Calculadora de caída de tensión

Esta calculadora de caída de tensión calcula cuántos volts pierde un circuito entre el origen y la carga, como número y como porcentaje de la tensión de origen. Cubre conductores de cobre y aluminio en circuitos monofásicos, trifásicos y de CD. En CA usa el método de impedancia de la tabla 9 del capítulo 9 del NEC, así que el tipo de tubo conduit y el factor de potencia de su carga forman parte del resultado. También da el calibre mínimo que cumple su objetivo y aun así soporta la carga, el recorrido más largo que alcanza el calibre elegido y una advertencia cuando la corriente de la carga supera la ampacidad de los conductores según la tabla 310.16 del NEC.

Cómo calcular la caída de tensión

La caída de tensión es la corriente multiplicada por la impedancia de los conductores que la llevan. Los recorridos más largos, las corrientes más altas y los conductores más delgados la aumentan. El NEC da los datos en el capítulo 9: la tabla 8 indica la resistencia en CD de cada calibre y la tabla 9, la resistencia y la reactancia en CA de conductores en tubo conduit de PVC, aluminio y acero.

La calculadora usa estas fórmulas, con la longitud L en pies en un sentido, la corriente I en amperes y los valores de las tablas en ohms por 1,000 pies:

• Trifásica: VD = 1.732 × I × L × Ze ÷ 1,000. El resultado es la caída entre líneas para una carga balanceada.
• Monofásica: VD = 2 × I × L × Ze ÷ 1,000. El factor 2 cuenta la corriente que va por un conductor y regresa por el otro.
• CD: VD = 2 × I × L × R ÷ 1,000, con R de la tabla 8.
• Impedancia efectiva: Ze = R × FP + XL × sen θ, de la tabla 9, nota 2, donde FP es el factor de potencia y sen θ = √(1 − FP²).
• Caída en porcentaje: VD ÷ tensión de origen × 100.

Con varios conductores en paralelo por fase, divida la caída entre el número de juegos. Los valores de las tablas son a 75 °C. La calculadora puede corregir la resistencia a 60 °C o 90 °C con los coeficientes de temperatura de la tabla 8, nota 2.

El método rápido con K

Muchos electricistas usan una fórmula más corta: VD = 2 × K × I × L ÷ CM en monofásica, o 1.732 × K × I × L ÷ CM en trifásica. CM es el área del conductor en circular mils, y K es la resistencia de un conductor de 1 circular mil y 1 pie de largo: unos 12.9 para cobre y 21.2 para aluminio a 75 °C. El método K solo usa la resistencia. Funciona bien en conductores pequeños y en cargas con factor de potencia cercano a 1. En conductores grandes con factor de potencia atrasado da valores bajos, porque entonces la reactancia es una parte importante de la impedancia.

Por qué importa el factor de potencia

Los motores, los transformadores y la mayoría de las cargas mixtas toman corriente atrasada. La reactancia de los conductores se suma entonces a la caída, en proporción a sen θ. Los conductores pequeños son casi pura resistencia, así que el factor de potencia cambia muy poco su caída. Con los conductores grandes es otra historia.

Tome una carga trifásica de 400 A a 480 V, a 300 pies, en un juego de 600 kcmil de cobre en tubo conduit de acero. Con factor de potencia 1.0 la caída es de 5.20 V, o 1.08 %. Con 0.8 atrasado es de 10.14 V, o 2.11 %: casi el doble, con el mismo cable. En tubo conduit de PVC, donde la reactancia es menor, la caída con factor de potencia 0.8 es de 8.69 V (1.81 %).

Ingrese el factor de potencia de la carga que revisa. Use 1.0 para cargas resistivas como calentadores. Los motores en operación y las cargas comerciales mixtas suelen estar entre 0.8 y 0.9 atrasado. Un motor al arrancar toma varias veces su corriente de operación con un factor de potencia bajo, a menudo de 0.3 a 0.4. Revise por separado la caída al arranque con la corriente de arranque y ese factor de potencia. Un factor de potencia adelantado, por bancos de capacitores o cables largos con poca carga, reduce la caída y puede convertirla en un aumento de tensión.

Ejemplos prácticos

Alimentador trifásico a 208 V

Una carga trifásica de 60 A a 208 V está a 300 pies del tablero, con cobre 6 AWG en tubo conduit de PVC y factor de potencia 0.9 atrasado. La tabla 9 da R = 0.49 Ω y XL = 0.051 Ω por 1,000 pies. Ze = 0.49 × 0.9 + 0.051 × 0.436 = 0.463 Ω por 1,000 pies. VD = 1.732 × 60 × 300 × 0.463 ÷ 1,000 = 14.44 V, o 6.94 % de 208 V. La carga recibe unos 193.6 V.

Eso es más del doble de la guía de 3 %. Con 4 AWG baja a 4.50 % y con 2 AWG a 2.86 % (5.94 V). Elija el inicio rápido "Equipo de azotea" en la calculadora de arriba para ver cada paso.

Circuito derivado monofásico a 120 V

Una carga de 16 A a 120 V, a 100 pies del tablero con cobre 12 AWG: con factor de potencia 1.0, VD = 2 × 16 × 100 × 2.0 ÷ 1,000 = 6.40 V, o 5.33 %. Con 10 AWG da 3.84 V (3.20 %) y con 8 AWG, 2.50 V (2.08 %). El método K da 6.32 V para el caso de 12 AWG, cerca del resultado de la tabla 9.

Tramo de 48 V en CD

30 A a 48 V en CD en 50 pies de cobre 8 AWG: VD = 2 × 30 × 50 × 0.778 ÷ 1,000 = 2.33 V, o 4.86 %. En sistemas de CD de baja tensión, unos cuantos volts son una parte grande, así que estos circuitos a menudo necesitan conductores mucho más grandes de lo que su ampacidad sugeriría por sí sola. Aquí 6 AWG da 3.07 % y 4 AWG, 1.93 %.

Qué dice el NEC sobre la caída de tensión

Para la mayoría de los circuitos, el National Electrical Code recomienda límites de caída de tensión, pero no los exige. Las notas informativas de 210.19 (circuitos derivados) y 215.2 (alimentadores) dicen que los conductores dimensionados para una caída de no más del 3 % en un alimentador o circuito derivado, y de no más del 5 % en alimentador y circuito derivado combinados, dan una eficiencia de operación razonable. Las notas informativas son material explicativo, no reglas obligatorias.

Algunos artículos sí fijan límites obligatorios:

• Equipo electrónico sensible (artículo 647): 647.4(D) limita la caída al 1.5 % en un circuito derivado y al 2.5 % en alimentador y circuito derivado combinados.
• Bombas contra incendio (artículo 695): 695.7 limita la caída en las terminales de línea del controlador a 15 % por debajo de lo normal durante el arranque del motor. Con el motor al 115 % de la corriente a plena carga, la tensión en las terminales de carga del controlador debe mantenerse dentro del 5 % de la tensión nominal del motor.

Los códigos de energía, como ASHRAE 90.1 y los códigos estatales de energía basados en él, también pueden limitar la caída de tensión en edificios comerciales. Las especificaciones de proyecto suelen fijar límites más estrictos que las notas del NEC. Verifique las ediciones de los códigos adoptadas en su jurisdicción.

Cómo elegir el calibre por caída de tensión

1. Primero, dimensione por ampacidad. Elija el conductor con la tabla 310.16 del NEC, con los límites de temperatura de las terminales de 110.14(C) y los factores de ajuste o corrección que apliquen, y coordínelo con el dispositivo de sobrecorriente. La caída de tensión nunca hace que un conductor sea más pequeño de lo que exige la ampacidad.
2. Revise la caída. Ingrese ese calibre en la calculadora con la corriente real de la carga, la longitud y el factor de potencia.
3. Aumente el calibre si hace falta. Si la caída supera su objetivo, use el calibre mínimo que sugiere la calculadora, o considere juegos en paralelo, una ruta más corta o una tensión de distribución más alta.
4. Aumente también el conductor de puesta a tierra de equipos. Cuando los conductores del circuito se aumentan más allá del calibre que exige la ampacidad, NEC 250.122(B) exige aumentar el conductor de puesta a tierra de equipos de tipo alambre en proporción al área en circular mils.
5. Revise las terminaciones. Los conductores más grandes deben caber en las zapatas del interruptor y del equipo. Pueden hacer falta empalmes de reducción o zapatas más grandes.

Los conductores en paralelo generalmente se permiten solo de 1/0 AWG y mayores. Todos los juegos deben tener la misma longitud, material, calibre, aislamiento y terminación para que la corriente se reparta por igual.

Qué provoca una caída de tensión excesiva

• Motores: el par de arranque baja aproximadamente con el cuadrado de la tensión. Un motor con baja tensión toma más corriente, se calienta más y puede detenerse o no arrancar.
• Alumbrado: las lámparas se atenúan o parpadean, y algunos controladores (drivers) de LED se apagan con baja tensión.
• Electrónica y controles: los variadores, los PLC y los equipos de TI pueden dispararse o reiniciarse durante las caídas de tensión.
• Cargadores de autos eléctricos y bombas de calor: los recorridos largos a cocheras separadas y a unidades exteriores son puntos problemáticos comunes.
• Energía: la tensión perdida es potencia perdida, I²R, convertida en calor en los conductores mientras la carga opera.

Límites de esta calculadora

Los valores de la tabla 9 son para cables de 600 V, tres conductores individuales en tubo conduit, a 60 Hz y 75 °C. Son una buena aproximación para ensambles de cables como MC y NM en los calibres pequeños. No son adecuados para cable de media tensión, conductores en charola o separados entre sí, ni circuitos con mucha corriente armónica. La fórmula Ze × I es la aproximación estándar de la tabla 9, nota 2, y da resultados cercanos para caídas de unos pocos puntos porcentuales. Para un sistema eléctrico completo, estudios de arranque de motores o cargas armónicas, un modelo de flujo de carga en ETAP o SKM da una mejor respuesta.

La calculadora revisa un recorrido a la vez. Sume usted las caídas del alimentador y del circuito derivado para compararlas con la guía de 5 % combinado.

Preguntas frecuentes

¿Qué caída de tensión es aceptable?

El objetivo de diseño común es 3 % para un alimentador o circuito derivado y 5 % para el alimentador y el circuito derivado juntos, según las notas informativas del NEC en 210.19 y 215.2. El equipo electrónico sensible del artículo 647 se limita a 1.5 % y 2.5 %, y las bombas contra incendio tienen sus propios límites en 695.7. Muchos ingenieros diseñan con cifras más estrictas, como 2 % en alimentadores.

¿Una caída de tensión de 3 % es un requisito del código?

En general, no. Las cifras de 3 % y 5 % son notas informativas, que el NEC trata como recomendaciones. Se vuelven requisitos solo cuando otro artículo, un código de energía adoptado, la autoridad competente o la especificación del proyecto las hacen obligatorias.

¿Cómo reduzco la caída de tensión?

Use un conductor más grande, instale conductores en paralelo, acorte la ruta o alimente la carga a una tensión más alta. Por ejemplo, una carga trifásica a 480 V toma menos corriente que la misma carga a 208 V. El cobre tiene menos caída que el aluminio del mismo calibre, y el tubo conduit de PVC da un poco menos de caída que el de acero en conductores grandes con factor de potencia atrasado.

¿Importa el tipo de tubo conduit?

Sí, en circuitos de CA con conductores grandes. El tubo conduit de acero es magnético, lo que aumenta la reactancia de los conductores. El tubo conduit de acero y el de aluminio aumentan la resistencia en CA de los calibres más grandes. Los conductores pequeños son casi pura resistencia, así que el tipo de tubo conduit cambia muy poco su caída.

¿Por qué esta calculadora da una respuesta distinta de otras?

Muchas calculadoras usan el método K o la resistencia en CD de la tabla 8 e ignoran el factor de potencia y la reactancia. Esta calculadora usa la impedancia efectiva de la tabla 9 al factor de potencia que usted ingresa. En conductores pequeños las respuestas son parecidas; en conductores grandes con factor de potencia atrasado este método da una caída más alta y más realista. También influyen las diferencias en la temperatura del conductor y entre las fórmulas monofásica y trifásica.

¿Puedo usarla para circuitos de CD y solares?

Sí. Elija CD y la calculadora usa la resistencia en CD de la tabla 8 para conductores cableados, con la longitud de ida y vuelta. Para cadenas fotovoltaicas, los diseñadores suelen usar la corriente de máxima potencia del módulo y diseñar para 1 % a 2 % para limitar la pérdida de energía. Revise por separado los requisitos del artículo 690 del NEC y los del fabricante del equipo.

Cuándo contratar a un ingeniero

Un solo recorrido es fácil de revisar aquí. Una instalación con alimentadores largos, motores grandes, equipo sensible o una ampliación próxima necesita revisar todo el sistema en conjunto. Los ingenieros profesionales con licencia (PE) de Dreiym dimensionan alimentadores y circuitos derivados, realizan análisis de carga y modelan la caída de tensión en sistemas completos en ETAP y SKM, con sello de PE cuando se requiera. Herramientas relacionadas: la calculadora de corriente de falla disponible y el calculadora de arco eléctrico. Para una cotización gratuita, póngase en contacto con nosotros. Normalmente respondemos en un día hábil.