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​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​8 ΩB

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 4 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

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

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
VB = V
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩAR5​25 ΩBIs​5 A+−V2​36 V

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

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 25 Ω
VA = V
5.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​3 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 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
IL = A
6.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
7.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 ΩL33 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la tensión vL en la bobina en t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 100 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
8.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = 4,7 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 18 V con la polaridad indicada. Halla la tensión del condensador vC en t = 250 ms.

Vs = 5 VR = 4,7 kΩC = 22 µFvC(0) = 18 Vt = 250 ms
vC = V
9.Impedancia y fasores en alternaMedia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 22 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedancia y fasores en alternaDifícil
VfR = 15 ΩL = 20 mHC = 0,1 µF

Un circuito RLC en serie tiene R = 15 Ω, L = 20 mH y C = 0,1 µF. Halla su ancho de banda B (la anchura de la banda entre las frecuencias de media potencia), en Hz.

R = 15 ΩL = 20 mHC = 0,1 µF
B = Hz
11.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 18 kWQSφ

Un motor monofásico consume 18 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la corriente de línea I.

P = 18 kWpf = 0,75V = 230 V
I = A
12.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,98. Halla la capacidad C necesaria.

P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
13.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VNZ = 3 + j4 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, 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 = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,78 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformadoresMedia
2 Ω31

Se conecta una resistencia de 2 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 = 2 Ω
R1′ = Ω
16.TransformadoresDifícil
pf 0,85200 kVA, 25% carga

Un transformador monofásico de 200 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 600 W y unas pérdidas en el cobre de 900 W a carga nominal. Suministra el 25 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,85 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 200 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 Wx = 0,25pf = 0,85
Ploss = W

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 19,37 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​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​10 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω
Req = R1 + 7,368 = 12 + 7,368 = 19,37 Ω

Respuesta

Req = 19,37 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 2,42 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​ = 3 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBR6​20 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 = 4 + 20 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 13,33 Ω
R3 + 13,33 = 43,33 Ω
R2 ∥ 43,33 = 9,398 Ω
Req = R1 + 9,398 = 3 + 9,398 = 12,4 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 = 30/12,4 = 2,42 A

Respuesta

IR1 = 2,42 A
3.Análisis nodal

Respuesta: VB = −2,885 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​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​2 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/2 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/3 = 0
1,033·VA − 0,3333·VB = 1,2

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/3 + (VB − VA)/3 = (−2)
−0,3333·VA + 0,6667·VB = −2

Resuelve

Δ = (1,033)(0,6667) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,5778
VA = Δ1/Δ = 0,1333/0,5778 = 0,2308 V
VB = Δ2/Δ = −1,667/0,5778 = −2,885 V

Respuesta

VB = −2,885 V
4.Análisis nodal

Respuesta: VA = 25,4 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​ = 10 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​15 VR3​15 ΩAR5​25 ΩBIs​5 A+−V2​36 V

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 15 V, V2 = 36 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/15 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,2917·VA − 0,125·VB = 1,5

LCK en el nodo B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/8 + (VB − 36)/30 = 5
−0,125·VA + 0,1983·VB = 6,2

Resuelve

Δ = (0,2917)(0,1983) − (−0,125)(−0,125) = 0,04222
VA = Δ1/Δ = 1,073/0,04222 = 25,4 V
VB = Δ2/Δ = 1,996/0,04222 = 47,27 V

Respuesta

VA = 25,4 V
5.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,1216 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​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 6 = 8,182 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​3 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) = 9·3/(8+3) = 2,455 V
Rth​ = 8,182 Ω+−Vth​2,455 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) = 2,455/(8,182 + 12) = 0,1216 A
6.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 15,5 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 6 = 8 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​1 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) = 7,5 + 1·2 = 9,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,5 + 1·6 = 15,5 V
7.Transitorios RC y RL

Respuesta: vL = 0,4347 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 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 = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 9/100 = 0,09 A

Tensión en la bobina

En t = 0 toda la tensión de alimentación aparece en la bobina; después cae a cero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−1/0,33 = 0,4347 V

Respuesta

vL = 0,4347 V
8.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 6,159 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.

Valor inicial, valor final, constante de tiempo

La tensión del condensador no puede saltar, así que parte de su valor almacenado y tiende a la tensión de la fuente.

vC(0) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 22 µF = 103,4 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

Tensión en el instante dado

vC(250) = 5 + (13)·e−250/103,4 = 6,159 V

Respuesta

vC = 6,159 V
9.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = 74,42 °

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 = 1257·0,2 = 251,3 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) = √(60² + (215,2)²) = 223,4 Ω

Ángulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(215,2/60) = 74,42°

Respuesta

φ = 74,42°
10.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: B = 119,4 Hz

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|.

Frecuencia de resonancia

f0 = 1/(2π·√(0,02·0,1·10⁻⁶)) = 3559 Hz

Factor de calidad

Q compara la reactancia en resonancia con la resistencia: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,02/(0,1·10⁻⁶)) = 29,81

Ancho de banda

B = f0/Q = 3559/29,81 = 119,4 Hz

Respuesta

B = 119,4 Hz
11.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 104,3 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) = 18000/(230·0,75) = 104,3 A

Respuesta

I = 104,3 A
12.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 1639 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.

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 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(11,48°) = 8,122 kvar
QC = Q1 − Q2 = 32,69 kvar

Capacidad

Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 32686/(2π·60·230²) = 1639 µF

Respuesta

C = 1639 µF
13.Potencia trifásica

Respuesta: P = 5,192 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 = 208/√3 = 120,1 V

Corriente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 120,1/5 = 24,02 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·24,02²·3 = 5,192 kW

Respuesta

P = 5,192 kW

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

14.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 244,9 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 15,9 kvar

Capacidad por fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5299/(377·239,6²) = 244,9 µF

Respuesta

Cph = 244,9 µF
15.Transformadores

Respuesta: R1′ = 18 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 = 3²·2 = 18 Ω

Respuesta

R1′ = 18 Ω
16.Transformadores

Respuesta: Ploss = 656,3 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 = 0,0625·900 = 56,25 W

Pérdidas totales

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

Ploss = 600 + 56,25 = 656,3 W

Respuesta

Ploss = 656,3 W

El rendimiento con esta carga es η = 98,48%.

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