Un convertidor reductor convierte 48 V en 28,8 V para una carga de 50 Ω a 100 kHz, con L = 220 µH y C = 470 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.
Un motor de corriente continua absorbe 20 A de una alimentación de 240 V. Su resistencia de inducido es de 0,8 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 269 W. Halla su rendimiento η.
V = 240 VIa = 20 ARa = 0,8 ΩProt = 269 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1 Ω) con una alimentación fija de 240 V mueve una carga de 15 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 600 rpm.
Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 230 V: una carga de 5 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo y un calefactor de 27 kW (factor de potencia unidad). Halla el factor de potencia global cos φ que ve la alimentación.
Una carga monofásica consume 35 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la capacidad C necesaria.
P = 35 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 8 + j6 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 415 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 415 VZ = 8 + j6 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,75 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. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 3,892 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 = 19,2/48 = 0,4
Corriente media y de rizado
Io = 19,2/5 = 3,84 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 28,8·0,4/(220·10⁻⁶·500·10³) = 0,1047 A
Corriente pico
Imax = 3,84 + 0,1047/2 = 3,892 A
Respuesta
Imax = 3,892 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔVo = 1,393 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 = 28,8/48 = 0,6
Corriente de rizado de la bobina
ΔIL = (48 − 28,8)·0,6/(220·10⁻⁶·100·10³) = 0,5236 A
Rizado de salida
ΔVo = 0,5236/(8·100·10³·470·10⁻⁶) = 1,393 mV
Respuesta
ΔVo = 1,393 mV
3.Motores de corriente continua
Respuesta: η = 87,73 %
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 = 240·20 = 4800 W
Pdev = 224·20 = 4480 W
Pout = 4480 − 269 = 4211 W
Rendimiento
η = 4211/4800·100 = 87,73 %
Respuesta
η = 87,73 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: Rs = 8,644 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 = 15/0,75 = 20 A
E = 0,75·62,83 = 47,12 V
Resistencia en serie
Ra + Rs = (240 − 47,12)/20 = 9,644 Ω
Rs = 8,644 Ω
Respuesta
Rs = 8,644 Ω
La resistencia disipa 3458 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: cos φ = 0,9906
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 = 5·tan(arccos 0,75) = 4,41 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Totales
P = 5 + 27 = 32 kW
Q = 4,41 + 0 = 4,41 kvar
S = √(32² + 4,41²) = 32,3 kVA
Factor de potencia global
cos φ = P/S = 32/32,3 = 0,9906 inductivo
Respuesta
cos φ = 0,9906
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 487,7 µF
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 = 35·tan(49,46°) = 40,92 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(18,19°) = 11,5 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,42 kvar
Capacidad
Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 29416/(2π·60·400²) = 487,7 µF
Respuesta
C = 487,7 µF
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 13,78 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.
Tensión de fase
Vph = 415/√3 = 239,6 V
Corriente de fase
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 239,6/10 = 23,96 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·23,96²·8 = 13,78 kW
Respuesta
P = 13,78 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 1046 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 169,7 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.