Fundamentos de electrotecnia: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 16 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Resistencias en serie y en paralelo

Resistencias en serie
Req = R1 + R2 + …
Resistencias en paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dos en paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ley de Ohm
V = I·R
Potencia
P = V·I = I²R = V²/R

Método

  1. Empieza por el extremo de la red más alejado de los terminales.
  2. Combina las resistencias en serie sumándolas, y las resistencias en paralelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Vuelve a dibujar el circuito después de cada paso.
  4. Repite hasta que quede una sola resistencia entre los terminales.

Análisis nodal

Ley de corrientes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corriente de rama
I = (Va − Vb)/R
Nodo de referencia
Vground = 0

Método

  1. Elige un nudo de referencia (tierra) y nombra las tensiones de los demás nudos.
  2. Aplica la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nudo desconocido: las corrientes que salen por cada rama igualan a las que entran.
  3. Expresa cada corriente de rama como (Va − Vb)/R.
  4. Resuelve el sistema de ecuaciones y luego halla la corriente que necesites.

Thévenin y Norton

Tensión de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistencia de Thévenin
Rth: todas las fuentes apagadas, vista desde a–b
Corriente de Norton
IN = Vth/Rth
Corriente en la carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferencia de potencia
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Método

  1. Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
  2. Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
  3. Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
  4. Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
  5. Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.

Transitorios RC y RL

Constante de tiempo
τ = RC | τ = L/R
Respuesta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensador en continua
circuito abierto; vC no puede saltar
Bobina en continua
cortocircuito; iL no puede saltar
Régimen permanente
t ≈ 5τ

Método

  1. Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
  2. Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
  3. Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impedancia y fasores en alterna

Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z

Método

  1. Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
  2. Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
  3. Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
  4. Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.

Potencia en alterna y factor de potencia

Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Potencia trifásica

Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η

Transformadores

Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2Problemas de práctica

1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​3 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBIs​2,5 A

Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 25 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​5 V

Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.

V1 = 10 VIs = 0,5 AV2 = 5 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 Ω
IR1 = A
5.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
6.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab

Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
7.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 47 ΩL220 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. ¿Cuánto tiempo después de cerrar el interruptor alcanza la corriente el 75 % de su valor final? Halla t.

Vs = 6 VR = 47 ΩL = 220 mH
t = ms
8.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C47 µF+−vC​

Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 9 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 7,2 V, exactamente 1000 ms después del inicio. Con C = 47 µF, halla la resistencia R necesaria.

Vs = 9 VVth = 7,2 VT = 1000 msC = 47 µF
R = kΩ
9.Impedancia y fasores en alternaMedia
100 V500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la potencia activa P que se toma de la alimentación.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µF
P = W
10.Impedancia y fasores en alternaDifícil
12 Vf0​R = 5 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 12 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 12 V (rms)R = 5 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
VL = V
11.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VR + jXP = 585 W6,5 A

Una carga inductiva consume 6,5 A y 585 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.

V = 120 VI = 6,5 AP = 585 W
X = Ω
12.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
100 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Una fuente de 100 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 50 + j40 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 100 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j40 Ω
Pmax = W
13.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VZ = 3 + j4 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 3 + j4 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 208 VZ = 3 + j4 Ω por fase
P = kW
14.Potencia trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 75 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformadoresMedia
5 Ω31

Se conecta una resistencia de 5 Ω en el devanado secundario de un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 3:1. Halla la resistencia R1′ vista desde el devanado primario.

N1:N2 = 3:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
16.TransformadoresDifícil
pf 0,9550 kVA, 75% carga

Un transformador monofásico de 50 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 250 W y unas pérdidas en el cobre de 500 W a carga nominal. Suministra el 75 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,95 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 500 Wx = 0,75pf = 0,95
Ploss = W

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 5,913 Ω

Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.

R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​3 ΩB

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.

R3 + R4 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 5·18/(5+18) = 3,913 Ω
Req = R1 + 3,913 = 2 + 3,913 = 5,913 Ω

Respuesta

Req = 5,913 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 17,99 Ω

Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.

R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​3 Ω

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.

R5 + R6 = 15 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 3,913 Ω
R3 + 3,913 = 11,91 Ω
R2 ∥ 11,91 = 2,995 Ω
Req = R1 + 2,995 = 15 + 2,995 = 17,99 Ω

Respuesta

Req = 17,99 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,2679 A

Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBIs​2,5 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 15 V). Incógnitas: VA, VB.

LCK en el nodo A

Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0,3833·VA − 0,25·VB = 1,25

LCK en el nodo B

Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/4 = 2,5
−0,25·VA + 0,4167·VB = 2,5

Resuelve

Δ = (0,3833)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,09722
VA = Δ1/Δ = 1,146/0,09722 = 11,79 V
VB = Δ2/Δ = 1,271/0,09722 = 13,07 V

Respuesta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 11,79)/12 = 0,2679 A
4.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,3465 A

Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.

R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A+−V2​5 V

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 10 V, V2 = 5 V). Incógnitas: VA, VB.

LCK en el nodo A

Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/2 + (VA − 10)/25 + (VA − VB)/5 = 0
0,74·VA − 0,2·VB = 0,4

LCK en el nodo B

Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/5 + (VB − VA)/5 + (VB − 5)/5 = 0,5
−0,2·VA + 0,6·VB = 1,5

Resuelve

Δ = (0,74)(0,6) − (−0,2)(−0,2) = 0,404
VA = Δ1/Δ = 0,54/0,404 = 1,337 V
VB = Δ2/Δ = 1,19/0,404 = 2,946 V

Respuesta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 1,337)/25 = 0,3465 A
5.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 1,731 A

Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​6 ΩAabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.

R1 ∥ R2 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 2 = 4,727 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

Con a–b abiertos, no circula corriente por R₃, así que no hay caída en ella y V_b = V_A. R₁ y R₂ forman un divisor de tensión.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·6/(5+6) = 8,182 V
IN​1,731 ARth​4,727 Ωab

Equivalente de Norton

Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.

IN = Vth/Rth = 8,182/4,727 = 1,731 A
6.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 2,901 A

Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.

R1​ = 2 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​25 ΩAABIERTOBabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.

R1 ∥ R2 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,852 + 12 = 13,85 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

Con a–b abiertos, el único camino para Iₛ es por R₃ hacia el nodo A. Halla V_A por superposición de V₁ e Iₛ y luego suma la caída en R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,556 + 2,5·1,852 = 10,19 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 10,19 + 2,5·12 = 40,19 V
IN​2,901 ARth​13,85 Ωab

Equivalente de Norton

Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.

IN = Vth/Rth = 40,19/13,85 = 2,901 A
7.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 6,489 ms

Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.

Constante de tiempo y corriente final

Mucho después de cerrar el interruptor la bobina se comporta como un cortocircuito, así que la corriente final la fija solo R.

τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A

Despeja el tiempo

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −4,681·ln(0,25) = 6,489 ms

Respuesta

t = 6,489 ms
8.Transitorios RC y RL

Respuesta: R = 13,22 kΩ

Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.

Constante de tiempo necesaria

7,2 = 9·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(9/(9 − 7,2))
τ = 1000/1,609 = 621,3 ms

Resistencia

kΩ por µF da milisegundos.

R = τ/C = 621,3/47 = 13,22 kΩ

Respuesta

R = 13,22 kΩ
9.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: P = 7,759 W

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Reactancias

XL = 314,2 Ω, XC = 3,183 Ω

Impedancia

|Z| = √(80² + (311)²) = 321,1 Ω

Potencia activa

Las bobinas y los condensadores solo almacenan y devuelven energía; la resistencia absorbe toda la potencia activa.

I = 100/321,1 = 0,3114 A
P = I²·R = 0,3114²·80 = 7,759 W

Respuesta

P = 7,759 W
10.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 350,1 V

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Resonancia

En resonancia las reactancias se anulan, así que la impedancia es simplemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·0,47·10⁻⁶) = 14586 rad/s
I = V/R = 12/5 = 2,4 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 14586·0,01 = 145,9 Ω
VL = I·XL = 2,4·145,9 = 350,1 V

Respuesta

VL = 350,1 V

Esto es Q = 29,17 veces la tensión de alimentación.

11.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: X = 12,21 Ω

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 585/6,5² = 13,85 Ω

Reactancia a partir de la impedancia

|Z| = V/I = 120/6,5 = 18,46 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(18,46² − 13,85²) = 12,21 Ω

Respuesta

X = 12,21 Ω
12.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 50 W

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Adaptación conjugada

La reactancia de la carga anula la reactancia de la fuente, y la resistencia de la carga es igual a la resistencia de la fuente.

ZL = Zs* = 50 − j40 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 100/100 = 1 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·50) = 50 W

Respuesta

Pmax = 50 W
13.Potencia trifásica

Respuesta: P = 15,58 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tensión de fase

Vph = VL = 208 V

Corriente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 208/5 = 41,6 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·41,6²·3 = 15,58 kW

Respuesta

P = 15,58 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

14.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 403,7 µF

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 72,46 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 24152/(377·398,4²) = 403,7 µF

Respuesta

Cph = 403,7 µF
15.Transformadores

Respuesta: R1′ = 45 Ω

Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.

Resistencia referida

La tensión sube en un factor a y la corriente baja en un factor a, así que el cociente V/I sube en un factor a².

R1′ = a²·RL = 3²·5 = 45 Ω

Respuesta

R1′ = 45 Ω
16.Transformadores

Respuesta: Ploss = 531,3 W

Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.

Pérdidas en el cobre con esta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·500 = 281,3 W

Pérdidas totales

Las pérdidas en el hierro son las mismas con cualquier carga.

Ploss = 250 + 281,3 = 531,3 W

Respuesta

Ploss = 531,3 W

El rendimiento con esta carga es η = 98,53%.

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