Download Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
INTERFAZ DE DISEÑO PARA CARGAS
RESIDENCIALES UTILIZANDO GUI DE
MATLAB
Por:
ERCILIA ESTRADA GARZONA
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
JULIO del 2011
INTERFAZ DE DISEÑO PARA CARGAS
RESIDENCIALES UTILIZANDO GUI DE MATLAB
Por:
ERCILIA ESTRADA GARZONA
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Gonzalo Mora Jiménez
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Jonathan Rodríguez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Alexander Muñoz Ruiz
Profesor lector
ii
DEDICATORIA
“Porque al final del tablero,
sólo el peón pide un deseo…”
SCDJEVC.
iii
RECONOCIMIENTOS
Agradezco el apoyo y el conocimiento transmitidos del Profesor Ing. Gonzalo Mora y el
Ing. Alexander Muñoz durante la realización del presente trabajo.
iv
ÍNDICE GENERAL
1.
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................... 1
1.1
Objetivos ................................................................................................. 3
1.1.1
Objetivo General ......................................................................................................... 3
1.1.2
Objetivos Específicos ................................................................................................. 3
1.2
Metodología ............................................................................................ 5
2
CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO ....................................... 6
2.1
Circuitos ramales para cargas residenciales. ...................................... 6
2.1.1
Lista de Circuitos Ramales ......................................................................................... 6
2.1.2
Especificaciones generales. ........................................................................................ 6
2.1.3
Circuitos de uso general. ............................................................................................. 7
2.1.4
Circuitos de electrodomésticos ................................................................................... 8
2.1.5
Circuitos ramales para áreas de baño. ......................................................................... 9
2.1.6
Circuitos del área de lavandería. ............................................................................... 10
2.1.7
Equipo residencial de cocina. ................................................................................... 11
2.1.8
Circuito de secadora.................................................................................................. 14
2.2
Protección de los conductores. ............................................................ 14
2.2.1
Protecciones para circuitos ramales. ......................................................................... 15
v
2.3
Caídas de tensión. ................................................................................ 16
2.4
Canalizaciones. ..................................................................................... 17
2.5
Circuito Alimentador. ......................................................................... 18
2.5.1
Dimensionamiento de la capacidad del alimentador. ............................................... 18
2.5.2
Determinación de la capacidad de corriente de la protección de sobrecarga del
alimentador. .......................................................................................................................... 20
3.
CAPÍTULO 3: MANUAL DE USUARIO DEL PROGRAMA. ..... 21
3.1
Instrucciones generales........................................................................ 21
3.1.1
Circuitos de uso general-C1. ..................................................................................... 22
3.1.2
Circuitos de electrodomésticos-C2. ......................................................................... 25
3.1.3
Circuitos de baño C-3. .............................................................................................. 27
3.1.4
Circuito de secadora C-4........................................................................................... 28
3.1.5
Circuito de lavandería C-5. ....................................................................................... 29
3.1.6
Circuito de cocina C-6. ............................................................................................. 31
3.1.7
Caídas de tensión y canalizaciones. .......................................................................... 33
3.1.8
Circuito alimentador. ................................................................................................ 35
3.1.9
Opciones de la barra de menú. .................................................................................. 35
3.1.9.1
Salir..................................................................................................................... 36
3.1.9.2
Generar Reporte. ................................................................................................. 36
vi
4.
CAPÍTULO
4:
VALIDACIÓN
DE
CÁLCULOS
DEL
PROGRAMA. ................................................................................................. 39
4.1.1
Circuitos de uso general. ........................................................................................... 39
4.1.2
Circuitos de electrodomésticos. ................................................................................ 40
4.1.3
Circuitos de secadora. ............................................................................................... 41
4.1.4
Circuitos de lavandería. ............................................................................................ 42
4.1.5
Circuitos de cocina.................................................................................................... 43
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................ 44
5.1Conclusiones .............................................................................................. 44
5.2Recomendaciones ...................................................................................... 45
6. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 46
APÉNDICES ................................................................................................... 47
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.1.1.1 Circuitos de uso general C-1. ........................................................................ 22
Figura 3.1.1.2 Resultados Circuitos de uso general C-1 ....................................................... 23
Figura 3.1.1.3 Resultados NaN Circuitos de uso general C-1 .............................................. 24
Figura 3.1.1.4 Mensaje de error Circuitos de uso general C-1 ............................................. 24
Figura 3.1.1.5 Resultados en blanco Circuitos de uso general C-1 ...................................... 25
Figura 3.1.2.1 Circuitos de electrodomésticos C-2 .............................................................. 26
Figura 3.1.2.2 Resultados NaN Circuitos de electrodomésticos C-2................................... 26
Figura 3.1.3.1 Circuitos de baño C-3 ................................................................................... 27
Figura 3.1.3.2 Mensaje de error Circuitos de baño C-3 ....................................................... 28
Figura 3.1.4.1 Circuito de secadora C-4 ............................................................................... 29
Figura 3.1.4.2 Mensaje de error Circuito de secadora C-4 ................................................... 29
Figura 3.1.5.1 Circuito de lavandería C-5 ............................................................................ 30
Figura 3.1.5.1 Circuito de lavandería C-5 ............................................................................ 30
Figura 3.1.6.1 Módulo 1.Circuito de cocina C-6 .................................................................. 32
Figura 3.1.6.2 Mensaje de ayuda. Circuito de cocina C-6 .................................................... 32
Figura 3.1.6.3 Mensaje de información. Circuito de cocina C-6 .......................................... 33
Figura 3.1.7.1 Caídas de tensión y canalizaciones ............................................................... 34
Figura 3.1.7.2 Mensaje de error Caídas de tensión y canalizaciones ................................... 34
Figura 3.1.8.1 Circuito alimentador ..................................................................................... 35
Figura 3.1.9.1 Opciones de Menú ........................................................................................ 36
viii
Figura 3.1.9.2.1 Generar Reporte de Excel.......................................................................... 37
Figura 3.1.9.2.2 Memoria de Cálculo de Excel ................................................................... 38
Figura 4.1.1.1 Circuitos de uso general C-1 ......................................................................... 40
Figura 4.1.1.2 Circuitos de electrodomésticos C-2 ............................................................... 41
Figura 4.1.1.3 Circuitos de electrodomésticos C-4 ............................................................... 42
Figura 4.1.1.4 Circuitos de lavandería C-5 ........................................................................... 42
Figura 4.1.1.5 Circuitos de cocina C-6 ................................................................................. 43
ix
NOMENCLATURA
A
Ampere. Unidad de medición de corriente eléctrica según el SI
AWG Calibre de alambre estadounidense de sus siglas en inglés American Wire Gauge
C++
Lenguaje de programación diseñado a mediados de los años 1980 por Bjarne
Stroustrup.
exe
es una extensión que se refiere a un archivo ejecutable de código reubicable.
GUI
Interfaz gráfica del programa Matlab
por sus siglas en inglés Graphical User
Interface.
m
Metro .Unidad de medición de longitud según el SI.
Matlab Software matemático de sus siglas en inglés Matrix Laboratory o laboratorio de
matrices
NEC Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos de sus siglas en inglés National
Electric Code
SI
Sistema Internacional de Unidades
V
Volt.Unidad de medición de tensión o potencial eléctrico según el SI
VA
Voltampere.Unidad de medición de potencia eléctrica.
W
Watt.Unidad de medición de potencia según el SI.
x
RESUMEN
El presente proyecto consistió en la recopilación de los fundamentos de diseño
eléctrico para una vivienda, para implementar un software que agilizara los cálculos
respectivos.
La programación de la interfaz se realizó por medio del lenguaje C++ en Matlab,
haciendo uso de la herramienta GUI del mismo. Se programaron los cálculos requeridos en
base a los requerimientos para el diseño del edificio del Código Eléctrico NEC en su última
versión en español para Costa Rica (Versión 2008).
Se logró optimizar el tiempo de cálculo requerido para el diseño de los ramales de cargas
residenciales.
Con el presente trabajo se pretende iniciar un proyecto que conlleve a la
programación total del Código Eléctrico NEC para beneficio y provecho de estudiantes de
Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica.
xi
1. CAPÍTULO 1: Introducción
Se creó una herramienta interactiva de software para diseñar cargas residenciales,
con el fin de facilitar al ingeniero diseñador el proceso de escogencia de los distintos
elementos que se deben tomar en cuenta desde el punto de vista de los requerimientos de la
instalación eléctrica del edificio.
Además esta herramienta tiene como fin complementar los conocimientos del
estudiante de ingeniería en el área de diseño eléctrico.
Se pretende agilizar el proceso de dimensionamiento de los elementos requeridos a
través de la implementación interactiva del procedimiento.
Con la presente herramienta de diseño eléctrico interactivo se pretende iniciar con
la primera etapa de un proyecto a futuro para la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Costa Rica, que consistiría en la programación total de las distintas
secciones del Código Eléctrico NEC.
Primeramente, se realizó una recopilación teórica del Curso Diseño Eléctrico I que
permitiera contar con los fundamentos en base al Código Eléctrico NEC en su última
versión en Español (2008) para la elección de cada uno de los parámetros requeridos.
Se pretende con esta herramienta obtener de manera interactiva y en el menor
tiempo posible: las capacidades de corriente y potencia totales de cada uno de los circuitos
ramales, el calibre y las protecciones correspondientes para cada circuito ramal así como
1
para el circuito alimentador, las caídas de tensión de cada circuito ramal de acuerdo con su
distancia al alimentador, y las respectivas canalizaciones para cada uno de los circuitos.
Se realizó la programación de la interfaz a través del lenguaje C++ en Matlab, por
medio de la herramienta GUI del mismo. Se programaron los cálculos requeridos en base a
los requerimientos para el diseño del edificio del Código Eléctrico NEC en su última
versión en español.
La interfaz se presenta al usuario por medio de un programa ejecutable en punto
.exe, de manera que se garantice una obtención segura del diseño en un periodo menor de
tiempo, sin necesidad de contar con Matlab en sus ordenadores
2
1.1
Objetivos
1.1.1
Objetivo General
Desarrollar una herramienta interactiva para el dimensionamiento de cargas
residenciales.
1.1.2
Objetivos Específicos
•
Recopilar los fundamentos teóricos para un adecuado criterio ingenieril con
respecto al diseño eléctrico residencial.
•
Programar un código en lenguaje C++ que permita realizar los cálculos
requeridos para el diseño eléctrico de cargas residenciales por medio de una
interfaz.
•
Implementar de forma interactiva el cálculo de las caídas de tensión en cada
uno de los ramales.
•
Diseñar el alimentador principal.
•
Escoger los dispositivos de protección para cada circuito.
•
Dimensionar adecuadamente las canalizaciones requeridas.
•
Proporcionar las capacidades totales de potencia y corriente para cada
circuito.
3
•
Generar una memoria de cálculo al usuario del programa.
4
1.2
Metodología
La metodología empleada en el presente proyecto, consistió en la recopilación de
información teórica de los fundamentos de diseño eléctrico para cargas residenciales.
En base a la teoría recopilada, se procedió a programar cada uno de los módulos
requeridos en el diseño por medio de GUI de Matlab.
Una vez concluida la etapa de implementación de cada uno de los módulos, se le
realizaron pruebas al programa para garantizar una buena comunicación con el futuro
usuario de la interfaz, habilitando mensajes de error en caso de una ejecución inadecuada
del programa, y mensajes informativos que faciliten el uso del software.
Dentro de las facilidades del programa, se introdujo la posibilidad de recopilar en
un archivo de Excel, todos los resultados de cada módulo del programa. Proporcionando al
usuario un fácil acceso a los cálculos realizados durante el diseño.
5
2
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1
Circuitos ramales para cargas residenciales.
Se
especifican a continuación las características de cada uno de los circuitos
ramales a diseñar. De acuerdo a lo establecido por el NEC 2008 en su versión en Español
para Cargas Residenciales se hará un listado del tipo de cargas deseadas, los artículos y
tablas correspondientes al dimensionamiento, así como las fórmulas necesarias para
calcular cada uno de los ramales de la residencia.
2.1.1
Lista de Circuitos Ramales
•
Circuitos de uso general
•
Circuitos de electrodomésticos
•
Circuitos ramales para áreas de baño
•
Circuitos ramales para lavandería
•
Circuito de cocina
•
Circuito de secadora
2.1.2
Especificaciones generales.
210-23 Cargas permisibles: En ningún caso la carga podrá exceder la corriente
nominal del circuito ramal. Se permitirá que un circuito ramal individual alimente cualquier
carga que esté dentro de su valor nominal. Un circuito ramal que suministre corriente a dos
6
o más salidas o tomacorrientes, solo debe alimentar las cargas especificadas de acuerdo con
su calibre.
(a) Circuitos ramales de 15 y 20 A: Se permitirá que un circuito ramal de 15 ó 20 A
suministre corriente a unidades de alumbrado, a otros equipos de utilización o a una
combinación de ambos.
2.1.3
Circuitos de uso general.
El cálculo de cargas de uso general para viviendas de acuerdo a la Tabla 220-3(a)
es de 3 VA por pie cuadrado de área, tomando en cuenta que 1 metro cuadrado es
equivalente a 10,7639 pies cuadrados, se obtiene que la fórmula con unidades SI para
obtener el número de circuitos de uso general es la siguiente:
(² ∗ 3 /
² ∗ 10.7639
²/1²)/( ∗ 120)
(2.1.3-1)
En donde n asume el valor de 15 A ó 20 A de acuerdo a la capacidad deseada para
el circuito.
La capacidad en VA de uso general viene determinada por:
= ( ∗ 3/
² ∗ 10.7639
²/²)
(2.1.3-2)
7
Además de acuerdo con la Tabla 310-16 utilizando la columna a
60°C para
corrientes menores a 100 °C se obtiene un calibre #12 AWG para este circuito ramal.
2.1.4
Circuitos de electrodomésticos
210-11 Circuitos ramales requeridos
(c)Unidades de vivienda
(1)Circuitos ramales de artefactos pequeños: Además del número de circuitos ramales
exigidos en otras partes de esta sección, se deben suministrar dos o más circuitos ramales
de 20 A para artefactos pequeños para todas las salidas de tomacorrientes especificadas en
la Sección 201-52(f).
250-50 C. Salidas Requeridas
(b) Artefactos pequeños:
(1) En el cuarto de cocina, despensa, comedor, comedor auxiliar o área similar de una
unidad de vivienda, los dos o más circuitos ramales de 20 A para artefactos
pequeños que exige la sección 210-11(c) (1), deben alimentar todas las salidas de
tomacorrientes a las que se refieren las secciones 210-52 (a) y (c) y las salidas de
tomacorrientes para equipos de refrigeración.
8
A partir del factor de densidad de carga de la Tabla 220-3(a) de 3 VA/ft2, es claro
que un circuito de 20 A de capacidad cubre:
20 ∗ 120 = 800 (2.1.4-1)
La fórmula requerida para el cálculo del número de circuitos de 20 A es:
!" #$#"% !& '²∗().*+,.))
= #01203145 67 20 (2.1.4-2)
Asimismo de acuerdo con la relación establecida en (2.1.4.2), se tiene que para un
circuito de 15 A:
15 ∗ 120 = 600 (2.1.4-3)
De manera que la fórmula utilizada para obtener el número de circuitos de 15 A es:
!" #$#"% !& '²∗().*+,+))
= #01203145 67 15 (2.1.4-4)
Cada uno de estos circuitos se calcula a 1500 VA, y de acuerdo con la Tabla 310-16
a 60°C se obtiene un calibre #12 AWG para cada uno de los circuitos obtenidos.
2.1.5
210-11
Circuitos ramales para áreas de baño.
Circuitos ramales requeridos
9
(c) Unidades de vivienda
(3)Circuitos ramales para áreas de baño: Además del número de circuitos ramales
exigidos en otras partes de esta Sección, se debe suministrar al menos un circuito ramal
de 20 A, para alimentar la(s) salida(s) de tomacorrientes del cuarto de baño. Estos
circuitos no deben tener otras salidas.
Excepción: en donde un circuito de 20 A alimenta un solo cuarto de baño, se
permitirá que las salidas para otros equipos dentro del mismo cuarto de baño sean
alimentadas de acuerdo con la Sección 210-23 (a).
Cada uno de los circuitos se dimensiona a 1500 VA.Por lo tanto de acuerdo con lo
establecido en el código NEC, se utiliza la siguiente fórmula para determinar la
capacidad en VA total de los circuitos de baño:
#91203145 ∗ 1500 = 9:;:016:6 4:< 7 (2.1.5-1)
Asimismo la capacidad total en Ampere viene dada por la fórmula:
#91203145 ∗ 20 = 9:;:016:6 4:< 7 2.1.6
(2.1.5-2)
Circuitos del área de lavandería.
210-11 Circuitos ramales requeridos
(c) Unidades de vivienda
10
(2)Circuitos ramales para lavandería: Además del número de circuitos ramales
exigidos en otras partes de esta Sección, se debe suministrar al menos un circuito ramal
de 20 A para alimentar la(s) salida(s) de tomacorriente de lavandería, exigido en la
Sección 210-52(f). Este circuito no debe tener otras salidas.
Para efectos de cálculo cada uno de estos circuitos se calcula a 1500 VA.
2.1.7
Equipo residencial de cocina.
220-19.Cocinas eléctricas y otros artefactos de cocción en unidades de vivienda.
Se permitirá el cálculo de la carga demandada para cocinas eléctricas domésticas,
hornos de pared, cocinas en mesones y otros artefactos domésticos de cocción con
capacidad nominal individual superior a 1 ¾ kW, de acuerdo con la Tabla 220-19. Cuando
haya dos o más cocinas monofásicas conectadas a un circuito alimentador o a una
acometida trifásica tetrafilar, la carga total se debe calcular sobre la base del doble del
número máximo conectado entre dos fases cualesquiera.
Para las cargas calculadas de acuerdo con lo indicado en esta sección, los kVA son
equivalentes a los kW.
Para dimensionar la capacidad en kW para los circuitos de cocina, se debe
relacionar el número de artefactos de la primera columna de la Tabla 220-19 con la
columna A, B o C según sea el caso. Se realiza el cálculo respectivo para un número
máximo de 6 cocinas
11
Para dimensionar cocinas con capacidades mayores a los 8.75 kW y menores de 12
kW se utiliza la Columna A de la Tabla 220-19.
El programa fue implementado para un máximo de 6 cocinas por unidad de
vivienda, de manera que de la Tabla 220-19 utilizan la columna de número de artefactos y
la primera de demanda máxima hasta los primeros seis casos.
Para dimensionar cocinas con potencia inferior a 3.5 kW, se utiliza la columna B de
la Tabla 220-19.
El dimensionamiento de cocinas con potencias entre los 3.5 kW hasta los 8.75 kW
se realiza con base en la columna C de la Tabla 220-19.
Es importante destacar las Notas citadas en el Artículo 220-19:
Nota 1: Todas las cocinas de más de 12 kW hasta 27 kW, con el mismo valor
nominal. Para cocinas individuales de más de 12 kW pero máximo 27 kW de valor
nominal, se debe aumentar la demanda máxima de la columna A un 5% por cada kW
nominal adicional o mayor fracción, por encima de los 12 kW.
De manera que la demanda máxima se calcularía:
=7:6: 7 >? − 12 ∗ %94<3: = :
(2.1.7-1)
BáD1: 67:6: = =7:6: 67 94<3: ∗ (100 + :)% (2.1.7-2)
12
Nota 2: Cocinas de más de 8 ¾ kW hasta 27 kW de distinto valor nominal. Para
cocinas con potencia individual de más 8 ¾ kW y de distinto valor nominal, pero que no
superen los 27 kW, se debe calcular un valor nominal promedio sumando los valores
nominales de todas las cocinas para obtener la carga total conectada (usando 12 kW por
cada cocina de menos de 12 kW) y dividiendo entre el número total de cocinas. Después se
debe aumentar la demanda máxima de la columna A un 5 % por cada kW o fracción en que
este valor promedio exceda de 12 kW.
∑L
M G"H"IJK"K !& NO
&
=P
P − 12 = 0
0 ∗ %5 = 6
:042 67 04<3: ∗ (100 + 6)% = 67:6: áD1:
(2.1.7-3)
(2.1.7-4)
(2.1.7-5)
(2.1.7-6)
Nota 3: De más de 1 ¾ kW hasta 8 ¾ kW. En lugar del método de la columna A,
se permitirá sumar la capacidad nominal de la placa de características de todos los
artefactos de cocción domésticos de más de 1 ¾ kW nominales pero máximo de 8 ¾ kW y
multiplicar la suma por los factores de demanda especificados en las columnas B o C, de
acuerdo con el número de artefactos. Cuando la capacidad nominal de los artefactos de
cocción domésticos corresponda a ambas columnas B y C, se deben aplicar los factores de
demanda de cada columna a los artefactos de esa columna y sumar los resultados.
Se limita el presente proyecto a un máximo de 2 cocinas para este caso.
13
Nota 4: Carga del circuito ramal: se permitirá calcular la carga del circuito ramal de
una cocina de acuerdo con la Tabla 220-19. La carga del circuito de un horno de pared o
una cocina de mesón debe ser el valor nominal de la placa de características del artefacto.
La carga de un circuito ramal de una unidad de cocción de mesón y máximo dos hornos de
pared, conectados todos al mismo circuito ramal y situado en la misma cocina, se debe
calcular sumando los valores de la placa de características de cada artefacto y considerando
ese total como equivalente a una cocina.
2.1.8
Circuito de secadora.
220-18 Secadoras de ropa eléctricas en unidades de vivienda: La carga para
secadoras de ropa eléctricas en unidades de vivienda debe ser la mayor de las siguientes:
5000 W (VA) o la capacidad nominal de la placa de características, para cada secadora
conectada. Se permitirá la aplicación de los factores de demanda de la Tabla 220-18.
En Costa Rica, se utiliza la conexión a 220 V para este tipo de equipo, de manera
que la capacidad de corriente vendría dada por:
)
= 9:;:016:6 67 0422177 7 (2.1.8-1)
El presente programa se limita al cálculo de una secadora por unidad de vivienda.
2.2
Protección de los conductores.
14
2.2.1
Protecciones para circuitos ramales.
De acuerdo con el NEC:
210-19 Conductores: Capacidad de corriente mínima y calibre mínimos
(a) Generalidades: Los conductores de los circuitos ramales deben tener una capacidad de
corriente no inferior a la carga máxima que van a alimentar. Cuando un circuito ramal
alimente cargas continuas o cualquier combinación de cargas continuas y no continuas,
el calibre mínimo del conductor del circuito ramal, antes de la aplicación de cualquier
factor de corrección o ajuste, debe tener una capacidad de corriente permisible igual o
superior a la carga no continua más el 125% de la carga continua.
Se puede aplicar la fórmula:
9:2Q:5 4 0413:5 ∗ 100% + 9:2Q:5 0413:5 ∗ 125% =
;:016:6 67 <: ;247001ó
(2.2.1-1)
240-6 Corrientes nominales normalizadas
(a) Fusibles e interruptores automáticos de disparo fijo: Las capacidades de corriente
nominal normalizadas de los fusibles e interruptores automáticos de circuito de tiempo
inversoson:15,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,110,125,150,175,200,225,250,300,
350,400,450,500,600,700,800,1000,1200,1600,2000,2500,3000,4000,5000 y 6000 A.
15
240-3. Protección de los conductores: Los conductores que no sean cordones
flexibles y cables de artefactos eléctricos, se deben proteger contra sobrecorriente de
acuerdo con su capacidad de corriente, tal como se especifica en la Sección 310-15, excepto
los casos permitidos o exigidos por los apartados (a) a (g).
(d) Conductores pequeños: A menos que se permita específicamente de (e) a (g),
la protección contra sobrecorriente no debe exceder los 15 A para los conductores de cobre
No.14, 20 A para los No.12, y 30 A para los No.10; ò 15 A para conductores de aluminio y
aluminio recubierto de cubierto de cobre No.12 y 25 A para los No.10, después de que se
han aplicado cualesquiera factores de corrección por temperatura ambiente y número de
conductores.
2.3
Caídas de tensión.
Para el cálculo de las caídas de tensión, se recurre a la Tabla 8 del Capítulo 9 del
NEC, de la cual se obtiene el valor de la resistencia en Ω/1000pies.Asumiendo 7
conductores por circuito ramal, se obtiene un valor de resistencia/ 1000 pies de 2.05 para el
calibre #12 AWG. Se utiliza la siguiente fórmula:
R
S!TJT#!&IJ"
()))
U ∗ 0,0032894 ∗ 615:01: 7 ∗ X247001ó 7 Z!&TJó& ∗ 100 = 9 (2.3-1)
16
2.4
Canalizaciones.
Artículo 100
A. Generalidades
Canalización: conducto encerrado construido con materiales metálicos o no
metálicos, expresamente diseñado para contener alambres, cable o barras conductoras, con
las funciones adicionales que permita el NEC. Las canalizaciones incluyen, y no están
limitadas a, conduit rìgido metálico, conduit rìgido no metálico, conduit metálico
intermedio, conduit flexible e impermeable, tuberías metálicas flexibles, conduit metálico
flexible, tuberías eléctricas no metálicas, tuberías eléctricas metálicas, canalizaciones
subterráneas, canalizaciones para piso de concreto celular, para piso de metal celular,
canalizaciones para superficie, de cables y de barras.
Se empleó el siguiente procedimiento de cálculo:
1. Se decide hacer la canalización con tubería metálica rígida (conduit metálico rígido
RMC), y conductores THHN.
2. De acuerdo al número de conductores, y utilizando la Tabla 5 del Cap 9, se obtienen
las áreas de los conductores en pulgadas cuadradas.
3. De la Tabla 4 del Capítulo 9 se elige la canalización adecuada para cada área total
obtenida.
17
En el caso particular de los ramales, para conductores idénticos calibre No.12 AWG
se tiene un área de 0.0133in2, para un total de 5 conductores máximo por canalización, y al
40% de capacidad se obtiene la siguiente fórmula:
27: 67< 0463042 ∗ #4:< 67 046304275 = á27: 67 0::<1[:01ò (4.4-1)
Para el caso de los ramales (a excepción del ramal de cocinas):
0,0133 ∗ 5 = 0.0665
(2.4-2)
De la Tabla 4 del Capítulo 9, se obtiene un conduit metálico rígido de ½ pulgadas.
2.5
Circuito Alimentador.
2.5.1
Dimensionamiento de la capacidad del alimentador.
220-2 Cálculos
(a) Tensiones: Si no se especifican otras tensiones para el cálculo de cargas del
alimentador y los circuitos ramales, se deben aplicar las tensiones nominales de 120,
120/240, 208Y/120, 240,347, 480Y/277,480, 600Y/347 y 600V.
Un circuito alimentador puede estar constituido por cargas tales como iluminación,
tomacorrientes, dispositivos eléctricos diversos, aires acondicionados, calentadores y
motores. Cada carga debe ser evaluada y calculada a operación ya sea continua o
discontinua según sea el caso.
18
Para el caso particular de Costa Rica se utiliza una configuración de tensión
120/240 V.
Se debe recordar la siguiente definición de carga continua y discontinua de acuerdo
a lo establecido en el Código Eléctrico NEC:
Cargas continuas:
Carga cuya corriente máxima se prevé que circule durante tres horas o más.
Los voltamperios nominales para efectos de dimensionamiento de los conductores
alimentadores de cargas continuas se obtienen multiplicando la carga continua por 125%.
Es posible que se deban realizar ajustes por temperatura, caída de tensión o por tener
muchos cables conductores en un tubo de canalización.
Cargas discontinuas:
Cargas que operan por un periodo menor a tres horas (Art 100). Se calculan al
100%. Un ejemplo sencillo de este tipo de carga lo constituyen aquellos equipos para
enchufar, ya sean fijos o portátiles.
Para el caso de una vivienda, se dimensiona el alimentador principal a partir de
la carga total en VA de la totalidad de los circuitos ramales:
#$#"%!T
√,∗^)
= 9:;:016:6 4:< 67 0422177
(2.5.1-1)
19
2.5.2
Determinación de la capacidad de corriente de la protección de sobrecarga del
alimentador.
240-6 Corrientes nominales normalizadas
(a)Fusibles e interruptores automáticos de disparo fijo. Las capacidades de corriente
nominal normalizadas de los fusibles e interruptores automáticos de circuito de tiempo
inverso,son:15,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,110,125,150,175,200,225,250,300,35
0,400,450,500,600,700,800,1000,1200,1600,2000,2500,3000,4000,5000 y 6000 A. Se
permitirá el uso de fusibles e interruptores automáticos de tiempo inverso con capacidades
de corriente nominales no normalizadas. La capacidad de corriente nominal para fusibles se
debe considerar 1,3, 6, 10 y 601.
20
3. CAPÍTULO 3: Manual de usuario del programa.
3.1 Instrucciones generales.
A continuación se describen algunas recomendaciones generales para el uso de la
interfaz de diseño, así como una descripción detallada de cada uno de los módulos
implementados.
El archivo ejecutable a través del cual se puede utilizar el programa será
proporcionado en un cd con la respectiva carpeta requerida para el adecuado
funcionamiento de la interfaz:
'C:\INTERFAZ_EEG_EIE\, dentro de esta carpeta se proporciona al usuario un archivo de
Word con las instrucciones de instalación.
El usuario debe insertar información únicamente en los espacios en blanco de
acuerdo con la instrucción respectiva en letra negrita a la izquierda de cada casilla, o bien
seleccionar valores cuando así le sea indicado en los distintos menús de opciones para cada
panel secundario. Luego deberá presionar el botón de “Calcular” para cada uno de los
paneles, de manera que cada módulo desplegará los resultados correspondientes en las
casillas de color celeste.
Cuando aparece un “NaN” en alguna de las casillas de resultados, el usuario deberá
de revisar que haya insertado correctamente la información solicitada.
21
Para separar decimales es necesario escribir las cantidades separadas por punto “.”,
de otra manera el programa interpretara una multiplicación por diez en la cantidad
introducida.
Se explicará a continuación tanto el funcionamiento de cada panel individual de la
interfaz, así como consejos de uso para el usuario.
3.1.1
Circuitos de uso general-C1.
La primera instrucción de este módulo le solicita al usuario elegir la capacidad
deseada de los circuitos por medio de un menú desplegable, además solicita el área de la
vivienda en metros cuadrados.
1
2
3
Figura 3.1.1.1 Circuitos de uso general C-1.
22
Para conocer el número de circuitos de uso general, la capacidad en VA, el calibre
de cada conductor en AWG y de cada una de las protecciones, el usuario debe presionar el
botón de “Calcular” ubicado dentro del módulo.
Un ejemplo del despliegue de resultados es el siguiente:
Figura 3.1.1.2 Resultados Circuitos de uso general C-1
En caso de que el usuario no introduzca el área solicitada, no seleccione la
capacidad deseada, o bien introduzca un valor no numérico en la casilla del área, obtendrá
algo similar a la siguiente figura en su pantalla:
23
Figura 3.1.1.3 Resultados NaN Circuitos de uso general C-1
Además, el programa desplegará el siguiente mensaje de error:
Figura 3.1.1.4 Mensaje de error Circuitos de uso general C-1
La expresión “NaN” implica que no hay resultados numéricos válidos para la
operación.
24
El programa le permite al usuario borrar el caracter no numérico o bien introducir la
información solicitada, y nuevamente al presionar el botón de “Calcular”, el módulo
desplegará los resultados correspondientes.
Es importante destacar que en caso de que se inserte un valor de “0” en la casilla
que solicita el área de la vivienda, el programa no desplegara información del calibre ni de
la protección para este caso correspondiente a una corriente de cero Ampere.
Figura 3.1.1.5 Resultados en blanco Circuitos de uso general C-1
3.1.2
Circuitos de electrodomésticos-C2.
El usuario debe únicamente presionar el botón de “Calcular” ubicado dentro del
panel para obtener los resultados correspondientes. Esto debido a que los cálculos para este
módulo se hacen en base a los datos del área del módulo de Circuitos de uso general C-1.
25
Figura 3.1.2.1 Circuitos de electrodomésticos C-2
Como se señaló anteriormente, este módulo depende del valor del área que
introdujo el usuario en el panel para Circuitos de uso general C1, de manera que en caso de
que se inserte un área de cero, el resultado en pantalla será el siguiente:
Figura 3.1.2.2 Resultados NaN Circuitos de electrodomésticos C-2
26
Se debe entonces revisar la casilla del área para obtener los valores
correspondientes.
3.1.3
Circuitos de baño C-3.
El usuario debe introducir el número de circuitos de baño deseado, y seguidamente
presionar el botón de “Calcular” para obtener los resultados correspondientes.
Figura 3.1.3.1 Circuitos de baño C-3
En caso de que el usuario introduzca un carácter no numérico en la casilla en
blanco correspondiente, el programa desplegará el siguiente error:
27
Figura 3.1.3.2 Mensaje de error Circuitos de baño C-3
Si el usuario introduce cero en la casilla de circuitos requeridos, el programa
desplegará los resultados nulos correspondientes.
La flexibilidad del programa, le permite al usuario realizar de nuevo la operación de
manera correcta, luego de lo cual brindará los resultados solicitados en pantalla.
3.1.4
Circuito de secadora C-4.
Para este módulo únicamente es necesario introducir la potencia nominal (valor de
placa) de la secadora, y seguidamente presionar el botón de “Calcular”
1
2
28
Figura 3.1.4.1 Circuito de secadora C-4
En caso de que el usuario introduzca un carácter no numérico o bien deje la casilla
de solicitud de información en blanco, el programa desplegará el siguiente mensaje de
error:
Figura 3.1.4.2 Mensaje de error Circuito de secadora C-4
Si no desea colocar un circuito de secadora en la vivienda, el usuario deberá insertar
“0” en la casilla de solicitud de información.
Es posible corregir el error, ya sea completando la casilla en blanco con el valor
numérico solicitado, y luego presionar nuevamente “Calcular”.
3.1.5
Circuito de lavandería C-5.
Este módulo solicita al usuario la introducción del número deseado de circuitos de
lavandería, de manera que al introducir el número, se pueden conocer las capacidades en
VA, en A, la protección correspondiente para cada uno de los circuitos así como el calibre
de cada uno de ellos, con tan solo presionar el botón de “Calcular”:
29
1
2
Figura 3.1.5.1 Circuito de lavandería C-5
En caso de que el usuario no introduzca un número en la casilla que solicita el
número de circuitos de lavandería, o bien si deja en blanco este espacio, el programa
desplegará un mensaje en pantalla:
Figura 3.1.5.1 Circuito de lavandería C-5
De manera que el usuario puede corregir el error borrando la información incorrecta
que introdujo en la casilla, o bien completando con la información solicitada, y
30
seguidamente presionar el botón de “Calcular” para obtener los resultados cuyos títulos se
muestran en este panel.
De igual manera si no se desea colocar un circuito de secadora en la vivienda, el
usuario deberá insertar “0” en la casilla de solicitud de información.
3.1.6
Circuito de cocina C-6.
Las distintas opciones del panel se indican por un título de color azul, de manera
que el usuario inicialmente debe elegir el rango de capacidades en kW de los artefactos de
cocina, ubicarse debajo del título con las capacidades correspondientes, y completar la
información solicitada, ya sea por medio de la inserción de valores numéricos, o bien
eligiendo la opción deseada para cada menú desplegable de opciones.
De acuerdo con las distintas posibilidades para calcular el circuito de cocina, el
funcionamiento de cada apartado correspondiente a las capacidades implementadas puede
explicarse a partir de cualquiera de los módulos.
Es importante que el usuario introduzca “0” en las casillas de las categorías que no
utilizará.
Se detalla a continuación el panel para Cocinas entre 8.75 kW y 12 kW.
El usuario debe introducir el valor deseado de tensión luego de la instrucción en
negrita, posteriormente elegir el número de cocinas deseado, y por último presionar el
31
botón de calcular, para obtener un despliegue de resultados como el que se muestra a
continuación:
1
2
3
Figura 3.1.6.1 Módulo 1.Circuito de cocina C-6
Si el usuario realiza dos cálculos consecutivos, deberá dar doble clic al botón de
“Calcular” para obtener el resultado de la nueva protección requerida.
De igual forma, es importante destacar que para el cálculo de calibres, en caso de
que se requieran calibres AWG 1/0, 2/0, 3/0 o bien 4/0, el programa despliega en blanco la
casilla de calibre, seguido de los siguientes mensajes:
Figura 3.1.6.2 Mensaje de ayuda. Circuito de cocina C-6
32
Figura 3.1.6.3 Mensaje de información. Circuito de cocina C-6
El usuario puede consultar el archivo mencionado en el mensaje de ayuda, el cual se
encuentra instalado en la carpeta del programa con la siguiente dirección:
'C:\INTERFAZ_EEG_EIE\PCK.xlsx', en esta hoja de Excel podrá obtener detalles del
cálculo del calibre del ramal.
3.1.7
Caídas de tensión y canalizaciones.
El siguiente panel le solicita al usuario introducir las distancias al alimentador para
cada uno de los circuitos ramales, de acuerdo a la numeración asignada a cada uno de ellos
en los módulos:
33
Figura 3.1.7.1 Caídas de tensión y canalizaciones
En caso de que el usuario deje incompleta alguna de las casillas, o bien introduzca
valores no numéricos en alguna de ellas, el programa desplegará el siguiente mensaje de
error:
Figura 3.1.7.2 Mensaje de error Caídas de tensión y canalizaciones
34
El usuario puede volver a introducir adecuadamente la información solicitada y
presionar el botón de “Calcular” para obtener los resultados correspondientes a las
canalizaciones y a los porcentajes de caída de tensión para cada ramal.
Es importante recordar que en caso de que una caída de tensión sea superior al 5%
debe de revisarse la distancia a la que se está colocando el ramal del circuito alimentador.
El circuito de cocinas no se contempla en este módulo.
3.1.8
Circuito alimentador.
Este último módulo permite obtener la capacidad total en A y en VA del circuito
alimentador, así como la respectiva protección, con tan solo presionar el botón de
“Calcular”:
Figura 3.1.8.1 Circuito alimentador
3.1.9
Opciones de la barra de menú.
35
Las opciones del menù como se puede observar en la Figura 3.1.9.1 son las de
“Generar Reporte” y “Salir”
Figura 3.1.9.1 Opciones de Menú
3.1.9.1
Salir.
La barra de menú permite al usuario cerrar la aplicación al pulsar la opción de
“Salir”.
3.1.9.2
Generar Reporte.
36
Al presionar esta opción el programa generará un archivo de Excel con toda la
información obtenida para cada módulo y el programa despliega la siguiente ventana:
Figura 3.1.9.2.1 Generar Reporte de Excel
De manera que el usuario puede guardar el archivo de Excel con toda la
información obtenida en el lugar que considere apropiado:
37
Figura 3.1.9.2.2 Memoria de Cálculo de Excel
38
4. Capítulo 4: Validación de cálculos del programa.
4.1 Aspectos Generales.
En el presente capítulo se expone en detalle la validación del adecuado
funcionamiento del programa, en base a los ejemplos del libro “Diseño Eléctrico III
Módulo: Criterios de diseño, instalación e inspección de circuitos ramales, alimentadores y
acometidas para instalaciones residenciales, comerciales e industriales”, por el ingeniero
electricista Dr. Víctor Rojas.
4.1.1
Circuitos de uso general.
Para una vivienda de 2700 ft2 el número de circuitos de 15 A corresponde a:
2700
∗
,
_# = 8100 .())
((`∗())
=5
(4.1.1-1)
(4.1.1-2)
Por lo tanto el número de circuitos de uso general es 5.
A partir de la interfaz, se obtiene:
39
Figura 4.1.1.1 Circuitos de uso general C-1
Se observa una diferencia en los resultados obtenidos, debido a la conversión de m2
a ft2 que debe de realizarse para obtener resultados de acuerdo con las unidades SI, tomando
en cuenta que 251 m2 son equivalentes a 2701,7389 ft2. Se aprecia además que el resultado
del número de circuitos de uso general debe ser redondeado de acuerdo con el criterio del
diseñador.
4.1.2
Circuitos de electrodomésticos.
Para un área de 362 ft2, al saber que dos circuitos de 20 A cubren 1600 ft2, es
suficiente con dos circuitos de 20 A para cubrir un área de 362 ft2 es decir de 33,63 m2.
De manera que el programa debe desplegar un número mínimo de circuitos de 20 A
igual a 2:
40
Figura 4.1.1.2 Circuitos de electrodomésticos C-2
4.1.3
Circuitos de secadora.
La demanda máxima para una secadora de 6000 W para un circuito ramal de
vivienda es de 6000 VA.
Por su parte el software para una potencia de 6000 W genera el siguiente resultado:
41
Figura 4.1.1.3 Circuitos de electrodomésticos C-4
4.1.4
Circuitos de lavandería.
Se requiere al menos un circuito de 20 A y de 1500 VA para el área de lavandería.
Al solicitar al programa que realice el cálculo correspondiente para un circuito de
lavandería, se obtiene el siguiente resultado en pantalla:
Figura 4.1.1.4 Circuitos de lavandería C-5
42
4.1.5
Circuitos de cocina.
Para el dimensionamiento de una cocina de 12kW la demanda máxima es de 8kW.
El programa despliega:
Figura 4.1.1.5 Circuitos de cocina C-6
43
Capítulo 5: Conclusiones y Recomendaciones
5.1Conclusiones
Se destaca la importancia del uso del Código Eléctrico NEC
para un diseño
adecuado de las cargas residenciales.
La herramienta implementada minimiza el tiempo de cálculo requerido.
Esta interfaz puede ser de gran utilidad tanto para ingenieros diseñadores como para
estudiantes.
Se logró implementar una buena comunicación entre el futuro usuario y el programa
por medio de mensajes informativos y una notoria flexibilidad de la interfaz ante errores de
ejecución del diseñador que la utilice.
44
5.2Recomendaciones
La interfaz debe ser utilizada por usuarios con conocimientos eléctricos de diseño.
Utilizar la herramienta junto con el Código Eléctrico NEC en caso de requerir de
alguna verificación, redondeo o consulta acerca de los resultados de la interfaz.
El manual de usuario debe ser leído con detenimiento antes de utilizar la interfaz,
para un mejor aprovechamiento de la misma.
La presente interfaz es un software libre de manera que queda abierta a
ampliaciones y modificaciones de la misma.
Se plantea con el siguiente trabajo el inicio de la programación total del código
Eléctrico NEC por parte de estudiantes de la Escuela de Ingeniería Eléctrica.
45
6. BIBLIOGRAFÍA
[1] Barragán Guerrero, D. “Manual de Interfaz Gráfica de Usuario en Matlab”,
www.matpic.com.
[2] “Código Eléctrico de Costa Rica Para la Seguridad de la Vida y la Propiedad”,
[1] Primera Edición, Costa Rica, 2008.
[3] Rojas Castro, V. “Diseño Eléctrico III Módulo: Criterios de diseño, instalación e
inspección de circuitos ramales, alimentadores y acometidas para instalaciones
residenciales, comerciales e industriales”, Costa Rica, 2009.
46
APÉNDICES
-
Compilación con mcc
Para crear el archivo ejecutable se usa el comando mcc. En nuestro caso, sería algo como:
mcc -m INTERFAZ_DE_DISENO_DE_CARGAS_RESIDENCIALES16julio.m -a
INTERFAZ_DE_DISENO_DE_CARGAS_RESIDENCIALES16julio.fig –C
La opción –C fue al final la clave de todo. Es una variante desde la versión 4.8. La
explicación
está
en
http://www.mathworks.com/support/solutions/en/data/1-
8GJS65/index.html?product=CO&solution=1-8GJS65
Para reducir las fuentes de error siempre es recomendable utilizar rutas que no contengan
espacios en el nombre, ni mucho menos tildes o ñ. Por ejemplo, mis archivos los puse en
C:/interfaz_uno/.
Ese comando debería generarle algunos archivos de C/C++ y el ejecutable. Prueba de que
sirve:
47
-
Compilación con deploytool
La otra opción es usar deploytool. En este caso el archivo *.m va en MAIN y el *.fig en
OTHER.
48
Para la configuración fue importante desactivar la casilla del archivo CTF (similar a la
opción –C de mcc).
49
Para que el ejecutable funcione en cualquier computadora sin Matlab éste debería
empaquetarse. Una opción es seleccionar la opción Packaging de la ventana anterior y
marcar la siguiente opción:
50
Ésta no la probé. La que sí probé fue la siguiente. Una vez que se compila todo con el botón
se puede empaquetar todo con el botón que aparece
a la derecha.
51
Esto genera varios archivos (entre ellos un directorio *_mrc). Aquí hablan un poco de eso:
http://www.lawebdelprogramador.com/foros/Matlab/557690Ejecutable_de_matlab,_es_posible_.html
52
53