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 ideal convierte 12 V en 7,2 V a 200 kHz con L = 33 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = 7,2 Vf = 200 kHzL = 33 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertidor reductor ideal convierte 9 V en 3,6 V para una carga de 2 Ω a 200 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.

Vin​ = 9 VVo​ = 3,6 Vf = 200 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)0,96 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 0,12 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funciona a 24 V y mueve un par de carga de 0,96 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 24 Vk = 0,12 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 0,96 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 0,4 ΩM+−En = 800 rpmT = 4,8 N·m

Un motor de corriente continua (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) con una alimentación fija de 48 V mueve una carga de 4,8 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 800 rpm.

V = 48 Vk = 0,4 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 4,8 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 10 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 10 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 10 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
120 V1000 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Una fuente de 120 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 25 + j10 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 120 V (rms)f = 1000 HzZs = 25 + j10 Ω
Pmax = W
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 94%cos φ = 0,8

Un motor de inducción trifásico entrega 7,5 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 94 % 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 = 7,5 kWη = 94%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 100 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 480 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔIL = 0,4364 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 = 7,2/12 = 0,6

Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción

Mientras S está cerrado, la bobina queda entre Vin y Vo.

VL = 12 − 7,2 = 4,8 V

Corriente de rizado

ΔIL = VL·D/(L·f) = 4,8·0,6/(33·10⁻⁶·200·10³) = 0,4364 A

Respuesta

ΔIL = 0,4364 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: Lcrit = 3 µH

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 = 3,6/9 = 0,4

Condición de límite

Iguala la corriente media de la bobina a la mitad de la corriente de rizado y despeja L.

Lcrit = (1 − D)·R/(2f)

Inductancia crítica

Lcrit = (1 − 0,4)·2/(2200·10³) = 3 µH

Respuesta

Lcrit = 3 µH
3.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 1751 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.

Corriente de inducido

Ia = T/k = 0,96/0,12 = 8 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 24 − 8·0,25 = 22 V
ω = E/k = 183,3 rad/s → n = 1751 rpm

Respuesta

n = 1751 rpm
4.Motores de corriente continua

Respuesta: Rs = 0,8075 Ω

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.

Corriente y fuerza contraelectromotriz

Ia = 4,8/0,4 = 12 A
E = 0,4·83,78 = 33,51 V

Resistencia en serie

Ra + Rs = (48 − 33,51)/12 = 1,207 Ω
Rs = 0,8075 Ω

Respuesta

Rs = 0,8075 Ω

La resistencia disipa 116,3 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 11,69 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.

Ángulo

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 10·1,169 = 11,69 kvar

Respuesta

Q = 11,69 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 144 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* = 25 − j10 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/50 = 2,4 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·25) = 144 W

Respuesta

Pmax = 144 W
7.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 8,345 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 = 7,5/0,94 = 7,979 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7979/(√3·690·0,8) = 8,345 A

Respuesta

IL = 8,345 A
8.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 312,6 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 = 100·tan(acos 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 67,89 kvar

Capacidad por fase

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

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 22629/(314,2·480²) = 312,6 µF

Respuesta

Cph = 312,6 µF

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