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En este proyecto, se presenta plano eléctrico de una vivienda, con su respectivo análisis y simulación, con la finalidad de prototipar un problema real a través de la aplicación de la teoría de electricidad básica de ingeniería, programas de simulación entre otras herramientas. Además, se obtendrá l...

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ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE UNA CASA Párraga Guerrero Emmanuel Alejandro, Santistevan Pineda Alberto Josué Tabarez Gonzabay Denisse Dayanna, Zapata Becerra Jose Jhoan

Escuela Superior Politécnica del Litoral Guayaquil, Ecuador Electricidad Básica [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Resumen: En este proyecto, se presenta plano eléctrico de una vivienda, con su respectivo análisis y simulación, con la finalidad de prototipar un problema real a través de la aplicación de la teoría de electricidad básica de ingeniería, programas de simulación entre otras herramientas. Además, se obtendrá la potencia total consumida por la vivienda. Palabras Claves: Planos eléctricos, Potencia, Sistema eléctrico, Carga, Simulación 1. INTRODUCCION Las instalaciones de una vivienda son de suma importancia para la seguridad, tanto de los habitantes como de los electrodomésticos o diversos elementos que necesitan de electricidad para poder funcionar. Estas deben realizarse con mucha cautela, para que, en un futuro, no se corra el riesgo de algún accidente. Además, una correcta distribución de electricidad, para las diversas habitaciones de la vivienda, representa una mayor eficiencia a la hora del consumo. A continuación, se presentará el plano de un circuito eléctrico para posteriormente simularlo, y realizar un análisis de cargas para obtener la potencia total consumida por la vivienda. A su vez, se hará una breve explicación sobre que es un circuito eléctrico y como ha ido cambiado a través de los años. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Analizar y Simular los planos eléctricos de una casa, usando los conceptos de potencia, circuitos independientes, corrientes alternas monofásicas, balanceo de cargas, entre otros. 2.2 Objetivos Específicos •Realizar las respectivas simulaciones, y planos eléctricos de la vivienda y obtener la potencia total de la vivienda.

•Identificar los diferentes circuitos independientes que intervienen en el sistema eléctrico de la casa. •Brindar una solución que sea eficiente tanto en la actualidad, como en futuras mejoras de la vivienda. 3. ANTECEDENTES El desarrollo de la electricidad se estudió aproximadamente desde la antigüedad, pero su estudio científico comenzó en los siglos XVII y XVIII para luego a finales del siglo XIX ser aprovechada por los ingenieros e implementarla para el uso doméstico e industrial, así cambiando la forma de vida de varias personas. [1] Alrededor de 1920 cuando después de varios descubrimientos de nueva tecnología posterior al bombillo eléctrico, ocasionó una evolución a nuestro mundo en diferentes ámbitos científicos, sin embargo, la electrificación siguió su curso rápidamente entre los años 1920 y 1930 de manera que en 1939 las dos tercias partes de las casas de Inglaterra ya tenían luz instalada. Lo siguiente en instalaciones eléctricas surgió con la automatización eléctrica industrial en 1942, las instalaciones receptoras son el caso más común de instalación eléctrica, y son las que encontramos en la mayoría de las viviendas e industrias. Su función principal es la transformación de la energía eléctrica en otros tipos de energía. Son las instalaciones contrarias a las instalaciones generadoras que a su vez son aquellas que generan una fuerza electromotriz, y, por tanto, energía, a partir de otras formas de energía. [2]

El invento que revolucionó el mundo, el cable eléctrico que generalmente es una manguera de material aislante que contiene un conductor e impulsó el mundo tecnológico y también hizo crecer el interés por las aplicaciones tecnológicas a mediados del siglo XIX, todo esto ayudó a la llegada de la electricidad a las calles y hogares, lo que sustituyó las lámparas de aceite y velas.[3]

5. JUSTIFICACION

En el año 1963 comienza a ser utilizada la telecomunicación en el campo de la informática con el uso de satélites de comunicación y las redes de conmutación de paquetes con la ayuda de instalaciones eléctricas. En 1965 se empezó con las instalaciones eléctricas de cables aéreos y subterráneos muchos problemas que provenían al momento de unir dos cables de alta tensión como que la capa semiconductora externa no se acople o que no haya un espacio libre de campo donde el aislamiento finaliza, fueron resueltos por NKF en Delft. [4]

A su vez, se quiere analizar un problema real a través de la aplicación de la teoría de electricidad básica de ingeniería, y programas de simulación.

Comparando los años 80 con la actualidad podemos observar que el consumo de energía es mayor debido a que los avances de la tecnología incrementaron el uso de electrodomésticos, como computadoras, lavadoras, televisiones, celulares, radios, planchas, entre otros. En 2016 se lanza al mercado el interruptor diferencial que es un dispositivo electromagnético que se coloca en las instalaciones eléctricas de corriente alterna con el fin de proteger a las personas de accidentes provocados por el contacto con partes activas. [5] Finalmente, hoy en día vivimos con la tecnología avanzada en donde existen instalaciones autorizadas para vivienda, comercio e industria y seguimos utilizando las mismas instalaciones que fueron proyectadas y construidas hace 20, 40 e incluso 70 años atrás por lo tanto es primordial darles el mantenimiento y adecuación a las mismas. 4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad, con el auge de la construcción de casas inteligentes se busca que, a partir de la implementación de equipos electrónicos las casas brinden la mayor comodidad y seguridad posible a quienes la habitan. Desde un portón automático hasta un circuito cerrado de cámaras de seguridad, así como lo más elemental, desde una refrigeradora o una plancha. Todos estos equipos hacen uso del mismo tipo de energía para funcionar; la energía eléctrica. La familia Ruiz está en planes de construcción de su nueva casa; por el momento plantean la construcción únicamente la planta baja y la losa para posteriormente realizar una segunda planta. Ellos buscan la implementación de equipos que permitan convertir su casa, en una casa inteligente por lo cual buscan un sistema eléctrico capaz de alimentar todos los elementos que existen dentro de su hogar; manteniendo la seguridad tanto de los equipos como de ellos, a su vez dejar realizado el sistema eléctrico para la segunda planta en caso de futuras construcciones.

Este proyecto está enfocado en las instalaciones eléctricas de una vivienda familiar. Si estas instalaciones no son implementadas de manera correcta, dará como resultado un mal funcionamiento de los aparatos eléctricos. Además, puede poner en peligro a las personas que habitan en la vivienda.

Cabe recalcar, que una adecuada instalación eléctrica tiene beneficios, tales como: un menor consumo de energía, mejor funcionamiento de aparatos eléctricos, minimizar los riesgos de incendios por un cortocircuito, siendo este una de las principales causas de incendios en el Ecuador. 6. SOLUCION PROPUESTA Para la solución de este problema, se buscará una manera eficiente y óptima de distribuir las conexiones de la vivienda para que la carga eléctrica sea equivalente en cada punto y así evitar sobrecargar el sistema, proporcionando un servicio eficiente que satisfaga la demanda de los aparatos que deberán ser alimentados con energía eléctrica. También se busca que las conexiones sean hechas de una forma correcta implementando la toma a tierra para evitar la avería de algún electrodoméstico provocado por una variación de corriente, y evitando accidentes con los usuarios. Todos estos arreglos y distribuciones se realizarán mediante en diagrama esquemático de la vivienda y posteriormente será simulado para una mejor comprensión de este. 7. MATERIAL UTILIZADO •

Focos ahorradores

•

Bomba de agua de 0.5 HP

•

Aire Acondicionado de 10000 BTU

•

Ducha eléctrica 4000 [W]

•

Refrigeradora 400[W]

•

Equipo de seguridad 60 [W] C/u

•

Central de seguridad 200 (DVR) [W]

•

Medidor de luz CL-200

•

Breaker de protección o

1P-10

o

1P-20

o

2P-40

o

2P-30

•

Disyuntor NM1-125S 2P-100[A]

•

Caja protectora de medidor

•

Tomacorrientes Bticino doble

•

Tomacorriente Bticino sencillo

•

Interruptor Bticino doble

•

Interruptor Bticino sencillo

•

Conductores utilizados o

1F#12+1N#12

o

2*#10+N#10+T#10

o

2*#14THHN

o

#6+N#8+T#10

8. PLANOS ELECTRICOS

SÍMBOLO

NOMBRE Punto de Luz o Lampara (120 V)

Fig.1. Plano de la Instalación Eléctrica de la Vivienda

Tablero de Distribución Tomacorriente Doble Polarizado (30 cm - 120 V) Tomacorriente Simple Polarizado (1.2 m - 120 V) Tomacorriente Doble Polarizado (1.20 m - 120 V) Tomacorriente (240 V) S

Interruptor Simple

C

Conmutador

Tabla 1. Simbología Eléctrica dada por la Norma IEC 60617

El conjunto de circuitos eléctricos que configuran las instalaciones eléctricas de la casa y alimentan los diversos receptores implementados (puntos de luz (lámparas) y enchufes) se llaman circuitos independientes. El plano de la Fig.1. Muestra la distribución de las diferentes salidas de corriente considerando las necesidades del cliente. Se dispusieron dos subcircuitos para todo lo referente a la iluminación tanto interna como externamente de la casa. En lo referente a tomacorrientes de uso común se dividió en tres ramales conformado por enchufes dobles. Uno de estos ramales se encargará de alimentar todo lo que se necesite en cocina; ya sea una licuadora, tostadora u horno microondas. El siguiente de los ramales estará dispuesto para alimentar tanto la sala como el comedor y la sala de estudios; dejando de ultimo al encargado de alimentar los tres cuartos y baños. Es importante mencionar que ninguno de los subcircuitos ya sea de iluminación como de tomacorrientes están a su límite de capacidad por lo cual si fuese necesario al pasar de los años agregar nuevos puntos en la planta baja o ya sea en la planta alta se podría realizar de manera rápida y segura. Lo que compete con los equipos especiales se destinó circuitos independientes tanto para aire acondicionados, duchas eléctricas, bomba de agua y electrodomésticos de alto

consumo como lo son lavadora, refrigeradora y cocina. Esto principalmente para evitar una sobrecarga en las líneas que pudieran dañar electrodomésticos de un alto valor. Como se sabe los elementos antes mencionados son de los equipos que mayor consumo generan en un hogar. Con lo que respecta al sistema de seguridad se estableció circuitos por fuera de los ya establecidos dentro de la casa esto por motivo de comodidad y evitar el uso excesivo de canaletas que rompan la estética de la casa.

Alimentación Neutra Cable Fase Cable Neutro Tabla 2. Simbología de la Simulación es CADE SIMU

9. SIMULACION Para la simulación de la Fig.2, se usa el programa CADE SIMU para circuitos eléctricos, el cual permitirá armar lar instalaciones y comprobar su funcionamiento son lo pilotos de señalización.

Fig.2. Simulación es CADE SIMU SÍMBOLO

NOMBRE Accionamiento - sInterruptor NA

Bobinas y Señalización – Piloto S

Accionamiento - sInterruptor NC

Alimentación Fase

Tabla 3. Análisis potencia de diseño de sistema eléctrico.

Considerando que en Ecuador se trabaja con un factor de potencia de 0.92 y un valor de voltaje 240 [V] 𝑃'()*+,(-(./'/ 𝐼= 𝑓𝑝 ∗ 𝑉0/1 𝐼2 =

14487.5 0.92 ∗ 2403

𝐼2 = 65.613[𝐴] Se considera un factor de diversificación 1.15 [-] 𝐼3 = 1.15 ∗ 365.613[𝐴] 𝐼3 = 75.453[𝐴] Se considera el uso de un disyuntor NM1-125S 2P-100[A]; sería posible utilizar uno de 80 [A] sin embargo mayor fiabilidad entrega el de 100 [A].

11. ANALISIS DE RESULTADOS

Tabla 4. Análisis potencia instalada y carga total considerando un factor de potencia de 0.92.

10. ANÁLISIS DE CARGAS Conociendo que nuestro diseño muestra una carga total considerando los equipos funcionando al mismo tiempo de 30500 [W]; sin embargo, que nuestro sistema alcance este valor es imposible por lo cual se hará uso de un método que nos permita conocer una potencia referencial que realmente consuma un hogar. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎!"" =

#"$"" %

= 7625 [W]

7625 [W] representa un porcentaje de la potencia total que es consumida en el uso cotidiano de los equipos. De la potencia restante se consumirá alrededor de un 30%, este porcentaje variará dependiendo del uso que le demos; por ejemplo, este porcentaje no será igual si se considera que la casa funciona como oficina. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎#"% = (30500 − 7625 )3𝑥30.30 = 6862.5[W] 𝑃'()*+,(-(./'/ = 7625 + 6862.5 = 14487.53[𝑊] Conociendo el valor de potencia diversificada es posible obtener el valor de corriente que nos permita adquirir un disyuntor el cual funcionara como nuestra primera barrera de protección entre el medidor de entrada y nuestro panel. En caso de algún tipo de variación el disyuntor protegerá los equipos evitando que estos se quemen de la misma forma protege a las personas en caso de que se requiera realizar algún tipo de mantenimiento a la instalación eléctrica.

Con la finalidad de obtener un circuito eficaz, capaz de trabar por áreas sin afectar a otras en caso de que se desee realizar algún cambio u ampliación, se los dividió en subredes o subcircuitos. La disposición de dos subcircuitos para la iluminación interna y externa del inmueble, con una potencia instalada de 1000 para 10 elementos con una potencia unitaria de 100 c/u y una potencia instalada de 600 para 6 elementos con la misma potencia unitaria respectivamente, para estos circuitos se recomienda el uso de un breaker 1P-10 como medida de seguridad, de esta manera en caso de requerir “desconectar” temporalmente un área por motivos de instalación o remodelación, será posible hacerlo sin la necesidad de interrumpir la energía en todo el inmueble y estando seguros de que no existirá alguna sobrecarga, así mismo se agregaron subcircuitos para los tomacorrientes, los cuales están divididos por zonas, el primero para la cocina cuenta con una potencia instalada de 300 considerando 2 tomacorrientes con una potencia unitaria de 150 c/u en este caso el breaker recomendado es el 1P-20 sin embargo no se considera el tomacorriente que tendrá una potencia instalada de 400 y el mismo breaker como medida de seguridad, posteriormente contamos con la zona de los cuartos y baños, en la cual se consideró una potencia instalada de 1050 para 7 tomacorrientes repartidos en dicha zona, como ya se mencionó la potencia unitaria será de 150 y así mismo el breaker recomendado es el 1P-20, en la zona de los baños no se encuentran los tomacorrientes para las duchas eléctricas las cuales posee una potencia instalada de 4000 con un breaker 2P-40 cada una, la zona correspondiente a la sala y el comedor posee una potencia instalada de 750 para 5 tomacorrientes de 150 de potencia unitaria y como medida de seguridad un breaker 1P-20, computadora y equipos de seguridad con una potencia instalada de 540 y el mismo breaker, para la zona de

lavandería una potencia instalada de 2000, así mismo con el mismo breaker como recomendación, para los aires acondicionados de cada habitación se usó una potencia instalada de 2500 en cuanto a la sala una potencia instalada de 3250 y un breaker 2P-30 por aire, por ultimo 2 zonas para cámaras de seguridad ambas con breaker de 1P-10 y 3 toma corrientes de 60 potencia unitaria. Asumiendo que todas las subredes trabajen al mismo tiempo, se obtiene una potencia de 30500 [W], esto no describe una situación normal de uso diario, a través de fórmulas se concluye un porcentaje de potencia normal en una viviendo, cuyo valor es de 7650 [W] a este se le suma un porcentaje del 30% con la finalidad de que se asemeje al consumo diario de un hogar, cuyo resultado final es de 14487.5 [W], dicho resultado se lo considera potencia diversificada, a partir de ella es posible encontrar una corriente diversificada con la finalidad de saber cuánta corriente se consumiría de la toma de luz y así escoger un breaker adecuado para la protección de todo el circuito, considerando que el factor de potencia en Ecuador es de 0.92 la corriente obtenida fue de 75.45[A], sin embargo para mayor seguridad se asume que la corriente será de 100 [A], con lo cual se considerara el breaker NM1-125S 2P-100 [A].

https://www.espaciohonduras.net/electricidad/evolucion-ydesarrollo.

[2] INSTALACIONES ELÉCTRICAS timeline. (2021). Retrieved 9 January 2021, from https://www.timetoast.com/timelines/instalaciones-electricas. [3] Cable. (2021). Retrieved 9 January 2021, from https://es.wikipedia.org/wiki/Cable. [4] Instalación eléctrica. (2021). Retrieved 9 January 2021, from https://es.wikipedia.org/wiki/Instalaci%C3%B3n_el%C3%A9ctr ica. [5] Interruptor diferencial. (2021). Retrieved 9 January 2021, from https://es.wikipedia.org/wiki/Interruptor_diferencial#:~:text= Un%20interruptor%20diferencial%20(ID)%2C,con%20parte s%20activas%20de%20la. [6] (2020, September 25). Guía de diseño eléctrico para una casa o apartamento (vivienda). Electricaplicada. https://www.electricaplicada.com/diseno-electrico-para-unavivienda-casa/.

12. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

•

•

En conclusión, la potencia total obtenida es de 30500 [W] en el caso de que todos los circuitos se encuentren en uso, en condiciones normales la potencia es de 14487.5 [W] con una corriente de 75.45 [A] en total. Podemos ver que ramificar y seccionar en subcircuitos es una solución óptima ya que se tendrá en cuenta los posibles dispositivos que se pueden usar en dicha zona y a través de eso asignarle una potencia máxima o de referencia, optimizando y reduciendo la carga en la red.

•

Se recomienda realizar el cálculo de la potencia diversificada para que a través de ella lograr encontrar una corriente y poder escoger un breaker que garantice la eficiencia del circuito y brindar una mejor protección en el mismo.

•

Para una viviendo con una potencia consumida de 14487.5 [W] se debe implementar como protección un breaker NM1-125S 2P-100.

BIBLIOGRAFIA [1] Evolución y Desarrollo de la Electricidad. (2021). Retrieved 9 January 2021, from

[7] 9 Consejos para una buena instalación eléctrica. (2010). Eie.Ucr.Ac.Cr. http://www2.eie.ucr.ac.cr/%7Ejromero/sitioTCUoficial/proyectos/2002/canales_y_quesada/PEE/recomen/consejo s/instalacion.html.

Tabla de Vatiajes. http://www.sapikas.com/tabla.html.]

(2018).

Sapikas.

[8] Bájate la potencia. (2013). Bajatelapotencia. http://www.bajatelapotencia.org/la-potencia-que-necesitas/. # 8 pasos de Cálculo de la Instalación [9]E. (2020b, June 3). " Eléctrica Domiciliaria. Electricasas. https://www.electricasas.com/instalaciones-electricas/pasospara-el-calculo-de-una-instalacion-electrica-domiciliaria/....