Cómo calcular la potencia, la intensidad de corriente y el voltaje: principios y ejemplos de cálculo para condiciones domésticas

Los propietarios de apartamentos, casas particulares y otros objetos electrificados a menudo se enfrentan a la cuestión de determinar los valores de las magnitudes eléctricas básicas, ya que calcular la potencia a partir de la corriente admisible y el voltaje conocido, o resolver el problema inverso, no es muy sencillo.

La aplicación directa de la conocida ley de Ohm sin considerar las particularidades de las redes domésticas y los electrodomésticos puede llevar a un resultado incorrecto.

En este material, entenderemos qué es la potencia y explicaremos cómo calcular este indicador.

Conceptos básicos de las magnitudes

Los cálculos electrotécnicos se basan en relaciones bien conocidas entre la intensidad de corriente (I, Amperio), el voltaje (U, Voltio), la potencia (P, Vatio) y la resistencia (R, Ohmio). Los cálculos prácticos normalmente requieren conocer los valores de las primeras tres magnitudes.

Advertimos que las expresiones numéricas de las magnitudes enumeradas no son suficientes: se necesitan características adicionales que revelen el modo de consumo eléctrico.

Intensidad de la corriente eléctrica

El cálculo de la sección suficiente de los conductores y del valor nominal del interruptor automático para una rama específica de la red eléctrica se realiza según el valor de la intensidad de corriente máxima posible para ese tramo. Esto es necesario para prevenir la situación de incendio del cableado, que a menudo provoca un incendio.

Los parámetros de funcionamiento de los interruptores automáticos y los dispositivos de corriente residual se seleccionan según los requisitos normativos. Para determinar la sección transversal admisible de los conductores en función de la corriente máxima posible, es necesario utilizar la tabla proporcionada por el fabricante del producto, porque los cables suelen fabricarse según especificaciones técnicas (TU) y no según GOST.

Teniendo el mismo marcado, los cables fabricados según GOST (izquierda) y según TU (derecha) se diferencian tanto visualmente como en sus características principales.

Dado que la intensidad de la corriente eléctrica se puede calcular a partir de la potencia consumida por los aparatos y el voltaje de la red, es necesario determinar correctamente los valores de estos dos indicadores.

Voltaje en las redes domésticas

Muchos propietarios de apartamentos consideran que el voltaje estándar en la fase para uso doméstico es aproximadamente 220 V. En la mayoría de los casos esto es cierto. Aunque según el GOST 29322-2014 a partir del 01.10.2015 dentro de la Federación Rusa debería haber ocurrido la transición a un sistema de 230 V compatible con los países de la CEE.

Una desviación del 5% del estándar es aceptable por cualquier período, y del 10% durante un período que no exceda 1 hora. Así, según las reglas antiguas, el valor del voltaje puede oscilar entre 198 y 242 V, y según el GOST actual, entre 207 y 253 V.

También hay casos en los que el voltaje en la red está considerablemente por debajo del valor normativo durante un tiempo prolongado. Esta situación ocurre cuando la potencia total de los electrodomésticos conectados a la rama es mucho mayor de lo planificado y al encender la mayoría de ellos se produce una “caída de red”.

Este problema surge en el área de responsabilidad de las organizaciones encargadas del suministro de electricidad, y está relacionado con la sobrecarga de los transformadores de distribución, el desgaste de las subestaciones o la sección insuficiente de los cables.

El voltaje de entrada reducido no solo conduce al cambio del parámetro de intensidad de corriente y a la posible activación de la protección, sino también a la rápida avería de los electrodomésticos que contienen motores asíncronos o electrónica compleja.

Para determinar el valor del voltaje real, es necesario realizar mediciones periódicas con un voltímetro. Si los indicadores “fluctúan” mucho, es necesario utilizar un estabilizador o un convertidor más costoso con función de acumulador de energía.

Matices en el concepto de potencia de los electrodomésticos

Todos los dispositivos que consumen electricidad tienen un parámetro como la potencia. Cuanto mayor es este indicador, más energía extrae el dispositivo del circuito.

En total, existen tres tipos de potencia:

• Activa (P). Caracteriza la velocidad de conversión de la energía eléctrica en otro tipo, por ejemplo, electromagnético o térmico. Se debe tener en cuenta al calcular los costos irreversibles de la energía eléctrica y, por lo tanto, el costo de funcionamiento del dispositivo. Unidad de medida – W.
• Reactiva (Q). Caracteriza la energía que llega desde la fuente (transformador) a los elementos reactivos del consumidor (condensadores, devanados del motor), pero luego prácticamente de inmediato regresa a la fuente. Unidad de medida – W o var (descifrado – voltio-amperio reactivo).
• Total (S). Caracteriza la carga que el consumidor impone a los elementos del circuito. Se utiliza al calcular el área de la sección transversal del cable y seleccionar el valor nominal de los disyuntores, es decir, el cálculo de la intensidad de corriente se realiza según la potencia total de todos los electrodomésticos conectados al circuito. Unidad de medida – W o V*A (V*A – voltios amperios).

Todos estos parámetros se pueden recalcular a través del ángulo de desfase, que surge entre el vector de tensión y la corriente (f):

P = S * cos(f);

Q = S * sin(f);

S² = P² + Q².

Entre los dispositivos domésticos cuya potencia aparente puede superar significativamente a la potencia activa se incluyen refrigeradores, lavadoras, lámparas fluorescentes y algunas lámparas de bajo consumo, así como módulos de electrónica de potencia.

En los motores generalmente se indican la potencia activa y el factor (de potencia). En este caso, la potencia aparente se calcula así: S = P / cos(f) = 750 / 0.78 = 962 W

Existe también el concepto de potencia pico o de arranque. El caso es que para acelerar los motores se requiere mucho más esfuerzo que para mantener su rotación. Por lo tanto, al encender aparatos como un refrigerador o una lavadora se produce un pico breve de carga en el tramo del circuito.

Las corrientes de arranque pueden ser varias veces superiores a las corrientes de trabajo. Al calcular la sección de los cables y seleccionar la capacidad nominal del interruptor automático, se debe tener esto en cuenta.

Para ello, es necesario identificar el aparato con la mayor diferencia entre la potencia de arranque y la potencia de trabajo y sumar dicha diferencia al valor total. Las corrientes de arranque de los demás dispositivos se pueden ignorar, ya que la probabilidad de que varios consumidores activen sus motores simultáneamente es prácticamente nula.

Relaciones lineales y de fase

Actualmente se ha generalizado la práctica de conectar instalaciones domésticas a redes eléctricas trifásicas.

Esto se justifica por las siguientes razones:

• Consumo significativo de energía eléctrica. En este caso, la instalación de una red monofásica de gran potencia sería muy poco racional debido a la gran sección del cable y la alta intensidad de material del transformador.
• Presencia de aparatos que funcionan con tres fases. La implementación del esquema de conexión de dicho dispositivo a un circuito monofásico no es muy sencilla y conlleva interferencias que surgen, por ejemplo, al arrancar un motor asíncrono.

Existen dos formas de conectar aparatos trifásicos – “estrella” y “triángulo”.

Esquemas básicos de transmisión de energía eléctrica por tres fases. Los nombres “estrella” y “triángulo” se deben a su semejanza geométrica con dichos objetos.

En circuitos tipo “estrella”, las corrientes de línea y de fase son idénticas, y la tensión de línea es 1,73 veces mayor que la tensión de fase:

I_l = I_f;

U_l = 1.73 * U_f.

Esta fórmula explica la conocida relación de tensiones para redes domésticas e industriales de baja tensión de frecuencia 50 Hz: 220 / 380 V (según el nuevo GOST: 230 / 400 V).

En la conexión tipo triángulo, por el contrario, la tensión coincide y las corrientes de línea son mayores que las de fase:

I_l = 1.73 * I_f;

U_l = U_f.

Estas fórmulas solo se pueden aplicar con una carga simétrica de las fases. Si el consumo de corriente en los cables es diferente (receptor asimétrico), los cálculos se realizan utilizando las reglas del álgebra vectorial, y la corriente de compensación resultante se equilibra mediante el conductor neutro. Sin embargo, en redes con electrodomésticos conectados, estos casos son poco frecuentes.

Interrelación de las magnitudes básicas

La tarea más común que enfrentan los consumidores comunes consiste en calcular la intensidad de corriente real. ¿Cómo calcular correctamente el amperaje a partir de los valores conocidos de tensión y potencia? Es necesario resolverlo al justificar los valores de la sección de los conductores y la capacidad nominal del disyuntor, teniendo información técnica sobre los dispositivos que se conectarán a este circuito.

Después de calcular la intensidad de corriente, a menudo se eligen cables con la sección transversal mínima permitida. Sin embargo, esto no siempre es correcto, ya que dicha decisión conduce a limitaciones significativas cuando es necesario agregar nuevos electrodomésticos a la red.

A veces es necesario realizar cálculos inversos y determinar qué potencia total se puede conectar a los dispositivos con una tensión conocida y una intensidad de corriente máxima permitida, limitada por el cableado existente.

Se pueden resolver estas dos tareas para un circuito monofásico con una fórmula sencilla:

I = S / U;

S = U * I,

donde S es la potencia total aparente de todos los consumidores eléctricos.

El diagrama circular que refleja la ley de Ohm y expresa la dependencia de la potencia, la intensidad de corriente, la tensión y la resistencia es adecuado para calcular los parámetros de un circuito monofásico.

Para resolver la tarea de calcular la intensidad de corriente a partir de valores conocidos o calculados de potencia y tensión en un circuito trifásico, es necesario conocer la carga total aplicada a cada fase.

Tanto la sección necesaria de los conductores del cable como la capacidad nominal mínima permitida del disyuntor se seleccionan según la línea más cargada, considerando que:

S = 3 * max{S₁, S₂, S₃}.

I = S / (U * 1.73).

La potencia admisible para cada una de las fases se puede calcular con la siguiente fórmula:

S_1,2,3 < S / 3 = I * U / 1.73,

donde I es la intensidad de corriente máxima admisible para el cableado existente.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Cálculo de la intensidad de corriente a partir de la potencia para seleccionar la sección del cable:

Determinación de la potencia consumida por grupos de electrodomésticos en el ejemplo de una casa particular:

El cálculo de la intensidad de corriente para determinar los parámetros del cableado o la determinación de la potencia admisible en un circuito existente se puede realizar por sí mismo. Para resolver correctamente la tarea planteada, es necesario tener en cuenta los matices que surgen en la práctica, y no solo utilizar las fórmulas conocidas que funcionan en condiciones “ideales”.

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