Identifica el convertidor (reductor, elevador o reductor-elevador) y el ciclo de trabajo D a partir de la relación de tensiones.
Usa el balance voltios-segundo en la bobina: la tensión media de la bobina a lo largo de un periodo es cero.
Halla la tensión de la bobina mientras el interruptor está cerrado y luego ΔIL = VL·D/(L·f).
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
Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
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
Un convertidor reductor ideal convierte 48 V en 14,4 V con una frecuencia de conmutación de 25 kHz. Halla la inductancia L que mantiene la corriente de rizado pico a pico de la bobina en 0,8 A.
Vin = 48 VVo = 14,4 Vf = 25 kHzΔIL = 0,8 A
L = µH
2.Convertidores CC-CCDifícil
Un convertidor reductor convierte 9 V en 6,3 V para una carga de 25 Ω a 20 kHz, con L = 330 µH y C = 470 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.
Un motor de corriente continua absorbe 8 A de una alimentación de 120 V. Su resistencia de inducido es de 2 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 67 W. Halla su rendimiento η.
V = 120 VIa = 8 ARa = 2 ΩProt = 67 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua de excitación independiente a 240 V (Ra = 0,4 Ω) funciona a 1800 rpm con una corriente de inducido de 40 A. La carga cambia y la corriente pasa a 80 A, con el campo sin cambios. Halla la nueva velocidad n2.
V = 240 VRa = 0,4 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 40 AIa2 = 80 A
n2 = rpm
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 240 V: una carga de 30 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo y un calefactor de 18 kW (factor de potencia unidad). Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.
Un transformador monofásico de 75 kVA alimenta una carga de 28 kW con un factor de potencia de 0,6 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 = 75 kVAP1 = 28 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 55 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 95 % y su factor de potencia es 0,9 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 690 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
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 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 triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: L = 504 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 = 14,4/48 = 0,3
Inductancia
L = 33,6·0,3/(0,8·25·10³) = 504 µH
Respuesta
L = 504 µH
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔVo = 3,808 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 = 6,3/9 = 0,7
Corriente de rizado de la bobina
ΔIL = (9 − 6,3)·0,7/(330·10⁻⁶·20·10³) = 0,2864 A
Rizado de salida
ΔVo = 0,2864/(8·20·10³·470·10⁻⁶) = 3,808 mV
Respuesta
ΔVo = 3,808 mV
3.Motores de corriente continua
Respuesta: η = 79,69 %
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 = 120·8 = 960 W
Pdev = 104·8 = 832 W
Pout = 832 − 67 = 765 W
Rendimiento
η = 765/960·100 = 79,69 %
Respuesta
η = 79,69 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: n2 = 1671 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 = 240 − 40·0,4 = 224 V
E2 = 240 − 80·0,4 = 208 V
Nueva velocidad
n2 = 1800·208/224 = 1671 rpm
Respuesta
n2 = 1671 rpm
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 228,4 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.
Potencia reactiva de cada carga
Una carga inductiva consume potencia reactiva (Q > 0); una carga capacitiva la entrega (Q < 0).
Q1 = 30·tan(arccos 0,75) = 26,46 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Totales
P = 30 + 18 = 48 kW
Q = 26,46 + 0 = 26,46 kvar
S = √(48² + 26,46²) = 54,81 kVA
Corriente total
I = S/V = 54809/240 = 228,4 A
Respuesta
I = 228,4 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: ΔP = 37,05 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 = 28·tan(arccos 0,6) = 37,33 kvar
Potencia activa total máxima
A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 37,33²) = 65,05 kW
Potencia activa adicional
ΔP = 65,05 − 28 = 37,05 kW
Respuesta
ΔP = 37,05 kW
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 53,83 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 = 55/0,95 = 57,89 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·690·0,9) = 53,83 A
Respuesta
IL = 53,83 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 95,38 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.