Determinación del calibre del conductor alimentador de un motor (Usando diferentes herramientas de cálculo)
Artículo realizado por:
Edwin W. Márquez
Gerente de Ingeniería en Southwire Company
Ingeniero Eléctrico
Instituto Politécnico Nacional (IPN)
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
(ESIME – Zacatenco)
Correo electrónico: edwin.marquez@southwire.com
La correcta selección de los cables se inicia determinando el tipo de conductor en función de las condiciones de operación como, por ejemplo:
- Tipo de clima
- Medio Ambiente
- Tipo de instalación
Posteriormente se debe determinar el calibre óptimo en función de los parámetros eléctricos como:
- Capacidad de conducción de corriente
- Cortocircuito
- Caída de tensión
También se debe realizar la revisión del cálculo mecánico por:
- Tension maxima de jalado
- Longitud maxima de jalado
- Radio de curvatura
- Presiones laterales
Todos los cálculos se deben realizar siguiendo los lineamientos de seguridad de los códigos eléctricos de instalaciones como puede ser el National Electrical Code (NEC®) o la norma IEC 60364. Las tablas de capacidad de conducción de corriente deben ser seleccionadas correctamente en función del material conductor, temperatura de operación de conductor y las condiciones de instalación. También se deben seleccionar y aplicar los respectivos factores de corrección como por ejemplo:
- Corrección por temperatura ambiente
- Corrección por el número de conductores portadores de corriente
Para este ejemplo se va determinar el calibre del alimentador de un motor utilizando las tablas de capacidad de conducción de corriente incluidas en el National Electrical Code (NEC®) para el circuito mostrado en el diagrama unifilar siguiente:
La información incluida en el diagrama unifilar es:
- Motor (M1) 60 HP – 440V, FP = 0.865, Eff = 0.92 NEMA Código G
- Longitud del circuito 150 metros
- Tipo de cable monoconductor de cobre tipo XHHW-2 a 75°C
- Voltaje del sistema 480 V
- Corto circuito en el bus 35 KA
- Temperatura Ambiente 40°C
Lo primero es determinar la corriente nominal a plena carga basada en la potencia del motor utilizando la siguiente ecuación:
Se obtiene una corriente nominal de 73.80 Amperes.
Revisando el cálculo con algunas herramientas disponibles en línea, se obtienen valores de 73.38 Amperes y 73.77 Amperes.
El valor de corriente encontrada mediante el cálculo manual es de: 73.80 Amperes, pero a esta corriente se le debe aplicar el factor de 1.25 para la clasificación más alta más la suma de las clasificaciones de corriente a plena carga de todos los demás motores del grupo para el arranque, para este ejemplo solo es un motor.
Obtenemos un valor de 92.25 Amperes.
De acuerdo a la Tabla 310.15 (B)(16) del NEC 2017 el cable de cobre tipo XHHW calibre 2 AWG puede soportar una corriente de 115 Amperes a 75°C, por lo que seleccionamos este calibre.
Se debe aplicar el factor de corrección por temperatura ambiente, ya que se indican 40°C y la corriente de la Tabla 310.15 (B)(16) es dada a 30°C. Para esto tenemos que revisar la Tabla 310.15(B)(2)(a) del NEC 2017 y multiplicar la corriente obtenida por 0.88 que corresponde al rango de temperatura de 36-40°C.
Se puede comprobar que después de aplicar el factor de corrección por temperatura la corriente disponible ahora es de 101.2 Amp que es mayor que 92.25 Amp, por lo que el calibre 2 AWG aún es adecuado para el alimentador del motor.
92.25 Amp < 101.2 Amp (Calibre 2 AWG de cobre cable tipo XHHW)
Revision de los calculos realizados utilizando varias herramientas de cálculo disponibles en el mercado:
1 – Ingeniería Eléctrica y Tecnología (Hoja de Cálculo de Excel)
Es una poderosa hoja de Excel diseñada para realizar cálculos eléctricos como: alimentadores de motores, canalizaciones, caída de tensión, etc. La principal ventaja es que es una herramienta libre de costo y está disponible online.
http://fidelsmc.blogspot.com/2010/08/calculos-electricos-3152.html
El resultado con esta herramienta de cálculo es un cable tamaño 2 AWG con capacidad de 101.2 Amp a una temperatura del conductor de 75°C y temperatura ambiente de 40°C.
2. – Sizer Electric
Es un software diseñado para realizar cálculos de dimensionamiento de conductores eléctricos basados en el National Electrical Code (NEC®), sus canalizaciones y diseño de redes de tierras. Alguna de las grandes características es que puedes realizar la administración de tus circuitos almacenando la información en una base de datos lo que te permite realizar cambios rápidamente sin demasiado esfuerzo o retrabajo. También puedes obtener una memoria de cálculo extendida de cada circuito y personalizar tus reportes, así como obtener especificaciones de cables con información precisa del fabricante de cables “Southwire”. Otra gran ventaja es que no es un Software demasiado caro y la versión demo incluye todas las funcionalidades durante un mes.
https://sizer50.sizerelectric.com/
El calibre final calculado utilizando el Software Sizer Electric es: 2 AWG con capacidad de 101.2 Amp para un conductor con temperatura de operación de 75°C y temperatura ambiente de 40°C.
3. – SKM Systems Analysis, Inc
Es uno de los líderes en software de diseño y análisis de sistemas de potencia para cálculos de fallas, flujo de carga, coordinación de protecciones, peligros de arco eléctrico, arranque de motores, estabilidad transitoria, confiabilidad, armónicos, puesta a tierra, tracción de cables y más. El software SKM se ha utilizado en instalaciones comerciales, industriales, institucionales, de servicios públicos y petroquímicos en todo el mundo. Tiene un gran nivel de soporte y servicio al cliente. Obiamente al ser un software de analisis de sistemas electricos su precio es relativamente elevado, pero con este software tambien puedes realizar el calculo de conductores usando el metodo NEC o NFPA.
Con el Software SKM obtenemos como resultado un calibre de conductor 2 AWG con una capacidad de conducción de corriente de 101.2 Amp para un conductor operando a 75°C y temperatura ambiente de 40°C.
4. – Etap
ETAP® es una empresa de soluciones de ingeniería analítica especializada en la simulación, diseño, monitoreo, control, capacitación de operadores, optimización y automatización de sistemas de energía. Etap es una potente herramienta para calcular capacidad de conducción de corriente, calibre del conductor, tamaño de cable, protección contra sobre corrientes en baja tensión y media tensión. El software de ingeniería eléctrica ETAP ofrece un conjunto completo de módulos de capacidad de carga de corriente de cable / ampacidad y tamaño basados en los siguientes estándares y directrices: IEC 60502, IEC 60092, ICEA P-54-440, BS 7671, IEC 60364, NEC NFPA 70 e IEEE 399.
Etap también ofrece análisis térmico de cables basado en los siguientes métodos:
- Método Neher-McGrath
- Método IEC 60287
Realizando el cálculo del conductor con Etap para el circuito del motor indicado nos indica un calibre de cable 2 AWG con una corriente corregida de 101.3 Amps para una temperatura del conductor de 75°C y temperatura ambiente de 40°C.
Conclusión:
Los resultados obtenidos son:
El objetivo de este documento es solo mostrar el cálculo manual para un alimentador de motor, y las diferentes herramientas disponibles en el mercado para realizar el cálculo de los conductores utilizando las tablas de capacidad de conduccion de corriente del NEC. En este documento no se consideran o evalúan otras de las características o funcionalidades que pueden tener cada una de estas herramientas o softwares.
Referencias:
- NFPA 70, Código Eléctrico Nacional, 2017
- http://fidelsmc.blogspot.com/2010/08/calculos-electricos-3152.html
- https://sizer50.sizerelectric.com/
- https://www.skm.com/
- https://etap.com/
