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 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

Usa el análisis nodal para hallar la tensión de nodo VB (respecto a tierra).

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAR4​5 ΩBIs​?

La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 4,5 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).

V1 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩVA = 4,5 V
Is = A
5.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩARL​12 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 12 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
IL = A
6.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
7.Transitorios RC y RLMedia
R = 100 Ωt = 0L220 mHi(t)

La bobina conduce una corriente estacionaria de 2,5 A. En t = 0 el interruptor cierra el lazo a través de R y se retira la fuente, así que la corriente de la bobina decae a través de R. Halla la tensión vR en R en t = 5 ms.

i(0) = 2,5 AR = 100 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vR = V
8.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​20 Vse abre en t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 2,2 kΩC47 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 = 300 ms.

Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 2,2 kΩC = 47 µFt = 300 ms
vC = V
9.Impedancia y fasores en alternaMedia
100 V60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el factor de potencia cos φ del circuito.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Impedancia y fasores en alternaDifícil
230 V50 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF+−VC​

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 V (eficaces) y 50 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VC = V
11.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 V17 kW, 0,623 kW, 1I = ?

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 240 V: una carga de 7 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo y un calefactor de 3 kW (factor de potencia unidad). Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.

V = 240 VP1 = 7 kW, pf1 = 0,6 inductivoP2 = 3 kW, pf2 = 1
I = A
12.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 20 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 230 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,98. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.

P = 20 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
13.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M37 kW, η = 90%cos φ = 0,8

Un motor de inducción trifásico entrega 37 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 90 % y su factor de potencia es 0,8 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 690 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 37 kWη = 90%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
14.Potencia trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,78 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 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformadoresMedia
11000 V400 VIHV​ILV​ = ?50 kVA

Un transformador monofásico de 50 kVA, 11000/400 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.

S = 50 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
ILV = A
16.TransformadoresDifícil
pf 0,85500 kVA, η = 97,5%

Un transformador monofásico de 500 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 4000 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,85 inductivo su rendimiento es del 97,5 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.

S = 500 kVAPcore = 4000 Wpf = 0,85η = 97,5%
Pcu,fl = W

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 3,696 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​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 4 + 4,118 = 8,118 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 = 30/8,118 = 3,696 A

Respuesta

IR1 = 3,696 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 1,346 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​ = 2 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBR6​30 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 6,984 Ω
R3 + 6,984 = 11,98 Ω
R2 ∥ 11,98 = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 2 + 1,714 = 3,714 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 = 5/3,714 = 1,346 A

Respuesta

IR1 = 1,346 A
3.Análisis nodal

Respuesta: VB = −5,549 V

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​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 6 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/10 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0,35·VA − 0,1667·VB = 0,5

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/20 + (VB − VA)/6 = (−1)
−0,1667·VA + 0,2167·VB = −1

Resuelve

Δ = (0,35)(0,2167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,04806
VA = Δ1/Δ = −0,05833/0,04806 = −1,214 V
VB = Δ2/Δ = −0,2667/0,04806 = −5,549 V

Respuesta

VB = −5,549 V
4.Análisis nodal

Respuesta: Is = 1,14 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
(4,5 − 5)/3 + 4,5/15 = (VB − 4,5)/4
0,1333 = (VB − 4,5)/4 → VB = 5,033 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 = (5,033 − 4,5)/4 + 5,033/5 = 1,14 A

Respuesta

Is = 1,14 A
5.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,1406 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​ = 20 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​20 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 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 10 = 20 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​20 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) = 9·20/(20+20) = 4,5 V
Rth​ = 20 Ω+−Vth​4,5 VRL​12 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) = 4,5/(20 + 12) = 0,1406 A
6.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = −4,471 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​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​12 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 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 4 = 7,529 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​2 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) = 10,59 + (−2)·3,529 = 3,529 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,529 + (−2)·4 = −4,471 V
7.Transitorios RC y RL

Respuesta: vR = 25,76 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.

Constante de tiempo

τ = L/R = 220 mH / 100 Ω = 2,2 ms

Decaimiento de la corriente

i(t) = 2,5·e−5/2,2 = 0,2576 A
vR = R·i = 100·0,2576 = 25,76 V

Respuesta

vR = 25,76 V
8.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 0,3504 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) = 20·2,2/(4,7 + 2,2) = 6,377 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 2,2·47 = 103,4 ms

Descarga

vC(t) = 6,377·e−300/103,4 = 0,3504 V

Respuesta

vC = 0,3504 V
9.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: cos φ = 0,216

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 = 7,54 Ω, XC = 120,6 Ω

Impedancia

|Z| = √(25² + (−113)²) = 115,8 Ω

Factor de potencia

cos φ = R/|Z| = 25/115,8 = 0,216
El circuito es capacitivo, así que el factor de potencia es capacitivo (en adelanto).

Respuesta

cos φ = 0,216
10.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VC = 230,6 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·2,2·10⁻⁶) = 1447 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−1441)²) = 1443 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 230/1443 = 0,1594 A

Tensión en el condensador

VC = I·XC = 0,1594·1447 = 230,6 V

Respuesta

VC = 230,6 V
11.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 57 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.

Potencia reactiva de cada carga

Una carga inductiva consume potencia reactiva (Q > 0); una carga capacitiva la entrega (Q < 0).

Q1 = 7·tan(arccos 0,6) = 9,333 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totales

P = 7 + 3 = 10 kW
Q = 9,333 + 0 = 9,333 kvar
S = √(10² + 9,333²) = 13,68 kVA

Corriente total

I = S/V = 13679/240 = 57 A

Respuesta

I = 57 A
12.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 16,34 kvar

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.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(45,57°) = 20,4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11,48°) = 4,061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,34 kvar

Respuesta

QC = 16,34 kvar
13.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 43 A

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.

Potencia eléctrica absorbida

Pin = Pout/η = 37/0,9 = 41,11 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 41111/(√3·690·0,8) = 43 A

Respuesta

IL = 43 A
14.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 201,3 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 30,1 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) = 10034/(314,2·398,4²) = 201,3 µF

Respuesta

Cph = 201,3 µF
15.Transformadores

Respuesta: ILV = 125 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.

Corriente nominal

Los dos devanados transportan la misma potencia aparente.

ILV = S/V = 50000/400 = 125 A

Respuesta

ILV = 125 A
16.Transformadores

Respuesta: Pcu,fl = 6897 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.

Potencia útil y absorbida

Pout = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,975 = 435897 W

Pérdidas totales y en el cobre

Ploss = 435897 − 425000 = 10897 W
Pcu,fl = 10897 − 4000 = 6897 W

Respuesta

Pcu,fl = 6897 W

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