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 elevador ideal convierte 24 V en 32 V a 500 kHz con L = 47 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.

Vin​ = 24 VVo​ = 32 Vf = 500 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertidor elevador ideal convierte 36 V en 144 V para una carga de 4 Ω a 200 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.

Vin​ = 36 VVo​ = 144 Vf = 200 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)36 N·mn0​n = ?

Un motor de corriente continua (k = 1,2 N·m/A, Ra = 0,2 Ω) funciona a 120 V y mueve un par de carga de 36 N·m. Halla su velocidad n en rpm.

V = 120 Vk = 1,2 N·m/ARa = 0,2 ΩT = 36 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−120 VRa​ = 4 ΩM+−EωT

Un motor de corriente continua pequeño tiene una resistencia de inducido de 4 Ω y funciona a 120 V. Despreciando las pérdidas rotacionales, halla la mayor potencia mecánica Pmax que puede desarrollar a cualquier velocidad.

V = 120 VRa = 4 Ω
Pmax = W
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VZ7 + j24 ΩI

Una carga de impedancia Z = 7 + j24 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.

V = 120 VZ = 7 + j24 Ω
S = VA
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 72 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 72 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo. ¿Cuánta potencia activa adicional ΔP se puede añadir como carga resistiva (factor de potencia unidad) antes de que el transformador alcance su potencia nominal en kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 72 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 40 Acos φ = 0,92inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 40 A de una alimentación con una tensión de línea de 208 V. El factor de potencia es 0,92 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 208 VIL = 40 Acos φ = 0,92
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,7 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 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔIL = 0,2553 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 = 1 − 24/32 = 0,25

Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción

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

VL = 24 V

Corriente de rizado

ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,25/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0,2553 A

Respuesta

ΔIL = 0,2553 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: Lcrit = 0,4688 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 = 1 − 36/144 = 0,75

Condición de límite

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

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

Inductancia crítica

Lcrit = 0,75(1 − 0,75)²·4/(2200·10³) = 0,4688 µH

Respuesta

Lcrit = 0,4688 µH
3.Motores de corriente continua

Respuesta: n = 907,2 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 = 36/1,2 = 30 A

Fuerza contraelectromotriz y velocidad

E = 120 − 30·0,2 = 114 V
ω = E/k = 95 rad/s → n = 907,2 rpm

Respuesta

n = 907,2 rpm
4.Motores de corriente continua

Respuesta: Pmax = 900 W

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.

Potencia en función de la fuerza contraelectromotriz

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V

Potencia máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·4) = 900 W

Respuesta

Pmax = 900 W

En este punto el rendimiento es solo del 50 %, así que los motores reales funcionan muy por encima de la mitad de la velocidad.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: S = 576 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| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4,8 A

Potencia aparente

S = V·I = 120·4,8 = 576 VA

Respuesta

S = 576 VA
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 109,4 kW

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 la carga existente

Q1 = 72·tan(arccos 0,65) = 84,18 kvar

Potencia activa total máxima

A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 84,18²) = 181,4 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 181,4 − 72 = 109,4 kW

Respuesta

ΔP = 109,4 kW
7.Potencia trifásica

Respuesta: P = 13,26 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.

Potencia aparente

S = √3·VL·IL = √3·208·40 = 14,41 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 14,41·0,92 = 13,26 kW

Respuesta

P = 13,26 kW
8.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 55,32 kvar

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 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 55,32 kvar

Respuesta

QC = 55,32 kvar

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