Comprender la caída de tensión: principios, fórmulas y normas internacionales
La caída de tensión es la reducción de la tensión cuando la corriente eléctrica circula por un conductor. Este fenómeno se rige por la Ley de Ohm y se expresa como: V = I × R = I × (ρ × L / A)donde V es la caída de tensión, I es la corriente (A), ρ es la resistividad (Ω-m), L es la longitud del cable (m) y A es el área de la sección transversal (mm²). Diversas normas internacionales limitan la caída de tensión admisible para evitar la pérdida de potencia y el mal funcionamiento de los equipos. La norma IEC 60364 recomienda una caída de tensión máxima de 5% para los circuitos de potencia y de 3% para los circuitos de iluminación. En comparación, el NEC (Código Eléctrico Nacional) sugiere un máximo total de 5% en los circuitos de alimentación y derivados. Por ejemplo, para un sistema de alimentación de 400 V, una caída de 5% equivale a 20 V, lo que puede afectar gravemente a los dispositivos sensibles. Una caída excesiva provoca sobrecalentamiento, derroche de energía y posible fallo de los sistemas eléctricos. El cumplimiento de estas normas es esencial para un diseño seguro y eficiente.
Cómo seleccionar la sección correcta de los cables
La selección del tamaño correcto del cable equilibra el rendimiento de la tensión y el coste del material. La sección transversal mínima A puede determinarse mediante la fórmula de caída de tensión reordenada: A = (ρ × L × I) / V. Consideremos un tramo de 50 metros que transporta 80 A utilizando cobre (ρ = 1,72 × 10-⁸ Ω-m), con una caída máxima admisible de 10 V. Si se introduce en la fórmula, se obtiene A ≈ 34,4 mm². En la práctica, redondeamos al siguiente tamaño estándar (por ejemplo, 35 mm²). Los ingenieros también deben tener en cuenta los factores de reducción de potencia (por ejemplo, temperatura ambiente, agrupación) y futuras ampliaciones. Aunque el sobredimensionamiento reduce las pérdidas, aumenta los costes. Para un diseño equilibrado:
- Primer paso: Calcular la corriente de carga (I)
- Paso 2: Definir la caída de tensión admisible (V)
- Paso 3: Determinar la longitud del cable (L)
- Paso 4: Elija el material (ρ para Cu o Al)
- Paso 5: Calcule A y seleccione el tamaño de cable estándar más próximo
Un enfoque basado en los datos garantiza la eficiencia energética a largo plazo sin gastos innecesarios.
Impacto de la longitud del cable en la caída de tensión
La longitud del cable afecta directamente a la caída de tensión. Al duplicar la longitud, se duplica la resistencia y, por tanto, la caída de tensión. Por ejemplo, con una carga de 80 A a lo largo de 25 metros, un cable de cobre de 10 mm² puede dejar caer 6 V; a lo largo de 50 metros, la caída pasa a ser de 12 V, lo que puede superar los límites estándar. De ahí que la optimización de la longitud sea fundamental en el diseño.
Área transversal económica frente a área transversal técnica: Equilibrio entre rendimiento y coste
En la práctica se utilizan dos enfoques principales:
1. Sección técnica - basada en limitar la caída de tensión, garantizando el cumplimiento de la normativa. Suele dar lugar a cables de mayor tamaño.
2. Área económica transversal - basado en el método de la densidad de corriente, que optimiza el tamaño del cable mediante un análisis coste-beneficio. La fórmula típica: J = I / A (donde J es la densidad de corriente). Una densidad de 2,5-5 A/mm² es estándar para el cobre.
Consideremos un circuito de 100 A a lo largo de 100 m. El método técnico puede sugerir 50 mm² para limitar la caída de tensión, mientras que el método económico (basado en el coste del ciclo de vida, las pérdidas y el precio de los materiales) puede favorecer 35 mm² si las pérdidas anuales de energía son aceptables.
A Coste total de propiedad (TCO) el análisis incluye:
- Coste de compra inicial
- Pérdida anual de energía (calculada mediante I²R)
- Coste de mantenimiento durante la vida útil
Al comparar ambos métodos, los clientes pueden elegir entre una menor inversión inicial o un ahorro operativo a largo plazo, en función de la prioridad del proyecto.
Ejemplos de aplicación
El dimensionado técnico suele utilizarse en hospitales y centros de datos para cargas críticas. El dimensionado económico es adecuado para entornos industriales en los que la eficiencia y el coste son aceptables, como los circuitos de iluminación de las fábricas.
