6. Cableado CA

En esta sección:

Este capítulo abarca la generación y distribución de electricidad CA, el dimensionamiento de cables y el cableado CA de sistemas de inversor/cargador.

6.1. Generación de electricidad

El generador de una estación eléctrica genera electricidad trifásica.

Cada una de esas tres fases tiene una tensión alterna de 230 voltios (o una tensión diferente según el país). La tensión alterna con una frecuencia de 50 (o 60) Hz. Y debido a la rotación de las bovinas del generador, hay un desplazamiento de fase de 120° entre cada fase.

Las tres bovinas están conectadas entre sí y crean un circuito triple, denominado configuración en estrella. Una sola bocina (fase) tiene un potencial de 230 VCA. Y se crea un segundo nivel de potencial entre dos bovinas. Debido al desplazamiento de fase de 120° el potencial es de 400 VCA.

Para poder usar estas fases por separado, se conecta el punto común (el punto estrella) a un conductor llamado “neutro”. Entre el neutro y una de las fases existe una tensión de 230 VCA. El conductor neutro es un conductor que pueden usar las tres fases y que puede usarse en tres circuitos eléctricos diferentes.

El punto de la estrella actúa como neutro en la instalación eléctrica de una casa. La función del conductor neutro es permitir el uso por separado de cada fase y que cada fase puede usarse como alimentación individual de 230 VCA. El neutro también se conecta a un piqueta metálica dirigida hacia el suelo, la llamada pica de tierra. De este modo, el potencial de la tierra es igual a 0 voltios. Esta conexión se llama puesta a tierra o toma de tierra.

Una carga trifásica, como un motor eléctrico trifásico, usa electricidad de las tres fases. El neutro no tiene una función porque los tres circuitos eléctricos se mantienen equilibrados entre sí. Solo si una de las fases consume más carga que las otras, el neutro empezará a conducir corriente. Esta corriente se llama “corriente de compensación o de ecualización”.

Los inversores/cargadores trifásicos tendrán que configurarse en configuración de estrella. Han de tener un neutro común. No se permite la configuración delta. Pero el sistema trifásico de inversor/cargador puede alimentar una carga con configuración delta.

Cuando los inversores/cargadores trabajan en modo inversor, las cargas desiguales no son un problema, pero sí pueden serlo si están trabajando en un modo de paso a través y están conectadas a un generador que no puede aceptar una carga desequilibrada.

6.2. Redes de distribución

Hay diferentes formas de distribuir la energía al consumidor eléctrico. Y distintas formas de conectar el sistema del consumidor eléctrico. Todas las redes suministran tres fases, pero el enlace entre el neutro y la toma de tierra cambia según el tipo de red.

Red TN-S El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra. Se distribuyen las fases, el neutro y la tierra. El consumidor eléctrico usa las fases, el neutro y la tierra suministrados. El neutro y la tierra no están conectados entre sí.
Red TN-C El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra. Se distribuyen las fases y un neutro-tierra combinado. El consumidor eléctrico reparte el neutro y la tierra entrantes (enlace MEN). El consumidor eléctrico usa las fases suministradas y el neutro y la tierra de nueva creación.
Red TN-C-S El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra. Se distribuyen las fases y un neutro-tierra combinado. El consumidor eléctrico reparte el neutro y la tierra entrantes (enlace MEN). El consumidor eléctrico conecta la tierra a una estaca de tierra. El consumidor eléctrico usa las fases suministradas y el neutro y la tierra de nueva creación.
Red TT El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra. Se distribuyen las fases y el neutro. El consumidor usa las fases suministradas y el neutro. El consumidor eléctrico crea una toma de tierra local con una estaca de tierra.
Red IT El punto estrella del generador está conectado al neutro y a tierra. Se distribuyen las fases. El consumidor eléctrico usa las fases suministradas. El consumidor eléctrico crea una conexión a tierra local.

6.3. Corriente del sistema, voltiamperios (VA) y vatios (W)

Para poder calcular correctamente las dimensiones de los fusibles, el cableado o el inversor, tendrá que saber cómo es la corriente del circuito CA. Para poder calcular la corriente correctamente, hay un aspecto de la energía CA que hay que explicar: vatios (W) y voltiamperios (VA). Como hemos explicado antes, la energía CA es alterna. Ni la tensión ni la corriente tienen un valor constante como la CC, sino que se alternan entre positivo y negativo. Esto sucede 50 veces por segundo en un sistema de 50 Hz y 60 veces por segundo en un sistema de 60 Hz. La onda es sinusoidal.

Tensión CC

Tensión CA

No solo la tensión es alterna en un circuito CA, la corriente también. En un sistema resistivo se alternan al mismo tiempo. Sin embargo, si el circuito contiene cargas no resistivas, la onda sinusoidal de la corriente puede retrasarse o adelantarse con respecto a la onda sinusoidal de la tensión. Los tres tipos de cargas son:

Las cargas resistivas son cargas con elementos resistivos como: calentadores, bombillas incandescentes, tostadores y secadores de pelo, entre otros.
Las cargas inductivas son cargas con bovinas, como electromotores o transformadores. Por ejemplo: frigoríficos, compresores, aires acondicionados o lámparas fluorescentes.
Las cargas capacitivas son cargas que contienen condensadores, como bancos de condensadores, motores de arranque, cargadores de baterías y dispositivos SAI.

Las siguientes imágenes representan el comportamiento de la tensión (rojo) y de la corriente (azul) en un circuito CA con distintos tipos de cargas:
Carga resistiva	Carga inductiva - pasiva	Carga capacitiva - reactiva

Los vatios son la potencia real extraída por el equipo. La potencia nominal en vatios determina la potencia real que se compra a la compañía eléctrica, el diésel consumido por un generador o la carga de calor generada por el equipo.

Los voltiamperios son la “potencia aparente” y son el producto de la tensión por la corriente extraída por el equipo. Los voltiamperios nominales se usan para dimensionar el cableado, los disyuntores, los inversores y los generadores.

En un circuito CA puramente resistivo, las ondas de tensión y corriente van a la par (están en fase). Para calcular la corriente se puede usar esta fórmula:

En un sistema totalmente resistivo, el factor de potencia es 1. Cuando el circuito CA contiene cargas como inductores o condensadores, se produce un desplazamiento de fase entre las ondas de corriente y de tensión. Estas dos ondas ya no van a la par, ya no están en fase.

Mirando las ondas, si se calcula la potencia se puede ver que la potencia verdadera (W) es inferior a la aparente (VA).

Factor de potencia = 1

Factor de potencia = 0,7

Factor de potencia = 0

Si se conoce el factor de potencia se puede calcular la potencia aparente.

En general, un circuito de CA doméstico tiene un factor de potencia medio de 0,8. De modo que, para los cálculos generales, se puede usar 0,8 como factor de potencia.

Cargas no lineales:

Aún hay otro tipo de carga: la carga no lineal. Una explicación sencilla es que se trata de cargas que no cargan la onda sinusoidal entera por igual o que quizá usan solo una parte de la onda. La corriente extraída por una carga no lineal no tendrá forma de onda sinusoidal, aunque la carga esté conectada a una tensión de onda sinusoidal.

Ejemplo de carga no lineal: Solo se aplica parte de la tensión a la carga.

A menudo son cargas que contienen semiconductores, como diodos, tiristores o LED. Algunos ejemplos son las luces LED CA, los reguladores de la intensidad de la luz, las pistolas de calor, los rectificadores y ciertos dispositivos de arranque suave.

Cuando un inversor alimenta una carga no lineal, puede experimentar una situación de sobrecarga antes de lo esperado en función de la potencia nominal de la carga y del inversor.

6.4. Cableado CA

En una instalación doméstica o industrial, la electricidad que entra se divide en grupos, normalmente en un panel de distribución. El diámetro del cableado eléctrico de cada circuito CA (grupo) debe ajustarse a la máxima corriente esperada en ese circuito. Esto es para proteger las cargas conectadas y los cables eléctricos.

También puede haber caída de tensión y calentamiento en los cables de un circuito CA. Las caídas de tensión pueden dañar los aparatos conectados y calentar los cables y, en casos extremos, pueden llegar a provocar un incendio.

También es fundamental establecer buenas conexiones de cables. Unos cables mal conectados también pueden producir caídas de tensión y calentamiento. Utilice las orientaciones que se han proporcionado anteriormente.

No utilice cables CA rígidos:

Evite conectar el inversor/cargador a cables de hilos rígidos (como se muestra en la imagen de la derecha).

Los cables con hilos rígidos nos son adecuados para los conectores CA del inversor/cargador porque establecen un contacto insuficiente y existe riesgo de desconexión. Use cables con hilos finos y flexibles.

Cables CA rígidos que se han soltado.

Dimensiones de los cables:

La aplicación Victron Energy Toolkit dispone también de una opción para calcular el cableado CA para sistemas de 120, 240 y 400 VCA. Al usar la aplicación, el objetivo es seleccionar un tamaño de cable que permita que la caída de tensión se mantenga por debajo del 2,5 %.

Para los cálculos de cableado, puede usar cálculos similares a los del cableado CC, como ya se ha explicado. Pero tenga en cuenta que la regla general mencionada antes ya no sirve. Para el cableado de tensiones entre 200 y 400 VCA, use esta regla general:

La sección de núcleo necesaria en mm² se obtiene dividiendo la corriente nominal por 8.
Añada 1 mm² por cada 5 metros de longitud de cable.

Atención

Tenga en cuenta que la regla general puede no ajustarse a la normativa de cableado CA local. Solo pretende ser orientativa.

6.5. Fusibles y disyuntores CA

Los fusibles suelen ubicarse en el panel de distribución. Cada circuito (grupo) CA tiene su propio fusible. El fusible se ajusta a las dimensiones de la carga esperada y al grosor del cable.

El fusible protege de:

Sobrecarga - cuando pasa por el sistema más corriente de lo que puede esperarse en circunstancias normales.
Cortocircuito - cuando un conductor de fase entra en contacto con el neutro o con la toma de tierra por accidente.

Tradicionalmente, un fusible tiene un hilo que se derrite cuando lo atraviesa una corriente inaceptable. Cuando el hilo del fusible se derrite, el circuito eléctrico se rompe y ya no puede pasar más corriente por él.

Lo más habitual es usar disyuntores automáticos como protección frente a la sobrecorriente. Se llaman disyuntores miniatura (MCB). Este dispositivo tiene dos activadores que activan su mecanismo de apagado. Un activador térmico para pequeñas corrientes de sobrecarga de largo plazo, y uno magnético para corrientes elevadas de corta duración, como las corrientes de cortocircuito.

Hay MCB de tres tipos: B, C y D. Todos tienen las mismas características térmicas. Pero tienen diferentes niveles de corriente de cortocircuito.

El tipo B se desconecta a 5 In (5 corrientes nominales) y suele usarse como MCB doméstico.
El tipo C se desconecta a 10 ln y se usa para transformadores y lámparas fluorescentes.
El tipo D se desconecta a 20 ln y se usa para motores grandes, transformadores y lámparas de mercurio.

Cuando se produce una corriente de cortocircuito, con suficiente corriente, el MCB (B, C o D) se apaga en el transcurso de 100 ms.

6.6. Interruptor bypass CA

Se recomienda incorporar un bypass manual en los sistemas inversor/cargador. Esto es especialmente útil en sistemas críticos para la misión. Permite sortear el inversor/cargador y conectar la entrada de CA (red o generador) directamente a las cargas. Resultará imprescindible en caso de que el inversor/cargador necesite un cambio de configuración o si hay algún problema con el inversor/cargador y se conecta directamente la entrada CA (red eléctrica o generador), si es necesario retirarlo para arreglarlo.

La función de un interruptor bypass

Para crear el bypass deberán interrumpirse las rutas CA que entran y salen del inversor/cargador y deberá establecerse un circuito bypass por separado. El bypass ha de tener un valor nominal igual a la carga CA total del sistema.

El bypass manual puede montarse con dos interruptores de conmutación. Un ejemplo de interruptor de conmutación adecuado es el interruptor de conmutación Hager SF263 de dos polos con una posición descentrada.

Los siguientes diagramas muestran cómo están conectados los interruptores de conmutación en el sistema y las tres posibilidades de conmutación.

El inversor/cargador está conectado y el bypass está desconectado.

El inversor/cargador y el bypass están desconectados.

El inversor/cargador está desconectado y el bypass está conectado.

En caso de que se use un inversor/cargador de baja potencia, como el MultiPlus Compact o el MultiPlus 500 a 2000 VA, es fácil hacer un bypass manual del inversor/cargador. Solo tiene que quitar los enchufes negros de entrada y salida de CA del inversor/cargador e introducirlos uno en el otro.

Enchufes CA del MultiPlus Compact

6.7. Consideraciones especiales sobre el cableado CA de sistemas de inversor/cargador en paralelo

Se pueden conectar varios inversores/cargadores en paralelo para crear un inversor/cargador más grande. Cuando se conecta un sistema en paralelo a una fuente de alimentación CA, la longitud y el grosor de los cables CA es importante. A diferencia del cableado CC, para el cableado CA es importante que los cables no sean muy cortos ni muy gruesos. No es aconsejable sobredimensionar los cables de CA. El uso de cables CA demasiado gruesos tiene consecuencias negativas.

En un sistema en paralelo, todos los inversores/cargadores deben ser idénticos. Pero esto no siempre es así. Cada inversor/cargador tiene un contactor de entrada de CA interno. Estos contactores no son siempre idénticos, pueden tener pequeñas diferencias en sus resistencias internas en comparación con los otros. La pequeña diferencia en la resistencia puede hacer que la corriente CA se desvíe de una unidad a otra.

Ejemplo de cableado interno de un inversor/cargador.

En un sistema en paralelo, la corriente CA debe estar uniformemente distribuida entre todas las unidades de inversor/cargador en paralelo. Cuando la resistencia del cableado es muy baja, la pequeña diferencia en la resistencia de los contactores se convertirá en una diferencia relativamente grande. Y esto resultará en una distribución desigual de la corriente.

Un ejemplo exagerado:

Las unidades A y B están conectadas en paralelo. Se usa un cable muy grueso y corto de modo que la resistencia del cableado es muy baja. Pero las dos unidades tienen una pequeña resistencia interna (contactor CA). Véase la imagen de la derecha.

En este escenario, la resistencia total de la unidad A es 0,1 mΩ y la resistencia total de la unidad B es 0,2 mΩ.

De modo que la unidad A llevará el doble de corriente que la B.

Ahora, usamos las mismas unidades en paralelo, pero con cables más finos y más largos. Véase la imagen de la derecha. La resistencia total de la unidad A es 1,5 mΩ y la resistencia total de la unidad B es 1,6 mΩ. De este modo la distribución de la corriente es mucho mejor.

La unidad A solo llevará 1,066 veces más corriente que la unidad B.

Prevención de la distribución desigual de las corrientes CA:

Para evitar este problema, se recomienda usar cables CA largos, de longitud similar. Siga siempre las recomendaciones de longitud y grosor de los cables recogidas en el manual del producto. No aumente la sección de los cables de CA por encima de la recomendación del manual.

Por ejemplo:

La tolerancia a la caída de tensión de un contactor de inyección a la red de 100 A es de unos 20 mV a 100 A. La resistencia total del cable (entrada + salida) debe ser, por lo tanto, mayor de R = 60 mV/100 A = 6 mΩ.

Comprobación de la distribución uniforme de corrientes CA:

La mejor forma de comprobar si este tipo de problema de cableado está afectando a un sistema en paralelo es la siguiente:

Cargue el sistema por completo.
Mida (pinza amperimétrica) la corriente CA de cada una de las corrientes.
Compare las corrientes.

Las lecturas de corriente deberían ser muy similares. Si hay diferencias muy grandes, es que hay un problema con el cableado (o con una conexión).

Fusibles CA de cadenas en paralelo:

Cada unidad ha de tener un fusible independiente. Asegúrese de usar el mismo tipo de fusible en cada unidad para que la resistencia sea igual. Considere usar fusibles conectados mecánicamente.

Más información:

Para más información sobre sistemas paralelos y trifásicos, véase el manual de Paralelo y trifásica https://www.victronenergy.com/live/ve.bus:manual_parallel_and_three_phase_systems.

6.8. Rotación de fase en sistemas de inversor/cargador trifásicos

Rotación de fase:

Las 3 fases: L1, L2 y L3 de una fuente trifásica deben conectarse por orden numérico. Preste especial atención a la rotación de fase de la alimentación CA desde la red o desde un generador. Si se conecta en la rotación incorrecta, el sistema no aceptará la entrada de la red de suministro y solo funcionará en modo inversor. En este caso, cambie dos fases para corregirlo. Una forma rápida de arreglar la rotación de fase es cambiar dos fases al azar y ver si así el sistema del inversor acepta la CA de entrada.

Si se trata de un sistema móvil, es probable que en algún punto haya una conexión al generador o a la red con una rotación de fase mal conectada y el sistema de inversor/cargador rechazará la entrada y permanecerá en modo inversor, agotando así las baterías. Montar un interruptor de conmutación sencillo que pueda cambiar dos de las fases es una buena solución que arregla inmediatamente el problema de la rotación de fase, sin paralizar el proceso. Además de la conmutación manual, también existen dispositivos automáticos que pueden hacer esto.