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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBR6​6 Ω

Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Análisis nodalMedia
R1​2 Ω+−V1​30 VR2​15 Ω+−V2​15 VR3​2 Ω+−V3​6 VI3​A

Hay tres ramas conectadas entre el nodo A y tierra, como se muestra. Usa el análisis nodal para hallar la corriente I3 en la rama 3, que sube hacia el nodo A en el sentido de la flecha.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩV2 = 15 VR2 = 15 ΩV3 = 6 VR3 = 2 Ω
I3 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBIs​?

La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 6 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩVA = 6 V
Is = A
5.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAab

Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.

V1 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
6.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABRL​20 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 20 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 6 VIs = 0,5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 20 Ω
PL = W
7.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 kΩC220 µF+−vC​

La fuente Vₛ carga el condensador a través de R₁, y R₂ está conectada en paralelo con C. El condensador está descargado cuando el interruptor se cierra en t = 0. Halla la tensión del condensador vC en t = 120 ms.

Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 120 ms
vC = V
8.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​10 Vse abre en t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 4,7 kΩC22 µF+−vC​

El interruptor lleva mucho tiempo cerrado, así que el circuito está en régimen permanente. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la tensión del condensador vC en t = 50 ms.

Vs = 10 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 50 ms
vC = V
9.Impedancia y fasores en alternaMedia
50 V100 HzR = 40 ΩC = 100 µFI

Una resistencia y un condensador están conectados en paralelo a una alimentación de 50 V (eficaces) y 100 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩC = 100 µF
φ = °
10.Impedancia y fasores en alternaDifícil
120 V200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF+−VC​

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 120 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF
VC = V
11.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 9 kWQSφ

Un motor monofásico consume 9 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la corriente de línea I.

P = 9 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
12.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
120 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Una fuente de 120 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 4 + j10 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. La carga para máxima potencia está formada por una resistencia en serie con un condensador. Halla la capacidad C.

Vs = 120 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j10 Ω
C = µF
13.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VNZ = 24 + j7 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 24 + j7 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 400 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 400 VZ = 24 + j7 Ω por fase
P = kW
14.Potencia trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformadoresMedia
RL​ = 4 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 4:1 se le aplican 480 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 4 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.TransformadoresDifícil
pf 0,85150 kVA, 75% carga

Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 750 W y unas pérdidas en el cobre de 1875 W a carga nominal. Suministra el 75 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,85 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1875 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 1,316 A

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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​8 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 4 + 2,609 = 6,609 Ω

Corriente de la fuente

La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.

IR1 = V1/Req = 10/6,609 = 1,513 A

Corriente por R₂

Resta la caída en R₁ para obtener la tensión en el nodo A, que es la tensión en R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,513·4 = 3,947 V
IR2 = VA/R2 = 3,947/3 = 1,316 A

Respuesta

IR2 = 1,316 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 0,3143 A

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​ = 5 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBR6​6 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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 7,826 Ω
R3 + 7,826 = 12,83 Ω
R2 ∥ 12,83 = 4,088 Ω
Req = R1 + 4,088 = 15 + 4,088 = 19,09 Ω

Corriente de la fuente

La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.

IR1 = V1/Req = 6/19,09 = 0,3143 A

Respuesta

IR1 = 0,3143 A
3.Análisis nodal

Respuesta: I3 = −5,906 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.

LCK en el nodo A

Toma el conductor inferior como tierra. Cada rama lleva (VA − Vk)/Rk saliendo de A, donde Vk es la tensión de su fuente (cero para una resistencia sola). Las corrientes que salen de A suman cero.

(VA − 30)/2 + (VA − 15)/15 + (VA − 6)/2 = 0

Despeja VA

VA = (30/2 + 15/15 + 6/2) / (1/2 + 1/15 + 1/2) = 19/1,067 = 17,81 V

Corriente de rama

La flecha apunta hacia arriba por la rama, hacia el nodo A.

I3 = (6 − VA)/R3 = (6 − 17,81)/2 = −5,906 A

Respuesta

I3 = −5,906 A

Un resultado negativo significa que la corriente real circula en contra de la flecha.

4.Análisis nodal

Respuesta: Is = 3,552 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.

LCK en el nodo A

VA es conocida, así que esta ecuación da VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(6 − 10)/25 + 6/8 = (VB − 6)/30
0,59 = (VB − 6)/30 → VB = 23,7 V

LCK en el nodo B

Las corrientes que salen de B por las resistencias son iguales a la corriente que las fuentes inyectan en B.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (23,7 − 6)/30 + 23,7/8 = 3,552 A

Respuesta

Is = 3,552 A
5.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 3,6 V

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​ = 10 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​15 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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 8 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​15 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) = 6·15/(10+15) = 3,6 V
6.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 1,139 W

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​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 5 = 8,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAIs​0,5 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) = 2,571 + 0,5·3,429 = 4,286 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,286 + 0,5·5 = 6,786 V
Rth​ = 8,429 Ω+−Vth​6,786 VRL​20 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 6,786/(8,429 + 20) = 0,2387 A
PL = IL²·RL = 0,2387²·20 = 1,139 W
7.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 4,055 V

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.

Equivalente de Thévenin visto por el condensador

Cortocircuita la fuente para hallar Rth; deja abierto el condensador para hallar la tensión a la que se estabilizará.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·6,8/(1 + 6,8) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 10·6,8/(1 + 6,8) = 8,718 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 0,8718·220 = 191,8 ms

Curva de carga

vC(t) = 8,718·(1 − e−120/191,8) = 4,055 V

Respuesta

vC = 4,055 V
8.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 4,2 V

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.

Tensión inicial del condensador

En régimen permanente el condensador es un circuito abierto, así que R₁ y R₂ forman un divisor de tensión. La tensión del condensador no puede saltar al abrirse el interruptor.

vC(0) = 10·4,7/(2,2 + 4,7) = 6,812 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 4,7·22 = 103,4 ms

Descarga

vC(t) = 6,812·e−50/103,4 = 4,2 V

Respuesta

vC = 4,2 V
9.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = −68,3 °

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|.

Reactancia

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·100·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Corrientes de rama

Ambas ramas están conectadas directamente a la alimentación, así que cada una ve la tensión completa V.

IR = V/R = 50/40 = 1,25 A
IX = V/XC = 50/15,92 = 3,142 A

Corriente total

La corriente de la resistencia está en fase con V y la corriente reactiva está desfasada 90°, así que se suman como los catetos de un triángulo rectángulo.

I = √(IR² + IX²) = √(1,25² + 3,142²) = 3,381 A

Ángulo de fase

La corriente del condensador va adelantada respecto a V, así que la corriente total va adelantada y el ángulo es negativo.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(3,142/1,25) = −68,3°

Respuesta

φ = −68,3°
10.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VC = 15,55 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|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Impedancia

En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (278)²) = 279,1 Ω

Corriente

La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.

I = V/|Z| = 120/279,1 = 0,4299 A

Tensión en el condensador

VC = I·XC = 0,4299·36,17 = 15,55 V

Respuesta

VC = 15,55 V
11.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 48,91 A

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.

Corriente de línea

Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.

I = P/(V·cos φ) = 9000/(230·0,8) = 48,91 A

Respuesta

I = 48,91 A
12.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 15,92 µF

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* = 4 − j10 Ω

Capacidad

XC = 10 Ω → C = 1/(2π·1000·10) = 15,92 µF

Respuesta

C = 15,92 µF
13.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,144 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corriente de fase

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·24 = 6,144 kW

Respuesta

P = 6,144 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,96, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

14.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 1145 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 171,2 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 57067/(314,2·398,4²) = 1145 µF

Respuesta

Cph = 1145 µF
15.Transformadores

Respuesta: I1 = 7,5 A

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.

Tensión y corriente del secundario

V2 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A

Corriente del primario

Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 7,5 A

Respuesta

I1 = 7,5 A

Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 64 Ω, y 480/64 da la misma corriente.

16.Transformadores

Respuesta: Ploss = 1805 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 = 0,5625·1875 = 1055 W

Pérdidas totales

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

Ploss = 750 + 1055 = 1805 W

Respuesta

Ploss = 1805 W

El rendimiento con esta carga es η = 98,15%.

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