la otra a una lampara. En la figura 3-19 se muestra el simbolo convencional para un transformador de dos bobinas. Las rectas entre los simbolos de las bobinas indican que el transformador tiene un nucleo de laminas de hierro. La bobina - 0 devanado- que se conecta a la fuente de voltaje se conoce como: devanado primario. La bobina que se conecta a la carga se llama devanado secunda rio (para abreviar, se les llama el primario y el secundario).
Figura 3-16.
Conmutaci6n en el conmutador.
Al cerrar el interruptor A se aplica una corriente alterna al primario. Considerese la forma en que cambian las !ineas de fuerza en un cicio completo del voltaje de la fuente. Durante la mitad A del cicio, la polaridad del voltaje aplicado al prima rio es como se muestra en la figura 3-19 y la corriente fluye en la direccion de la flecha. Esto had: que se desarrolle el campo magnetico alrededor del primario. EI cambio en la magnitud del voltaje aplicado hace que el campo se desarrolle lentamente al princi-
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Inductancia mutua entre bobinas. Corriente alterna
37
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Figura 3-18.
Transformador de nucJeo de hierro.
pio, en seguida mas rapidamente conforme se va llegando al valor pico, despues menos y menos rapido hasta el voltaje O. EI campo se ha desarrollado al maximo. La rapidez cambiante a la que se esta desarrollando el campo primario significa que el voltaje inducido en el campo secundario se incrementa lentamente al principio, despues mas rapidamente conforme se va llegando al valor pico, en seguida con menor y menor rapidez. En otras palabras, el voltaje inducido en el campo secundario tiene la misma forma que el voltaje del campo primario. La direcci6n del flujo de corriente en el prima rio no cambia y las !ineas de fuerza en el primario tienen la misma polaridad durante este medio cicio. N6tese que las !ineas de fuerza que inducen los voltajes secundarios tienen la polaridad opuesta. Esto significa que el voltaje secundario tiene polaridad opuesta y el flujo de la corriente secundaria es opuesto al de la primaria. EI medio cicio del voltaje y la corriente en el secundario es opuesto, en direcci6n del flujo y magnitud, al del voltaje y la corriente en el primario. En el segundo medio cicio se repite la acci6n del primero con la direcci6n del flujo de la corriente invertida. Las polaridades se invierten y, una vez mas, el segundo medio cicio en el devanado secundario es como una imagen en un espejo del voltaje de la fuente. Esta acci6n continuara mientras permanezca cerrado el interrupt or. Si el secundario del transformador tiene exactamente el mismo numero de vueltas que el primario, el voltaje en el secundario es igual que el del primario. Si se sup one que el voltaje de la fuente es de 120 volts y la carga del secundario es llna lampara de 100 watts se puede calcular el flujo de corriente en el circuito:
I =
w V
100 120 = 0.83 ampere
Entonces, el flujo de corriente en el circuito secundario es de 0.83 ampere. Esta carga del secundario determinael flujo de corriente en el primario. El flujo de corriente en el primario tambien es de 0.83 ampere. Si se abre el interruptor B para apagar la lampara e interrumpir el flujo de corriente, el flujo de corriente en el primario tambien 38
_L
N
Fundamentos de instalaciones electricas
PRIMARIO
SECUNDARIO
LAS FLECHAS Y LA POLARIDAD SON PARA EL MEDIO CICLO A
Figura 3-19.
Circuito de inductancia mutua.
caeca hasta cero. Analogamente, si se agrega una segunda lampara de 100 watts en paralelo en el secundario, este requerira un flujo de corriente de 1.66 amperes y, el flujo de corriente en el primario tambien se incrementara hasta este valor. El flujo de corriente en los circuitos primario y secundario del transformador queda determinado par las necesidades de la carga colocada en el circuito secundario. Existen algunos aspectos practicos que deben considerarse en los circuitos de los transformadores; estos no son dispositivos perfectos. Se tienen algunas perdidas de potencia en los transformadores, de modo que el flujo de corriente en los circuitos primario y secundario nunca es exactamente el mismo. Cuando se abre el circuito secundario, el flujo de corriente en el prima rio en realidad no cae hasta cero. Fluye una pequefia corriente en el primario, incluso sin carga en el secundario. Ademas, los transforma do res , como otros dispositivos, se fabrican para manejar diferentes cargas maximas. Por ejemplo, el tamafio del alambre usado en los devanados primario y secundario debe ser el apropiado para el voltaje y corriente con los que se va a usar el transformador. Los transformadores se fabrican en much os tamafios y formas, para manejar 350 000 volts 0 mas en las !ineas de alta tensi6n de las companias, 0 para manejar tan poco como 8, 12 0 24 volts para los timbres de puertas. TRANSFORMADORES ELEVADORES Y REDUCTORES· EI transformador que se ha considerado hasta
ahora tuvo el mismo numero de vueltas tanto en el arrolIamiento primario como en el secundario. Este tipo de transformador se llama transformador uno a uno 0 de aislamiento. Uno a uno significa que el voltaje en el secundario es igual al voItaje en el primario. Lo de aislamiento describe eI uso principal de un transformador uno a uno: no se tiene conexion directa mediante alambre del secunda rio a la fuente de potencia. Los transformadores de este tipo se usan a veces para evitar un choque 0 daiio a los instrumentos, al aislar la carga en el secundario de la fuente de potencia. Sin embargo, es mucho mas comun que los transformadores de potencia tengan numeros de vueltas diferentes en los devanados prima rio y secundario. La razon es que se puede aumentar 0 disminuir el voltaje en el devanado secundario al cambiar el numero de vueltas. Si el secundario tiene el doble de vueltas de las que tiene el primario, el voltaje inducido en el secundario sera el doble del que se tenga en el primario. Si el secundario tiene la mitad de las vueltas del primario, el voltaje en el secundario sera la mitad del correspondiente al primario. Para expresar esto de otra manera, el voltaje inducido en el arrollamiento secundario de un transformador es proporcional a la razon de las vueltas en el primario a las vueltas en el secundario. Por 10 comun, esto se menciona como radin entre las vueltas. Si el secundario tiene mas vueltas que el primario, el dispositivo se conoce como trans/ormador elevador. Si el secundario tiene menos vueltas que el primario, el dispositivo es un trans/ormador reductor. Notese que los terminos elevador y reductor se aplican excIusivamente al voltaje. De hecho, el flujo de corriente en el secundario se mueve en la direccion opuesta. Suponiendo que la carga en el circuito sigue siendo la misma, si se duplica el voltaje, la corriente se reducira ala mitad. Si el voltaje se reduce a la mitad, la corriente se duplicara. En otras palabras, en un transformador elevador 0 reductor, la potencia disponible en los circuitos primario y secundario es la misma. Se puede cambiar el circuito de prueba del transformador del ejemplo con el fin de mostrar como funciona 10
PRIMARIO
SECUNDARIO
anterior. En primer lugar, reemplacemos el transformador uno a uno por un transformador uno a dos (Fig. 3-20). Con 120 volts aplicados al primario, el voltaje en el secundario se convierte en 240 volts. Con la misma carga de 100 watts, calculemos la corriente en el secundario: I
w
~~~
V
Para que el primario suministre 100 watts de potencia al secundario, se deben tener 0.83 ampere a 120 volts en el primario. Si se utiliza un transformador reductor(Fig. 3-21), los requerimientos de potencia del primario y secundario seran iguales. La corriente en el secundario sera de 1.66 amperes a 60 volts. La corriente en el primario seguini siendo de 0.83 ampere. Por el momento, puede parecer que no se obtiene ventaja alguna al usar transformadores elevadores 0 reductores. Sin embargo, si se recuerdan algunas relaciones basicas, resulta facil comprender la ventaja de la transformacion de potencia. La potencia es el producto del voltaje de la corriente ( P = V X I). EI voltaje es la presion electrica. La corriente es flujo de electrones. Los transformadores nos permiten elegir el termino predominante en la ecuacion de la potencia. Por la ley del voItaje de Kirchhoff se sabe que la caida de voItaje a traves de cualquier carga es igual al flujo de corriente que pasa por la carga multiplicado por 1a resistencia de la misma (V = I X R). La potencia electrica se debe lIevar a traves de largas distancias, desde las estaciones generadoras hasta los pueblos y ciudades eli donde se utiliza. Para distancias medidas en kilometros (0 millas), la resistencia de los cables conductores se transforma en una carga significativa. Si se tuviera que transmitir la potencia a altos niveles de corriente, se consumirian grandes cantidades de potencia en la caida de voltaje en la linea. Los transformadores permiten elevar el nivel del voltaje y reducir la corriente de modo que se conserve la energia, manteniendo las perdidas en las lineas tan bajas como sea posible. Los transformadores
PRIMARIO
Circuito de un transformador elevador.
SECUNDARIO
RAZQN DE VUEL TAS 1:
RAZQN DE VUEL TAS 1:2
Figura 3-20.
= 0.416 amperes
Figura 3-21.
Circuito de un lransformador reductor. Corriente alterna
39
elevadores en la estaci6n generadora elevan los niveles de voltaje hasta 350 000 volts 0 mas. La disminuci6n correspondiente en el flujo de corriente que acompatia a este aumento en el voltaje permite que se transmitan grandes cantidades de potencia con pocas perdidas en las lineas. No se puede utilizar este voltaje tan alto en los hogares o talleres. Por esto, al final de la linea de transmisi6n se usan transformadores reductores para reducir el voItaje a unos cuantos cientos de volts. EI incremento en la corriente que acompatia a la reducci6n en el voltaje suministra la potencia que necesitan los usuarios. TRANSFORMADORES DE DEVANADO MULTIPLE· Ademas de incrementar 0 disminuir el voltaje entre los devanados primario y secundario, los transformadores pueden suministrar dos 0 mas voltajes secundarios por medio de devanados secundarios mUltiples 0 devanados con derivaciones. EI sistema de distribuci6n de potencia que proporcionan tanto potencia a 120 como a 240 volts para los hogares usa un devanado mUltiple en el secundario. EI transformador para postes que entrega la potencia generada por las compatiias a un asentamiento urbano, por 10 comun tiene alrededor de 4 000 volts en el prima rio. El secundario reductor puede estar formado por dos devanado independientes 0 por un devanado con una derivaci6n en el centro, dependiendo del servicio que se suministre. Si las casas 0 apartamentos cuentan con un servicio de dos alambres de 120 volts, cad a devanado del secundario puede suministrar potencia a un grupo diferente de usuarios (Fig. 3-22). Cuando a las casas 0 apartamentos se les da servicio de 240 volts con tres alambres, los dos devanados secundarios se conectan entre si y un alambre comun a los dos devanados, mas un alambre que sale del otro extremo de cada devanado. Constituyen las lineas de potencia de entrada trifilar (Fig. 3-23).
LINEA DE POTENCIA DE LA COMPANiA
Figura 3-23.
Trans"ormador de potencia de 240 volts trifilar.
la unica forma de transformador que se usa. Un solo devanado con derivaciones en diversos puntos tambien puede elevar 0 reducir el voltaje. Este tipo de transformador se conoce como autotransformador, en virtud de que el voltaje inducido por la potencia de entrada induce a ·su vez un voltaje en el otro segmento del devanado (Fig. 3-24). La fabricaci6n de los autotransformadores es un poco mas barata, pero no proporcionan aislamiento electrico entre los devanados. Este transformador se utiliza princi· palmente en las !iDeas de transmisi6n de servicio pUblico.
Motores Un analisis de tall ado de los motores electricos esta mas alIa del prop6sito de este libro, pero se da una informaci6n basica general acerca del tema. En primer lugar, se describen las partes funcionales de los motores. A conti· nuaci6n se da un resumen de las caracteristicas principales de los tipos mas comunes de motores. En el capitulo 13
POTENCIA PRIMARIA SECUNDARIO
AUTOTRANSFORMADORES· En todos los transformadores que se han considerado hasta aqui, los devanados primario y secundario s610 estan conectados por inducci6n; no hay conexi6n directa entre ellos. Esta no es
REDUCCION
120 VOLTS AL EXTREMO DEL USUARIO A LINEA DE POTENCIA DE LA COMPAi\fIA
SECUNDARIO POTENCIA PRIMARIA 120 VOLTS AL EXTREMO DEL USUARIO B ELEVACION
Figura 3-22.
40
_L
Transformador de potencia de 120 volts bifilar.
Fundamentos de instalaciones electricas
Figura 3-24.
Conexi ones de un autotransformador.
se eubren los requisitos de devanados espeeiales para los motores electricos. Los principios de la inducci6n hacen posible convertir el movimiento medlPico :-0 energia electrica. Esta conversion la realizan los generadores. Es p03ible invertir esta aeci6n: se puede convertir la energia elec~rica a energia mecanica. Esta conversi6n la realizan los motores. La salida de un generador es un voltaje y se expresa en volts. La salida de un motor es movimento mecanico y se expresa en terminos del momenta de torsion (0 par motor). Esta palabra se refiere a la capacidad del motor para veneer la resistencia al giro. Un motor con un par de arran que alto es capaz de hacer girar rapidamente una earga pesada en cuanto se aplica la potencia. Debido a la semejanza en la acci6n, los motores y los generadores tienen las mismas partes funcionales principales. En los motores, las partes operan de manera diferente. DEVANADOS INDUCTIVOS - Los devanados electromagneticos que producen la electricidad en un generador y el movimiento en un motor son el devanado de campo y la armadura. El devanado de campo produce las lineas de fuerza que son cortadas por las vueltas de la armadura. En un motor, el devanado de campo se debe conectar a la fuente de potencia para producir el campo magnetico neeesario. La armadura tambien se debe conectar a la fuente de potencia que impulsa al motor. Como en un generador, la armadura se fabrica con la forma de un tambor que contiene muchas vueltas de alambre. Tanto en los motores de ca como en los de cc, la rotaci6n se produce cambiando la poIiuidad de los campos inducidos, de tal manera que la fuerza de atraccion de los palos opuestos y la de repulsion de los palos iguales haga girar a la armadura. En los motores de ca, el cambio de polaridad se produce por el alternamiento cada medio cicio de la fuente de potencia. En los motores de cc, un dispositivo de conmutacion produce el cambio en la polaridad.
una forma que se ajuste al contorno de los anillos para asegurar un contacto continuo. El desgaste producido por el movimiento constante se compensa por medio de resortes flexibles que se encuentran en el conjunto de las escobillas. A medida que las escobillas se desgastan, la presion del resorte las fuerza a permanecer firmemente en contacto con los anillos. Despues de cierto tiempo se deben reemplazar las escobillas. CONMUT ADORES- En los motores de cc, los conmutadores son el dispositivo equivalente a los anillos rozantes de los motores de ca. En lugar de ser anillos metalicos de una sola pieza, los conmutadorcs estan formados por segmentos metalicos con material aislador entre ellos. Los segmentos estan conectados a las vueltas de la armadura. A medida que gira el conmutador, hace contacto con las escobillas, precisamente como los anillos rozantes. Conforme las escobillas hacen contacto con pares diferentes de segmentos, \a potencia de cc se conmuta a fin de suministrar el cambio de polaridad necesario para hacer que la armadura gire.
Tipos de motores de cc MOTOR SERlE - La armadura y el devanado del campo estan conectados en serie (Fig. 3-25). Esta disposicion suministra un alto par motor de arranque para cargas pesadas. Los motores para arranque de automoviles tienen devanado en serie. Este tipo de motor se debe hacer funcionar con una carga. Si se Ie deja funcionar en vacio, la velocidad se incrementara sin limite y el motor se dafiara. MOTOR EN DERIV ACION - La armadura y el arrollamiento del campo estan conectados en paralelo (Fig. 3-26). Este tipo de motor puede mantener una velocidad constante aun cuando varie la carga. MOTOR COMPOUND - Las caracteristicas del motor en serie y el motor en derivacion se combinan para pro-
ANILLOS ROZANTES- Estos son los mismos dispositivos que se usan para conducir la energia hacia afuera de la armadura de un generador. En los motores de ca, los anillos rozantes son la mitad giratoria de la conexion electrica que va de la fuente de potencia hacia la armadura. ESCOBILLAS- Las escobillas son la mitad estacionaria de la conexion electrica de la potencia de la fuente a la armadura. Las esc obi lias se frotan contra los anillos rozantes giratorios para completar el circuito electrico hacia la armadura. Generalmente, las escobillas se fabrican de grafito, un material relativamente suave, y se les da
DEVANADO DEL CAMPO
POTENCIA
Figura 3-25. serie.
Diagrama de un motor de ec con devanado en
Corriente alterna
4]
DEVANA DO DEL CAMPO
ARMADURA
I
POTENCIA
Figura 3-26. derivaci6n.
Diagrama de un motor de cc con devanado en
porcionar un alto par motor de arranque y velocidad constante. EI devanado del campo se divide de modo que parte se conecta en serie y parte en paralelo (Fig. 3-27). MOTOR UNIVERSAL DE CA 0 CC- Por 10 general, est os motores se usan en aparatos electricos pequeiios y en herramientas con motor. Estan conectados en serie (Fig. 3-25) y tienen una salida grande para su tamaiio. Se puede controlar la velocidad haciendo variar el voltaje, ya ~ea para el campo 0 para la armadura.
Tipos de motores de ca MOTOR DE FASE DIVIDIDA - Este motor se usa para cargas de facil arranque, como los ventiladores y las sierras de banco. EI motor cuenta con un devanado de campo para arranque y un devanado de campo para marcha (Fig. 3-28). EI devanado de arranque produce un desplazamiento del voltaje para hacer que el rotor se mueva. Un interruptor que funciona por medio de la fuerza centrifuga que se incrementa a medida que aumenta la velocidad del motor, desconecta el devanado
de arranque cuando el motor adquiere su velocidad de trabajo. EI efecto de volante mantiene al rotor en movimiento en tanto se aplica la potencia. MOTOR DE ARRANQUE CON CAPACITOR- Este motor es semejante al del tipo de fase dividida excepto en que un dispositivo, llamado capacitor, esta en serie con el devanado de arranque (Fig. 3-29). Posteriormente, en esta seccion se describen los capacitores. La funcion aqui es incrementar el desplazamiento del voltaje; esto incrementa el par de arranque, de modo que este motor se puede usar para cargas mas pesadas que las del motor de fase dividida. Como en el motor de fase dividida, un interruptor activado por la velocidad corta al capacitor y al devanado de arranque, cuando el motor alcanza su velocidad de trabajo. MOTOR DE POLO SOMBREADO - EI devanado del campo de este motor contiene bobinas adicionales de cobre grueso. Las bobinas de cobre producen un campo magnetico secundario que actua con el devanado del campo para hacer girar al motor. Este motor se usa para cargas que sean faciles de arrancar, tales como los ventiladores y sopladores. MOTOR DE ARRAN QUE CON REPULSION - Este motor usa la fuerza adicional de repulsion para suministrar una fuerte "patada" inicial con el fin de arrancar cargas pesadas. Durante el periodo de arranque, los devanados del campo inducen un voltaje en el rotor. Los campos magneticos secundarios que produce la corriente del rotor son repelidos por el devanado del campo para proporcionar un par de arranque alto. Un interruptor centrifugo corta los devanados de repulsion cuando el motor alcanza la velocidad completa. MOTOR SINCRONICO - Es un motor de induccion sencillo, diseiiado para funcionar en fase con la fuente de
DEVANADO DEL CAMPO EN DERIVACION
DEVANADO DEL CAMPO EN DERIVACION
DEVANADO EN SERlE
1/ POTENCIA
Figura 3-27. 42
Diagramas de un motor de cc compound.
Fundamentos de instalaciones electricas
DEVANADO EN SERlE
POTENCIA
INTERRUPTOR CENTRiFUGO
DEVANADO ---L"'DE ARRANOUE
-L
..
'I' ..
==
./' D:::VANADO DE MARCHA
-v'"rY
POTENCIA
Figura 3-28.
Diagrama de un motor de ca de fase dividida.
potencia alterna. La rotacion de la armadura es un multiploparde la frecuencia del voltaje de lafuente. Este motor se usa en relojes y otros dispositivos de regulacion de tiempo, cuando tiene importancia una velocidad constante.
Otros dispositivos inductivos SOLENOIDES· Estos son dispositivos sencillos y seguros que producen movimiento de un lado a otro. Los solenoides cons tan de una bobina de alambre arrollada sobre un tubo (Fig. 3-30), el cual contiene una barra de hierro que puede moverse libremente hacia adentro y hacia afuera de la bobina. Un resorte colocado en uno de los extremos de la barra la mantiene parcialmente fuera de la bobina. Con la bobina conectada a una fuente de potencia, el campo magnetico de la misma tira .de la barra hacia el tubo. EI campo magnetico producido por la bobina mantiene a la barra centrada en el tubo. Cuando la corriente deja de circular en la bobina, el resorte tira de la barra hacia afuera del tubo. Los solenoides pueden
INTERRUPTOR CAPACITOR
DEVANA DO DE ARRANOUE
CENTRiFUGO
operar directamente con los voltajes de linea. Se usan para controlar valvulas para agua, por ejemplo, en las maquinas para lavar ropa y para lavar platos. RELEVADORES· Estos dispositivos se usan principalmente para conmutacion a control remoto. Los relevadores constan de una bobina con un nucleo fijo de hierro. Arriba del nUcleo se montan dos contactos, uno estacionario y otro movible de un interruptor, en tal posicion que el campo magnetico del nucleo atrae al contacto movible del interruptor. EI f1ujo de corriente en la bobina del relevador crea un campo magnetico que provoca que el contacto movible haga 0 rompa una conexion electrica con el contacto fijo. En vitud de que el campo de la bobina del relevador debe mantener la misma polaridad para sostener al contacto movible en posicion, la mayor parte de las bobinas de relevadores se disefian para operarse con cc de bajo voltaje. Sin embargo, algunos tipos especiales de relevadores se fabrican para ser usados con ca. Las bobinas de estos relevadores tienen un nUcleo laminado y una bobina auxiliar. Una bobina auxiliar es una sola vuelta cerrada de cobre que cubre aproximadamente la mitad del nuclei:>. La bobina auxiliar y las laminaciones del nucIeo actuan para sujetar al contacto movible del releva-. dor durante las alternaciones de la corriente. En la figura 3-31 se muestran los simbolos para diversos tipos de relevadores en los dibujos. VIBRADORES. Los vibradores funcionan con el mismo principio que el solenoide, pero se disefian para producir un movimiento rapido de carrera corta (Fig. 3-32). Al cerrar un interruptor, la corriente f1uye por un interruptor interno hacia una bobina. EI campo magnetico atrae a un brazo de hierro. Cuando el brazo se mueve abre el interruptor interno. EI campo se desploma y el brazo es retirado por un resorte; esto cierra el interrupt or interno y el cicIo se repite mientras este cerrado el interruptor externo. Los vibradores se usan principalmente como timbres y zumbadores.
r--~r-"l)-_~If I~
DEVANADO DE MARCHA
"V
POTENCIA
Figura 3-29. capacitor.
Diagrama de un motor de ca de arran que con
Capacitancia Con base en el estudio de la induccion, sabemos que se crea un campo electromagnetico al f1uir una corriente en un alambre. Se produce otra clase de campo electrico cuando existe una diferencia de voltaje entre dos puntos. Los dos puntos podrian ser, por ejemplo, las terminales positiva y negativa de una bateria 0 las Iineas de potencia que salen de un generador. Una caracteristica importante de este campo electrico es que no f1uye corriente a traves de eI. Debido a que no f1uye corriente, el campo se conoce como electrosflitico. Corriente altema
43
NUCLEO
BOBINA DEL SELENOIDE
Figura 3-30.
Operacion del solenolc1e.
En este caso, "estatico" significa estacionario. No hay cambio en el campo electrico, mienty;as no cambie el voltaje a traves del campo. Un campo electrostatico consta de Iineas de fuerza, como sucede con el campo e1ectromagnetico. Sin embargo, la forma de un campo electrostatico es diferente. Las Iineas de fuerza en un campo electrostatico representan la trayectoria que seguirian los electrones, si pudieran moverse con libertad en el campo. Debido a que cargas de igual signa se repel en y los electrones tienen carga negativa, un electron en un campo electrostatico se moved alejandose del punto negativo hacia el positivo. Entonces, las Iineas de fuerza se extienden del punto negativo hacia el positivo (Fig. 3-33). Cuando se presenta esta fuerza entre puntos como las terminales de una bate ria y las Iineas de potencia, 11'1 fuerza es bastante pequena y no tiene valor practico. Se debe reforzar el campo para hacerlo uti!. A fin de incrementar la intensidad de un campo electrostatico, se deben dispersar las cargas positivas y negativas sobre grandes areas y el espacio entre estas se debe hacer tan pequeno como sea posible. Los dispositivos que proporcionan este campo electrostatico fuerte se lIaman capacitores. EI area grande para cada carga la suministran un as hojas metalicas delgadas. Para hacer que la distancia entre las hojas sea tan pequena como se pueda y, sin embargo, bloquear el flujo de corriente, se coloca un material aislador entre elias, lIamado die!ectrico. Las hojas metalicas actuan como puntos de almacenamiento para las particulas cargadas. Un circuito de prueba sencillo (Fig. 3-34) muestra como trabajan los capacitores. Supongase que no existe carga en el capacitor. En el momenta en el que se cierra el 44
Fundamentos de instalaciones electricas
UN SOLO POLO, UN SOLO TIRO
~
II
CONTACTOS NORMALMENTE ABIERTOS (NA) UN SOLO POLO, DOBLE TIRO
Figura 3-3\.
CONTACTOS NORMALMENTE CERRA DOS (NC) DOBLE POLO, UN SOLO TIRO
Simbolos de los relevac1ores.
CONTACTO VIBRATORIO
+
+
A-
B
+ + A B
POTENCIA
Figura 3-32.
+
- 1,1 ' - -_ _ _ _--1 III---------J
Operacion del vibrador. Figura 3-34.
interruptor A, los e1ectrones empiezan a fluir de la terminal negativa de la bateria hacia la placa A. A medida que los electrones fluyen hacia la placa A, la carga negativa creciente repele los electrones de la placa B. Por tanto, la corriente fluye en todas las partes del circuito . aun cuando no fluya corriente a traves del capacitor. Durante el tiempo en que los electrones estan fluyendo hacia la placa A y saliendo de la B, existe un alto flujo de corriente y resistencia cero en el circuito. Sin resistencia aparente en el circuito, no existe caida de voltaje a traves del capacitor. En este tiempo, el flujo de corriente es maximo y el voltaje es cero. Conforme los electrones fluyen hacia la placa A y salen de la B, se forma una carga en las placas; la placa A se hace cada vez mas negativa y la B se hace mas y mas positiva. En el instante en que la carga a traves del capacitor es igual al voltaje de la bateria, la corriente deja de f1uir. EI circuito permanece en esta condici6n indefinidamente, en tanto el voltaje de la bateria permanezca constante. Si se abre el interruptor A, el capacitor conservara la carga durante mucho tiempo. AI cerrar el interruptor B, se pone en corto circuito al capacitor. Los electrones fluyen de la placa A hacia la B
+I------t
Figura 3-33.
Campo electrostatico.
Circuito de prueba de un capacitor.
hasta que la carga del capacitor cae hasta cero. Entonces, los capacitores constituyen un medio para almacenar una carga electrica por un tiempo corto. Los capacitores tienden a oponerse a los cam bios de voltaje. Se vio que cuando el capacitor estaba descargada y se aplic6 un voltaje al circuito, la acci6n del capacitor retard6 el cambio en el circuito, del voltaje cero al de la bateria. Otra manera de decir esto es que el cambio en el voltaje va atras del cambio en la corriente. Cuando se abri6 el interruptor A, ya no pudo fluir corriente en el circuito, pero el voltaje en el permaneci6 igual al de la bateria. Una vez mas, eI cambio en el voltaje qued6 atras del cambio en la corriente. La capacidad de un capacitor de conservar una carga es su capacitancia, la cual se mide en una unidades co nocidas como farads. EI simbolo que se usa para el farad es F. Un farad es la cantidad de capacitancia que se puede cargar hasta 1 volt por el flujo de una corriente de 1 ampere en 1 segundo. EI farad es una unidad extremadamente grande. La capacitancia practica se mide en millonesimas de farad, 0 microfarads (JlF). En electr6nica todavia se usa una unidad mas pequefia, el picofarad (pF). Esta unidad es una millonesima de un microfarad. AI conectarse a una fuente de corriente aiterna, los capacitores se cargan y descargan con el cambio en la polaridad cada medio cicIo. Asi el flujo de corriente en el circuito es continuo. Sin embargo, la carga en el capacitor se opone al voltaje cambiante de la fuente de modo que los valores pico del voltaje se presentan posteriores a los val ores pico de la corriente. En otras palabras, el voltaje va continuamente atras de la corriente que pasa por el capacitor. EI lector recordara que los dispositivos inductivos de un circuito tuvieron exactamente el efecto opuesto. Los dispositivos inductivos hicieron que los valores pico de la corriente se presentaran despues de los valores pica del voltaje. La acci6n de estos dispositivos y de los capacitoCorriente alterna
45
res es una parte importante del tema referente al factor de potencia, el cual se analiza en la secci6n Caracteristicas de la corriente aIterna. Tres tipos de capacitores son de uso general. En la figura 3-35 se muestran algunos capac itores tipicos y los simbolos que los representan en los circuitos. Un tipo de capacitor que se usa ampliamente consta de dos hojas metalicas con una delgada hoja de papel encerado 0 de phistico entre ellas. Debido a que el material dielt!ctrico (material aislador) es papel 0 phistico, con frecuencia se mencionan estos capacitores como de papel 0 plastico. Con las hojas metalicas y el dielectrico se forma un emparedado. A cada hoja metalica se Ie agrega un trozo pequeno de alambre, y el emparedado se enrolla y se encierra en un tubo de papel 0 plastico (Fig. 3-36). Los capacitores de este tipo resultan apropiados s610 para trabajo ligero. Para servicio mas pesado se fabrican los capacitores con aceite, en los que el aceite es el material aislador. Las hojas metalicas, con espacios entre elIas, se colocan dentro de un recipiente metalico. EI recipiente se llena con aceite y se sella. EI aceite llena el espacio entre las hojas metalicas para actuar como el dielectrico. Un tercer tipo de capacitor se conoce como electrolitico. Este tipo suministra la capacitancia mas alta para el tamano fisico y se puede concebir como un tipo especial de bateria recargable. EI lector recordara que el acido usado en las baterias se llama electr6lito. En el capacitor electrolitico se usa una sustancia quimica semejante. EI electr6lito permite que el capacitor almacene una carga grande en un paquete fisicamente pequeno. Como las baterias, los capacitores electroliticos tienen terminales
1 T
CAPACITOR DE PAPEL 0 MYLAR
J l'
CAPACITOR ELECTROLITICO
ALAMBRE CONDUCTOR CONECTADO A LA PLACA 1
I
LAMINA METALICA 1 LAMINA METALICA 2
Figura 3-36.
Construcci6n de un capacitor de phistico.
positiva y negativa, y se deben observar estas polaridades al conectarlos en un circuito. Con frecuencia se utilizan los capacitores electroliticos para filtrar 0 "suavizar" la salida de voltaje pulsante de cc, como se tiene en la salida de un generador de cc. Los capacitores se cargan en los valores pico del voltaje y se descargan en los "valles". En esta aplicaci6n los capacitores reciben el nombre de "filtros".
,
• CARACTERISTICAS DE LA CORRIENTE ALTERNA. La onda senoidal La interacci6n de los campos magneticos giratorios en un generador de ca conduce a una salida que varia en amplitud y, peri6dicamente, cambia en polaridad. Si se miden muchos valores instantaneos del voltaje y corriente de salida de un generador, se situ an en una grafica y se traza una linea continua a traves de los puntos situados. EI resultado seria como se muestra en la figura 3-37. Existen un cierto numero de caracteristicas de est a variaci6n de onda senoidal que resultan importantes en el trabajo electrico.
Valores pico y RMS
TERMINALES
Figura 3-35. circuitos.
46
Tipos de capacitores y simbolos usados en los
Fundamentos de instalaciones electricas
En primer lugar, l.c6mo se describe este voltaje que varia constantemente? Se podria calcular un simple valor promedio, pero el valor promedio de la mitad de un cicio podria ser positivo y el de la otra mitad, negativo dando una respuesta de cero. Como el promedio de cada medio ciclo es el mismo, excepto por la polaridad, se podria usar
mayor parte de EE.UU. se menciona como de 120 volts. Este es el voltaje rms; el voltaje pico es de 170 volts. Para hallar el valor pico cuando se conoce eI valor rms, multipliquese el valor rms por 110.707 0 1.414. Para resumir, la relacion entre los valores pico y efectivo es:
100%
VALOR EFECTIVO 70.7%
180
120
240
300
360
120 volts (valor rms) 30
I
90
150
I I
I 45%
Figura 3-37.
La onda senoidal.
un valor promedio sin signa de polaridad (+ 0 -). Se ha calculado este valor promedio y es igual al 63.7% del valor pico. Si el valor pico es de 170 volts, el valor promedio es 108.3 volts. Aunque este valor es matematicamente correcto, electricamente es falso. . Eiectricamente, la onda senoidal representa una variaci6n en el voltaje 0 en la corriente. AI utilizar la electricidad, la consideracion principal es la corriente. La relacion tanto del voltaje como de la corriente con la potencia comprende el cuadrado del valor, como en P = PR y P = Vl/R. Se puede lie gar a una medida de la capacidad de una onda senoidal para producir potencia, promediando los valores al cuadrado. Para hacerlo se usan los mismos valores a 10 largo de la curva que se usaron para el promedio simple, pero cada valor se eleva al cuadrado; se suman los cuadrados y la suma se divide entre el mimero de val ores que se elevaron al cuadrado; esto da un valor promedio elevado al cuadrado. La raiz cuadrada de este mimero es el valor que representa eI promedio del cuadrado. Este valor se conoce como valor raiz cuadratica media, 0 rms (del ingles root-mean-
square). EI valor rms para una onda senoidal es el 70.7% del valor pico. Notese que el valor rms es un poco mas del 10% mayor que el promedio simple. EI valor rms tambien se conoce como valor efectivo. EI valor efectivo de ca corresponde ala misma cantidad de corriente continua 0 voltaje continuo en la potencia de calentamiento. EI valor rms es igual al valor de la onda senoidal a 45°,135°,225° Y 315°. Siempre que se especifique voltaje y corriente de ca, a menos que se diga otra cosa, las cantidades son valores rms. Esto se aplica a las placas de caracteristicas que aparecen en el equipo electrico, las capacidades nominales 0 los valores que se asignan a los accesorios electricos, el alambre y el Cable en los Iibros de consulta y los de texto. La potencia estAndar de ca que se utiliza en la
170 volts (pico)
= 70.7%
= 141% de
de 170 (pico)
120 (rms)
Frecuencia En segundo lugar, i,con que frecuencia oscila la onda senoidal? i,Cuantas veces se repite el cicIo en un periodo dado? Este valor queda determinado por la velocidad de rotacion de la armadura del generador. En la seccion Maquinas de corriente alterna se vio que se generaba una sola onda de voltaje cada vez que una vuelta de una armadura describia una rotacion de 360°. EI numero de ciclos se llama frecuencia de la ca y se expresa en unidades lIamadas hertz, abreviado Hz. Esta unidad recibio su nombre en honor del fisico aleman Heinrich Rudolph Hertz. EI hertz se basa en un periodo de l' segundo. La frecuencia estandar de la !inea de ca es 60 Hz. Esto significa que el cicIo completo de una onda senoidal, desde 0° hasta 360°, ocurre 60 veces en cada segundo. En anos anteriores, la frecuencia se daba en ciclos por segundo, abreviado cps. Es posible que se encuentre esta abreviatura en equipo mas viejo. Hertz y cps significan exactamente 10 mismo. Para este analisis se ha usado un valor rms de 120 volts un valor pico de 170 volts y una frecuencia de 60 Hz: Estos son los val ores de las !ineas de potencia de ca que se utilizan con mayor amplitud en EE. UU. No obstante, obstante, tengase presente que se pueden hallar algunos otros valores. Por ejempl0 pueden haber valores rms de 110 volts, 115 volts 0 117 vol ts y la frecuencia puede ser de 50 Hz. A pesar de estas variaciones, la relacion entre los valores efectivo y pico sigue siendo la misma. La frecuencia afecta principalmente a los motores, transformadores y otros dispositivos inductivos. Es posible que estos articulos solo se puedan utilizar a una frecuencia. La placa de caracteristicas que se encuentra en el dispositivo muestra la frecuencia a la que debe usarse.
Angulos de rase y reactancia Hasta ahora, nos hemos referido a la onda senoidal unicamente en relacion con el voltaje y la corriente. En un circuito sencillo de ca, como el de una sola lampara de 100 watts, el voltaje de la fuente y eI flujo de corriente variaran como la onda senoidal. Si se supone una fuente de 120 volts, la corriente sera Corriente altema
47
I
.f. = V
100 120
En la figura 3-38 se muestran las ondas senoidales del voltaje y la corriente. Aun cuando las dos ondas senoidales representan valores diferentes y formas diferentes de energia cada onda tiene la misma forma y existe la misma relacion entre los valores rms y pico. Los puntos pica y cero de las dos ondas ocurren al mismo tiempo. Esto se describe como una condicion"en fase". El voltaje y la corriente est{m "en fase" cuando las dos ondas senoidales "concuerdan" . Consideremos ahora como varia la potencia en este circuito. Se pueden calcular las variaciones en el wattaje multiplicando los valores del voltaje y la corriente en un cierto numero de puntos. Si se situan en una grafica las variaciones en la potencia en un circuito se venin como 10 muestra la figura 3-39. Se sabe que la carga del circuito es de 100 watts. Este es el producto de los valores rms del voltaje (120) Y de la corriente (0.83), y se conoce como potencia real (0 activa). En la curva de la potencia se ve que la potencia pica es el voltaje pico (170) multiplicado por lao corriente pico (1.17), es decir, aproximadamente, 200 watts. La onda de la potencia tiene dos caracteristicas interesantes: primera, consta de dos variaciones senoidales y, segunda, todos los valores de la potencia son positivos. Recuerdese que la posicion y los valores negativos del voltaje y la corriente representan un cambio en la direccion de la fuerza y el flujo. El voltaje y la corriente producen potencia sin importar la direccion de la fuerza y del flujo. Por 10 tanto, la potencia realiza trabajo independientemente de si el voltaje y la corriente son positivos 0 negativos. El hecho de que la potencia tenga dos picos en direccion positiva produce la variacion senoidal adicional. Entonces la frecuencia de la potencia es el doble de la frecuencia del voltaje y la corriente. Empero, este hecho no tiene significado especial en el trabajo electrico porque la potencia solo esta relacionada con los valores del voltaje y la corriente y no depende en forma alguna de la
/VOLTAJE CORRIENTE
90°
Figura 3-38.
48
~
0.83 amperes
Voltaje y corriente en fase.
Fundamentos de instalaciones electricas
ONDA DE LA POTENCIA
CORRIENTE
Figura 3-39.
Onda de la potencia.
frecuencia. Por ejemplo, la potencia en un circuito de cc tiene frecuencia cero, pero la potencia es igual de real. Se puede resumir la relacion entre el voltaje, la corriente y la potencia como sigue: 1. Cuando el voltaje y la corriente estan en fase, toda la potencia producida es positiva. 2. La potencia positiva se conoce como potencia real 0 activa.
Los terminos potencia real y potencia activa se refieren a la potencia de la que se obtiene trabajo. Naturalmente, se desean circuitos que tengan tanta potencia act iva como sea posible. Los dispositivos inductivos y capacitivos son los enemigos de la potencia activa. A continuacion se vera como sucede esto. REACT ANCIA INDUCTIV A· Al principio de este capitulo se uso un circuito de prueba simple (Fig. 3-10) para ver como funciona la induccion. Si es necesario, repasese esa parte del texto una vez mas. Existen dos puntos adicionales interesantes acerca del voltaje y la corriente en el circuito de prueba que se consideranin ahora, Se usa ran los mismos valores del circuito de prueba, pero se utilizara una fuente de potencia de ca (Fig. 3-40). Al cerrar el interruptor, la caida de
PICO DE VOLTAJE ./ PICO DE LA /" / ' CORRIENTE
NUCLEO DE HIERRO
~~~
~-r~
120 VOLTS
Figura 3-40.
Circuito de prueba inductivo.
voltaje a traves de la bobina -de acuerdo con la ley del voltaje de Kirchhoff- sera igual al voltaje del generador de 120 volts. La accion de la bobina de oponerse a los cambios en el flujo de la corriente significa que se requiere un instante para que la corriente fluya por ella. En otras palabras, el voltaje aIcanza su valor pica antes que la curriente; 0 bien, la corriente va atras del voltaje en los dispositivos inductivos. Al abrir el interruptor, el voltaje a traves de la carga inmediatamente cae hasta cero, pero el campo que se desploma hace que la corriente siga fluyendo. Una vez mas, la corriente va atras del voltaje. EI segundo punto de interes acerca del circuito de prueba es que el desarrollo y el desplome del campo magnetico ocurre cada vez que existe un cambio en la amplitud 0 la polaridad de la fuente de potencia. Con una fuente de ca esto significa que existe una oposicion constante al flujo de corriente. En el circuito de prueba de la figura 3-10, se uso una fuente de cc. La oposicion inductiva al flujo de la corriente solo se presento en un instante, cuando el circuito se cerro 0 se abrio. Se pudo determinar el f1ujo de corriente (8 amperes) en ese circuito, a partir de la resistencia de cc de la bobina y el voltaje aplicado. Sin embargo, con una fuente de ca se tiene otra c1ase de oposicion al flujo de la corriente. Esta oposicion al flujo de la corriente se llama reactancia inductiva. La presencia de la reactancia induct iva significa que el flujo de corriente en el circuito de la figura 3-40 se reducira mucho. EI simbolo que se usa para la reactancia inductiva es XL y se mide en ohms. Si se conoce la inductancia, L, en henrys se puede caIcular el valor de XI. La formula es XI = 2 7T fL. EI valor
Figura 3-41.
Relaci6n de fase en una inductancia pura.
de 7f es la razon del diametro de un circulo a su circunferencia. Esta razon es constante yes igual a 3.14. EI doble del valores 6.28. EI simbolofse refierea lafrecuenciadela fuente, 0 60 Hz. La primera partede laformulaesentonces un valor constante, 6.28 multiplicado po 60, 0 aproximadamente 377. Cuando la frecuencia de la iuente es de 60 Hz, la reactancia inductiva de cualquier bob ina es igual a 377 multiplicado por la inductancia de la bobina en henrys. Si la bob ina de la figura 3-40 tiene una inductancia de 2 henrys, la reactancia inductiva del circuito seria377 multiplicado por 2, 0 sea 754 ohms. Si se supone que la fuente de ca es de 120 volts, solo se tendria 0.16 ampere (0160 miliamperes) de corriente en el circuito. DESPLAZAMIENTO INDUCTIVO DE FASE· Un analisis de 10 que sucede en un circuito inductivo al aplicarle potencia ha demostrado que el dispositivo inductivo se opone a los cambios en el flujo de la corriente. Esto hace que la onda senoidal del flujo de corriente se desplace con respecto de la onda senoidal del voltaje. EI desplazamiento es tal que los picos y valles de la onda de corriente ocurren despues de los picos y valles de la onda de voltaje. Sabemos que el voltaje es la fuerza que hace que fluya la corriente. Si el voltaje es mas intenso cuando el f1ujo de corriente es cero y el voltaje es cero cuando el flujo de corriente es mas fuerte, se hara poco 0 ningun trabajo. Si se pudiera construir un dispositivo que fuera una inductancia pura, de hecho podria suceder la situacion que se hizo notar Iineas arriba. Una inductancia pura Corriente alterna
49
provocaria un desplazamiento de fase de 90° entre el voltaje y la corriente. El resultado seria como se muestra en la figura 3-41. Si se calcula la potencia en todo un cicIo completo se vera que el resultado neto es cero. Durante los primeros 90° la fuerza de voltaje esta en una direccion positiva, pero el flujo de corriente debido a la reactancia esta en direccion negativa. En otras palabras, la fuente de voltaje se esta oponiendo al flujo de la corriente. Se pueden multiplicar los valores del voltaje y la corriente, pero con el voltaje positivo y la corriente negativa, el producto sera negativo. La potencia negativa es una idea teo rica para usarse en el analisis de circuitos, pero no tiene valor practico. Como se vio en la relacion del voltaje y la corriente en fase, toda potencia rea/espositiva. Entre 90° y 180°, tanto el voltaje como la corriente se estan moviendo en la misma direccion, pero el voltaje esta decreciendo, mientras que la corriente esta creciendo. Esto produce un pica positivo en la potencia, pero es unicamente igual al pica negativo, de modo que, el resul;"'do neto es cero. La segunda mitad del cicio produce el mismo resultado. Es electricamente imposible construir una bobina que tenga inductancia pura. EI propio alambre tiene resistencia y se tiene cierto efecto capacitivo entre'dos puntos cualesquiera de potencial diferente, de modo que, en las situaciones practicas, no se presenta un desplazamiento en fase de 90°. A pesar de esto, se pierde algo de potencia en cualquier desplazamiento de fase. Esto significa q~e cualquier circuito que contenga una bobina, un transformador, un motor 0 cualquier otro dispositivo inductivo consumira mas potencia de la fuente que la que usa para realizar trabajo. REACT ANCIA CAPACITIV A· Los capacitores son dispositivos que permiten almacenar cargas electricas durante periodos cortos. Las placas del capacitor actuan como recipientes para la energia. La corriente puede fluir hacia la placa de un capacitor descargado con poca oposicion. Sin resistencia para el flujo de la corriente, inicialmente no hay caida de voltaje a traves del capacitor. Esta accion significa que la corriente va adelante del voltaje en un circuito capacitivo, exactamente 10 inverso del efecto inductivo. La reactancia capacitiva es la oposicion al flujo de la corriente que result a de la oposicion del capacitor a los cambios en el voltaje. Como la reactancia inductiva, la reactancia capacitiva se mide en ohms y reduce el flujo de corriente en un circuito. El simbolo usado para la reactancia capacitiva esXc; la formula para calcular Xc es
1
Xc = 50
21i77f
Fundamentos de instalaciones electricas
Esta formula es semejante a la de XL, pero es un valor reciproco. Como en la formula para XL, la expresion 211'f se puede considerar constante en los circuitos de potencia de 60 Hz. Una vez mas, el valor es aproximadamente 377. Entonces Xc es igual a 1 sobre 377 multiplicado por la capacitancia en farads. La capacitancia de los capacitores que se usan en los circuitos de potencia generalmente es del orden de millonesimas de farad 0 microfarads. Por ejemplo, el valor de Xc en un circuito de 6d Hz de un capacitor de 10 microfarads es
1 Xc = 377 X 0.000010
1
=0::-.-=-00'::":3::":7==7 =
265 ohms
EI mismo calculo para un capacitor de 20 microfradas es
Xc
=
1 377 X 0.000020
=
1 0.00754
=
133 ohms
Debido a la forma reciproca de los calculos, entre mayor sea el capacitor, menor es la reactancia capacitiva. Notese que si se trabajara con una fuente de voltaje·de frecuencia mas alta - por ejemplo de 400 Hz- el valor de 21Tfseria 2512. Si el valor del capacitor siguiera siendo el mismo, esto conduciria a una disminucion en la reactancia capacitiva. De la misma manera, una frecuencia mas baja -'flor ejemplo de 50Hz- reduce 21Tfa 314 y, como consecuencia. se incrementa la reactancia capacitiva. DESPLAZAMIENTO CAPACITIVO DE FASE· Como en la inductancia, el desplazamiento de fase seria de 90° si el circuito contuviera una capacitancia pura. La direccion del desplazamiento seria contrario al del desplazamiento inductivo (Fig. 3-42). Un analisis de un desplazamiento de fase de 90° en el que la corriente va adelante, esencialmente es el mismo que cuando la corriente va atras. Existen las mismas condiciones de voltaje y corriente fuera de fase solo que en cuadrantes diferentes de 90°. EI resultado es igual al que se tuvo para el circuito inductivo, es decir, existiria una potencia real cero en un circuito capacitivo puro.
------------------------------.........,-XL es de 40 ohms. Entonces, el valor neto de la reactancia X es de 30 ohms. Este valor se combina con el valor de la PICO DE LA CORRIENTE
resistencia para calcular Z:
V(20)2 + (30)2
=
V1300 36 ohms
Relacion de fase en una capacitancia pura.
Es tan imposible construir un dispositivo capacitivo puro como un inductivo puro. Asi, en las aplicaciones pnicticas, los capacitores en un circuito producen cierto desplazamiento de fase y, como consecuencia, alguna perdida de potencia, pero el desplazamiento de fase nunca es de 90° y nunca se pierde la potencia por completo.
Entonces el flujo de corriente es
I
120 = ZV = 36 -
3.3 amperes
IMPEDANCIA EN PARALELO· Cuando las cargas resistiva y reactiva estan en paralelo, el flujo total de corriente se encuentra por la formula
Impedancia Si un circuito de ca contiene reactancia inductiva 0 capacitiva, se debe tomar en cuenta esta oposicion al flujo de corriente asi como la resistencia, al calcular el flujo de corriente en el circuito. Impedancia es el nombre que se da a la oposicion total al flujo de corriente en un circuito de ca. El simbolo usado para la impedancia es Z. Z representa una combinacion de la resistencia y la reactancia. En un circuito puede haber reactancia inductiva unicamente, solo reactancia capacitiva 0 las dos.
Esta formula afirma que la corriente total (/r) es igual ala raiz cuadrada de la suma del flujo de corriente que pasa por la carga resistiva, elevado al cuadrado, y el flujo de corriente que pasa por la carga reactiva, elevado al cuadrado. El flujo de corriente a traves de la carga resistiva se calcula por la ley de Ohm. Si interviene mas de una carga resistiva, se debe calcular la resistencia equivalente en paralelo, aplicando los metodos descritos en el capitulo 2. Cuando en el circuito se tienen tanto reactancia inductiva como capacitiva, se debe calcular el flujo de corriente
IMPEDANCIA EN SERlE· Cuando solo esta presente un tipo de reactancia, la impedancia en un circuito en serie se calcula elevando al cuadrado el valor de la resisten cia en ohms, elevando al cuadrado el valor de la "reactancia" en ohms, sumando los dos cuadrados y extrayendo la raiz cuadrada de ese numero. La formula es
R = 2000MS
120 VOLTS
Cuando en un circuito estan presentes tanto reactancia inductiva como capacitiva, tienden a cancelarse entre sf. Entonces, el termino X de la formula anterior es la reac.tancia neta. Las reactancias capacitiva e inductiva se cancelan entre si de acuerdo con su valor en ohms. Por ejemplo, en el circuito de la figura 3-43, la reactancia del tor, Xc, es de 70 ohms. La reactancia de la bobina
Xc=' 70 OHMS
XL =.40 OHMS
Figura 3-43.
Circuito de impedancia en serie. Corriente alterna
51
Xc= 70 OHMS
120 VOLTS
R=
XL = 40 OHMS
Figura 3-44.
20 OHMS
Circuito de impedancia en paraJeJo.
que pasa por cada una por medio de la ley de Ohm y la corriente neta se determinani restando la corriente menor de la mayor. El calculo para el circuito de la figura 3-44 es como sigue: La corriente en la carga inductiva es 120 40
=
3 amperes
La corriente en la carga capacitiva es
v
120
Xe
70
1.7 amperes
La corriente reactiva neta es IX
=h -
Ie
= 3 - 1.7 = 1.3 amperes
La corriente en la carga resistiva es 122 0 0
6 am peres
JIR 2 +IX 2
IT
52
=
1~,,1PEDANCIA EN SERIE-PARALELO· Se puede calcular el flujo de corriente en algunos circuitos reactivos en serie-paralelo, aplicandv las formulas de en serie y en paralelo en cada parte del circuito. Se pueden usar estas formulas unicamente si la parte en serie y la parte en paralelo del circuito son completamente resistivas 0 completamente reactivas. Por ejemplo, se puede calcular el flujo de corriente en un circuito como el de la figura 3-45 como se muestra en la prapia figura. Los calculos del flujo de corriente en circuitos en serie-paralelo mas complejos requieren habilidades matematicas que estan fuera del alcance de este libra.
Medicion de la potencia EI desplazamiento de fase que se presenta entre el voltaje y la corriente cuando un circuito tiene reactancia inductiva, 0 bien, capacitiva, conduce a una perdida de potencia. Entonces, ~como se mide la potencia en el circuito? ~Se mide la potencia que debe producir el generador 0 se mide la potencia que usa el circuito? La respuesta a esta pregunta es que se necesitan conocer los dos valores de la potencia asi como la razon entre elias. Los electricistas usan instrumentos de prueba para medir el voltaje, la corriente y la potencia en los circuitos. En el capitulo 5 sedescriben estos instrumentos de prueba. Para este analisis de la potencia nos referimos a un instrumento de prueba, un medidor volt-amp-watt. Este instrumento contiene escalas calibradas en volts, amperes y watts. Las terminales de este instrumento permiten conectarlo en diversos puntos de un circuito. Dependiendo de la manera en que se monte el instrumento y la forma en que se hagan las conexiones, la aguja del medidor se movera en las escalas para indicar cuanto voltaje esta presente, cuanta corriente esta fluyendo 0 cuantos watts de potencia se estan usando. Si se usa este instrumento para hacer medici ones en un circuito que contiene tanto resistencia como reactancia, se encontrara que el wattaje en la carga es menor que el producto (multiplicacion) del voltaje aplicado y la corriente. La diferencia entre los valores es la cantidad de potencia perdida debido a la reactancia. Varios terminos estan asociados con el tema de la medici on de la potencia de ca. A continuacion se definen estos terminos.
" 37.7
WATTS· En cualquier circuito electrico, al hablar de watts se hace referencia a la potencia real 0 activa de la carga. Al usar watts siempre se hace referencia al trabajo real que se esta efectuando en cualquier momenta dado. Los terminos potencia real y potencia activa dan a entender watts.
6.14 amperes
VOLT AMPERES· Este termino se refiere al producto
=
J(6)2
=
J36
+ (1.3)2
+ 1.7
Fundamentos de instalaciones electricas
1--
R, = 60 OHMS
-X2 -
--j
--~--~.-~~~
I R =600HMS I , _ _ _ .......J 2
C2 X C2 = 320 OHMS
I I I I I
L2 X L2 = 400 OHMS
I 1 1 1
1_ _ _ _ _ _ _ _ _ 1
L _______ ....J
R, X R2 3600 R = R + R ="""'i20 = 30 OHMS 1 2 X 1 = XL 1 -
XC, = 250 - 170 = 80 OHMS
X 2 = X L2 - XC2 = 400 - 320 = 80 OHMS R = 30 OHMS
z
R =300HMS
~ .J900 + 1600
, n'I,
Y2500 50 OHMS
v
-
R
Figura 3-45.
=
120 = 2.4 AMPERES
50
Circuito de impedancia en serie-paralelo simple.
del voltaje aplicado y la corriente que indica el medidor. En los circuitos de cc, cuando todas las cargas son resistivas, volts multiplicados por amperes es igual a watts. En los circuitos de ca, si existe reactancia, el producto de volts y amperes sera mayor que el wattaje. La diferencia sera la perdida reactiva. Los voltamperes expresan la carga electrica que el circuito debe poder soportar y cual sera la carga en el generador. FACTOR DE POTENCIA· Este termino, abreviado FP, es la raz6n de los watts a los voltamperes. Es una medida de- la eficiencia con la que se esta utilizando la potencia electrica. En un circuito de 120 volts, si se midi6 un flujo de corriente de 10 amperes, se tendrian I 200
voltamperes. Si el wattaje medido en la carga es de 960, el factor de potencia PFseria
PF
=
watts voltamperes
960
= 1200 = 0.8
Esto se describiria como un factor de potencia del 80%. En las situaciones practicas, el factor de potencia se convierte en un problema, principalmente en los circuitos usados en iluminaci6n y en la industria pesada. Los circuitos industriales a menudo suministran potencia a varios motores electricos. Esto crea una reactancia inductiva grande, 10 cual, a su vez, conduce a un factor de Corriente alterna
53
potencia bajo. Un factor de potencia bajo significa ener~a desperdiciada. Con el fin de obtener 10 mas que se pueda de trabajo a partir de la potencia que se genera, el factor de potencia se debe mantener tan pr6ximo allOO% como se pueda. Como repaso, en un circuito inductivo la corriente va atras del voltaje y el desplazamiento de fase entre la corriente y el voltaje hace que se pierda potencia. Como consecuencia, la corriente que fluye en el circuito multi-
plicada por el Yoltaje aplicado da un resultado mayor que el wattaje consumido por los motores. Recuerdese tambien que, en un circuito capacitivo, la corriente va ade!ante del voltaje. Esto da lugar a un metodo para mejorar el factor de potencia. Grandes capacitores conectados en paralelo con los motores agregan reactancia capacitiva al circuito. Esto compensa la reactancia inductiva y eleva el factor de potencia a un nivel aceptable.
·PREGUNTAS DE REPASO· I. Los patrones formados por las limaduras de hierro, l,que demostraron acerca de los polos magneticos?
c. l,C6mo se llama el transformador A? l,C6mo se llama el transformador B?
2. Cuando por un conductor fluye corriente, se forma un campo magnetico alrededor de tal conductor. l,Que se puede hacer con el conductor para incrementar la intensidad del campo?
6. Dos puntos significativos en una onda senoidal son el valor pico y el valor rms. Completense las proposiciones que siguen. EI valor es el 70.7% del valor EI valor _ _ _ _ _ _ es el 141 % del valor _ _ _ __
3. Si se mueve un conductor hacia abajo a traves de un campo magnetico de tal modo que corte las !ineas de fuerza magneticas, fluira corriente en el conductor. l,Que sucede si, a continuaci6n, se mueve el conductor hacia arriba a traves del campo magnetico?
4. En un generador, la energia mecanica se convierte en energia electrica. La energia electrica se toma de la armadura del generador a tra ves de anillos rozantes 0 de un conmutador. l,Que diferencia establece esto en la forma de la energia electrica? 5. Arriba se muestran dos transformadores. Si se aplica potencia, las lamparas A y B se iluminanin. Contestese 10 que sigue para los dos transformadores Ay B: a. l,Cuanta corriente fluye en el primario? b. l,Cuanta corriente fluye en el secundario? TRANSFORMADOR A
c::---l
1000~
8. En los circuitos inductivos se presenta un desplazamiento de fase entre las ondas senoidales del voltaje y la corriente. l,Que efecto tiene esto sobre la eficiencia del circuito? 9. La oposici6n al flujo de la corriente provocada por los dispositivos inductivos 0 capacitivos se llama reactancia. La oposici6n total a la corriente debe incluir la asi como la reactancia. l,C6mo se llama la combinaci6n? 10. En un circuito de 120 volts, el flujo de corriente se mide como de 6 amperes. Un wattimetro mide 576 watts en la carga. l,Cual es el factor de potencia del circuito? TRANSFORMADOR B
LAMPAAA DE 100 = 1 WATT
CA DE 100 VOLTS LAMPARA DE 100 = 1 WATT
CA DE 200 VOLTS
RAZON DE VUEL TAS 1:2
54
7. La frecuencia se expresa en unidades lIamadas hertz. l,En que unidad de tiempo se basa el hertz?
Fundamentos de instalaciones electricas
RAZON DE VUEL TAS 2:1
4 INSTALACIONES SEGURAS. · SEGURIDAD EN EL TRABAJO
• INTRODUCCION· Cuando se presento por vez primera al publico la luz electrica incandescente, invento de Thomas Edison, una de las principales ventajas que se Ie atribuyeron fue que reduciria los riesgos de incendio. Las himparas de queroseno, las velas y la iluminacion a base de gas eran extremadamente peligrosas. Los incendios eran un riesgo siempre presente y algunos -como el incendio de Chicago de 1871, que destruyo casi la tercera parte de la ciudad- constituyeron verdaderos desastres. Cualquier medida que redujera el peligro de incendios era recibida con benephicito en esa epoca. Sin embargo, no paso mucho tiempo antes de que se evidenciara que tambien la electricidad podia ser peligrosa si no se la manejaba con propiedad. Todos sabian que los rayos eran una forma de electricidad y que podian ser fatales. Lo que no se sabia era que los relativamente bajos niveles de potencia de cc que se generaban en los primeros dias de la iluminacion electrica tambien podian causar choques fatales y constituir un serio peligro de incendio. Se empezaron a conocer los peligros de la electricidad en la medida que se extendio su uso. Surgio la necesidad de contar con estandares uniformes para las instalaciones y seguridad electricas. Esta necesidad fue satisfecha con la introduccion del National Electrical Code (NEe) y el establecimiento de los Underwriters' Laboratories, Inc (UL), en EE. UU. Conforme paso el tiempo, se desarrollaron reglamentaciones locales para la construccion con el fin de cubrir las instalaciones electricas. Los codigos electricos locales por 10 general se basan en el NEC. En este capitulo se vera como el NEC, los UL y los codigos locales afectan el trabajo del electricista. Oespues de adquirir mucha experiencia, los electricistas y los inspectores quedan completamente familiarizados con el NEC y los codigos locales y solo los consultan cuando se presentan situaciones desacostumbradas. Por esto, el estudiante debe considerar al NEC como un libro de consulta, semejante a un diccionario. Para usarlo con eficiencia, debe saber como esta organizado y la c1ase de informacion que contiene. Este capitulo tambien proporciona al estudiante informacion ace rca de los demas documentos que controlan el trabajo electrico. Ellector aprendera como estan relacionadas todas estas cosas y que tipo de inf<:Hmacion puede esperar obtener de cada una de elias. Para un electricista, las reglas de seguridad en el trabajo son practicamente 10 mismo que para las otras ramas de la construccion:
1. Estar alerta. 2. Usar las lu:rramientas con ptopiedad. 56
L
Fundamentos de instalaciones electricas
3. 4. 5. 6.
Usar ropas protectoras. Seguir los procedimientos establecidos. Evitar los riesgos innecesarios. No aplicar metodos abreviados.
Estas reglas se aplican en cualquier zona en la que se este lIevando a cabo la construccion 0 modificacion de edificios. Los electricistas tambien deben saber trabajar con seguridad cerca de conductores electricos vivos. EI choque electrico es un asunto serio. Puede ser mortal. Sin embargo, el choque elect rico puede evitarse si se siguen unas cuantas reglas simples. Estas reg las tienen sentido cuando se entiende como tiene lugar y que es el choque electrico.
• EL PALACIO DE LA ELECTRICIDAD • El aniversario 400 del descubrimiento de America se celebro en 1893 en Chicago con la grandiosa Exposicion Colombina Mundial. EI sitio de la exposici6n, en las playas dellago Michigan, fue conocido como "La Ciudad Blanca" por el material que se empleo en los edificios. La caracteristica mas espectacular de la exposicion fue el amplio uso de la iluminacion electrica, especialmente en un edificio Hamado el Palacio de la Electricidad. La exposicion represento, con mucho, el mayor uso de la iluminacion electrica jamas intentado. La blanca construccion de material aparentemente solido era, en realidad, solamente una estructura de marcos de madera recubiertos con fibra de yute y yeso. El alambrado de la iluminacion fue suspendido entre ese material sin ninguna planeacion, completamente al azar. El resultado fue una serie de incendios que afortunadamente no danaron seriamente a la exposicion, pero si impresionaron a los ejecutivos de seguros sobre los riesgos del alambrado y del uso de artefactos electricos no probados.
• EL CODIGO NACIONAL ELECTRICO (NEC: NATIONAL ELECTRICAL CODE) • En fecha tan tern prana como el ano de 1881, una organizacion conocida como la National Association of Fire Engineers (Asociacion Nacional de Ingenieros en Incendios), reconocio la necesidad de contar con reglas y guias uniformes y de observancia en todo EE. UU. para las instalaciones electricas. Su primer congreso -celebrado en Richmond, Virginia- condujo a una proposicion que cub ria las reglas basic as del aislamiento y la conexion a tierra como proteccion.
Las lecciones aprendidas con el Palacio de la Electricidad pusieron en claro que debia contarse con el consejo de expertos para quienes realicen instalaciones electricas. En 1895, el National Board of Fire Underwriters (Consejo Nacional de Aseguradores contra Incendios) publicaron las propuestas obtenidas como conclusiones del congreso de ingenieros en incendios. Esta fue la primera aparicion de una reglamentacion electrica nacionalmente recomendada. En los aiios subsecuentes a la aparicion del codigo, este ha crecido y cambiado a medida que se han incrementado el conocimiento tecnico y los usos de la electricidad. En la actualidad se 10 conoce como National Electrical Code (NEC) y 10 imprime y distribuye la National Fire Protection Association (NFPA) (Asociacion Nacional de Proteccion contra Incendios). Es aceptado universalmente coino base para una instalacion electrica segura. La NFPA ha establecido un procedimiento para las revisiones periodicas del NEe. Ultimamente, el NEC ha sido respaldado por el American National Standards Institute (ANSI) (Instituto Nacional Americano de Normas) y tambien se Ie conoce como NFPA 70-1978 (ANSI). Segun'lo publica la NFP A y 10 respalda el ANSI, el NEC es unicamente un documento de canicter consultivo. El NEC se ofrece para que 10 usen los legisladores y las oficinas reguladoras como base para establecer las normas electric as y reglamentos de construccion regionales. El NEC se convierte en la "ley para el electricista" s610 cuando forma parte de los reglamentos regionales de construccion. Casi todos los reglamentos regionales hacen referencia al NEC. Con frecuencia, en los codigos se encuentran afirmaciones como la que sigue (el ma terial se tomo del Code Manual for New Yark State Building Construction Code y se menciona con autorizacion);
Instalaciones y equipo eiectricos Requisitos generales - Las instalaciones y equipo electricos que se diseiien e instalen de conformidad con el ANSI, National Electrical Code, se vera que satisfagan los requisitos de este codigo. De esta manera, el NEC se hace de observancia legal. Los reglamentos regionales generalmente contienen requisitos y restricciones adicionales que tambien deben seguirse. El NEC se refiere unicamente a las practicas relativas a la instalacion electrica que ofrecen la maxima proteccion contra las lesiones personales y la muerte, asi como perdidas en las propiedades, debidas al choque electrico 0 al fuego. Las reglamentaciones regionales a menudo tambien se refieren a las norma~ de mantenimiento de las viviendas, especificacion de la altura y ubicacion de las
!ineas aereas, el suministro adecuado del servicio electrico y otras consideraciones semejantes. Los reglamentos electricos regionales por 10 general se incluyen como parte de una reglamentacion completa relativa a la construccion de edificios en la zona. La reglamentacion regional puede ser una pagina 0 dos 0 muchas paginas que contienen muchos detalles. Es esencial que todo electricista en ejercicio se familiarice con los, reglamentos electricos regionales asi como con el NEC. El National Electrical Code es un volumen detallado y comprensivo de casi 900 paginas. La organizacion del material es logica y la numeracion de los conceptos asi como las referencias cruzadas facilitan su uso con un poco de estudio. El c6digo contiene nueve capitulos, un apendice, una tabla de contenido y un indice. El capitulo I da las definiciones de los terminos usados en el NEC y los requisitos generales para las instalaciones electric as. Los capitulos 2,3 y 4 ofrecen la mayor parte de la informacion necesaria para las instalaciones domesticas y edificios comerciales en general. Los capitulos 5, 6, 7 y 8 cubren las instalaciones epeciales, las condiciones y requisitos para el alambrado de comunicaciones, radio y TV. El capitulo 9 consta de las tablas de consulta con ejemplos que muestran la forma de usarlas. Los capitulos del codigo se dividen en articulos y los articulos, en secciones. En la figura 4-1 se identifican las caracteristicas principales de una pagina tipica del NEe. El NEC se presenta en dos formas. La figura 4-1 es una pagina de la edicion basica, la cual sOlo contiene el texto del propio codigo. Otra edicion, conocida como The National Electrical Code Handbook (Manual del Codigo Nacional Electrico), no solo contiene el texto completo del codigo, tambien incluye texto e ilustraciones adicionales en los que se encuentran comentarios sobre las disposiciones del codigo. En esta se usan colores diferentes en la impresion con el fin de indicar que material es del codigo y cuales son comentarios. Tambien hay una version simplificada del NEC, conocida como One- and Two-Family Residential Occupancy Electrical Code (Codigo Electrico para Edificios Residenciales de Una y Dos Familias). Esta edicion solo contiene los metodos de alambrado mas populares y que se usan con m.ayor frecuencia; se limita al material relativo a los edificios que se mencionan en el titulo.
• LOS UNDERWRITERS' LABORATORIES (LABORATORIOS PARA ASEGURADORAS) • El Consejo de Chicago de Aseguradoras contra Incendios retuvo a uno de los primeros expertos en electricidad, llamado William Henry Merril, con el fin de Instalaciones seguras • seguridad en eI trabajo
57
Capitulo 3.
Metodos y Materiales para instalaciones - - - - - -
ARTicULO 300 -
METODOS DE INSTALACION--® A. Requisitos generales
@----- 300-1. (J) ---- a)
--------@
Aplicaci6n. Las disposiciones de este articulo se aplicanin a todas las instalaciones electricas.
Excepci6n No.1: S610 aquellas secc!ones que se mencionan en el Articulo 725 se aplicartin a los circuitos de Clase 1. Clase 2 y de Clase 3. Excepci6n No.2: S610 aquellas secciones que se mencionan en el Articulo 760 se aplicardn a los circuitos de sefialaci6n de protecci6n contra incendios.
@-~
CD
-®
Excepci6n No.3: S610 aquellas secciones que se mencionan en el Artfculo 800 se aplicartin a los '-- sistemas de comunicaci6n. (J) - - - - b ) Las disposiciones de este articulo no estan destinadas a aplicarse a los conductores que forman una parte integral del equipo, tales como motores, controladores, centros de control de motores 0 equipo de control montado en la fabrica.
@ ----- 300-2. @ -----
®
Limitaciones de voltaje. Los metodos de instalaci6n que se especifica en el capitulo 3 se utilizaran para voltajes que no sean mayores que 600, cuando no este especificamente Iimitado en alguna secci6n del capitulo 3. Se permitiran para voltajes por encima de 600 cuando se indique especificamente en alguna parte de este c6digo. 303-3. Conductores de diferentes sistemas. a) Se permitira que los conductores de 600 volts 0 menos ocupen la misma cubierta de la instalaci6n del equipo, el mismo cable 0 el mismo conducto, sin importar si los circuitos separados son de corriente alterna 0 continua, cuando todos los conductores esten aislados para el voltaje maximo de cualquiera de los conductores que se encuentren dentro de la cubierta, cable 0 conducto. b) Los conductores por encima de 600 volts no ocuparan la misma cubierta de instalaci6n del equipo, el mismo cable 0 el mismo conducto con conductores de 600 volts 0 menos.
I-® -@
- - - - - - - V e a s e la seccion de 300-32, Conductores de diferentes sIstemas-par encima de 600 volts. ~
@-----c
Excepci6n No.1: Se permitird que la instalaci6n secundaria hacia ldmparas de descarga de 1 000 volts 0 menos ocupen la misma cubierta del arteJacto que los conductores del circuito derivado. si estdn aislados para el volta;e secundario que intervenga. Excepci6n No.2,' Se permitird que los conductores primqrios de los balastos de las ldmparasde descarga elictrica. aislados para el voltaje primario del balasto. ocupen la misma cubierta del - arteJacto que los conduct ores del circuito derivado. cuando esten contenidos dentro de la cubierta de la instalaci6n individual. Excepci6n No.3: Se permitird que los conductores de la excitaci6n. control. relevador y amperimetro. usados en relaci6n con cualquier motor 0 arrancador separados. ocupen la misma cubierta que los conductores del circuito del motor.
I
I--®
L
@ ----- 300-4.
Protecci6n contra dano fisico. protegeran de manera adecuada.
(j) ---- a)
®
Cuando exista riesgo de daflo fisico, los conductores se
Cables que pasan por elementos con armaz6n de madera.
(J) - - - - - - - - - 1 )
Barrenos. Tanto en ubicaciones expuestas como cubiertas, cuando se realice una instalaci6n ya sea con cable 0 con conductos que pase por barrenos en viguetas, vigas u otros elementos estructurales semejantes de madera, los orificios se deben perforar aproximadamente en el centro de la cara del elemento. Los orificios para cable en montantes ...
Figura 4-\. C6mo leer el National Electrical Code (Hoja I de 2). (Reproducido con autorizaci6n de NFPA 70. National Electrical Code. ®Copyright 1977. Nationdl Fire Protection Association. Boston. MA)
58
Fundamentos de instalaciones electricas
-
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Encabezados de los capitulos que aparecen en la tabla de contenido y en negritas en el indice. Los numeros de los capitulos y los titulos estfm impresos con letras mayusculas. EI primer numeral del articulo identifica el capitulo en eI que aparece. Algunos articulos estan divididos en partes que se identifican por medio de una letra mayuscula (A, B, C, etc.) y un titulo. Cada encabezado en negritas se llama sccci6n. A las secciones se les asigna un numero en dos partes. La primera parte identifica el articulo en el que aparece la secci6n; la segunda parte incluye el orden en el que aparecen las secciones. Las excepciones a las disposiciones de cada secci6n estan impresas en cursivas. Se encuentran conceptos impresos en tipo pequeno a fin de explicar las disposiciones de la secci6n, 0 para dar referencias cruzadas para relacionar las secciones 0 articulos. Leanse con todo cuidado las referencias cruzadas para tener la seguridad de que se consuIta el articulo correcto. Compruebense siempre las referencias cruzadas que se listen. Las tablas que se encuentran en los capitulos I al 8 tienen el mismo numero de la secci6n a la que se aplican, y se localizan tan cerca como es posible ala secci6n. (Las tablas del capitul09 estan numeradas sucesivamente.) A menudo las tablas van seguidas de notas que agregan informaci6n importante. Leanse las notas asi como las herramientas. Puede ser que las secciones se subdividan en a), b), c), etc. Ademas, puede haber divisiones I), 2), 3) bajo estos encabezado~.
Las rectas verticales en eI margen derecho indican lugares en los que se han hecho cambios en la edici6nactual.
Figura 4-1.
C6mo leer el National Electrical Code (Hoja 2 de 2).
investigar los incendios en el Palacio de la Electricidad. Como resultado de estas investigaciones, Merril se dio cuenta de la necesidad de establecer normas para los dispositivos electricos. En 1894 fundo una compania llamada Underwriters' Electrical Bureau (Oficina Electrica de las Aseguradoras). Merril y unos cuantos asociados probaron los dispositivos electricos y pUblicaron reportes sobre su comportamiento. La compania crecio nipidamente. En 1901 tomo el nombre de Underwriters' Laboratories, Inc. (UL). En la actualidad, esta compania es, en EE. UU., el laboratorio de pruebas mas conocido. Todo electricista debe conocer sus iniciales y sello (Fig. 4-2). Los fabricantes envian sus productos a los Underwriters' Laboratories con fines de prueba. Despues de ponerlos a prueba, UL emite un reporte al fabricante en el que indica sus hallazgos. Si se descubren defect os en el producto, el fabricante los debe corregir y someter nuevas muestras al examen. Los productos cuyo desempeno es satisfactorio se listan en diversos directorios publicados por los UL. Los directorios que interesan a los electric istas son el Electrical Appliance and Utilization Equipment Directory (Directorio de Aparatos y Equipo de Utilizacion Electricos), el Electrical Construction Materials Directory (Directorio de Materiales de Construccion Electricos) y el Hazardous Location Electrical Equipment
Directory (Directorio de Equipo Electrico de Ubicacion Peligrosa). Ademas de la prueba inicial, los Underwriters' Laboratories realizan pruebas de seguimiento en los productos listados, para asegurarse de que se mantienen las normas de calidad. A los fabricantes cuyos productos se listan en el directorio UL se les per mite usar el simbolo de los laboratorios en las placas de caracteristicas 0 en cualquier parte del propio producto. EI NEC no especifica el uso de los productos listados por los UL con su nombre, pero especifica que el equipo usado sea "probado por un laboratorio electrico con reconocimiento nacional". La mayor parte de los reglamentos regionales interpretan esto; como una indicacion hacia los productos listados pOl los UL y los inspectores buscan el simbolo UL en todos los materiales usados. Notese que los Underwriters' Laboratories listan todos los productos aceptables (no los fabricantes). EI hecho de que un producto tenga el simbolo UL no significa que todos los productos del mismo fabricante sean necesariamente aceptables. Los fabricantes de equipo electrico con reputacion solo distribuyen productos listados por UL. Es importante saber como se usan las palabras "Iistado" y "aprobado" en relacion con los productos e instalaciones electricas. Los Underwriters' Laboratories listan en sus directorios todos los productos que han Instalacianes seguras • seguridad en el trabaja
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C',;+
·l'ipos
Figura 4-2.
&~{iquetas que aparecen en Uso del simbolo de los Underwriters' Laboratories. (Underwriters' Laboratories, Inc.)
encontrado aceptables. Esto no es 10 mismo que ser aprobados. La aprobacion solo puede venir de un inspector de obras el
• DIBUJOS ARQUITECTONICOS Y ESPECIFICACIONES • Los requisitos basicos para una instalacion electrica los establece el arquitecto, con la asistencia de expertos 60
Fundamentos de instalaciones electricas
que diseiian un edificio y preparan los dibujos de trabajo a partir de los cuales se construira. Estos dibujos suministran mformacion acerca de todas las ramas que intervienen en la construccion: plomeria, pintura, carpinteria y albaiiileria, asi como el ramo electrico. El electricista debe poder leer y comprender estos dibujos, y determinar que detalles tienen importancia para la instalacion electrica. En el capitulo 12 se cubren los dibujos de las instalaciones electricas. Los dibujos arquitectonicos por 10 general constan de un plano del terreno, dibujos separados para cada piso 0 nivel del edificio y los dibujos de elevacion del frente y los lados. El plano del terre no muestra la ubicacion del
Plano electrico para una vivienda de una familia
recamara
13'·0" x 11 '·0"
cocina
comedor
10'·0" x 13'·6"
10'·0" x 13'·6"
. . . . . .--,..1\.
~
servicio
recamara
13'·0" x 10'·0"
estancia
20'·0" x 13'·0"
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/'
"
recamara
14'·0" x 13'·6"
• 0
-0
S
e
LEYENDAS toma ae corriente para contacto lorna de comente especial toma de corriente de techo para artefacto toma de corriente de pared para artefacto apagador de pared
medidor
@J
eliminador de basura
~
unidad de calefacci6n
CD
lavadora
IT]
secadora
~ [TI
calentador de agua estufa
181 interruptor de servicio Y equipo de distribuci6n
~
lavador de platos
Figura 4-3. Disposiciones electricas para una vivienda de una familia. (Reproducido con autorizacion de State of New York Division of Housing and Community Renewal.)
edificio sobre el terreno en que se construini. En general, estos dibujos seiialan en donde se localizani la entrada (0 acometida) del servicio electrico. Los pIanos de los pisos muestran la ublcacion de las tomas de corriente, ios apagadores, los artefactos y los aparatos electricos. Se indican las caracteristicas especiales, tales como la ubicacion tie ventiladores, extractores 0 se mencionan por medio de notas. Los dibujos de elevacion del frente y laterales muestran la disposicion y dimensiones de los lados del edificio. En algunos casos, se proporciona un diagrama electrico separado, como el de la figura 4-3.
Debido a que no es pnictico incluir toda la informacion necesaria en los dibujos, el arquitecto prepara otro documento Ham ado especitlcaciones del edificio. Una parte de estas especificaciones cubren el trabajo electrico. Las especificaciones electricas detaHan el material que debe suministrar el contratista de la obra electrica. Dan informacion del tipo de artefacto de techo y de pared, calidad de los materiales, colores, acabado de los apagadores y contactos. Las especificaciones hacen ver explicitamente que todo el trabajo se debe realizar de acuerdo con las reglamentaciones regionales y el National Electrical Instalaciones seguras • seguridad en el trabajo
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Code. Es posible que las especificaciones indiquen tambien que todo el material debe ser del que se encuentra en las listas UL. EI contratista del trabajo electrico debe saber interpretar los dibujos arquitectonicos y las especificaciones para preparar y estimar el trabajo que debe efectuarse.
• CO DIG OS
ELECTRICOS LOCALES •
Los codigos 0 reglamentos eh!ctricos forman parte de los reglamentos locales de construccion. Pueden contener muchos requisitos con el fin de ajustarse a las condiciones locales especiales. Se dan algunos ejemplos que aparecen en un codigo local (el material se tomo del Code Manual for New York State Building Construction Code- Manual del Codigo para el Codigo de Construccion de Edificios del Estado de Nueva York - y se cita con autorizacion):
Linea de servicio eiectrico (Acometida) Los conduct ores de la linea de servicio (acometida) tendnin una cubierta aisladora que soporte normalmente la exposicion a la atmosfera y a otras condiciones de uso y que eviten toda fuga perjudicial de corriente hacia conductores u objetos adyacentes 0 hacia tierra, excepto que se puede usar un conductor de servicio sin cubierta aisladora conectado a tierra, cuando el voltaje entre cualquiera de los conductores y tierra no sea mayor de 300 volts. Los conductores de servicio subterraneos se instalaran en ducto, conduit 0 en el cable aprohado para tal fin. Los conductores que se instalen en ducto 0 conduit senln TW 0 de otros tipos aprobados para tal fin. Los conductores de servicio que se encuentren a 8 pies (2.40 m) por debajo del piso y que se extiendan a 10 largo del exterior del edificio se instalaran en conduit rigido, en tube ria electrica metalica, en conduct os para barras colectoras 0 en cables aprobados para tal fin. No se deben tender los conductores de servicio dentro de los espacios huecos de edificios de madera. Los conductores aereos de servicio se instalaran a una altura suficiente a fin de mantener los espacios libres que se indican en la ilustracion titulada "Servicio Eiectrico Aereo", ... NOT A: La ilustracion "Servicio electrico aereo" es la figura 4-4.
Cargas eiectricas En viviendas que no sean hoteles, la carga para la iluminacion general se determinara tomando como 62
Fundamentos de instalaciones electricas
base 3 watts por pie cuadrado (0.09 m 2 ) de area del piso. EI area de! piso se ca1culara a partir de las dimensiones exteriores del edificio, apartamento 0 area que intervenga, y del numero de pisos, pero sin inc1uir vestibulos abiertos cocheras 0 espacios no terminados 0 en desuso, a menos que sea adaptable para usa futuro. A la carga general calculada de iluminacion se Ie agregara una carga de 4 500 watts por cada unidad habitacion para to mar en cuenta los aparatos electricos portatiles que se usan en la cocina, comedor y lavanderia. A los primeros 3 000 watts 0 menos de carga general de iluminacion se les aplicaran un factor de demanda del 100%, para los 117000 watts siguientes el factor sera del 35% y por encima de los 120000 el factor sera del 25%. NOTA: EI valor dado de 3 watts por pie cuadrado para iluminacion general se usa para estimar cual sera la carga de iluminacion cuando la casa esta ocupada. Si una casa tiene un area de piso de 1 500 pies cuadrados, se supone que el wattaje total de todas las lam paras de la casa no sera mayor que 4500 watts. NOT A: La frase "factor de demand a" se refiere a la cantidad de iluminacion 0 de cualquier otra carga que en realidad se usaria en cualquier periodo, en comparacion con la carga maxima posible. En el ejemplo anterior, la carga general de iluminacion de 4 500 watts se reduciria como sigue: 3 000 watts X 100% 1 500 watts X 35%
= 300 = 525
watts watts 3525 watts EI valor de 3 525 se usaria para ca1cular la carga electrica de la casa. Las reglamentaciones locales especifican los requisitos minimos de iluminacion para las residencias:
I1uminacion Artificial Requisitos generales - Los artefactos de iluminacion se deben instalar en cocinas, banos, cuartos de lavado, comedores, sotanos, bodegas, aticos accesibles, escaleras, corredores y en todos los lugares donde se requiera iluminacion artificial. Se debe instalar un artefacto de iluminacion de modo que ilumine el frente del homo. Se debe instalar un artefacto de iluminacion sobre el equipo de lavanderia en el sotano 0 bodega. Asimismo debe instalarse un artefacto de iluminacion en el espejo del bano. Cuando se considere la necesidad de iluminacion en
:1 s
Servicio electrico aereo
)
)
__ --=:: 3 pies
(0.90 m) min. r - - - - en don de no se pueda caminar sobre el techo
10' (3.00) m min. arriba del piso
3 pies (0.90 m) min. de cualquier parte de la vent ana, excepto cuando los conductores estan arriba de la parte superior de la misma
10 pies (3.00 m) min. arriba de la plataforma 0 proyecci6n 18 pies (5.40 m) min. por encima de las carreteras publicas, avenidas comerciales y callejones
ALTURAS MiNIMAS DE LOS CONDUCTORES AEREOS DESERVICIO
Figura 4-4. Alturas minimas para los conductores aereos (comunes). (Reproducido con autorizaci6n de State ofNew York Division of Housing and Community Renewal.)
armarios 0 alacenas, los artefactos se instalanin en el techo 0 en la pared arriba de la puerta. En los armarios no se iristalanin artefactos colgantes. Los apagadores para controlar los artefactos se deben colocar en la entrada principal de cada cuarto. Se recomienda, cuando no se suministre un artefacto de iluminacion en un cuarto, que por 10 men os un contacto sea controlado por medio de un apagador que se localice en la entrada. Los apagadores de los banos no se deben colocar cerca de las tinas 0 regaderas. Al menos un artefacto de iluminacion que se coloque en aticos accesibles debe controlarse por medio de un apagador localizado al pie de las escaleras. Al menos un artefacto de iluminacion que se coloque en un sotano se debe controlar por un apagador colocado en la parte superior de la escalera. Los artefactos que iluminen una escalera entre pisos en casas para una 0 dos familias, se deben controlar por medio de apagadores colocados al pie yarriba de las escaleras. Los apagadores que controlen la iluminacion artifi-
cial requerida, los cuales sean accesibles a personas que no esten autorizadas para manejarlos, deben ser del tipo de seguridad. Las antenas de television y los alambres de entrada se deben instalar de modo que no haya probabilidad de que hagan contacto con las !ineas de alta tension. Las reglamentacioi'~S locales pueden cubrir este asunto:
Instalacion de antenas de television EI poste y la estructura de apoyo de la antena de television se debe construir sustancialmente de manera que sea capaz de soportar las cargas del viento y de hielo a que se sujeten. Se recomienda que a los postes que se extiendan mas de 8 pies (2.40 m) por encima de la parte superior de su apoyo se les coloque tirantes. Los tirantes (contravientos) deben ser se acero galvanizado, acero revestido con cobre, bronce 0 cualquier otro material resistente a la corrosion, no menor que el No. 14 A WG. En los casos en los que la estabilidad del poste dependa de los contravientos, se deben colocar al menos tres, Instalaciones seguras • seguridad en el trabajo
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espaciados aproxlmadamente··igual alrededor del poste. Los postes se pueden asegurar a las paredes latentles, a los parapetos 0 a las chimeneas que tengar.. ~I1a buena condicion estructural. No se recomienda la sujecion a las chimeneas, pero cuando sea inevitable se debe hacer por medio de dos 0 mas soleras de hierro que las rodeen. No se debe hacer la sujecion a chimeneas con condicion estructural que no sea muy buena 0 taladrandolas. No se debe instalar la antena cerca de Iineas de servicio electrico. Se recomienda una distancia suficiente para evitar el contacto si la antena se Ilega a caer. Los conductores de entrada sujetos a los edificios se oeben instalar de modo que mantengan no menos de las siguientes separaciones respecto de otros conductores: 4 pulgadas (10 cm aprox.) de conductores de circuitos que no excedan los 150 volts; 2 pies (60 cm) de conductores de circuitos de 151 a 250 volts; 10 pies (3 m) de conductores de circuitos por encima de los 250 volts. !Los conductores de entrada se deben aislar 0 encerra., en un forro metalico conectado a tierra en donde entra al edificio. Cada conductor de entrada se debe proveer con un pararrayos, excepto que se puede omitir tal pararrayos cuando el conductor de entrada este protegido por un forro metalico continuo y conectado de manera efectiva a tierra. El poste y la estructura de sujecion, si son metalicas, se deben co nectar a tierra de modo efectivo. Si existe un sistema de proteccion contra rayos, el poste y la estructura se deben Iigar al conductor del sistema mas cercano; cuando no exista ese sistema se deben co nectar a tierra segun se describe en el texto titulado "Proteccion contra Rayos para las Partes Metalicas de los Edificios", que se tiene en parrafos posteriores. Los materiales e instalacion electricos se deben conformar al National Electrical Code.
• CHOQUE ELECTRICO •
Se presenta el choque electrico, cuando cualquier parte del cuerpo humano se convierte en conductor de la corriente electrica. La seriedad del choque depende de dos cosas: la cantidad de corriente que fluya por el cuerpo y el camino que siga la corriente. La cantidad de corriente que provocara lesiones serias varia con la edad y la condicion fisica de cada persona. En 64
Fundamentos de' instalaciones electricas
......
-
general, las cantidades que se mencionan a continuacion producen el efecto que se lista: Flujo de corriente (miliamperes) I 0 menos 2-8 9-15 15-75 Mas de 75
Efecto en d cuerpo Apenas se nota Se siente, pero no es desagradable Desagradable, pero por 10 general no produce lesiones Provocanl paralisis muscular. Puede ser fatal Casi siempre es fatal. Recuerdese, 75 miliamperes es bastante menos de l/ 10 ampere.
La cantidad de corriente que fluira por el cuerpo depende exactamente de los mismos factores que determinan el flujo de corriente en cualquier circuito conductor: La magnitud de la resistencia al flujo de la corriente La magnitud del voltaje a traves del cuerpo EI numero de caminos a 10 largo de los cuales puede fluir la corriente
Como evitar el choque Eh~ctricamente, las reglas generales para evitar el choque se basan en los tres factores siguientes: en primer lugar, presentese la resistencia maxima al paso de la corriente a traves del cuerpo. Segundo, evitese colocar el cuerpo entre puntos con una gran diferencia de voltaje. Tercero, proporcionense caminos alternativos de baja resistencia para el paso de la corriente. Veamos que significa cada una de estas reglas en la practica. /
,
EVITESE SER UN CAMINO FACIL PARA LA CORRIENTE· Se puede oponer una resistencia maxima al paso de la corriente por medio de ropa adecuada. Los guantes protegen a las manos de hacer contacto accidental con conductores 0 terminales vivos. Los zapatos con suela de hule proporcionan un buen aislamiento respecto de la tierra en areas mojadas. La ropa apropiada en general para las areas en construccion (cascos, monos, etc.) tambien protegen contra el contacto accidental con alambres vivos. Cubrir los conductores y terminales con material aislante temporal, en tanto se lleva a cabo la conexion final reduce la probabilidad de un contacto accidental si se conecta la energia electrica para fines de prueba. En las instalaciones residenciales existe una diferencia de voltaje de 120 volts entre un conductor vivo y tierra. Como existe probabilidad de que se forme un "puente" con el propio cuerpo humano, la mejor forma de evitar el paso de corriente de ese voltaje a traves de uno mismo es
evitar que cualquier parte del cuerpo haga contacto con tierra. En particular, en donde se esta construyendo, pueden existir muchas "tierras" inesperadas. Por ejemplo, partes estructurales de edificios metalicos, tt;berias de agua, escaleras, andamios y ductos del aire acondicionado. Debe evitarse todo contacto con cuahrlier objeto conectado a tierra. Summistrar caminos alternativos de baja resistencia para el paso de la corriente es precisamente 10 que es conectar a tierra. Al estudiar el flujo de la corriente por trayectorias de resistencia paralela, s~ sabe que cuando se dispone de dos 0 mas caminos, la corriente se dividira, con el flujo mas intenso por aquel que presente la menor resistencia. Esta es la raz6n por la que todas las cubiertas metalicas que contienen conductores 0 dispositivos electricos se deben conectar a un punto a tierra. Si se hace un contacto accidental entre un conductor "caliente" y la cubierta, la conexi6n a tierra suministrara una trayectoria de baja resistencia para el paso de la corriente. Si cualquier parte de un cuerpo humano entra en contacto con la cubierta, el flujo de corriente a traves de la alta resistencia del cuerpo sera despreciable. En la secci6n Conexi6n a tierra para protecci6n se encuentra informacion adicional acerca de este importante tema. El camino para la corriente a traves del cuerpo con mayor probabilidad de ser fatal es por el t6rax. El paso de la corriente por esta parte del cuerpo puede paralizar el musculo del coraz6n. La manera mas probable en la que se puede provo car que la corriente fluya por el t6rax es si ambas manos entran en contacto con puntos que tienen una diferencia en el voltaje. El uso de guantes de trabajo aislados reduce este riesgo. Ademas, siempre que sea posible, mantengase una de las manos en un bolsillo cuando se este trabajando cerca de circuitos vivos. Tengase presente tambien que la humedad es un buen conductor de la corriente electrica. Los guantes de trabajo pueden sentirse inc6modos en lugares calUrosos, pero las manos humedas por el sudor pueden ser peligrosas. P6ngase siempre los guantes. La humedad dehajo de los pies tam bien puede ser peligrosa. Ademas de usar zap at os de trabajo con suela de hule, mantenganse parado sobre tablas secas, sobre un tapete de hule 0 sobre algun material semejante al trabajar en areas humedas. HAGASE UNA PRUEBA ANTES DE TOCAR. La mejor defensa contra el choque electrico es esta sencilla regIa: siempre hagase una prueba antes de tocar. Nunca se debe suponer que se ha desconectado la energia electrica. Usese un medidor 0 probador de tensi6n para comprobar si los conductores 0 terminales expuestos estan energizados, antes de trabajar con ellos 0 cerca de elIos.
Otras reglas generales MANTENGANSE LAS AREAS DE TRABAJO TAN LIMPIAS COMO SEA POSIBLE· El desorden y la basura haran dificil distinguir peligros tales como humedad 0 alambres expuestos. USENSE HERRAMIENT AS AISLADAS • Pero no debe confiarse en el aislamiento de las herramientas unicamente. El aislamiento de las herramientas se puede romper 0 cubrirse con material conductor. NO SE PASEN POR ALTO LOS DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD. En capitulos posteriores se veran los dispositivos de trabajo, los fusibles, los interruptores ~lUtomaticos de circuito y los interrupt ores de circuito por falla de la conexi6n a tierra. Bajo ciertas circunstancias, es posible que ellector se sienta tentado a prescindir o eliminar la posible acci6n de estos dispositivos temporalmente. Resistase la tentaci6n. Estos dispositivos 10 protegen no s610 contra el choque electrico, sino tambien contrael fuego y los peligros asociados con el.
• DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD • Una caracteristica importante de seguridad en los sistemas electric os residenciales y comerciales es el corte automatico de la energia cuando el flujo de corriente es superior a la capacidad nominal del circuito, 0 cuando se detectan fallas peligrosas en el. A continuaci6n se describen brevemente las caracteristicas de seguridad proporcionadas por estos dispositivos. En el capitulo 10 se cubre la instalaci6n y uso de estos articulos. Fusibles. Una pieza metalica especial dentro del fusible queda en serie con ellado caliente de la linea de energia electrica. Cuando el flujo de corriente es mayor que la capacidad nominal del fusible, el trozo de metal se calienta 10 suficiente como para fundirse y abrir el circuito. Interruptores automaticos del circuito. Estos son dispositivos mecanicos. El flujo excesivo de corriente calienta una tira metalica especial, provocando que se flexione. Cuando el metal se flexiona, libera un interruptor impulsado por un resorte y corta la energia electrica del circuito. Interruptores del circuito por Calla de la conexi6n a tierra. Estos dispositivos vigilan el flujo de corriente en cada conductor de un circuito. Si la corriente es mayor en uno de los conductores que en el otro, en una cantidad Instalaciones seguras • segundad en el trabajo
65
elt~c
normalmente lleva corriente y debe ser conectado de la fuente a la carga, para que la carga funcione (Fig. 4-5).
Dispositivos de bloqueo (Interbloqueos 0 trabas). Los dispositivos de bloqueo son interruptores que cortan automaticamente la energia electrica en un gabinete u otra cubierta, al abrir la puerta 0 quitar los tableros. Los fusibles y los interruptores automaticos del circuito son principalmente dispositivos de protecci6n contra incendios; desconectan la energia electrica antes de que el intenso flujo de corriente resultado de un corto circuito pueda causar chisporroteo y sobrecalentamiento de los apagadores y otros dispositivos. Los interrupt ores de circuito por falla de la conexi6n a tierra (ICFT) reducen en mucho el peligro de choque electrico. Los ICFT se usan en circuitos para banos, cuartos para la lavanderia y tomas de corriente exteriores, en donde resulta probable el contacto del usuario con tierra. Por la secci6n anterior ace rca del choque electrico, sabemos que cantidades bastante pequenas de corriente causan choques severos, tal vez fatales. Los ICFT protegen a los usuarios contra el contacto accidental con cualquier punto del cual pod ria ser posible que resultara un flujo de corriente tan pequeno como 5 miliamperes. Los dispositivos de trabado estan ideados principalmente para evitar el choque electrico. Estos cortan la energia en las cubiertas al abrir las puertas 0 qui tar los tableros. A veces es necesario cortar la acci6n de estos dispositivos, a fin de hacer medici ones del voltaje 0 realitzar otro trabajo en un gabinete que contiene terminales expuestas. Se debe tener cuidado en asegurarse que se ha vuelto a montar apropiadamente el dispos·itivo de trabado una vez que se ha terminado el trabajo.
Alambre de conexi6n a tierra. N 6tese la frase "de conexi6n". Este alambre normalmente no lleva corriente. Puede ser un aiambre desnudo 0 puede tener aislamiento verde 0 verde con franjas blancas. Este alambre suministm un segundo camino para el flujo de la corriente, como una meuida de seguridad. En la figura 4-6 se da el simbolo para esta conexi6n.
prefijada, automaticamente se corta la energia trica en el circuito.
Alambre neutro. Usado estrictamente, este termino se refiere al alambre blanco 0 gris natural en una linea de alimentaci6n que contiene tres 0 mas conductores. A veces se usa el termino para referirse al alambre blanco 0 gris natural en una alimentaci6n de dos conductores. Este ultimo es un uso incorrecto de la palabra "neutro", pero electricamente los alambres son identicos (Fig. 4-7). Tierra del sistema. Esto se refiere a la practica de conectar uno de los alambres conductores de corriente (el blanco 0 gris natural) a una tuberia de agua fria 0 a una barra de cobre clavada en el terreno (Fig. 4-8). Conexi6n a tierra del equipo. Este termino se refiere ala conexi6n de un alambre de las partes metalicas que no ALAMBRE CALIENTE (POR LO COMUN BLANCO 0 ROJO)
CARGA .
• CONEXION A TIERRA PARA PROTECCION • Una conexi6n a tierra apropiada de los circuitos y dispositivos electricos es una parte esencial del trabajo de un electricista. Comprende numerosos procedimientos de alambrado, dispositivos especiales y requisitos del NEe. En todos los capitulos restantes de este libro se encontrara informaci6n acerca del tema de la conexi6n a tierra. Esta secci6n trata unicamente del tema general de la conexi6n a tierra para protecci6n. En primer lugar, se dan las definiciones de algunas palabras y frases. Tierra de la energia electrica, tierra del conductor de corriente, conductor conectado a tierra, alambre blanco (0 gris natural. Todos estos terminos se refieren a uno de los alambres de la fuente de potencia. Este alambre 66
Fundamentos de instaJaciones electricas
• TIERRA DE LA ENERGfA EL~CTRICA • TIERRA CONDUCTORA DE CORRIENTE • CONDUCTOR CONECTADO A TIERRA (DEBE SER BLANCO 0 GRIS NATURAL)
Figura 4-5.
Tierra conductora de corriente.
~ Figura 4-6. tierra.
SiMBOLO PARA LA TIERRA EN LOS DIBUJOS ESTE SIMBOLO REPRESENTA UNA CONEXION EL~CTRICA DIRECTA HACIA EL PISO 0 HACIA OTRO CONDUCTOR CONECT ADO AL PISO.
Alambre de conexi6n a tierra y simbolo para la
TABLERO DE DISTRIBUCION DE LA ENERGiA EN EL EDIFICIO u'NEAS DE POTENCIA DE LA , COMPAIiIIA ALiMENTADORA
----:-----:----------1---240 VOLTS
t ~~LTS ~ 120 VOLTS
NEUTRO
..
t
-----:.---~--------1----
Conductor neutro, TABLERO DE DISTRIBUCION DE LA ENERGiA EN EL EDIFICIO liNEA DE POTENCIA DE LA OMPAIiIIA ALiMENTADORA
NEUTRO
•TUBERIA • DE AGUA FRIA Figura 4-8.
Tierra del sistema,.
ARMAZON METALICO QUE NO LLEVA CORRIENTE
tivo. Para obtener una seguridad maxima, la trayectoria a tierra siempre debe ser continua. La trayectoria a tierra tambien debe tener la menor resistencia que sea posible. Todas las conexiones de alambre a tierra deben ser limpias y mecanicamente solidas. Un alambre a tierra continuo y de baja resistencia incrementa la seguridad de un sistema electrico al mejorar el rendimiento de los dispositivos de proteccion del circuito. Los fusibles se funden mas rapido y los interruptores automaticos del circuito y los leFT se disparan mas rapido, cuando la resistencia del circuito a tierra es baja. Entre mas rapido funcionen estos dispositivos de proteccion, mas pronto se corta el flujo de corriente y, en consecuencia. menor es el riesgo de sobrecalentamiento e incendio.
Tierra del equipo ALAMBRE DE CONEXI ON A TIERRA
_..... Figura 4-9.
Tierra del equipo.
\levan corriente, de una parte del equipo a algun punto en tierra (Fig. 4-9).
Tierra del sistema En las instalaciones residenciales, la tierra del sistema se conecta como se muestra en la figura 4-8. El alambre conectado a tierra (blanco 0 gris natural) y todos los alambres 'blanc os 0 gris natural conectados a el nunca deben ser interrumpidos por un apagador, fusible, interruptor automatico del circuito 0 cualquier otro disposi-
La conexion a tierra del equipo se lleva a cabo como se muestra en la figura 4-9. Las partes metalicas que no llevan corriente de refrigeradores, congeladores, acondicion adores de aire, lavadoras, secadoras de ropa y lavadoras de platos son algunos de los articulos que deben tener alambres de conexion a tierra. En la figura 4-10 se representa un aparato electrico grande tipico. La linea de potencia esta con ectad a a alguna fuente de voltaje y, a continuacion, esta conectada dentro de la unidad a una carga electrica, por ejemplo, un motor. Uno de los lados del cordon conductor est a conectado a tierra al estar conectado a la tierra del sistema. Sin embargo, si ocurre un corto circuito en el punto A, debido a un aislamiento raido 0 gastado, no habra trayectoria para la corriente hacia tierra. Si el usuario toca el armazon y esta en contacto con cualquier objeto conectado a tierra, tal como un grifo de agua, el cuerpo del usuario suministrara el camino hacia tierra dando como resultado un choque electrico severo y, tal vez, la muerte. Al agregar un alambre de conexion a tierra, el dispositivo estara mas protegido en dos formas: la trayectoria de Instalaciones seguras • seguridad en el trabajo
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CHOQUE EL~C-iRICO CUALQUIER OBJETO CONECTADO A TIERRA, COMO UN GRIFO DE AGUA
ARMAZON METALICO APARATO EL~CTRICO
liNEA DE POTENCIA
{-------,r-=8 ARMAZON METALICO
APARATO A
LiNEA DE POTENCIA
EL~CTRICO
{----,..-----.-=8
ALAMBRE DE CONEXI ON A TIERRA
Figura 4-10.
Protecci6n contra el choque electrico por medio de la tierra del equipo.
baja resistencia hacia tierra da por resultado un flujo de corriente mas intenso y un fusible 0 un interrupt or automatico del circuito cortara el suministro de energia al aparato. Ademas, si por cualquier raz6n, no se corta el suministro qe energia, el alambre de conexion a tierra todavia proporcionara una trayectoria de resistencia mas baja hacia tierra que el cuerpo del usuario, de modo que no se sentira un choque significativo. Si el aparato se conecta por medio de cord6n y clavija, el alambre de conexi6n a tierra es un tercer alambre en el cordon. Este alambre conecta a la tercera punta (punta de conexi6n a tierra) de la clavija con el armaz6n del aparato. Al introducir las puntas de la clavija en un receptaculo (contacto 0 enchufe), la punta de conexi6n a tierra se conecta a un circuito de esa indole. 68
Fundamentos de instalaciones e16ctricas
• SI SUCEDE UN ACCIDENTE· Lo mejor es prevenir los accidentes, pero si sucede uno, 10 importante es saber 10 que se debe hacer. Pueden
reducirse las lesiones y salvar vidas mediante una acci6n rapida y correcta de primeros auxilios. Se resumen a continuaci6n las reglas basicas.
Separese a la victima del lugar en el que recibe la energia C6rtese la energia electrica tan rapido como sea posible. Si no se puede cortar la energia con rapidez, r6mpase el contacto entre la vktima y la linea 0 terminal "viva". No se toque. a la victima directamente. Debe tenerse la
Figura 4-11.
a
b
c
d
Respiraci6n boca a boca.
seguridad de quedar aislado del contacto con el cuerpo de la victima asi como del conductor expuesto. Usese un trozo seco de madera, una manta, un trozo seco de ropa, una cuerda seca 0 cualquier no conductor no semejante para romper el contacto entre el cuerpo de la victima y la fuente de energia. El choque electrico severo produce panilisis muscular. Es posible que se requiera una fuerza considerable para separar a la victima de una linea 0 terminal viva. Si la victima ha dejado de respirar, empiecese inmediatamente con la respiracion boca a boca. Un retraso de lO segundos puede ser la diferencia entre la vida y la muerte.
Respiracion boca a boca Las victim as de un choque electrico severo a menu do sufren espasmos musculares 0 panilisis temporal que hace que dejen de respirar. En la respiracion boca a boca (Fig. 4-11), quien realiza el rescate fuerza su aliento hacia los pulmones de la victima, con el fin de estimularlarespiracion. Con este procedimiento se Ie suministra a la victima el oxigeno necesario para disminuir las probabilidades de un
dana cerebral. En muchoscasos, el procedimiento restablece la respiracion normal. Actuese como sigue: Paso 1. Coloquese a la victima horizontal con la cara hacia arriba. Paso 2. Si existe cualquier materia extrafia (como goma de mascar, alimento, arena) visible en la boca, voIteese la cabeza de la victima hacia un lado (Fig. 4-11a). Limpiese la boca nipidamente usando los dedos 0 con un panuelo arrollado a los dedos. Lleguese hasta la garganta, si es necesario. Paso 3. Coloquese a la victima de suerte que el paso de la garganta quede sin obstrucciones. Se puede hacer esto poniendo una mana debajo del cuello de la victima y echando su cabeza hacia atnis(Fig. 4-llb). Abrase la boca de la victima empujando la parte superior de la cabeza hacia atnis y tirando de la mandibula inferior hacia adelante (Fig. 4-11c). Paso 4. Llenense los pulmones de aire. Abrase la boca Instalaciones seguras • seguridad en el trabajo
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10 mas que se pueda sobre la boca 0 nariz de la victima. Coloquese un paiiuelo sobre la boca para evitar el contacto directo. Peguense fuertemente los labios alrededor de la boca de la victima. Mantengase abierta la boca de la victima. Para evitar la fuga del aire por la nariz, oprimanse las fosas nasales del sujeto con los dedos pulgar e indice (Fig.4-11 d).
Paso 5. Impulsese vigorosamente la respiracion hacia adentro de la victim a hasta que se yea que se dilata el torax. Entonces separese la boca para permitir que salga el aire. Paso 6. Respirese de nuevo conforme se escuche el sonido del aire que se escapa. Paso 7. Inflense los pulmones de la victima una vez mas, tan pronto como se yea que el pecho cae a su posicion normal. Paso 8. Repitase el procedimiento de diez a quince veces por minuto (cada 5 06 segundos). Se pueden turnar dos 0 mas personas cada 5 0 10 minutos.
Tratamiento de las quemaduras electric as Las quemaduras electricas se tratan igual que cualquier quemadura. En primer lugar, se separa a la victima de la fuente de electricidad, como se describio anteriormente. En seguida, se acuesta a la victima y se Ie aflojan sus ropas alrededor del cuello. Uamese a un doctor. Si se dispone de un estuche de primeros auxilios, siganse las instrucciones que aparecen en el respecto al tratamiento de las quemaduras. Si no se cuenta con tal estuche 0 las instrucciones correspondientes, hagase 10 siguiente:
Paso 1. Coloquense vendajes esteriles (0 el trozo mas limpio de tela del que se disponga, como un trozo de camisa 0 un paiiuelo limpio) sobre el area quemada, para evitar que quede expuesta al aire. Paso 2. No se limpie la quemadura. No se toquen las ampollas. Paso 3. Dejese quieta a la victima, arropandola hasta que lIegue el doctor.
Comprobacion del pulso de la victim a Paso 9. Un gorgoteo 0 una respiracion ruidosa indica la necesidad de mejorar la posicion de la cabeza hacia atras 0 la de limpiar una vez mas la garganta, como en el paso 3. Paso 10. Continuese la respiracion artificial hasta que la victim a empiece a respirar 0 hasta que lIegue el medico. CONDUCTO PARA AIRE(O PARA RESUCITAR). Los estuches de primeros auxilios sue len contener un tubo (Fig. 4-12) que se utiliza para revivir adultos 0 niiios de mas de tres aiios de edad. Uno de los extremos se coloca sobre fa fengua de fa victim a, el otro sirve como boquiIIa para quien efectua el rescate. Esto permite a la persona que proporciona los primeros auxilios evitar el contacto directo de la respiracion boca a boca.
t-·igura 4-12. 70
Conducto para aire (0 para resucitar).
Fundamentos de instalaciones electricas
El medico que se localice por telefono puede preguntar acerca de la rapidez y las condiciones del pulso de la victima. Toda arteria principal tiene un pulso. Muchas arterias estan 10 suficientemente cerca de la superficie del cuerpo como para que se sienta el pulso. EI lugar mas facil para sentir el pulso es la muiieca(Fig. 4-13). Tomese la muiieca de modo que las yemas de los dedos indice a meiiique queden sobre el pulso y eI pulgar contra eI dorso como apoyo. Ejerzase una ligera presion con los cuatro dedos hasta que se sienta el pulso con mas intensidad. Una vez que se haya sentido el pulso, se esta listo para contarlo. Se necesitara un reloj con segundero. Cuentese los golpes del pulso que se sientan durante un periodo de 10 segundos y mUltipliquese por seis para obtener la rapidez del pulso (por minuto). Repitase esto al menos una vez para comprobar la exactitud de 10 hecho.
Figura 4-13.
Como comprobar el pu\so.
Notese si el pulso es fuerte y se siente con facilidad, 0 si es debit y dificil de sentir, y si el pulso es regular 0 irregular. EI pulso irregular producini marcadas diferencias en el con teo de 10 segundos si se repite tres 0 cuatro veces.
EI otro tipo de choque Unavictima que ha recibido un choque electrico severo o que ha sufrido fuertes quemaduras puede experimen~ar otra forma de choque. Este tipo de choque se debe a un colapso de la funcion circulatoria, es decir, la sangre que circula por el cuerpo de la victima es insuficiente. Esta forma de choque puede ser seria y si se observan los signos tipicos del choque se debe tratar. Los signos que se presentan son los siguientes: 1.
Respiracion debil y nipida.
Figura 4-14. .rio.
Posicion para una victima de choque circulato-
mada que se muestra en la figura 4-14. Si parece que esta posicion provoca respiracion dolorosa 0 dificil, cambiese la posicion segun se necesite hasta que la victima se yea comoda. Paso 2. Observese que la boca de la victima quede libre de sangre 0 de cualquier otro fluido, de modo que se facilite la respiracion todo 10 que sea posible.
2. Cara, labios y uiias palidos. 3. Sudor en la frente. Piel fria y humeda. 4. Pulso debit y rapido.
.
Paso 3. Mantengase arropada a la victima con frazadas 0 abrigos, si es necesario.
Este es el sencillo tratamiento:
Paso 4. Liamese a un doctor.
Paso 1. Coloquese a la victima en la posicion aproxi-
Paso 5. No se de bebidas a1coholicas a la victima .
• PREGUNTAS DE REPASO· I. l.Que ensefianzas dejo la iluminacion electric a de la exposicion de Chicago en 1893? 2. l.Cuales son los fines del National Electrical Code? 3. l.Como se convierte el NEC en "ley"? 4. l.Por que las comunidades y estados tienen reglamentaciones electricas locales? 5. l.Que significado tienen las letras UL que aparecen en algunos product os? 6. l.Cual es el significado de las palabras "en lista" y "aprobado" cuando se aplican a los dispositivos electric os? 7. l.Que es 10 que aparece en las listas de los Underwriters' Laboratories: los productos 0 los fabricantes? 8. l.Que significa el termino "factor de demanda"? 9. l.Por que las reglamentaciones regionales cubren las instalaciones de la antena domestica de TV? 10. Ademas del NEC y los reglamentos regionales, l.que otras cosas controlan las instalaciones electricas? 11. l. Cuales aspectos determinan la seriedad del choque elect rico? 12. Un flujo de corriente de una fraccion de ampere puede causar un choque fatal. l.Aproximadamente que tan pequefia es la fraccion?
13.
14. 15. 16.
17.
18. 19. 20.
Se puede presentar una resistencia maxima al flujo de la corriente a traves del cuerpo con el uso de ropa apropiada. Dese el nombre de dos articulos importantes. l.Cual es el camino mas peligroso para el paso de la corriente a traves del cuerpo? Una sencilla regia de seguridad es: Hagase una prueba antes de tocar. l.Que significa esto? Generalmente se utilizan cuatro dispositivos de seguridad para evitar el fuego y el choque electricos. Nombrense los cuatro dispositivos. Dos de los cuatro dispositivos que se mencionan en la pregunta 16 tienen como proposito principal evitar los incendios y los otros dos son para evitar el choque electrico. l.Que dispositivos son de cada clase? En las instalaciones residenciales, l.como se suministra la tierra del sistema? En las instalaciones residenciales, l.cual es el uso normal de la conexion a tierra del equipo? Si la victima de un accidente recibe un choque 0 quemaduras por el contacto con un conductor vivo, l.que es 10 primero que se debe hacer? Instalaciones seguras • seguridad en el trabajo
71
,
I !
•
5 EQUIPO DE PRUEBA Y HERRAMIENTAS
• INTRODUCCION. Los electricistas usan instrumentos de prueba y medicion como auxiliares de proteccion, comprobadores de la instalacion y herramientas para detectar [alIas. En este capitulo se describe como funcionan los medidores y probadores. Si el estudiante comprende 10 que son estos instrument os, podra usarlos correctamente y usar de la mejor manera la informacion que proporcionan. En el capitulo 14 se vera como se usan los medidores para pro bar los circuitos y detectar fallas en ellos. Existen muchas herramientas de mana disefiadas para hacer mas facil, mas rapido y mas limpio eI trabajo del electricista. En este capitulo se describen algunas de las herramientas mas populares y que mas se usan. La informacion detallada ace rca del uso de estas herramientas se da en los capitulos subsiguientes, cuando se requieran para describir los procedimientos de instalacion. Para gran parte de su trabajo, los electricistas usan las herramientas estandar de otras ramas de la construccion. Para instalaciones en edificios con estructura de madera, se necesitan algunas herramientas de carpintero. En construcciones de ladrillo, bloques de construccion y de concreto (hormigon), los albafiiles usan algunas herramientas de albafiil. Cuando las instalaciones electricas requieren eI uso de conduit de pared gruesa (una forma de tuberia metalica), los electricistas utilizan algunas herramientas de plomero para lIevar a cabo su trabajo. En este capitulo se presentan allector algunas de las cosas con las que trabajara todos los dias.
Figura 5-1.
• PROBADORES • Los probadores mas sencillos son las lam paras para prueba de voltaje y de continuidad. La lampara para prueba de voltaje (Fig. 5-1) indica si existe voltaje en los conductores expuestos 0 en las terminales de los conductores. El probador de continuidad (Fig. 5-2) indica si existe una trayectoria continua para el flujo de la corriente en el circuito.
Probador de voltaje El probador de voltaje consta de dos conductores de prueba aislados, un bulbo de neon y un portabulbo. Cuando uno de los conductores de prueba est a en contacto con un alambre vivo, 0 caliente, y el otro conductor esta en contacto con una linea neutra 0 punto de tierra, el bulbo de neon se ilumina (Fig. 5-3). Los bulbos de neon tienen una alta resistencia intern a y, por tanto, automaticamente limitan el flujo de corriente que pasa por el probador. Tambien se puede usar el probador de voltaje para determinar que conductores no estan vivos, antes de tocarlos. Los probadores de voltaje son pequefios y ligeros. Son faciles para lIevar y usar. Sin embargo, se debe tener cuidado de evitar el contacto con los conductores 0 terminales vivos expuestos al usar el probador. Tambien, recuerdese de probar el propio instrumento de vez en cuando, introduciendo los conductores de prueba en un portalampara vivo. Una ruptura en uno de los conducto-
Probador de voitaje.
: : : . ; :....
Figura 5-2.
Probador de continuidad. Equipo de prueba y herramientas
73
res de prueba 0 un bulbo defectuoso indican que cuando no hay voltaje.
10
mismo
Probador de continuidad EI probador de continuidad contiene una bate ria y un bulbo incandescente, y tiene tambien dos conductores de prueba. Este probador s610 se usa en los circuitos y dispositivos en los que se ha eliminado toda la energia electrica, al dejar abiertos todos los interruptores 0 desconectar los alambres. Al colocar los conductores de prueba en dos puntos cualesquiera de un circuito, el bulbo se iluminani si la corriente puede fluir entre los puntos (Fig. 5-4). EJ bulbo iluminado indica que existe una trayectoria continua para el flujo de corriente - 0
POTENCIA CONECTADA
c~ntinuidad-
en el circuito que ·se esta probando. Se pueden utiFzar Ius probadores de continuidad a fin de comprobar si no hay interrupciones en el circuito, defectos en los apagadores, filamentos de lampara quemados y otras fallas en los circuitos. EI probador de continuidad comun del tipo de bolsillo usa una 0 dos baterias para lampara tipo plumafuente (tamaiio AA), que dan unicamente 1.5 0 3 volts con un consumo de corriente bajo. Cuando se deben hacer pruebas de continuidad en largos ten didos del circuito, es preciso utilizar probadores de servicio mas pesado. Uno de esos probadores de circuito usa cuatro pilas secas del numero 6 en serie para suministrar 6 volts y una capacidad de corriente mas alta. En el capitulo 14 se dan los procedimientos para utilizar el probador para localizar fallas en los circuitos. La baja tension que se utiliza en los probadores de continuidad permite examinar los circuitos y localizar las fallas sin que el electricista 0 el equipo sufran daiios.
Analizador de contactos
.
CONDUCTORESDE PRUEBA EN LAS TERMINALES DE CARGA 0 EL CONDUCTOR DESNUDO
Figura 5-3.
Los analizadores de contact os sirven para comprobar la instalacion y localizar las fuentes de los problemas (Fig. 5-5). Cuando se enchufa en un contacto de 120 volts, las luces del analizador indican si la instalacion esta buena 0 si existe alguna falla. Los defectos de la instalacion que se indican son: alambre caliente y neutro invertidos, alambre caliente abierto, alambre neutro abierto, alambre caliente y el de tierra invertidos y alambre de tierra abierto.
Forma de usar el probador de voltaje.
POTENCIA DESCONECTADA
Figura 5-5.
CARGA
Analizador de tomas de corriente.
• MEDIDORES· SONDA Y CONDUCTOR CON GRAPA EN LAS TERMINALES DE CARGA 0 EL CONDUCTOR DESNUDO
Figura 5-4.
74
Forma de usar el probador de continuidad.
Fundamentos de instalaciones electricas
Muchas veces el electricista debe saber mas ace rca de un circuito que las simples indicaciones del tipo de "pasa/no pasa" que se obtienen mediante los probadores de voltaje y de continuidad. A menudo un electricista debe saber cuanto voltaje, 0 cuanta corriente, resistencia
o energia elt!ctrica hay en un circUito. A fin de obtener esta informacion se deben utilizar los medidores. Los medidores que utilizan los electricistas tienen escalas calibradas, senaladores moviles, apagadores y conductores de prueba (Fig. 5-6). Cuando se conectan correctamente los conductores de prueba 0 se colocan en forma apropiada en las terminales 0 conductores, el senalador del medidor se mueve sobre la escala hasta llegar a una lectura que muestre la cantidad de voltaje, corriente, resistencia 0 potencia en ese punto. La fuerza que mueve a la aguja indicadora es la repulsion magnetica; es decir, la fuerza que hace que los polos magneticos iguales se repelan entre si. Esta fuerza se usa en el mecanismo de un medidor de bob ina movil, conocido como mecanismo de d' Arsonval, en honor de su inventor, un fisico frances. En la figura 5-7 se muestra la operacion basi ca. EI mecanismo consta de un iman permanente y una bobina de alambre. La bobina se monta sobre pivotes entre los polos del iman. Al fluir la corriente por la bobina, se induce un campo magnetico. La polaridad del campo es tal que el polo norte del campo de la bobina queda cerca del polo norte del iman, y 10 mismo acontece con los polos sur. La fuerza de repulsion de los polos iguales hace que la bobina gire sobre sus puntos pivote. La aguja del medidor esta sujeta a la bob ina y gira con ella. Si la bobina pudiera moverse con libertad, giraria de manera continua como la armadura de un motor pequeno. Para evitar esto, se sujetan unas muelles en espiral a la bobina y al armaz6n del medidor. Entonces la bobina se mueve hasta que la fuerza magnetica ya no puede vencer la tensi6n de la muelle. Entonces la bobina y la aguja se detiene y permanecen en esa posici6n mientras la corriente que pasa por aquella sea constante. EI campo magnetico de la bobina, el campo del iman y la tensi6n de las muelles se eligen y calibran con todo cuidado de manera que la magnitud del movimiento de la bobina y la aguja sea proporcional a la intensidad de
ESCALA
SENALADOR
IMAN PERMANENTE ENTREHIERRO PIEZA POLAR SOPORTENO~~zmlMlEmm~~ MAGN~TICO
Figura 5-7.
Mecanismo del medidor de bobina m6vil.
la corriente que pas a por aquella. Desde que se introdujo por primera vez hace mas de 100 anos, se ha mejorado la exactitud y la confiabilidad de este mecanismo basico. EI iman permanente se fabrica con aleaciones especiales para producir un campo intenso y mantenerlo durante mucho tiempo. La bobina gira alrededor de un nuc1eo de hierro suave. Al iman permanente se Ie han agregado polos de hierro suave. EI nuc1eo y los polos agregados refuerzan y conforman los campos mangeticos para ganar un movimiento maximo de la bobina con el flujo de corriente mas pequeno. La bobina gira sobre cojinetes de joyas con el fin de reducir la fricci6n hasta un minimo. Todas estas mejoras han hecho a los medidores de bobina m6vil robustos, confiables y exact os. Cuando se agregan los circuitos y conmutadores apropiados, se puede utilizar este mecanismo medidor para medir voltaje, corriente 0 resistencia. Algunos medidores pueden realizar las tres mediciones, colocando adecuadamente un conmutador selector. Estos aparatos se conocen como volt-ohm-miliamperimetros, 0 bien, como YOM.
Amperimetro (ampermetro)
Figura 5-6.
Medidor tipico de varios usos.
EI flujo de corriente que pasa por el medidor hace que la aguja se desvie. Para medir la corriente que fluye en un circuito, s610 es necesario conectar el medidor de modo que, por la bobina, pase esa corriente del circuito. Lo anterior requiere que se romp a el circuito en algun punto y, a continuaci6n, conectar el medidor de manera que el circuito se complete a traves de el (Fig. 5-8). Esto pone al medidor en serie con la carga del circuito. Todos los medidores de bobina m6vil dan una desviaci6n de escala completa para cierto valor fijo del flujo de corriente. Por ejemplo, el diseno de la bobina y la tensi6n del resorte pueden permitir una desviaci6n de escala completa cuando fluya I ampere por la bobina. EntonEquipo de prueba y herramientas
75
POTENCIA CONECTADA
FUENTE DE 'POTENCIAl
CARGA
corriente, el medidor debe estar en serie con la carga. Por 10 tanto, ~e debe mantener la resistencia del medidor tan baja como sea posible de modo que el flujo de corriente en el circuito no se reduzca de manera significativa por la adicion del medidor. Cierto tipo de medidor-conocido como medidor de tenaza-opera basandose en un principio diferente, 10 que permite medir la corriente de ca sin interrumpir el circuito. Posteriormente, en esta seccion, se describe este tipo de medidor.
Voltimetro (v6itmetro)
-0Figura 5-8.
SiMBOLO DEL AMPERiMETRO
Conexiones del amperimetro en un circuito.
ces, l.como se puede usar este medidor con el fin de medir intensidades mayores de corriente? Los limites del medidor se extienden colo cando su mecanismo en derivacion con resistores de varios valores. Colocar en derivacion simple mente significa ponerlo en paralelo. EI mecanismo del medidor tiene cierta resistencia. Si se coloca un resistor en paralelo con el mecanismo del medidor, Ia corriente se dividini de acuerdo con la razon entre las resistencias. Por ejemplo, si Ia resistencia del medidor para I ampere es de 100 ohms, se puede colocar un I'esistor de II ohms en paralelo e incrementar los limites hasta 10 amperes (Fig. 5-9). La corriente que fluye en el medidor se dividini, y la intensidad mayor de corriente fluini por Ia menor resistencia. Como el resistor en derivacion tiene un valor aproximadamente igual a un noveno de la resistencia del medidor el 90% de la corriente fluini por la derivacion yell 0% po; el medidor. Por ejemplo, si se usa este medidor con la derivacion para medir la corriente en un circuito en el que estflO fluyendo 5 amperes, el 90% de la corriente, 0 sea, 4.5 amperes fluini por la derivacion y 0.5 amperes por el medidor. Un flujo de 0.5 amperes desviani un mecanismo de 1 ampere hasta la mitad de la escala. Si se multi plica esa indicacion por 10, se tiene el flujo correcto de corriente en el circuito: 5 amperes. Se puede agregar resistores en derivacion de otros valores para suministrar limites adicionales para la corriente. Los amperimetros de bobina movil se limitan a los circuitos de cc y a la medici on de corriente de bajo nivel. En un circuito de ca la polaridad cambiante del flujo de corriente conducini a un movimiento cero en la bobina. Se podria agregar un rectificador con el fin de limitar el flujo de la corriente a una direccion, pero esto incrementaria la resistencia del mecanismo. Para medir la 76
Fundamentos de instalaciones electricas
Si se conocen la resistencia y la corriente, se puede calcular el voltaje por medio de V = I X R. Se puede utilizar el mecanismo de bob ina movil para medir el voltaje, agregando una resistencia en serie con la resistencia del medidor y colocando esta resistencia combinada conocida entre dos punt os con niveles de voltaje diferentes (Fig. 5-10). La intensidad de corriente que fluye por la resistencia conocida es proporcional al voltaje entre los dos puntos. Supongase el mecanismo de un medidor que requiere el paso de 1 ampere por su bobina para tener una desviacion de escala completa y que tiene un~ resist en cia total, del medidor y en serie, de 100 ohms. Entonces el voltaje requerido para tener una desviacion de escala completa seria de 100 volts. Si solo se aplican 75 volts, el flujo de corriente sera I = VIR = 75/100 = 0.75 ampere. La aguja del medidor se desviara hasta las tres cuartas partes de la escala completa. Las escalas del voltimetro estan calibradas directamente en volts para facilitar la lectura. Se pueden obtener diversos limites de voltaje colocando resistencias adicionales en serie con el mecanismo del medidor (Fig. 5-11). Entre mas alta sea la RESISTENCIA DEL MEDIDOR = 100 OHMS A
00-1 AMP
-
11 OHMS
'"
AA
0-10 AMP CONMUTADOR DEINTERVALOS
'"-
yy
'V'..../
CONDUCTORES DEL MEDIDOR
Figura 5-9.
Derivacion de un amperimetro.
POTENCIA CONECTADA
6G volts. EI flujo total de corriente en el circuito es de I = VIR = 120/(100 + 100)= 0.6 ampere. EI voitaJea traves de cada carga es de V = I X R = 0.6 X 100 = 60 volts. Si se coloca un medidor con una resistencia total de 100 ohms a traves de la carga A, la resistencia efectiva en ese punto cae hasta 50 ohms:
FUENTE DE \POTENCIAI
CARGA
--0FIgura 5-10.
100 X 100 200 SiMBOLO DEL VOL TiMETRO
10000 200
Conexion del'voItimetro en un circuito.
resistencia en serie, mayor debe ser el voltaje para tener una desviaci6n de escala completa. En el ejemplo que se lli6 con anterioridad, si la resistencia total, del medidor y en serie, es de 1 000 ohms, se necesitafiln 1 000 volts para que fluya 1 ampere por el medidor. N6tese que las lecturas de voitaje se hacen colocando el medidor en paralelo con la carga del circuito. Con base en el anal isis de la resistencia en paralelo dada en el capitul(l 2, se sabe que la resistencia efectiva de dos resist ores en paralelo es menor que la resistencia de cualquiera de los resistores y se puede ca1cular como el producto dividido entre la suma, esto es, RI X R/(RI + R2)' Esto significa que la resistencia del medidor debe ser mucho mayor que la resistencia de la carga, para evitar que aquel afecte el voltaje a traves de la carga. Durante la operaci6n normal, el voltaje a traves de las cargas A y B de la figura 5-12 es de
50 ohms Entonces el flujo de corriente en el circuito se convierte en
I -- 150120 - 0.8 ampere
CARGA A 100 OHMS
CARGA B 100 OHMS
LECTURA DEL MEDIDOR 40 VOLTS
(B) (e)
(A)
INTERVALO BAJO
40 { VOLTS
CONMUTADOR DEINTERVALOS LA POSICION (A), (B) 'r (C) REPRESENTAN, SUCESIVAMENTE, INTERVALOS DE VOLTAJE MAs ALTOS
Figura 5-11.
80{
VOLTS
CARGA A 100 OHMS
CARGA B 100 OHMS
~
CONDUCTORES DEL MEDIDOR
Conmutacion de los intervalos del voltimetro.
Figura 5-12. es baja.
Error del voItimetro si la resistencia del medidor
Equipo de prueba y herramientas
77
El voltaje a traves de la carga A es entonces V = I X R = 0.8 X 50 = 40 volts, mientras el medidor se encuentra colocado. En la figura 5-13 se muestra la manera en que una .resistencia alta en serie con el medidor soluciona este problema. Se pueden utilizar los mecanismos de medidores de bobina m6vil con el fin de medir tanto el voltaje de cc como de ca. Para mediciones de ca, se agrega un rectificador al circuito del medidor para limitar el flujo de corriente en una direcci6n (Fig. 5-14). En virtud de que los voltimetros se utilizan en paralelo con la carga, y se necesita una alta resistencia del medidor para obtener una lectura exacta, la resistencia agregada por el rectificador no presenta problema alguno. La corriente de entrada al medidor despues del rectificador, consiste en medios cic10s positivos. Para cualquier frecuencia de 50 a 60 Hz 0 mayor, la indicaci6n del medidor sera un valor estable. Los pulsos de medio cicIo ocurren con demasiada rapidez como para que el mecanismo del medidor responda. En realidad, la desviaci6n de la aguja del medidor representa un valor promedio pero la escala.de voltaje de ca se cali bra en volts rms (consultese el capitulo 3). Si el voltaje medido es de 120 volts, el medidor indicara 120 volts, a menos que se marque otra cosa.
fluye por la carga y por la bobina del medidor. Con el voltaje constante, la corriente en el circuito disminuye conforme se incrementa la resistencia medida. Entre
ENTRADA DE CA
MEDIO CICLO A
Ohmmetro Se puede usar la ley de Ohm para calcular la resistencia si se conocen la corriente y el voltaje, R = V/1. Para medir la resistencia, se agr,ega al medidor una fuente interna de voltaje. Por 10 general se usan pilas secas pequeiias. Eliminando toda la energia electric a del circuito, se conectan los conductores del medidor a traves de una carga de resistencia conocida (Fig. 5-15). La corriente de la bateria
+
o-....;=..;...~
~---~
MEDIO CICLO B
CARGA A 100 OHMS
RESISTENCIA EN SERlE 10000 OHMS
+ RESISTENCIA DEL MEDIDOR 100 OHMS
CARGA B 100 OHMS
--
EL RECTIFICADUR PERMITE QUE LA CORRIENTE FLUYA EN UNA DIRECCION
--
FLUJO DE CORRIENTE
LECTURA DEL MEDIDOR 60 VOLTS
SiMBOLO DEL RECTIFICADOR
Figura 5-13. Lectura correcta del voltimetro cuando la resistencia del medidor es alta.
78
Fundamentos de instalaciones eiectricas
Figura 5-14.
Operaci6n del rectificador de onda completa.
POTENCIA DESCONECTADA
CARGA
--0-Figura 5-15.
SiMBOLO DE OHMMETRO
Conexi6n del6hmmetro en un circuito.
mayor sea la resistencia medida, menos se desvia la aguja del medidor. La cara del medidor se calibra en ohms; la desviaci6n de la aguja representa la resistencia de la carga. La mayor parte de los YOM tienen el cero de la escala de los ohms en el extremo opuesto al cero de la escala de voltaje y de corriente. Esto se conoce como escala inversa (Fig. 5-16). Algunos YOM estan alambrados internamente para invertir el movimiento del medidor de modo que todos los ceros de las escalas queden en el mismo extremo; estos se conocen como 6hmmetros en derivaci6n. No obstante, la vida de la bateria es mas corta en los ohmmetros en derivaci6n debido a que existe un consumo constante de corriente aun cuando no se este haciendo medici6n alguna. EI circuito de 6hmmetros del tipo inverso solo muestran corriente cuando esta puede fluir entre los conduct ores de prueba. En la figura 5-17 se muesna el circuito basico de cada tipo de 6hmmetro. N6tese que en el medidor inverso, incluso con el interruptor del medidor cerrado, debe haber continuidad entre los conductores de prueba antes de que la corriente pueda fluir por el. En el 6hmmetro en derivaci6n, la corriente fluye por el medidor continuamente cuando se cierra el interruptor. En los dos tipos de 6hmmetro, la salida de voltaje caera conforme la bate ria envejece. En los medidores inversos, el voltaje disminuido de la bateria se compensa ajustando un resistor variable en serie con el medidor; esto se conoce como ajuste del cero. Antes de utilizar un 6hmmetro, se deb en poner en corto circuito los conductores de prueba. uniendolos entre si, para representar una resistencia cero y se debe ajustar el resistor variable hasta que la aguja muestre una resistencia cero. Los 6hmmenos en derivaci6n tienen un ajuste similar, pero el ajuste se lleva a cabo con los conductores de prueba separados,
para rep~esentar la altura mas alta sobre la escala; el resistor variable se ajusta hasta que la aguja queda alineada con el extremo superior de la escala. Las escalas del6hmmetro no estan igualmente espaciadas en toda su amplitud. Por ejemplo, si la mitad de la esc ala cubre de 0 a 10 ohms, de 10 a 20 ohms s610 se cubrinl aproximadamente la tercera parte de la mit ad restante, y asi sucesivamente. El extremo mas alto de la escala esta marcado como "INF", 0 bien, "00" para rep res en tar una resistencia infinita. La escala no uniforme (no lineal) es un resultado del hecho de que el flujo de corriente por el medidor decrece desproporcionadamente a medida que se incrementa la resistencia. Por ejemplo, si se tiene un medidor que requiere I miliampere para tener una desviaci6n de escala completa, y necesita una bateria de 1.5 volts, una resistencia interna de 1 500 ohms produciria una desviaci6n de escala completa, indicando una resistencia extern a igual a cero. Si se ponen los conductores de prueba a traves de una resistencia externa de 1 500 ohms, la resistencia total es entonces de 3 000 ohms y la corriente que pasa por el medidor es de 0.5 miliampere para tener una desviacion de media escala. Si se mide una resistencia mucho mayor, digamos 15000 ohms, la resistencia total queda en 16 500 ohms, la corriente cae hasta menos de 0.1 miliampere y la desviacion del medidor es s610 de un decimo de la escala. Por tanto, el 50% de la escala del medidor representa una resistencia externa de 1 500 ohms y el 90% de la escala representa 15 000 ohms. Debido a estas unidades no uniformes para la escala (no linealidad), las escalas de los 6hmmetros se leen con mayor facilidad y son mas exactas de cero hasta aproximadamente la mitad de la escala. Los limites del 6hmmetro se amplianagregando resistores en derivaci6n, en paralelo con el medidor y el resistor en serie. La resistencia en derivaci6n es pequeiia comparada con la resistencia del medidor y la que se encuentra en serie, por ende, la mayor parte de la corriente de la bateria fluye por aquella. Esto trae como consecuencia
Figura 5-16.
Escala inversa del6hmmetro. Equipo de prueba. y herramientas
79
DESC. (OFF)
CON. (ON)
BATERIA
AJUSTE DEL CERO
~
CONDUCTORES DE PRUEBA OHMMETRO INVERSO DESC. (OFF)
CUN. (ON)
BATER1A
-<
r--.....
PRUEBA DEL CERO
esc ala completa (0). Si se colocan los conductores del medidor a traves de una resistencia de 1 500 ohms, la resistencia total es de 3 000 ohms, el flujo de corriente es de 0.5 miliampere y el medidor se desviara hasta la mit ad de la escala. una lectura a mitad de la escala en la posicion HIGH representa una resistencia medida de 1 500 ohms. Con el interrupt or HIGH-LOWen la posicion LOW, se coloca un resistor de 167 ohms en paralelo con la resistencia del medidor, en serie y de ajuste del cero. Este conduce a una resistencia efectiva de aproximadamente 150 ohms. Con los conductores de prueba en corto circuito, flu iran 10 miliamperes en el circuito. La corriente se dividira, con eI90%, es decir, 9 miliamperes, fluyendo por el resistor en derivacion y I miliampere fluyendo por el medidor, para producir una desviacion de escala completa. Si se colocan los conduct ores de prueba a traves de un resistor de 150 ohms, la resistencia total es de 300 ohms, y el flujo total de corriente es de 5 miliamperes. La corriente se dividira, fluyendo 4.5 miliamperes por la derivacion y 0.5 miliampere por el medidor, para producir una desviacion a mitad de la escala. Entonces, una lectura a mitad de la escala en la posicion LOW representa una resistencia medida de 150 ohms. Los ohmmetros que cubren varios intervalos tienen interruptores selectores marcados con multiplicadores. Por ejemplo, la escala del medidor puede estar marcada simplemente de 1 hasta 100 y un poco mas alia del punto 100, con INF, 0 bien, 00. EI interruptor selector podria estar marcado R XI, R X 10, R X 100, 0 mas. En la posicion R XI, los numeros de la caratula indican direc1000 OHMS
ALTA CONDUCTORES DE PRUEBA OMMETRO EN DERIVACION
Figura 5-17.
Circuitos de 6hmmetros.
una desviacion del medidor correspondiente a una media escala para resistencias externas mas altas. En la figura 5-18 se muestra de que manera la resistencia en derivacion cambia la escala de un ohm metro. Con el medidor listo para operar (su interruptor en la posicion ON y el interruptor HIGH-LOW (ALT ABAJA) en la posicion HIGH, la resistencia del medidor, en serie y la de ajuste del cero, es de 1 500 ohms. Con los conductores de prueba en corto circuito, fluira 1 miliampere por el medidor para producir una resistencia de 80
1.5
VOLTS
Fundamentos de instalaciones elc!ctricas
BAJA RESISTENCIA DEL MEDIDOR = 100 OHMS 0 I MILIAMPERE PARA TENER UNA DESVIACION DE 167 ESCALA COMPLETA OHMS
AJUSTE DEL CERO A 400 OHMS
"'-'v"-" CONDUCTORES DE PRUEBA
Figura 5-18.
Conmutaci6n del intervalo del6hmmetro.
tamente la resistencia medida. En la posicion que sigue, la resistencia medida es 10 veces la que se lee en la caratula. Si la aguja se detiene en el 65, la resistencia que se mide es de 650 ohms. En la posicion siguiente del interruptor, el mismo punto de la caratula indicaria 6 500 ohms. Como se hizo notar con anterioridad, las escalas de los ohmetros se leen con mayor facilidad y son mas exactas entre el cero y la mitad de la escala. Si se conoce COil aproximacion la resistencia que se va a medir, seleccionese un multiplicador del intervalo que proporcione una lectura tan cercana a la mitad de la escala como sea posible. Si se desconoce la resistencia aproximada, principiese con la posicion del multiplicador mas alta y recorranse estos multiplicadores hacia abajo hasta que se obtenga una lectura cercana a la media escala.
TERMINALES DE CORRIENTE
TERMINALES DE VOLTAJE
CON~CTESE EN SERlE CON LA CARGA
CONECTESE EN PARALELO CON LA CARGA
Wattimetro (wattmetro) Figura 5-19.
Es posible medir directamente los watts reales de potencia en un circuito de ca por medio de una combinacion especial de amperimetro y voltimetro conocida como wattimetro (Fig. 5-19). El wattimetro tiene dos bobinas fijas de baja resistencia para medir la corriente y una bobina movible con un resistor para medir el voltaje (Fig. 5-20). La accion del medidor es semejante a la del medidor de bob ina movil, excepto en que las bobinas para la corriente reemplazan al iman permanente. Entonces la intensidad y polaridad del campo magnetico quedan controladas por el flujo de corriente en el circuito en el que se esta llevando a cabo la medici on. Las bobinas de medicion de corriente se conectan en serie con esta carga del circuito. La bobina movible y el resistor en serie suministran una alta resistencia para la medicion del voltaje. Los conductores para medir el voltaje se conectan en paralelo con la carga. La desviacion de la aguja del medidor representa la magnitud de la corriente y del voitaje. La corriente determina la intensidad y polaridad delcampo. El voltaje determina el flujo de corriente en la bobina y, por consiguiente, el campo magnetico y la polaridad de la bobina. La accion del medidor es tal que se puede medir potencia tanto de cc como de ca. Noes necesario el rectificador para la medicion de ca porque los cambios en la polaridad ocurren simultaneamente en las bobinas de corriente y en la bobina movible. La repulsion magnetic a sigue siendo con stante para cualesquiera val ores de entrada de la corriente y el voltaje. Sin embargo, notese que la fuerza de repulsion magnetica se vera afectada por la relaci6n de tiempo (fase) entre el voltaje y la corriente. La desviacion de la aguja del medidor sera maxima cuando se presentan picos en el voltaje y la corriente al mismo tiempo, para producir la repulsion magnetica mas fuerte. En el otro extremo, si los picos de la corriente y el voltaje estan
Wattimetro.
BOBINA MOVIBLE
~ A~IUJADEL ~ ~EDlDDR
RESISTOR MULTIPLICADOR DEL VOLTAJE
r------
ENTRADA DE VOLTAJE
BOBINA FIJA
BOBINA FIJA
ENTRADA DE CORRIENTE
Figura 5-20.
Circuito de wattimetro.
separados 90 Q , la bobina del voltaje tendra un campo magnetico cero cuando el campo de la bobina de corriente es mas intenso, 0 viceversa. Esta condicion no produciria desviaci6n alguna en la aguja. Esta sensibilidad a la relaci6n de fase entre el voltaje y la corriente es la raz6n por la que el wattimetro mide watts reales de potencia de ca. Es posible comparar esta medida con el producto de las lecturas en el voltimetro y el amperimetro (V A) para determinar el factor de potencia.
Amperimetro de tenaza El amperimetro de tenaza proporciona una manera facil y rapida para medir el flujo de corriente en un linea de ca, sin interrumpir ni siquiera momentaneamente el Equipo de prueba y herramientas
81
circuito. Un amperimetro de tenaza tipico (Fig. 5-21) consta de un juego de quijadas que se accionan con un disparador, montadas en un cuerpo que contiene la escala de un medidor. El disparador abre las quijadas de modo que se puedan cerrar alrededor de un conductor. Entonces el medidor indica la intensidad de corrien~e en ese conductor. Se puede imaginar el amperimetro de tenaza como un secundario muy sensible de un transformador (Fig. 5-22). El conductor resulta el equivalente a un primario unifilar de un transformador. El flujo de
corriente en el conductor crea un campo magnetico alrededor de eJ. Este campo induce un voltaje en los devanados que se encuentran en las quijadas del amperimetro. El flujo de corriente resultante se rectifica y aplica a un indicador de bobina movil. Algunas derivaciones en el medidor dan lugar a diversos Iimites. M uchos amperimetros de tenaza tienen conductores de prueba y tambien se pueden usar para medir voltaje y resistencia. Existen amperimetros de tenaza con pantalias digit ales y con troles para fijar la lectura. Estos con-
EL VOL T/AMP/OHMMETRO TIENE UNA ESCALA GIRATORIA QUE SOLO PERMITE VER LA ESCALA DEL OHMMETRO Y LA ESCALA SELECCIONADA DE CORRIENTE 0 VOL TAJE.
EL VOL T/AMP/OMMETRO TIENE UNA PANTALLA DIGITAL QUE ELiMINA POCO MAS 0 MENOS LOS ERRORES DE LECTURA. POR LO GENERAL, LOS INSTRUMENTOS DIGITALES TIENEN MAYOR EXACTITUD QUE LOS ANALOG I COS
MANERA DE USAR EL AMPERiMETRO DE TENAZA
Figura 5-21. 82
VoIt/amp/6hmmetros de tenaza.
Fundamentos de instalaciones eh~ctricas
eaEl
CONDUCTOR - EQUIVALENTE A UN PRIMARIO UNIFILAR DE UN TRANSFORMADOR
In
el RECTIFICADOR t - -...------i A
~--..,
Ie y i)-
DEVANADO EN LAS QUIJADAS DE LA TENAZA - EQUIVALENTE AL SECUNDARIO DE UN TRANSFORMADOR
Circuito del amperimetro de tenaza.
troles permiten conservar las lecturas de mediciones que se realizan en lugares de poca luz, hast a que se puedan leer en otra parte.
L
Como el nombre 10 sugiere, estos aparatos miden resistencias altas (hasta de 500 megohms, a escala completa). Estos aparatos se usan principalmente para medir la resistencia de los aislamientos en aquelJas partes en que incluso una pequeiia fuga de corriente puede resultar peligrosa para el personal y provocar descomposturas en el equipo. Basicamente, los megohm metros -comunmente lIamados "megers"- son iguales a los 6hmmetros estandar. La diferencia principal es que se necesita una fuente de voltaje mas alta para producir un flujo de corriente suficiente para el mecanismo del medidor. Por 10 general la fuente es de voltaje constante, un generador accionado a mana que produce de 500 a I 000 volts. EI medidor cuenta con conductores y sondas de prueba del tipo de pinza para conectarlo ala resistencia que se va a medir. Por ejemplo, se puede sujetar una de las pinzas a uno de los conductores y mantener en contacto una de las sondas con el aislamiento exterior de un cable; cuando se acciona el generador, el medidor mostrara la resistencia del aislamiento.
Instrumentos para pro bar el nivel de voltaje Estos probadores muestran el nivel medido de voltaje
EL PROBADOR DE VOL TAJE DE BOLSILLO Y PESO LlGERO INDICA 'Los VOL TAJES COMO SI FUERA UN TERMOMETRO, POR MEDIO DE UNA COLUMNA VERTICAL DE LAMPARAS DE NEON.
Figura 5-23.
Instrumento probador del nivel de voltaje.
por medio de indicadores iluminados, 0 bien, un indicador de barra movil, en lugar de tener canitula calibradas y seiialadores (Fig. 5-23). Los probadores estan diseiiados de modo que las sondas se puedan colocar dentro de alojamientos que se encuentran en la pro pia cubierta del instrumento. En est a posicion, las sondas quedan espaciadas de manera que se ajustan directamente en las ranuras de los contactos de pared. Es posible quitar las sondas de la cubierta del instrumento para hacer mediciones en puntos mas separados. Diversos modelos pueden servir hasta para diez niveles de voltaje de ca/cc.
• HERRAMIENTAS CON MOTOR (ELECTRICO 0 NEUMATICO) • La herramienta mecanica que los electricistas usan con mas frecuencia es el taladro. Los taladros con motor se usan para perforar orificios en los montantes y viguetas, para tender los cables. Con brocas especiales, los taladros electricos se pueden utilizar para instalar I'lJuipo dc prucha y herral1lientas
83
divers os tipos de montajes y ancIajes en paredes de mamposteria. Resulta muy util una extension para hacer perforaciones a mayor altura (Fig. 5-24), ya que es un accesorio que forma angulo recto. Para uso general en construcciones de estructura de madera se utiliza un taladro electrico con broca de un gavilan. Para mamposteria, se usan brocas con filos de carburo, con un taladro de baja velocidad (pocas rpm), 0 bien, con la velocidad mas baja en un taladro de velocidad variable. En la figura 5-25 se ilustran algunas de las brocas utilizadas en las instalaciones electricas. Al trabajar con un taladro con motor, siempre se deben usar anteojos de seguridad. Se pueden realizar muchos otros trabajos, con herramientas electricas neumaticas especiales. En proyectos grandes, estas herramientas especiales pueden reducir el tiempo que se consume en las operaciones manuales. Por ejemplo, cuando se deben instalar grandes cantidades de conduit, en lugar de los dobladores manuales, que se describen en la seccion que sigue, es posible usar un doblador con piston hidraulico 0 neumatico. Tambien es factible usar sierras mecanicas para algunos trabajos. Los fabricantes del equipo mecanico suministran informacion sobre el uso apropiado de sus herramientas. Leanse y siganse estas instrucciones. A menudo, sobre alguna parte de la propia herramienta, se encuentra marcada 0 impresa alguna informacion y precauciones especiales. Para usarlas con eficiencia y seguridad, consumase un poco de tiempo para leer y seguir estasinstrucciones.
BROCA DE UN SOLO GAVILAN Y UNA SOLA ESPIRAL
e!~;;:'>,~;e"~e_ BROCA PARA MAMPOSTERIA
~
CJ
BARRENA HELICOIDAL CON UN GAVILAN
: . ::::::=:::"__~.-J""" BROCA CON PUNTA DE CENTRO
:.:$ ACCESORIO DE EXTENSION
Figura 5-25.
Brocas usadas en las instalaciones electricas.
• HERRAMIENTAS DE MANO DEL ELECTRICISTA • Sacafusibles Los sacafusibles se usan para extraer los cartuchos fusibles de los tableros de servicio (Fig. 5-26). Existen diversos tamaiios de tenazas para ajustarse a fusibles de tamaiios diferentes. La herramienta esta hecha de material no conductor. Se usa cerrando las tenazas sobre el fusible y tirando directo hacia afuera para extraerlo.
Cortadores de alambre
Figura 5-24.
84
Taladro electrico con extension.
Fundamentos de instalaciones electricas
"
Estas son herramientas que cortan en diagonal, diseiiadas para suministrar el brazo de palanca maximo a fin de cortar conduct ores hast a del no. 2. Se pueden cortar cables trenzados de tamaiios mayores, cortando unos cuantos alambres a la vez. Los cortadores de alambre tienen unas quijadas cortantes y mangos largos para cortar con facilidad.
.,I I
Desforradores de alambre (pelalambres)
I
Existen varios tipos, pero todos hacen 10 mismo (Fig. 5-27). Estas herramientas se semejan a las pinzas y tienen varios cortes para ajustarse a diferentes tamaiios de conductores. Al cerrar el desforrador sobre el tamaiio apropiado de alambre, las quijadas cortan la capa de aislamiento, pero no cortan ni mellan el conductor. Unos cuantos cuartos de vuelta del desforrador hacen un corte limpio en el aislamiento. Con las quijadas todavia cerradas, al tirar hacia el extremo cortado del alambre, el aislamiento se desliza hacia afuera.
I !
Figura 5-26.
Figura 5-27.
Desforrador de alambre.
Figura 5-28.
Desforradores de cable.
Figura 5-29.
Cuchillo de electricista.
Figura 5-30.
Cinta guia de acero.
Sacafusibles.
Desforradores de cable Estas herramientas simplifican la remOClOn de la cubierta del cable no metalico (Fig. 5-28). EI desforrador (al que a veces se Ie da el nombre de desgarrador) se desliza sobre el extremo del cable y se oprime sobre el lado plano del mismo. Una cuchilla que se encuentra dentro del desforrador penetra en la cubierta del cable; entonces se tira del desforrador hacia eJ extremo cortado. La cuchilla corta limpiamente la cubierta y la herramienta mantiene el corte sobre el lado plano entre los conductores internos del cable de dos conductores. Debe tenerse cuidado al usar esta herramienta en los cables de tres conduct ores para evitar cortar el aislamiento de estos.
Cuchillo de electricista Esta es una navaja de bolsillo plegable que contiene varias hojas de forma especial las cuales se pueden usar , para qui tar el aislamiento cuando se trabaje en lugares estrechos (Fig. 5-29). La cuchilla tiene un seguro para evitar que lIegue a cerrarse cuando se esta usando.
Ciota guia de acero Esta herramienta consiste en una larga cinta de acero flexible enrollada en un estuche que tiene una grapa especial dentro de el (Fig. 5-30). EI extrema de la cinta tiene un gancho. La cinta se alimenta por algun orificio en la pared 0 por conduit; el cable se sujeta en el gancho; entonces se tira de la cinta 0 se enrolla en su estuche para hacer pasar el cable a traves de la pared 0 por el conduit.
Equipo de prueba y herramientas
85
Cortador de tubo Los cortadores de tuba se utilizan para cortar conduit de pared gruesa (Fig. 5-31). Para hacer un corte, se sujeta el conduit bajo dos ruedas de carburo; entonces se hace girar la herramienta para hacer una ranura en el tubo. Oespues de cada revolucion se aprieta la manija para hacer cad a vez mas profunda la ranura, hasta realizar el corte. Los cortadores de tuba tienden a dejar un borde interno afilado en el conduit cortado; se debe eliminar este borde con un escariador, antes de instalar el tubo, para evitar que dane el aislamiento del conductor.
PARA CONDUIT RiGIDO
Dobladores de conduit Estas son herramientas que se us an para doblar el conduit. Se tienen dos tipos; uno para conduit rigido 0 intermedio y otro para conduit de pared delgada 0 TEM (tuberia electrica metalica) (Fig. 5-32). Los dobladores sostienen firmemente al conduit y proporcionan el brazo de palanca necesario para realizar un doblado parejo. Los que se utilizan con el conduit rigido efectuan una serie de doblamientos pequenos a 10 largo de 4 u 8 pulgadas (10 0 20 cm) del tubo. En conjunto, la serie de pequenos doblamientos producen un doblamiento grande parejo, sin deformar el tubo. Los dobladores para conduit de pared delgada (TEM) tienen fuertes paredes laterales para evitar el pandeo 0 torcionamiento del tubo. Los dobladores para TEM tienen un arco largo que dobla al tubo en 90 2 de una sola vez.
Escariador para conduit Siempre que se corta un conduit, en el borde interior del corte se dejan reba bas y filos. Si no se eliminan, estos puntos afilados se clavan en el aislamiento al tirar de los alambres a traves del conduit. Con unas cuantas vueltas de un escariador sujeto a una manija se alisa la superficie intern a (Fig. 5-33).
Herramienta para indentar el conduit Se utiliza esta herramienta para unir el conduit TEM. Se desliza un acoplador -semeJante al conduit, per9 de
PARA CONDUIT DE PARED DELGADA
Figura 5-32.
Dobladores de conduit.
diametro un poco mayor- sobre los extremos de los dos trozos de tubo; el acoplador tiene 3 04 pulgadas (7.50 10 cm) de largo y se coloca de modo que cubra la union. Entonces se coloca la herramienta para indentar sobre uno de los extremos del acoplador; al aplicar presion sobre los mangos, se imprimen dos muescas en lados opuestos del acoplador y el conduit (Fig. 5-34). Se repite este proceso para producir cuatro muescas alrededor de cada uno de los extremos del acoplador.
Martillo de electricista La cabeza de un martillo de electricista es mas larga, de la superficie para golpear hacia las orejas, que la del martillo de carpintero. Esa mayor longitud facilita la introduccion de los clavos en los montantes a traves de la cara posterior de las cajas de conexion.
Pinzas de electricista
Figura 5-31.
86
Cortador de tubo.
Fundamentos de instalaciones elktricas
Los electricistas deben tener varios tipos de pinzas. Se pueden utilizar las pinzas con cortador lateral para cortar los alambres y quitar el aislamiento. Las pinzas diagonales proporcionan un brazo de palanca mayor para cortar alambres gruesos y resultan utiles para hacer los cortes en lugares estrechos. Las pinzas de puntas largas son utiles para doblar conductores con el fin de hacer
damente alta de la flama azul hace que eI conductor se caliente con rapidez hasta el punto de fusi6n de ia soldadura, antes de que el calor se pueda transmitir a 10 largo del conductor.
Figura 5-33.
Escariador de conduit.
Herramienta indentadora de conduit.
~iiiiiiiiiiiiiiiilii.:-:
Herramienta para sujetar terminales sin solda-
conexiones con terminales del tipo de tornillo. Las pinzas articulacion movible sujetan y sostienen las tuercas de para que puedan ser apretadas en las grapas cable y los conectores de las cajas. Las pinzas doblatienen escotaduras de diversos tamanos en las quipara doblar y sujetar las terminales sin soldadura y a los conductores (Fig. 5-35).
• HERRAMIENTAS DE MANO COMUNES • Herramientas para soldar Los trabajos de soldadura se lIevan a cabo con un o pistola electricos, 0 con un soplete de gas (Fig. 5-36). La herramienta que se use depende de la cantidad soldadura que se va a poner y el tamano de los conductares que se van a unir. Los cautines son lentos, pero pueden resultar satisfacpara colocar pequenas cantidades de soldadura en I'nn,nn'"H,rp" del no. 140 men ores. Los conductores mas absorben calor y 10 transmiten a 10 largo de ellos; hace que la operacion de soldar sea lenta y se puede el aislamiento debido al sobrecalentamiento de los tores. Las pistolas para soldar calientan mucho mas rapido los cautines y much as tienen la manera de ajustar el ,C8lcmtllml·lento. Para unir los conductores electricos se utilizar el nivel maximo de calor de que se disponga. Los sopletes de gas metano 0 propano son 10 mejor los conductores grandes. La temperatura extrema-
SUGERENCIAS PARA SOLDAR. Las uniones limpias constituyen el secreto de una buena soldadura. Raspense cuidadosamente los conductores para limpiarlos, antes de hacer el empalme. Cubrase la union con una delgada capa de fundente no corrosivo, a base de resina; esto ha~e que la soldadura fluya mejor. ApJiquese el calor a los conductores hast a que esten 10 suficientemente calientes como para que funda la soldadura. Dejese fluir la soldadura hacia adentro de la uni6n durante un segundo 0 dos, antes de quitar el calor. Una buena union soldada esta lisa y tiene un ligero brillo. Las uniones que se yen mates o "granosas" se deben recalentar hasta que se obtenga la apariencia correcta.
Pistolas c1avadoras En estas herramientas se usa un cartucho ae p6lvora, como en una pistola, parll introducir los sujetadores en el concreto (hormig6n) 0 acero (Fig. 5-37). Al oprimir el disparador, el cartucho de p61vora desarrolla la fuerza necesaria para introducir el sujetador en la mamposteria o el metal. Se usan varios taman os de cartucho para espesores y durezas diferentes del material. Estas herramientas son eficientes y pueden introducir sujetadores de montaje con rapidez. Sin embargo, como las armas de fuego, son extremadamente peligrosas y s610 se deben usar de completo acuerdo con las reglas de seguridad del fabricante. Es posible que en algunas partes se necesite un permiso especial para usar los cartuchos de p6lvora; en
Figura 5-36.
Herramientas para soldar. EqUlpo de prueba y herramientas
87
otras, posiblemente este prohibido su uso. Consultense las reglamentaciones que correspondan, antes de utilizar cualquier herramienta en la que se necesiten cartuchos de p61vora.
Taladro de percusi6n Cuando no se cuenta con electricidad para las herramientas con motor, estos taladros sirven para hacer perforaciones en la mamposteria (Fig. 5-38). En un mango se colocan brocas con puntas de carburo y se introducen en la pared golpeando el mango con un martillo pesado y haciendolo girar ligeramente entre golpe y golpe. Al usar estas herramientas hay que usar anteojos de seguridad. Con los taladros de percusi6n se puedeh hacer orificios de gran tamaiio como para colocar los taquetes usados para montar objetos pesados, como las cajas de tableros grandes. Tambien se pueden hacer orificios en la mamposteria con una barrena de estrellas y un martillo (Fig. 5-39). A esta barrena se Ie da ese nombre porque cuando se ve desde uno de sus extremos tienen la apariencia de una estrella de cuatro puntas. La punta en estrella se coloca contra la pared que se va a perforar y se golpea la barrena con un martillo. Despues de cad a golpe, la barrena se gira un poco. El proceso de golpear y girar se repite hasta que se logra la profundidad que se desea.
Dispositivos para c1avar
Figura 5-37.
Pistola cIavadora.
BROCAS
Figura 5-38.
Taladro de percusi6n.
Esta herramienta se usa para montar objetos ligeros, como las grapas para cable 0 conduit (Fig. 5-40). Dnos clavos de acero se ajustan dentro del barril de la herramienta y entonces se introducen en la pared golpeando el dispositivo con un martillo. Los clavos de acero vienen en varias longitudes, desde 112 hasta 1 112 pulgadas. Existen clavos rectos con cabeza normal y otros con cabeza roscada interna y externamente.
Berbiqui Con el berbiqui se abren los orificios necesarios para tender el cable cuando no se puede usar el taladro electrico (Fig. 5-41). Si se monta en esta herramienta un escariador para conduit, sirve para aislar la superficie interior del conduit despues de que se corta.
PUNTA
Figura 5-39.
Barrena de .cruz.
Regia plegadiza Para realizar la mayor parte de las mediciones necesarias 10 ideal es una regia plegadiza de madera. Se puede manejar esta regia facilmente con una sola mano. La madera protege contra el choque electrico, si se toca accidentalmente un conductor vivo. 88
Fundamentos de instalaciones electricas
Atornilladores Es indispensable una buena selecci6n de tamaiios y tipos. Son de utilidad tanto aquellos para cabeza ranurada como los que sirven para cabeza Phillips (Fig. 5-42). Si se dispone de varios tamaiios, se puede usar el tamaiio
a correcto para cada tornillo. Esto fa.:ilita el trabajo y la posibilidad de "barrer" la cabeza del tornillo.
con el fin de tender el cable, y hacer cortes para las cajas de los apagadores y tomas de corriente (Fig. 5-43).
Sierra caladora
Sierra para
Esta sierra es util para hacer ranuras en los montantes,
Figura 5-40.
~etales
Se pueden utilizar sierras para metales para cortar el conduit 0 qui tar el blindaje de los cables.
Dispositivo para clavar.
>
Figura 5-42. Phillips.
AtorniIladores para cabeza ranurada y cabeza
~: ...••.•••.........•....•...•...•....•...•...
..
'
Figura 5-41.
Berbiqui.
Figura 5-43.
. .....
Sierra caladora.
• PREGUNTAS DE REPASO • I. Los probadores de voltaje se deben probar, a su vez, de cuando en cuando, introduciendo los conductnres de prueba en un toma corriente vivo. ~Por que es necesario hacer esto? 2.
~En
3.
~Cual
4.
~Como
7.
La resistencia interna de un voltimetro debe ser tan alta como sea posible. ~Por que?
8.
Los ohmmetros solo se deben usar para medir la resistencia cuando se ha desconectado toda la energia electrica en el circuito. ~Cual fuente de potencia hace que se mueva el medidor?
9.
Si la aguja de un ohmmetro esta sefialando el 50 de la escala y el selector de interval os esta ajustado en R X 100, ~cual es la resistencia medida?
10.
~Por que resulta conveniente seleccionar un intervalo en el ohmmetro que de lugar a una lectura en el extremo inferior de la escala?
11.
~Por
cu;:il de los probadores, el de voltaje 0 el de continuidad, se usan baterias del tipo pluma fuente para obtener la energia electrica? ~Por que? fuerza magnetica hace que se mueva la bobina movil de un medidor? debe conectarse un amperimetro para medir la intensidad de corriente en un circuito?
5.
La resistencia interna de un amperimetro debe ser 10 mas baja que sea posible. ~Por que?
6.
~Como
debe conectarse un voltimetro para medir el voltaje (tension) a traves de una carga?
que es util un wattimetro para calcular el factor de potencia? Equip" de prueba y herramientas
89
12.
l,CUlil es la ventaja principal de un amperimetro de tenaza?
13.
l,Para que medici6n se usan frecuentemente los meg6hmetros?
90
Fundamentos de instalaciones electricas
14.
l,Para que se usan los dobladores?
15.
l,Por que da mejor resultado un soplete de gas que una pistola electrica para soldar conductores de gran tamafio?
6 TRABAJO CON AlAMBRE Y CABLE
• INTRODUCCION. Un circuito elect rico tiene cllatro partes esenciales: una fuente de potencia, conductores para llevar la potencia a donde se necesita, dispositivos de control para co nectar y desconectar esa potencia y una carga para usarla. En este capitulo se present a la forma en que se trabaja con la segunda parte de los circuitos, los conduct ores. Los conductores son los caminos a 10 largo de los cuales se mueve la energia elect rica. La palabra conductor describe cualquier material que permite circular con facilidad a la corriente elect rica. Puesto que la corriente electrica es un flujo de electrones, los materiales que permiten moverse con libertad a los electrones son buenos conductores (Fig. 6-1). Los aisladores pueden concebirse como 10 opuesto a los conductores. EI flujo de electrones en los materiales aisladores, como el plastico, el caucho y el papel, es casi cero (Fig. 6-2). La mayor parte de los conductores se cubren con una 0 mas capas de material aislador. Para comprender la mayor parte de este capitulo, el estudiante debe saber que es el flujo de corriente, que es un circuito electrico, que tipos de cosas cubre el National Electrical Code (NEC), como trabajar con la electricidad en forma segura y los tipos de herramienta que usan los electricistas. Estos temas se cubren en los capitulos 1 a 5. Ahora el estudiante aprendera la forma de trabajar con los diferentes tipos de alambre y cable que se usan con mayor amplitud, como seleccionar el tamafio y tipo correctos para un circuito y como qui tar la cubierta de los cables y el aislamiento de los conductores de modo que puedan hacerse las conexi ones electricas.
6A---~ Figura 6-1.
FJujo de electrones en un conductor.
Figura 6-2.
FJujo de electrones en un aislador.
• ALAMBRE Y CABLE • En la industria electrica, las palabras alambre y cable tienen significados especificos. EI estudiante debe conocer estos significados para comprender el NEC, pedir el material con base en un catalogo, 0 bien, poder hablar 92
Fundamentos de instaiaciones eiectricas
con 105 auastecedores de material electrico y los contratistas. La palabra alambre se .lplica a un solo conductor electrico. EI conductor puerle ser un hila de material, 0 bien, varios hilos trcnzados. Com un mente, los conductores se cubren can material aislador (Fig. 6-3). Los alambres que se usan solo para circuitos de conexion a tierra puedel1 tener 0 no aislamiento. Las instalaciones electricas de los edificios residenciales y almacenes requieren dos 0 mas conduct ores para cada circuito. Como consecuencia, para facilitar la instalacion y dar una mayor proteccion a los conductores, se fabrican diversas cubiertas exteriores a fin de encerrar estos grupos de conductores aisladores. EI NEC requiere la existencia de alambres de conexi on a tierra en cada circuito para aumentar la proteccion. Con este fin, con los conductores viene incluido un conductor adicional, que puede estar aislado 0 no. Esta combinacion de conductores aisladores junto con el alambre de conexion a tierra, encerrados en una cubierta exterior, es un cable electrico (Fig. 6-4). Tambien se puede realizar la instal acion, encerrancio los conductores aislados en tuberia metalica, llamado conduit. Esto ultimo se describe en el capitulo 7. La industria electrica produce una gran variedad de alambres y cables para satisfacer todas las necesidades en las instalaciones electricas. Para comprender por que se necesita esta diversidad de tipos y tamafios, el estudiante debe familiarizarse con los temas que se analizan en las secciones que siguen. Para empezar, veamos el sistema de tamafios de alambre.
.TAMA~OSDEALAMBRE· .Areas de las secciones transversales EI sistema de tamafios del alambre electrico se basa en las areas de la seccion transversal de los conduct ores. Debido a que los alambres son redondos, la vista desde el extremo de un corte recto a traves de un alambre es un circulo, por ende, el sistema de medidas se basa en el area de un circulo. Se necesita una unidad de medici on para expresar los tamafios de alambre. En virtud de que las secciones transversales de los alambres son un tanto pequefias, conviene usar una unidad de medicion pequefia. La unidad que se usa es la milesima de pulgada; esta unidad se conoce como mil, abreviatura de milipulgada. Los mils son unidades de longitud y se pueden usar para describir el diametro del alambre. Sin embargo, una consideraci6n mas importante en el uso de los conductores es el area de su seccion transversal. EI area de un
i,q,
··T··P
TIPO TW SOLIDO Y TRENZADO
Se puede determinar el tamafio del alambre utilizando un calibrador (Fig. 6-6). EI NEe requiere que se marque el tamafio del alambre sobre el aislamiento de todos los alambres mayores que el del no. 16. Entonces, el calibrador de alambre por 10 general solo se usa para medir alambres pequefios 0 desnudos. No se deben usar alambres de gran tamafio en los que no este marcado el aislamiento. Puede que no sean seguros y probable mente no pasen la inspeccion.
I
0.001 pulg
--1
TIPO RHW SOLIDO Y TRENZADQ
Conductores aislados tipicos,
CONDUCTOR DE COBRE 0 DE SEPARADOR ALUMINIO REVESTIDO DE PAPEL CON COBRE TRATADO
t
ENVOLTURA PVC
Figura 6-4.
FORRO DE PAPEL
Figura 6-5.
Areas de la secci6n transversal de conductores.
AISLAMIENTO PVC
Construcci6n del cable tipo NM.
circulo es proporcional al cuadrado de su diametro. Se ha elegido el area de un circulo cuyo diametro es 1 mil como la unidad para expresar el area. La unidad se llama circular mil, abreviado cmil (Fig. 6-5). EI uso de esta unidad da una idea mas clara de la verdadera relacion entre los tamafios de alambre.
Numeros de alambre Se ha establecido un grupo de tamafios de alambre para cubrir todas las necesidades de las instalaciones. Para mencionarlos con facilidad, los diversos tamafios se identifican por numero. Entre mayor sea el numero, menor es el area de la seccion transversal del alambre. Los numeros varian desde 50 para el mas delgado hasta 0, y despues 00, 000,0000. Los tamafios mayores que el 0000 se identifican directamente por su area en circular mils. Los tamafios de alambre del 8 y menores tienen conductores solidos 0 trenzados. Los tamafios de alambre del6 y mayores son trenzados.
Figura 6-6. Calibrador de alambre norma americana (American standard). Trabajo con alambre y cable
93
Tamafios comunes de alambre Aunque se fabrican en todos los tamafios para diversos usos, solo se utilizan los de numero par en las instalaciones electricas. Muchas tablas de consuIta que aparecen en el NEC listan mas de 30 tamafios de alambre, pero la mayor parte de las instalaciones en los edificios residenciales y comerciales se hacen aproximadamente con seis tamafios; estos son los numeros 14, 12, 10, 8,6 y 4 (Fig. 6-7).
Si se comparan dos de estos tamafios comunmente usados se puede ver la forma en que realmente funcionan las unidades que se emplean para esos tamafios (Fig. 6-8). Con el fin de simplificar el ejemplo, se redondean algunos numeros. El alambre del no. 14 tiene un diametro de 0.064 pulg (64 mils, 1116 pulg) y su area es de 4 100 cmil. EI alambre del no. 8 tiene un diametro de 0.128 pulg (128 mils, 118 pulg) y su area es de 16 500 cmil. Lo anterior hacer ver que el alambre del no. 8 tiene un espesor igual al doble del correspondiente al no. 14, pero el area de la seccion transversal de aquel es el cuadruple de la de este. EI area de la secci6n transversal del alambre trenzado es la suma de las areas de cada hilo por separado. Debido a que existe cierto espacio entre los hilos, aun cuando esten juntos torcidos, los alambres trenzados tienen diametros reales ligeramente mayores que los correspondientes a los conductores solidos de la misma area. Tanto el alambre del no. 4 como el del no. 6 constan de siete hilos: uno en el centro y seis rodeandolo. Cada hila del alambre del no. 4, por ejemplo, tiene 77 mils de diametro. EI diametro del haz de hilos trenzados es de 230 mils, es decir, s610 un poco menos de 114 pulg.
Tamafios especiales Ademas de los seis tamafios comunes, en ubicaciones especiales se usan algunos alambres mas gruesos y mas delgados. Los mas gruesos se usan en la entrada de
4
6
Figura 6-7.
94
8
10
12
14
Tamaiios de alambre usados comunmente.
Fundamentos de instalaciones elictricas
......
DIAMETRO 0,064 PUlG (64 MilS, 1/16 PUlG)
DIAMETRO 0.128 PUlG (128 MilS, 1/8 PUlG)
AlAMBRE NO. 14 AREA 4 100 CMll (APROX,)
AlAMBRE NO, 8 AREA 16500 CMll (APROX.)
Figura 6-8. no. 8.
•
Comparacion de las areas del alambre no. 14 y del
servicio. Este es ellugar en donde las lineas de la compafiia que suministran el servicio (acometida) entran al edificio. Los alambres que se usen aqui deben ser capaces de manejar la carga electrica total de todos los circuitos del edificio. Este alambre debe ser capaz de manejar por 10 menos 100 amperes. Para los artefactos electricos y circuitos de baja tension se utilizan alambres de menor tamafio. En la secci6n sobre Tipos de cable se describen estos alambres.
• MATERIALES CONDUCTORES· Desde el punto de vista de la teori
Cobre EI material conductor que se usa con mayor amplitud, y se considera como el preferido, es el cobre. Se ha hecho uso del cobre desde la epoca prehist6rica y es posible que sea el primer metal que se haya usado para fabricar objetos utiles. En el mundo modemo, el cobre resuIta especial mente apropiado para usarlo como conductor electrico. La estructura at6mica del cobre 10 hace un excelente conductor. Tiene una alta resistencia ala tracci6n; es decir, resiste la ruptura. El cobre es fuertemente resistente a la corrosi6n. Se pueden utilizar con seguridad alambrados de cobre en todos los circuitos y se pueden conectar en todos los dispositivos electricos. ,En estos aspectos, otros materiales conductores tienen dertas restricciones.
... Aluminio y aluminio con revestimiento de cobre En los ultimos afios, el costo del alambre de cobr: se ha incrementado paulatinamente, hasta el punto en -iue los fabricantes han introducido otros materiales. EI aluminio parece ser el mas apropiado para sustituir al cobre. Es un buen conductor, de peso ligero y ldzonablemente fuerte. Empero, el uso del alambre de aluminio ha causado algunos problemas inesperados. Debido a que no es tan buen conductor como el cobre, el alambre de aluminio debe tener un area de la seccion transversal mayor que la de uno de cobre para manejar la misma intensidad de corriente. Tambien, pronto se vio en el punto en donde el aluminio se conectaba a una terminal hecha de algun otro material -laton, por ejemplo- se llevaba a efecto una accion quimica que provocaba un aumento de la resistencia al paso de la corriente en ese punto y, como consecuencia, mayor calentamiento. EI calentamiento adicional hacia que los metales se dilataran. Al suspender el paso de la corriente, los metales se enfriaban y se contraian. Esta dilatacion y contraccion repetidas hacian que se aflojara la conexion. Esto, a su vez, incrementaba todavia mas la resistencia y se generaba mas calor. Se pudo Ilegar a saber que varios incendios serios se debieron al uso de alambre de aluminio. Como resultado de esta experiencia, se reviso el NEC para limitar el uso del alambre de aluminio a dispositivos eiectricos hechos especial mente. Los fabricantes de apagadores y tomas de corriente, por ejemplo, cambiaron los materiales que venian usando en las terminales y agregaron indicaciones a los dispositivos para hacer ver cuales se podian usar con alambre de aluminio. En el capitulo 9 se describen estas indicaciones. Se ideo otro tipo de conductor al encontrar la manera de ligar el cobre y el aluminio. Este conductor consiste en un alambre de aluminio cubierto con una delgadacapa de cobre y se Ie dio el nombre de aluminio con revestimiento de cobre. Todos estos desarrollos han hecho mas seguro el uso del alambre de aluminio, cuando se siguen las reglas especiales para el alambre de aluminio. Debido a su importancia para tener una instalacion segura y para cumplir con 10 dispuesto por el NEC, se hace hincapie en las reglas para usar el alambre de aluminio y el de aluminio con revestimiento de cobre, siempre que se aplique a la informacion que se da en este libro. De modo que, para que el estudiante se familiarice con los aspectos que cubren estas reglas, a continuacion se listan brevemente: 1.
Para la misma intensidad de corriente, el alambre de aluminio debe tener un area de la seccion transversal mayor que la de uno de cobre. Una regia que
+
AMPERE CAPACIDAD AMPACIDAD
Figura 6-9.
2.
Ampacidad
se aplica a menudo es que al alambre de aluminio debe tener un grueso igual al doble de aquel alambre de cobre que correspondiera a est a tarea. Por ejemplo, si un circuito requiere un alambre de cobre del no. 14, se debe usar un alambre de aluminio 0 de aluminio con revestimiento de cobre. Esta regIa empirica solo es una guia aproximada. Respecto a los tamafios exactos que deben usarse bajo condiciones diversas, consultense las tablas que se encuentran en el NEC. 3010 se puede conectar el aluminio y el aluminio con revestimiento de cobre a los apagadores, tomas de corriente y artefact os marcados especialmente para ese uso. En el capitulo 9 se dan los detalles correspondientes.
Ampacidad de los conduct ores EI NEC ha establecido la intensidad de corriente maxima segura para cada tamafio de alambre y cada tipo de aislamiento. Esta intensidad maxima de corriente es la capacidad en amperes del alambre. EI NEC se refiere a este valor como la ampacidad del conductor (Fig. 6-9). En la tabla 6-1 se da una lista parcial de las capacidades para las instalaciones residenciales usuales. N6tese que la ampacidad del conductor siempre debe incluir, ademas del tamafio del conductor, el material de que esta hecho, la temperatura del aire que 10 rodea y si se encuentra en un cable 0 al aire libre.
Temperatura del conductor y temperatura del aire El NEC se refiere a las dos temperaturas al especificar la ampacidad. Una es la temperatura ambiente; la otra es la temperatura nominal normal del conductor. La temperatura ambiente es la temperatura normal del aire en el lugar en el que se instalara el conductor. La temperatura del conductor es la temperatura maxima del propio alambre cuando lleva toda su corriente nominal. Las ampacidades del NEC se basan en una temperatura maxima del aire en el medio ambiente de 86 2 F Trabajo con alambre y cable
95
TABLA 6-1. AMPACIDADES PERMISIBLES DE ALGUNOS CONDUCTORES AISLADORES DENTRO DEL CABLE. TEMPERATURA AMBIENTE DE 86°F (30°C) Aluminio 0 aluminio cobrizado
Cobre Tamafio 14 12 10 8 6 4 2
o
A
B
A
B
15 20 30 40 55 70 95 125
15 20 30 45 65 85 115 150
15 25 30 40 55 75 100
15 25 40 50 65 90 120
Columna A-
E~ta columna se aplica a conductores como los tipos TW y UF del NEe. Estos conductores tienen aislamiento de plastico y se pueden utilizar en ubicaciones humedas 0 secas.
Columna B-
Esta columna se aplica a conductores como los tipos TWH, RH y RHW del NEe. Estos conductores tienen aislamiento de plastico, caucho 0 caucho sintetico, los cuales soportaran mas calentamiento que los de la columna A. Estos conductores tam bien se pueden utilizar en ubicaciones humedas 0 secas.
(30 QC). Si el alambrado se va a instalar en donde las temperaturas del aire por 10 comun, 0 frecuentemente, son mas elevadas que la maxima especificada, se debe reducir la ampacidad en un factor de correccion. Por ejemplo, la capacidad nominal del conductor de cobre del no. 12 es de 20 amperes en aquellos lugares en donde las temperaturas no son superiores a 86 QF (30 QC). Si se va a instalar este cable en un lugar en don de la temperatura es de IIOQF (43 QC), la ampacidad permisible debe reducirse al 58% de 20 amperes, 0 sea 11.6 amperes.
• MATERIALES AISLANTES • EI material aislante que cubre a los c.onductores de aluminio 0 cobre evita que los conduct ores desnudos que Bevan corriente toquen otros conduct ores u objetos metalicos y provoquen cortos circuitos. EI aislamiento tam bien evita que los humanos sufran heridas, e incluso la muerte, por el contacto ac~idental con alambres "vivos". EI material que se usa con mas frecuencia para aislamiento se conoce como termopltistico. Esta palabra describe un material plastico que puede soportar el calor. Cuando los conductores de cobre 0 aluminio Bevan el flujo nominal maximo de corriente, se calientan. EI aislamiento debe ser capaz de soportar este calor y todavia permanecer flexible y poderse qui tar con facilidad al estar frio. Todos los aislamientos plasticos aprobados por el NEC tienen estas caracteristicas. EI aislamiento se fabrica en varios colores para ayudar a realizar las instalaciones electricas correctamente. Posteriormente, en esta seccion, se describen los colores usados, su significado y como usarlo.
96
Fundamentos de instalaciones
eh~ctricas
Excepto cuando utilizan el conduit (capitulo 7), por 10 comun los electricistas trabajan con cables, en lugar de usar conductores aislados separados, porque resultan mas faciles de instalar y se pueden tender a traves de paredes y techos. Los cables se fabrican encerrando dos 0 mas conductores aislados y un alambre para conexion a tierra, en otra capa de material protector. Los cables para circuitos de 120 volts se hacen de dos conductores y un alambre para conexion a tierra; los circuit os de 240 volts requieren tres conductores y un alambre de conexion a tierra. Existen dos tipos generales de cubiertas usadas para fabricar cables; una es plastico pesado, la otra es un metal flexible arroBado en espiraJ. En los punt os en donde debe realizarse la conexion, se quita la cubierta exterior del cable, sea plastica 0 metalica, se quita entonces el aislamiento del conductor y se toma el conductor desnudo para realizar la conexion elect rica. En la seccion Remocion del aislamiento de los conductores, en esta seccion, se dan las instrucciones para Bevar a cabo esto. Con frecuencia el estudiante escuchara que se menciona el cable cubierto con plastico como "Romex", y al de cubierta metalica como "BX". Estas son marcas registradas que, en realidad, solo se aplican a los cables producidos por un fabricante. En este libro, a todos los cables cubiertos con plastico se les da el nombre de "no metalicos", y a todos aqueBos con cubierta metalica se les menciona como "blindados". Estos nombres constituyen la base de las abreviaturas que usa el NEC para mencionar los tipos de cable.
Marcas de los conductores y cables EI NEC requiere que todos los conductores (excepto
•
aquellos demasiado pequefios, del no. 16 y menores) y cables se marquen para mostrar las caracteristicas electricas importantes. Las marcas en los conductores muestran el tamafio del alambre, el tipo de aislamiento y el voltaje maximo. Tambien se incluye el simbolo (UL) de los Underwriters' Laboratories, si el conductor ha sido probado y aparece en la lista. En la figura 6-10 se muestran las marcas tipicas de los conductores. Las marcas en los cables muestran el tamafio del alambre, el numero de conductores, el tipo de cable y el voltaje (tensi6n) nominal. En la figura 6-11 se muestran las marcas tipicas de los cables no metalicos. EI cable blindado no se puede marcar debido a la superficie desigual; en estos cables se encuentran r6tulos que suministran la informacion requerida.
Ubicaciones secas y humedas Debido a que el agua es un buen conductor de la electricidad, la humedad en los conductores puede causar perdida de energia, 0 bien, cortos circuitos. La protecci6n contra la humedad es una parte importante del disefio y uso de cables. Al describir en donde y c6mo se pueden utilizar los cables, el NEC se refiere a ubicaciones secas, mojadas y humedas. EI significado de estas palabras es el de uso comun; respecto a las definiciones completas, consultese el NEC. Secas. Completamente protegidas contra la humedad y el agua bajo todas las condiciones normales. Mojadas. En general, humedad intensa.
0
con frecuencia, sujetas a una
Humedas. Sumergidas 0 encerradas en un material humedo 0 mojado, como en concreto 0 subterraneas. Todas estas condiciones se aplican a edificios terminados. EI hecho de que un lugar pueda estar expuesto a las condiciones del tieinpo durante la construcci6n, pero no cuando el edificio este terminado, no significa que se debe utilizar cable a prueba de agua. Las condiciones de humedad se aplican a las condiciones normales en los edificios terminados.
NO.18
Figura 6-10.
Marcas en los conductores.
que se cometan errores en la instalaci6n. Los colores del aislamiento que general mente se usan en el ramo son los siguientes (Fig. 6-12):
C6digo de colores del aislamiento 1.
EI aislamiento de los conductores tiene diferentes colores para facilitar el trabajo de electricista. Si quien realiza las instalaciones electricas comprende y sigue el sistema del codigo de colores, la union yconexion de los alambres es mas facil y mas rapida, y es mucho menos probable
2.
EI cable de dos conductores contiene un alambre blanco y uno negro, y un alambre de conexion a tierra. EI cable de tres conductores contiene un alambre blanco, uno negro y uno rojo, y un alambre de conexion a tierra. Trabajo con alambre y cable
97
TAMAf;lo DEL ALAMBRE
TIPO DE CABLE
FORRO DE PLASTICO INCLUYE ALAMBRE DE PUESTA A TIE;:RRA
OTROS TAMAf;los COMUNES
14- 2G 14 - 3G
12-2G 12-3G Figura 6-11.
3.
I,
Marcas en los cables.
tener un aislamiento verde, 0 bien, verde con rayas amarilias. En el capitulo 4 se describio la diferencia entre los alambres de la tierra de la energia electrica (0 neutro) y el de conexion a tierra. Si aun no se comprende bien el proposito y uso de estos alambres, repasese esa parte del capitulo 4, antes de continuar con est a seccion. El NEe especifica que el alambre blanco (0 gris natural) que se encuentra en todos los cables sera el conductor de tierra de la energia electrica, 0 neutro. Nunca se deben conectar los apagadores u otros dispositivos en alambre blanco. La linea blanca siempre debe ser electricamente continua, desde la fuente de potencia hasta el final del circuito. El alambre de conexion a tierra tambien debe ser continuo, desde el punto de tierra (una tuberia de agua fria, 0 bien, una barra enterrada en el piso) hasta todos los puntos del circuito. Recuerdese: el alambre blanco es el camino normal de regreso para el flujo de corriente, desde la carga hasta la fuente. El alambre de conexion a tierra es una trayectoria de seguridad para el flujo de corriente, con el fin de evitar el choque electrico en el caso de una falla de una parte del circuito, 0 bien, de una falla de algo conectado a el.
Existen cables de cuatro y cinco conductores, pero rara vez se usan en las instalaciones domesticas. En estos cables el cuarto conductor es azul y el quinto es amarillo.
Por 10 general, en todos estos cables, el alambre de conexion a tierra es un alambre desnudo, pero puede
• TIPOS DE CABLE· En seguida se describen los tipos de cable no metalicos (cubiertos de plastico) y armado (de cubierta metalica) que se usan con mayor amplitud. r"".
AMARILLO
f\ ~"
AZUL
LADO ALTO o ALAMBRE CALIENTE
(""'"\
ROJO
'"
NEGRO NEUTRO BLANCO
0 TIERRA
DESNUDO PUESTA A TIERRA
{
o VERDE
o VERDE CON FRANJAS AMARILLAS
~
,~
CABLE DE CABLE DE TRES CINCO CONDUCTORES CONDUCTORES CABLE CABLE DE DE DOS CUATRO CONDUCtORES CONDUCTORES
Figura 6-12. 98
C6digos de colores para el aislamiento de uso general.
Fundamentos de instalaciones
el~ctricas
Cable no metalico s I I I
Para las instalaciones domesticas son de uso gener::! tres tipos de cable no metalicos. Los tres son de peso ligero, faciles de trabajar y relativamente baratos. Todos estan clasificados para 600 volts 0 menos. La capacidad de transmisi6n de corriente depende del material y tamaiio del conductor. La mayor parte de los ..::ables contienen un alambre de conexi6n (0 puesta) a tierra, por 10 general un alambre desnudo envuelto en papel. EI tipo NM consta de conductores aislados envueltos en papel, con un relleno de fibra, que viene encerrado en una cubierta 0 envoltura plastica. EI cable se encuentra en tamaiios que van del no. 14 al no. 2, con conductores de cobre, y del no. 12 al no. 2, ~on conductores de aluminio. La mayor parte de los tipos contienen un alambre de puesta a tierra. Debido a que el material de relleno puede actuar como una mecha y absorber la humedad y los materiales corrosivos, el tipo NM s610 se puede'usar en ubicaciones secas. EI tipo NMC es semejante al NM, pero esta modificado para soportar algo de humedad (Fig. 6-13). En el cable NMC, los conductores aislados estan encerrados en plastico s6lido. EI NMC se encuentra con conductores de cobre 0 de aluminio, en la misma variedad de tamano que el tipo NM. EI tipo NMC se puede utilizar en ubicaciones mojadas, pero no se debe usar en concreto 0 mamposteria, 0 enterrado en el suelo. EI cable del tipo UF(undergroundfeeder- alimentador subterraneo) es semejante en apariencia al NMC, pero su cubierta exterior es mas resistente y menos porosa, de modo que se puede usar en todas las ubicaciones hUmedas y subterraneo.
FORRO DE PLASTICO
ALAMBRE DESNUDO DE PUESTA A TIERRA ALAMBRE DESNUDO
Figura 6-13.
Construcci6n del cable no metalico. PAPEL
ALAMBRE CALIENTE
FORRO DE ACERO
Figura 6-14.
ALAMBRE NEUTRO
Construcci6n del cable blindado.
Cable blindado EI cable blindado realiza la misma tarea electricamente que el no metalico. Se encuentra en la misma variedad de tamaiios, en cable de dos y tres conductores. La ventaja principal del cable blindado es la protecci6n que suministra la envoltura metalica. La desventaja principal es que el metal queda sujeto al enmohecimiento y la corrosi6n en las ubicaciones mojadas. EI NEC requiere un alambre de puesta a tierra en el cable blindado, aun cuando la propia armadura sea conductora. EI alambre de puesta a tierra asegura una conexi6n continua a tierra en todo el circuito. EI cable blindado s610 esta aprobado para usarse en ubicaciones secas (excepto el tipo ACL que se menciona en el parrafo que sigue). Con esta limitaci6n, es util en lugares en los que se debe proteger la instalaci6n contra dana accidental. (Fig. 6-14). Existen dos designaciones comunes en el NEC para el cable blindado: AC y ACT. EI tipo AC tiene aislamiento
de caucho en los conduct ores; el tipo ACT tiene aislamiento de plastico en los conductores; Tambien existe un cable blindado tipo ACL que contiene una envoltura de plomo sobre los alambres. Este ultimo tipo de cable se puede usar en ubicaciones humedas.
Alambre para artefactos Se ha aprobado un tipo especial de alambre para ser usado dentro de los artefactos electricos. Este es un alambre flexible y trenzado con varias clases de aislamiento (Fig. 6-15), disenado y usado unicamente para el alambre interno de los artefactos y para conectar esos artefactos a la instalaci6n electrica. Este alambre esta hecho con aislamiento de algod6n, asbesto 0 silicona. Los tipos son CF, AFy SF. La elecci6n del aislamiento depende del calor generado dentro del artefacto al conectarlo. Se puede usar el algod6n para temperaturas hasta de 140!!F (60!!C), el asbesto para Trabajo con alambre y cable
99
EL AISLAMIENTO PUEDE SER DE ALGODON. ASBESTO 0 SILICONA
Ubicacion hUmeda 0 seca. EI tipo de cable debe ser el apropiado para las condiciones de humedad. Proteccion contra danos. La envoltura exterior del :::able debe ser mas resistente si puede sufrir algun dano.
Figura 6-15.
Construcci6n del alambre para artefactos.
temperaturas hasta de 194 QF (90 QC), la silicona hasta 312 Q F (l56 Q C).
Alambre de baja tension (voltaje) Para algunos circuitos domesticos especiales, como el usado en los timbres y los circuitos de control para la calefaccion y el acondicionamiento del aire, que operan a 24 volts 0 menos, se puede utilizar alambrado de baja tension. Este alambre se encuentra en los nos. 18 y 16, puede ser solido 0 trenzado y esta cubierto con un aislamien to plastico delgado.
• SELECCION DEL TAMANO CORRECTO DEL CONDUCTOR Y AISLAMIENTO DEL CABLE •
Materiales corrosivos. Si estan presentes materiales corrosivos, se debe seleccionar un cable que pueda soportarlos. Ademas, algunos circuitos presentan problemas especiales y se debe tratar, como consecuencia, en forma especial. Un problema comun de este tipo 10 provoca la perdida de energia electrica cuando el tendido del cable es largo. La perdida de energia de este tipo 10 provoca una caida de voltaje en la linea.
Caida de voltaje (tension) en la linea Debido a que todos los conductores ofrecen cierta resistencia al flujo de la corriente, siempre se pierde alga de potencia entre la fuente y la carga. Se puede aplicar la ley de Ohm para determinar la caida de voltaje que se tiene en cualquier circuito, si se conoce la resistencia del conductor y la intensidad de la corriente. La formula es V =/XR.
Lista de comprobacion del conductor Repasemos brevemente 10 que debe considerarse para seleccionar el tamano correcto del conductor: Materiales del conductor. EI cobre es el estandar. Para el aluminio 0 el aluminio revestido con cobre se aplica la regia empirica de usar un alambre dos veces mas grueso que el especificado para el cobre, pero deben comprobarse los requisitos dados en el NEe. Carga de corriente maxima esperada. EI tamano del conductor (basado en la ampacidad) debe ser el suficiente como para soportar la carga maxima esperada dentro de la seguridad.
En este calculo / es la intensidad de corriente en amperes que se tiene en el circuito, R es la resistencia del conductor en ohms. Al multiplicarse, el resultado es la caida de voltaje (tension) en volts, debida ala resistencia del conductor. En el capitulo 2, se dio una explicaci6n acerca de la ley eiectrica basica que se aplica en este caso. La ley, llamada ley de Kirchhoff, afirma que la suma de todas las caidas de voltaje en un circuito es igual exactamente al voltaje aplicado (Fig. 6-16) Entonces, en un circuito de 120 volts, la suma de las caidas de tension debe ser igual a 120 volts. Si, por ejemplo, se tienen un circuito bifilar hacia una sola carga, se tendran dos caidas de voltaje; una es la caida de voltaje a traves de la carga, la otra es la caida de voltaje en los conductores (Fig. 6-17).
Ubicacion hUmeda 0 seca. EI aislamiento del conductor debe ser el apropiado para las condiciones de humedad. Temperatura del aire en ellugar. Aquellos lugares en los que las temperaturas del aire por 10 comun se encuentran arriba de 86 QF (30QC) requieren conductores mas gruesos y un aislamiento especial.
LA RESIS:fENCIA DE LA LINEA ES CASt CERO
\
Lista de comprobacion del cable Con el fin de seleccionar el cable correcto, se deben considerar estos factores adicionales: 100
Fundamentos de instalaciones electricas
Figura 6-16.
Ley de Kirchhoff.
CARGA
)
g~r~~L =120
'---......
TAJE
CAiDA EN LA liNEA 10 VOLTS
un circuito de 120 volts, esto significaria una perdida de 2.4 volts.
rcA;';J DE LA
I
·
LLiNEA.J
\
ALTA RESISTE NCIA DE LA L iNEA
CARGA
~A£~
CAiDA DE VOLTAJE = 100
• • LLi!:::A.J DE LA,
C6MO DETERMINAR LA RESISTENCIA DEL CONDUCTOR· Las tab las que se encuentran en el NEC dan la resistencia a diversas temperaturas para todos los tipos de conductores. En hi tabla 6-2 se muestra una parte de esta informacion, para la mayor parte de los tamaiios y tipos comunes de conductores, a temperaturas promedio. Notese que la resistencia se da para 1 000 metros de alambre y que la resistencia disminuye conforme aumenta el tamaiio del alambre. Recuerdese que 1 OOOmetros de alambre significan un circuito bifilar de 500 metros de largo. Para tendidos de alambre mas largos, se debe incrementar el valor de la resistencia que se da en la tabla, y para tendidos mas cortos se debe disminuir. TABLA 6-2 RESISTENCIA DE LOS CONDUCTORES
t-Figura 6-17.
~AiDA EN LA LINEA 10 VOLTS
.,
Caida de voltaje en el conductor.
La operacion de la carga, un motor, por ejemplo, es la razon para establecer el circuito; por ende, se debe aplicar ala carga tanto voltaje como se pueda y se debe perder en la linea 10 menos que se pueda del voltaje. Los motores y otros dispositivos operan con mas eficiencia cuando el voltaje aplicado esta cerca del voltaje nominal. EI voltaje que se pierde en la linea es 10 que los electricistas llaman "carga de la linea", "caida de la linea", 0 bien simple mente "caida de voltaje (tension)". Por supuesto, se tiene una caida de voltaje a traves de cada carga. Lo que el electricista debe hacer es seleccionar una instalacion que ponga a disposicion de las cargas de trabajo (motores, calefactores, luces, etc.) tanto voltaje como sea posible y que se pierda en la linea 10 menos que se pueda del voltaje. Los conductores que se usan para la mayor parte de las instalaciones domesticas son los nos. 12 y 14 para el cobre. La resistencia de estos alambres es bast ante pequeiia para los cortos tendidos que normalmente se instalan dentro de los edificios. En estos casos, la caida de tension en la linea es tan pequeiia que puede ignorarse. Cada metro adicional de alambre incrementa la resistencia en la linea en una cantidad fija. Cuando las lineas se alargan, como sucede a veces en las instalaciones exteriores y, especialmente, si se tiene un flujo intenso de corriente, la caida de voltaje en la linea puede provocar una perdida significativa. Como regia general, los electricistas y los diseiiadores de circuitos intentan conservar las perdidas en la linea aproximadamente hasta un 2%. En
Tamaiio del alambre 18 16 14 12 10 8
Resistencia en ohms por cada 1 000 metros a 25 0 C (77°F) Cobre desnudo 6.51 4.10 2.57 1.62 1.018 0.6404 0.410
6
Aluminio 10.7 6.72 4.22 2.66 1.67 1.05 0.674
"
C6MO CALCULAR LA CAIDA DE VOLT AlE EN LA LiNEA. Un ejemplo mostrara como se calcula la caida de voltaje en la linea y como la seleccion de tamafio del alambre puede mantener la caida de voltaje en la linea en un valor bajo. En primer lugar, considerese una linea exterior relativamente larga. Se tienen cuatro lamparas de 150 watts en una linea de 118 metros. Podrian ser las luces de entrada en una calle, 0 bien, un os reflectores para exterior que iluminan una zona grande (Fig. 6-18). Para un circuito exterior, seria adecuado elegir cable del tipo UFo Para un circuito de este tipo, el NEC requiere al menos alambre del no. 14. La pregunta es: i,un tamafio de conductor mas grande, y mas caro, mejoraria la eficiencia del circuito 10 suficiente como para justificar el costo? Los pasos que siguen muestran la manera de calcular la caida en la linea para diversos tamafios de conductor: Paso 1. Hallese la carga total de trabajo en la linea. Multipliquese el numero de cargas (en este caso, lamparas) por el wattaje de cada una: 4 X 150
= 600 Trabajo con alambre
y cable
101
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FUENTE
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/'a," 3 Encucntrc« la rO""encia del conductor. \.I", eJ valor que a parece en la labia para I (KKI melros de Ii no. ;' aJU>lo>c para la longLtud de la linea re.1. En la tabla s< encuetur. yu< I. Tcm[cnCLd para 01 alambrc de cobre ~d no 14 c., do ~ 43 obm' por cdd. I ()()() metro,_ Ld h nca del '''cUlto rea I toene I 18 metros d.largo, de modo que la longnud del condUClor es
lon~,lUd 101~1
del alambrc c., de 236 metros, La
resi.lene,. de 2:\6 metr", do "Iambr • ., 'gual a 236 d,,',Juju entro I (00)' muillphcado por la rc>l>UnCU de 1 000
metro, !J6 , 000 (lB6 x
~
Otras
consideraci(l(le~
en la selecci6n del cable
Aun cuando Id caida do len,ion en Id line •• ' unci con>lderaCl6n Important< al dogtr un tamanu de con· duotor, la mbLen >< dohcn eon"derar ul ra, ,-",a, F n PrJmer lugar. on algunas poblac",no,. la' reglamenlaCLone< electric", locale; e'pcCLi'ic.n 10' tamanos de conductor que ar para CLer"" tlPOS de CIrcUit", S,empre "' dcopt.blo hacer "'"< que lco rcqucTldo po, 01 ('bdlga, porn (a menos que '" h"ga una excepClon I nunca menos_ Fmpiece'e ol uilculo con el ,"qui,ilo mimmo dado en d Cbdigo J. a cont ,,' uMiun. con,ido,,« de un lamailo de conductor rna, grande d fen de cvltar el tener que camb,ar lOda la ,nstalac'Lun completa al hacer o,;a, adicione,. Al lomar tod., eslas decl>lone,. d co.to es un factor importante_ Lo, conductores de mayor tamano cuestan rna, )'. en algunos C3>O'. cI w"o extra puede no ju"ifica r la in>ldl.CI(·m de un COndUCIOr de tarnail:" rna, grande quc d que requ,ere eI N EC " la reglament.C10n local Pm OHa PdrtO. cuando '" Henen carga' do mOlor .. en los C[f
,,>I,
118><2=236
La
repre;enl., d ~,3''1: dol volla)o aplloado_ bta eS domd,,"do .lto Rc, .. lcule,.. u,"ndo la reSl>t. que <' de 5]1 ohms.la mid~ "0 ,,,ilale or la linea 0' d. 6,2S "OllS, blO podri, < conec!",~ duranlc period", curto,_ ~L 01 u'o« ma)"or, debe 1l1L11lar,. al"mbrcdd no 10 L. caida de ,"ollal' e" I. lin<" con alamhro del no, IU seria ,p"",mdd.montc do .1_94 "01",
4.l = 1.99
Ene",'lltr.« I.
~uhipli~uc",
• REMOCION DE LOS AISLAMIENTOS DE LOS CABLES.
2X3=10 L. caida de voltaie en la linea es de 10 vol" blO
Se deben quit., la' cnv"ltura. de los cables)' el ai,I.· miento de 10' condllctores antes de pad« haec< la, cone-
liones dtclTloas entre ellos. u bion. ante, ~c poder cables a I . cone,iono, ol"ctnc.<> Se " mOlahea,odepl,;,ttcoWn()Cl' o cal"' de regi>lTO (F 'g, (,_19) las caps lIcnon ahcrlura< marc~da, eUJ'" lapa' >e pu gol pe. segim >< "00"". a fi n de ab",la> ~ hac,", pa-'" ria, oa ble> rod", ]0; cahle, que on"an .,1.1, cajas,. deben "lIclar mcdnl_ amenle a elias po. rneJio d< uno dc d", mi'lod", e"'-
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INTERNAS
PARA CABLE
Uno de I", mi'lOd,,, conar un coneclor de cables "parado que wnSia Je un coll"lin ro>cad() con de 50guridad y una ahraladera de .niHo parlido (Fig.6.2{)) La abrazad"m >ujeta d collarin al cable, La roscada dol wllarin ,e hace pa,ar por la ab
tue,,"
Cable no melalico So puodo qULlar la env("Iltura o"orior del cable no motahco cortantc rrocedimlcnto general. «a I" eltyultura nte"or de pli[;",·o como cl "M. l\Me y t: I' Ilonon do' .'11perllCLC' plana.,. 1'1 corto ," d,b~ haccr tan eerca COmo ,e pucda dol Ce"l", de una c"ra pl"na. La mOneTa rna, IA conduc_ lOre' (hg. 6-23) Cada llpo Je cnmlttlr" o <:un 1""0' de cable d. desperJlClo CoI6q\\e" el cable otdlacLon dc un conector I:l con
•
TAPAS AEMOVI8LES - - - -
VISTA AMPLlflGADA DE UN CONECTOR pARA CA8LE DE FORAO NO METAlleD
A8RA<'-'DEAA
flgura 6-23
Maner. d,
~<,f"rrar
un cabl< no m<,;\I>
,"<",110
VISTA I I DE UN CONECTOA PARA CA8LE 8L-INDADO
hS"'" 6-, I
Ahrazad"., '"10m., pat. c.bl,
,ione aberturas "Ir"dodor de el de moJo que un LmpeClOf pueda compmhaf la on'lalacI6n, 0 b,en, puede ser Jol lipa "echo e'prelalar un coneclor en cable no m
• n"oltura exterior.
Paso 2. Se debe ten~r ouidado de ehtwordel cable
IDEAL
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0 PRESION -......
h8"ta 6-12.
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coneetor.
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Pa'o 3. >\pfu!ten,e 1m tornIllo, de ",;:~::~:~~::,:;~ sujet.r fifmement< d cable. Ahm. so puede c.ble a un. caJ' de conexo6n,
