Un convertidor reductor-elevador inversor ideal convierte 15 V en −45 V para una carga de 2 Ω a 40 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 15 VVo = −45 Vf = 40 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua (k = 0,75 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) funciona a 220 V y mueve un par de carga de 4,5 N·m. Halla su velocidad n en rpm.
V = 220 Vk = 0,75 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 4,5 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua con k = 1,5 V·s/rad y Ra = 0,8 Ω debe mover una carga de 7,5 N·m a 300 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.
k = 1,5 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 7,5 N·mn = 300 rpm
V = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 34 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la corriente de línea I.
P = 34 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,9. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.
P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 37 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 93 % y su factor de potencia es 0,8 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 415 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 37 kWη = 93%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 200 kW con un factor de potencia de 0,72 inductivo de una alimentación de 415 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. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 7,855 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 = 14,4/36 = 0,4
Corriente media y de rizado
Io = 14,4/2 = 7,2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(330·10⁻⁶·20·10³) = 1,309 A
Corriente pico
Imax = 7,2 + 1,309/2 = 7,855 A
Respuesta
Imax = 7,855 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 1,563 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 = 45/(15 + 45) = 0,75
Condición de límite
Iguala la corriente media de la bobina a la mitad de la corriente de rizado y despeja L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Inductancia crítica
Lcrit = (1 − 0,75)²·2/(240·10³) = 1,563 µH
Respuesta
Lcrit = 1,563 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: n = 2709 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 = 4,5/0,75 = 6 A
Fuerza contraelectromotriz y velocidad
E = 220 − 6·1,2 = 212,8 V
ω = E/k = 283,7 rad/s → n = 2709 rpm
Respuesta
n = 2709 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: V = 51,12 V
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
E = 1,5·31,42 = 47,12 V
Corriente de inducido
Ia = 7,5/1,5 = 5 A
Tensión de inducido
V = 47,12 + 5·0,8 = 51,12 V
Respuesta
V = 51,12 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 184,8 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) = 34000/(230·0,8) = 184,8 A
Respuesta
I = 184,8 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: QC = 33,96 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 = 40·tan(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25,84°) = 19,37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,96 kvar
Respuesta
QC = 33,96 kvar
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 69,19 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 = 37/0,93 = 39,78 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39785/(√3·415·0,8) = 69,19 A
Respuesta
IL = 69,19 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 152,2 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.