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-elevador inversor ideal convierte 36 V en −12 V a 40 kHz con L = 150 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.
Vin = 36 VVo = −12 Vf = 40 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
Un convertidor reductor convierte 12 V en 7,2 V a 40 kHz con L = 33 µH. Halla la menor corriente de carga Io,min con la que sigue en conducción continua.
Vin = 12 VVo = 7,2 Vf = 40 kHzL = 33 µH
Io,min = A
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) funciona a 120 V. A plena carga absorbe 10 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.
V = 120 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,8 ΩIFL = 10 A
SR = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua de excitación independiente (k = 2 V·s/rad a campo completo, Ra = 2 Ω, V = 220 V) mueve un par de carga constante de 8 N·m. El flujo del campo se reduce al 90 % de su valor completo. Halla la nueva velocidad n.
V = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 2 ΩT = 8 N·mΦ = 90 %
n = rpm
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 11 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la corriente de línea I.
P = 11 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una fuente de 50 V (eficaces) y 60 Hz tiene una impedancia interna Zs = 20 + j20 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. La carga para máxima potencia está formada por una resistencia en serie con un condensador. Halla la capacidad C.
Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j20 Ω
C = µF
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 30 A de una alimentación con una tensión de línea de 400 V. El factor de potencia es 0,8 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 400 VIL = 30 Acos φ = 0,8
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 480 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. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔIL = 1,5 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 = 12/(36 + 12) = 0,25
Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción
Mientras S está cerrado, la bobina queda directamente sobre Vin.
VL = 36 V
Corriente de rizado
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,25/(150·10⁻⁶·40·10³) = 1,5 A
Respuesta
ΔIL = 1,5 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Io,min = 1,091 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 = 7,2/12 = 0,6
Corriente de rizado
ΔIL = 7,2·0,4/(33·10⁻⁶·40·10³) = 2,182 A
Corriente de carga en el límite
Io,min = ΔIL/2 = 1,091 A
Respuesta
Io,min = 1,091 A
Por debajo de esta corriente el convertidor pasa a conducción discontinua y Vo sube por encima de D·Vin.
3.Motores de corriente continua
Respuesta: SR = 7,143 %
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 = 60·120/(2π·0,6) = 1910 rpm
nFL = 60·(120 − 10·0,8)/(2π·0,6) = 1783 rpm
Regulación de velocidad
SR = (1910 − 1783)/1783·100 = 7,143 %
Respuesta
SR = 7,143 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: n = 1120 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.
El debilitamiento de campo es la forma en que un accionamiento de corriente continua funciona por encima de su velocidad base.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 70,51 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) = 11000/(240·0,65) = 70,51 A
Respuesta
I = 70,51 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 132,6 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.
Adaptación conjugada
La reactancia de la carga anula la reactancia de la fuente, y la resistencia de la carga es igual a la resistencia de la fuente.
ZL = Zs* = 20 − j20 Ω
Capacidad
XC = 20 Ω → C = 1/(2π·60·20) = 132,6 µF
Respuesta
C = 132,6 µF
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 16,63 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 = √3·400·30 = 20,78 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 20,78·0,8 = 16,63 kW
Respuesta
P = 16,63 kW
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 26,79 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.