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 elevador ideal convierte 15 V en 20 V a 40 kHz con L = 330 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.
Vin = 15 VVo = 20 Vf = 40 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
Un convertidor elevador ideal convierte 12 V en 48 V para una carga de 8 Ω a 500 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 12 VVo = 48 Vf = 500 kHzR = 8 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 2 Ω) funciona a 110 V. A plena carga absorbe 2 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.
V = 110 Vk = 1,2 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 2 A
SR = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua con k = 0,75 V·s/rad y Ra = 0,2 Ω debe mover una carga de 30 N·m a 500 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.
k = 0,75 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 30 N·mn = 500 rpm
V = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 32 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la corriente de línea I.
P = 32 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 84 kW con un factor de potencia de 0,8 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 = 84 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 75 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 93 % y su factor de potencia es 0,85 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 415 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 400 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 = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔIL = 0,2841 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 − 15/20 = 0,25
Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción
Mientras S está cerrado, la bobina queda directamente sobre Vin.
VL = 15 V
Corriente de rizado
ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,25/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0,2841 A
Respuesta
ΔIL = 0,2841 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 0,375 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 − 12/48 = 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)²·8/(2500·10³) = 0,375 µH
Respuesta
Lcrit = 0,375 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: SR = 3,774 %
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.
Velocidad en vacío y a plena carga
n₀ = 60·110/(2π·1,2) = 875,4 rpm
nFL = 60·(110 − 2·2)/(2π·1,2) = 843,5 rpm
Regulación de velocidad
SR = (875,4 − 843,5)/843,5·100 = 3,774 %
Respuesta
SR = 3,774 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: V = 47,27 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 = 0,75·52,36 = 39,27 V
Corriente de inducido
Ia = 30/0,75 = 40 A
Tensión de inducido
V = 39,27 + 40·0,2 = 47,27 V
Respuesta
V = 47,27 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 205,1 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) = 32000/(240·0,65) = 205,1 A
Respuesta
I = 205,1 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: ΔP = 105,8 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 = 84·tan(arccos 0,8) = 63 kvar
Potencia activa total máxima
A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 63²) = 189,8 kW
Potencia activa adicional
ΔP = 189,8 − 84 = 105,8 kW
Respuesta
ΔP = 105,8 kW
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 132 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 = 75/0,93 = 80,65 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·415·0,85) = 132 A
Respuesta
IL = 132 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 101,8 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.