Calculadora de dimensionamiento de alimentador y protección para UPS entrada AC

Calculadora para dimensionamiento preciso de alimentador y protección de UPS en entrada AC industrial segura.

Guía técnica con fórmulas, tablas y ejemplos para cumplir normativas internacionales y especificaciones eléctricas detalladas.

Alcance y factores críticos del dimensionamiento

El dimensionamiento del alimentador y la protección en la entrada AC de un UPS requiere evaluar parámetros eléctricos y normativos que garanticen continuidad, selectividad y seguridad. Los factores a considerar incluyen la potencia nominal del UPS, factor de potencia, eficiencia, corrientes de arranque y armónicos; además de condiciones de instalación como temperatura ambiente, agrupamiento de cables y longitud del alimentador.

Variables principales que afectan la elección

• Potencia aparente del UPS (kVA) y potencia activa (kW) según PF.
• Tensión nominal de entrada (monofásica 230 V o trifásica 400 V típicamente).
• Corriente de carga nominal y picos de arranque/inrush.
• Pérdida de tensión admisible y impedancia de línea.
• Capacidad de cortocircuito disponible en la barra y coordinación de protecciones.
• Temperatura ambiente y factor de corrección para conductores.
• Normativas aplicables (IEC 62040, IEC 60364, NFPA 70/NEC, etc.).

Fórmulas fundamentales y explicación de variables

Se presentan las ecuaciones básicas usadas en la calculadora para determinar corrientes, caída de tensión y dimensionamiento de conductores.

Corriente nominal en alimentación

Monofásica:

• I = corriente en amperios (A)
• P = potencia activa en vatios (W). Para UPS, P = kVA × PF.
• V = tensión de línea en voltios (V) (ej. 230 V)
• PF = factor de potencia (típico UPS moderno PF ≈ 0.9–1.0)

Trifásica (sistema balanceado):

• P = potencia activa total (W)
• V = tensión línea-línea (V) (ej. 400 V)
• sqrt(3) representa raíz de tres ≈ 1.732

Caída de tensión

Monofásica (circuito de ida y vuelta):

• ΔV = caída de tensión en voltios (V)
• I = corriente en A
• R = resistencia del conductor por unidad de longitud (Ω/m o Ω/km)
• L = longitud del conductor en metros (m) (distancia entre fuente y carga, una sola dirección)

Trifásica (aproximación para conductor predominantemente resistivo):

• La fórmula completa incluye componente reactiva: ΔV = sqrt(3) * I * (R * cosφ + X * sinφ) * L
• X = reactancia por unidad de longitud y φ = ángulo de carga (relacionado con PF)

Comprobación de ampacidad y factor de corrección

Seleccionar sección de conductor tal que:

I ≤ Iz × Ca × Cg × Ct

• Iz = corriente admisible del conductor (ampacidad) según fabricante/tabla
• Ca = factor por condición de agrupamiento
• Cg = factor por tipo de instalación (enterrado, bandeja, etc.)
• Ct = factor por temperatura ambiente

Tablas de referencia: ampacidades y resistencias (valores típicos)

Las siguientes tablas ofrecen valores de referencia ampliamente usados para cálculo inicial. Verifique tablas oficiales y correcciones según normativa aplicable y condiciones concretas de instalación.

Protecciones en la entrada AC del UPS

Las protecciones deben garantizar la seguridad, permitir la operación normal del UPS (incluyendo picos de arranque) y coordinar la selectividad con protecciones upstream y downstream.

Tipos de dispositivos y criterios de selección

• Fusibles (HRC/gG): buena capacidad de ruptura, selectividad con fusibles de respaldo; elegir tipo y curvas según inrush.
• MCCB/Interruptores automáticos: permiten disparo térmico-magnético ajustable; útiles en potencias medias y grandes.
• Interruptores con ajuste de retardo/inrush: para tolerar corrientes de arranque de rectificadores del UPS.
• Disyuntores diferenciales y RCD: protección adicional para fallas a tierra según normativa local.
• Relés de protección y seccionadores: para coordinación y mantenimiento seguro.

Dimensionamiento del dispositivo de protección

1. Calcular corriente nominal del UPS (Ical) según fórmulas anteriores.
2. Seleccionar corriente nominal del interruptor/fusible (In) teniendo en cuenta la corriente de arranque y la capacidad de disparo: In ≈ 1.25·Ical es un punto de partida para cargas continuas según algunas normativas. Ver especificaciones del fabricante.
3. Verificar que la capacidad de ruptura del dispositivo (Icu) sea mayor que la corriente de cortocircuito presumible en el punto de instalación.
4. Ajustar disparo magnético para permitir picos de inrush (rectificador) sin disparos intempestivos pero manteniendo protección selectiva.
5. Coordinar curvas tiempo-corriente con protecciones upstream para selectividad.

Consideraciones de compatibilidad y armónicos

El rectificador del UPS genera armónicos que afectan la corriente de entrada y la carga térmica del conductor. Para instalaciones críticas:

• Evaluar distorsión armónica total (THDi) del UPS y aplicar factor de corrección para calentamiento del conductor.
• Usar filtros de entrada o transformadores K-factor si la THDi es alta y el transformador o conductor lo requieren.
• Verificar compatibilidad de interruptores y transformadores con carga no lineal.

Procedimiento paso a paso para usar la calculadora

1. Ingrese potencia nominal del UPS (kVA) y factor de potencia (PF).
2. Seleccione configuración (monofásica o trifásica) y tensión de entrada.
3. Ingrese longitud del alimentador y sección provisional del conductor o deje que la calculadora proponga una.
4. Defina temperatura ambiente y condiciones de agrupamiento para aplicar factores de corrección.
5. Establezca límite de caída de tensión máximo admisible (por ejemplo 3% para cargas críticas).
6. La calculadora devolverá: corriente nominal, caída de tensión para distintas secciones, sección mínima por ampacidad y sección mínima por caída de tensión, y recomendaciones de protección.

Ejemplo 1: UPS monofásico 5 kVA en oficina (desarrollo completo)

Datos de partida:

• Potencia nominal UPS: 5 kVA
• Factor de potencia PF: 0.9 (según ficha técnica)
• Tensión de entrada: 230 V monofásica
• Longitud de alimentador: 20 m (desde distribución hasta UPS)
• Temperatura ambiente: 30 °C
• Límite de caída de tensión admisible: 3% de 230 V → 6.9 V

Cálculo corriente nominal:

Selección inicial de conductor por ampacidad:

• De la tabla, 2.5 mm² Iz ≈ 25 A → cumple Iz > I (19.57 A)
• Aplicar factor de corrección por temperatura 30 °C (si la tabla Iz es para 30 °C puede no requerir corrección). Asumimos Iz disponible = 25 A, seguro.

Comprobación de caída de tensión (monofásica):

Porcentaje ΔV% = (5.80 / 230) * 100 ≈ 2.52% → está por debajo del 3% límite.

Protección recomendada:

• Corriente nominal real ≈ 20 A → seleccionar protección 25 A o 32 A según curva. Para permitir inrush del rectificador, un MCB 32 A tipo C o un fusible gG 25–32 A retardo puede ser adecuado.
• Verificar capacidad de ruptura del panel y coordinar selectividad con upstream.

Resultado y decisión:

• Sección seleccionada: 2.5 mm² (cumple ampacidad y caída de tensión)
• Protección: MCB 32 A tipo C con ajuste y curva apropiada / fusible 25–32 A según recomendación del fabricante del UPS.
• Añadir protección diferencial si la normativa local lo exige.

Ejemplo 2: UPS trifásico 100 kVA para centro de datos (desarrollo completo)

Datos de partida:

• Potencia nominal UPS: 100 kVA
• Factor de potencia PF: 0.95 (UPS moderno)
• Tensión de entrada: 400 V trifásica
• Longitud del alimentador: 40 m
• Temperatura ambiente: 35 °C
• Límite de caída de tensión admisible: 1.5% para la entrada crítica del UPS (requisito del cliente)

Cálculo corriente nominal:

Selección inicial de conductor por ampacidad:

• De la tabla, 35 mm² Iz ≈ 125 A (insuficiente).
• 50 mm² Iz ≈ 150 A → supera 137.1 A. Pero hay que aplicar correcciones por temperatura y agrupamiento.
• Supongamos factor de corrección por 35 °C = 0.94 y por agrupamiento (uno solo en bandeja) = 1.0 → Iz corregida para 50 mm² = 150 A * 0.94 = 141 A > 137.1 A → cumple por ampacidad.

Comprobación de caída de tensión (trifásica):

Porcentaje ΔV% = (3.67 / 400) * 100 ≈ 0.92% → cumple con margen frente a 1.5% requerido.

Verificación adicional: Armónicos y calentamiento

• Si el UPS tiene THDi alto (>10–20%), aplicar factor de corrección adicional para calentamiento de conductores; por ejemplo multiplicar corriente efectiva por 1.1–1.3 según THDi.
• Si THDi conduce a Iefectiva = 137.1 * 1.15 ≈ 157.7 A → en ese caso 50 mm² ya no sería suficiente; considerar 70 mm² (Iz ≈ 200 A) y repetir cálculos.

Protección recomendada:

• Corriente nominal I ≈ 137 A. Seleccionar un MCCB o fusible con In ≈ 1.25·I = 171 A como referencia, siempre según fabricante (muchos fabricantes recomiendan no exceder cierto porcentaje del In nominal para garantizar protección del UPS y arranques).
• Recomendación práctica: usar un interruptor motorizado/MCCB 160 A con ajuste térmico y disparo magnético ajustado para tolerar inrush, o fusible de 160–200 A con curva coordinada.
• Comprobar capacidad de ruptura mínima y cortocircuito disponible en barra; si Icc es alto, el interruptor debe tener capacidad adecuada.

Resultado y decisión:

• Sección elegida inicialmente: 50 mm² si no hay armónicos significativos. Si THDi > 15% considerar 70 mm².
• Protección: MCCB 160–200 A con ajuste y coordinación de curvas. Incluir relé de protección y medición de energía/armónicos.
• Implementar filtro de entrada o transformador K-factor si necesario para limitar THDi.

Verificación de cortocircuito y coordinación

Antes de finalizar la selección, es obligatorio verificar la corriente máxima de cortocircuito disponible en el punto de acoplamiento y asegurar que el dispositivo de protección seleccionado soporte y corte la corriente. Se deben revisar curvas tiempo-corriente y coordinar selectividad con protecciones aguas arriba.

• Calcular Icc en el punto según impedancia de la red (o solicitar dato al distribuidor).
• Asegurar que Icu del dispositivo de protección > Icc mínimo esperado.
• Realizar estudio de selectividad (time-current coordination) entre fusibles, MCCBs y protecciones del transformador.

Consideraciones prácticas de instalación

• Minimizar longitud de alimentador del UPS para reducir caída de tensión y exposición a ruido eléctrico.
• Usar conductores de cobre para reducir pérdidas y mejorar capacidad de corriente; emplear aluminio solo con diseño y terminales apropiados.
• Evitar agrupamiento excesivo sin ajustar factores de corrección; separar cables de potencia y control/voz-datos.
• Documentar curvas de disparo, configuraciones y ajustes de los dispositivos para mantenimiento y auditoría.
• Coordinar con el fabricante del UPS: muchos fabricantes especifican fusible máximo recomendado y reglas para inrush.

Referencias normativas y recursos de autoridad

Consulte siempre las normas y guías oficiales para verificación final y cumplimiento legal. A continuación enlaces de referencia técnica y normativa:

• IEC 62040 — Sistemas UPS: https://www.iec.ch (buscar serie IEC 62040 para requisitos generales y ensayo)
• IEC 60364-5-52 — Selección y montaje de cables: https://www.iec.ch
• NFPA 70 (NEC) — National Electrical Code (Estados Unidos): https://www.nfpa.org/NEC
• IEEE Std 1100 — Recomendaciones de buena práctica para sistemas de alimentación eléctrica: https://www.ieee.org
• Manufacturers application notes: Schneider Electric, Eaton, ABB — buscar guías de instalación de UPS y recomendaciones de protección en sus sitios oficiales.

Documentos útiles adicionales

• Guía de instalación y mantenimiento del fabricante del UPS (obligatoria para parámetros inrush y límites de fusible).
• Tablas de pérdidas y resistencias del cable según fabricante (datos para cálculo de caída de tensión).
• Informes de factor K y THDi para cargas no lineales.

Buenas prácticas y checklist final antes de puesta en servicio

1. Revisar ficha técnica del UPS para valores nominales, corriente de arranque y recomendaciones de protección.
2. Verificar cálculo de caída de tensión y seleccionar sección que cumpla tanto ampacidad como caída.
3. Confirmar capacidad de ruptura y ajuste de disparo de dispositivos de protección.
4. Evaluar armónicos y decidir necesidad de filtros o transformadores especiales.
5. Comprobar coordinación selectiva con protecciones upstream mediante curvas tiempo-corriente.
6. Documentar los cálculos, planos y configuraciones para mantenimiento y auditoría.

Resumen operativo de la calculadora y recomendaciones

Una calculadora de dimensionamiento para alimentador y protección de UPS debe entregar: corriente nominal, sección mínima por ampacidad, sección mínima por caída de tensión, recomendaciones de protección y alertas por armónicos o condiciones especiales. Las decisiones finales deben consolidarse con datos reales de red (Icc), ficha técnica del UPS y tablas normativas locales.

Recomendaciones generales:

• Priorizar conductores de cobre para circuitos críticos y evitar subdimensionar por economia inicial.
• Para cargas críticas, restringir caída de tensión a valores menores (1–2%) y considerar redundancia N+1 en alimentación si es necesario.
• Coordinar con el fabricante del UPS y el diseñador de la instalación eléctrica para validar protecciones y puesta en servicio.

Preguntas frecuentes técnicas

¿Cómo afecta el factor de potencia al cálculo?

El factor de potencia reduce la componente activa de la potencia: cuanto menor el PF, mayor la corriente para la misma kVA. Por eso siempre usar P (W) = kVA × PF para cálculo de corriente.

¿Cuándo es necesario aumentar la sección por armónicos?

Si la THDi del UPS provoca sobrecalentamiento del conductor, la corriente eficaz aumenta respecto a la RMS fundamental. En esos casos aplique factores de corrección basados en mediciones o en la THDi reportada por el fabricante.

¿Qué tipo de protección es preferible: fusible o MCCB?

Depende de la potencia y coordinación: fusibles HRC suelen proporcionar mayor capacidad de corte y selectividad, MCCB ofrece ajuste y reapertura rápida. En sistemas grandes suele combinarse ambos para lograr selectividad y protección de servicio.

Notas finales y advertencias técnicas

Los cálculos presentados son guías técnicas y ejemplos ilustrativos. Para diseño definitivo, utilice tablas oficiales de ampacidad, datos exactos de resistividad y consulta normativa local. Realice estudio de cortocircuito y coordinación por personal cualificado y pruebe la instalación conforme a las pruebas de puesta en servicio del fabricante del UPS.

Si necesita, puedo generar una hoja de cálculo con las fórmulas y tablas adaptadas a su proyecto (ingrese potencia, tensión, longitud, PF, THDi y condiciones de instalación).