Electrónica de potencia y accionamientos: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Convertidores CC-CC

Reductor
Vo = D·Vin
Elevador
Vo = Vin/(1 − D)
Reductor-elevador inversor
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Balance de potencia ideal
VinIin = VoIo
Rizado de la bobina
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Corriente media de la bobina
reductor Io; elevador y reductor-elevador Io/(1 − D)
Rizado de salida
reductor ΔIL/(8fC); elevador y reductor-elevador Io·D/(fC)
Límite de CCM
reductor (1 − D)R/(2f); elevador D(1 − D)²R/(2f); reductor-elevador (1 − D)²R/(2f)

Método

  1. Identifica el convertidor (reductor, elevador o reductor-elevador) y el ciclo de trabajo D a partir de la relación de tensiones.
  2. Usa el balance voltios-segundo en la bobina: la tensión media de la bobina a lo largo de un periodo es cero.
  3. Halla la tensión de la bobina mientras el interruptor está cerrado y luego ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Para el rizado de salida, halla la carga que entra y sale del condensador; para el límite de CCM, iguala la corriente media de la bobina a ΔIL/2.

Motores de corriente continua

Circuito del inducido
V = E + IaRa
Fuerza contraelectromotriz y par
E = k·ω, T = k·Ia
Rapidez
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidad en vacío y par de bloqueo
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potencias
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Arranque
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulación de velocidad
SR = (n0 − nFL)/nFL
Máxima potencia desarrollada
Pmax = V²/(4Ra)
Accionamiento con troceador
Va = D·Vdc

Método

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. Para potencia y rendimiento, parte de V·Ia, resta las pérdidas en el cobre Ia²·Ra y después las pérdidas rotacionales.

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

2Problemas de práctica

1.Convertidores CC-CCMedia
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

Un convertidor reductor-elevador inversor ideal convierte 12 V en −36 V a 250 kHz con L = 47 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = −36 Vf = 250 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
+−24 VSLC = 470 µFR = 5 Ω−+−36 V

Un convertidor reductor-elevador ideal convierte 24 V en −36 V para una carga de 5 Ω a 100 kHz. El condensador de salida es de 470 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.

Vin​ = 24 VVo​ = −36 Vf = 100 kHzC = 470 µFR = 5 Ω
ΔVo = mV
3.Motores de corriente continuaMedia
+−120 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 30 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 30 A de una alimentación de 120 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 270 W. Halla su rendimiento η.

V = 120 VIa = 30 ARa = 0,25 ΩProt = 270 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−110 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 8 → 4,8 AM+−En = ?T

Un motor de corriente continua de excitación independiente a 110 V (Ra = 1,2 Ω) funciona a 1800 rpm con una corriente de inducido de 8 A. La carga cambia y la corriente pasa a 4,8 A, con el campo sin cambios. Halla la nueva velocidad n2.

V = 110 VRa = 1,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 8 AIa2 = 4,8 A
n2 = rpm
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 VZ5 + j12 ΩI

Una carga de impedancia Z = 5 + j12 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.

V = 240 VZ = 5 + j12 Ω
S = VA
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
24 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Una fuente de 24 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 4 + j15 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j15 Ω
Pmax = W
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 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 415 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 415 VZ = 24 + j7 Ω por fase
P = kW
8.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 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 triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔIL = 0,766 A

Convertidores CC-CC: un interruptor S se cierra durante la fracción D de cada periodo T = 1/f. En régimen permanente la tensión media en la bobina es cero (balance voltios-segundo), lo que da las relaciones de conversión ideales en conducción continua: reductor Vo = D·Vin, elevador Vo = Vin/(1 − D), reductor-elevador inversor |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertidor ideal conserva la potencia: Vin·Iin = Vo·Io. Mientras S está cerrado la corriente de la bobina aumenta ΔIL = VL·D·T/L, con VL = Vin − Vo en el reductor y Vin en el elevador y en el reductor-elevador. El rizado de la salida es ΔVo = ΔIL/(8fC) en el reductor e Io·D/(fC) en el elevador y en el reductor-elevador. La corriente de la bobina apenas llega a cero (el límite de CCM) cuando la corriente media de la bobina es igual a ΔIL/2.

Ciclo de trabajo

D = 36/(12 + 36) = 0,75

Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción

Mientras S está cerrado, la bobina queda directamente sobre Vin.

VL = 12 V

Corriente de rizado

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,75/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0,766 A

Respuesta

ΔIL = 0,766 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔVo = 91,91 mV

Convertidores CC-CC: un interruptor S se cierra durante la fracción D de cada periodo T = 1/f. En régimen permanente la tensión media en la bobina es cero (balance voltios-segundo), lo que da las relaciones de conversión ideales en conducción continua: reductor Vo = D·Vin, elevador Vo = Vin/(1 − D), reductor-elevador inversor |Vo| = Vin·D/(1 − D). Un convertidor ideal conserva la potencia: Vin·Iin = Vo·Io. Mientras S está cerrado la corriente de la bobina aumenta ΔIL = VL·D·T/L, con VL = Vin − Vo en el reductor y Vin en el elevador y en el reductor-elevador. El rizado de la salida es ΔVo = ΔIL/(8fC) en el reductor e Io·D/(fC) en el elevador y en el reductor-elevador. La corriente de la bobina apenas llega a cero (el límite de CCM) cuando la corriente media de la bobina es igual a ΔIL/2.

Ciclo de trabajo

D = 36/(24 + 36) = 0,6

Corriente en la carga

Io = 36/5 = 7,2 A

Rizado de salida

ΔVo = 7,2·0,6/(100·10³·470·10⁻⁶) = 91,91 mV

Respuesta

ΔVo = 91,91 mV
3.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 86,25 %

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Potencias

Pin = 120·30 = 3600 W
Pdev = 112,5·30 = 3375 W
Pout = 3375 − 270 = 3105 W

Rendimiento

η = 3105/3600·100 = 86,25 %

Respuesta

η = 86,25 %
4.Motores de corriente continua

Respuesta: n2 = 1869 rpm

Motor de corriente continua: el inducido es una resistencia Ra en serie con la fuerza contraelectromotriz E, de modo que V = E + Ia·Ra. La fuerza contraelectromotriz crece con la velocidad, E = k·ω, y el par con la corriente, T = k·Ia, con la misma constante del motor k (V·s/rad = N·m/A) en unidades del SI. Convierte las velocidades con ω = 2π·n/60. La potencia desarrollada es E·Ia = T·ω; la potencia de entrada es V·Ia, y las pérdidas en el cobre Ia²Ra y las pérdidas rotacionales son la diferencia. La velocidad cae linealmente con el par, ω = V/k − Ra·T/k², desde la velocidad en vacío V/k hasta cero en el par de bloqueo k·V/Ra. En reposo E = 0, así que la corriente de arranque V/Ra es grande a menos que una resistencia la limite.

Fuerza contraelectromotriz antes y después

E1 = 110 − 8·1,2 = 100,4 V
E2 = 110 − 4,8·1,2 = 104,2 V

Nueva velocidad

n2 = 1800·104,2/100,4 = 1869 rpm

Respuesta

n2 = 1869 rpm
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: S = 4431 VA

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

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A

Potencia aparente

S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA

Respuesta

S = 4431 VA
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 36 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* = 4 − j15 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 24/8 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·4) = 36 W

Respuesta

Pmax = 36 W
7.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,613 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 = 415/√3 = 239,6 V

Corriente de fase

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 239,6/25 = 9,584 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,584²·24 = 6,613 kW

Respuesta

P = 6,613 kW

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

8.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 114,5 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 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 51,36 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17120/(314,2·690²) = 114,5 µF

Respuesta

Cph = 114,5 µF

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