Un convertidor reductor-elevador inversor ideal convierte 24 V en −8 V para una carga de 5 Ω a 200 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 24 VVo = −8 Vf = 200 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua absorbe 30 A de una alimentación de 240 V. Su resistencia de inducido es de 0,4 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 274 W. Halla su rendimiento η.
V = 240 VIa = 30 ARa = 0,4 ΩProt = 274 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,8 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) desde un bus de continua de 240 V. La tensión media del inducido es D·240 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 1200 rpm con una carga de 8 N·m.
Un motor monofásico consume 6 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la corriente de línea I.
P = 6 kWpf = 0,8V = 400 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 9 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 400 V y 50 Hz. Se conecta un condensador de 47 µF en paralelo con la carga. Halla la nueva corriente de línea I.
P = 9 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 50 HzC = 47 µF
I = A
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 12 + j16 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 400 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 400 VZ = 12 + j16 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 100 kW con un factor de potencia de 0,72 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 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 3,06 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 = 14,4/48 = 0,3
Corriente media y de rizado
Io = 14,4/8 = 1,8 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 33,6·0,3/(100·10⁻⁶·40·10³) = 2,52 A
Corriente pico
Imax = 1,8 + 2,52/2 = 3,06 A
Respuesta
Imax = 3,06 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 7,031 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 = 8/(24 + 8) = 0,25
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 − 0,25)²·5/(2200·10³) = 7,031 µH
Respuesta
Lcrit = 7,031 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: η = 91,19 %
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 = 240·30 = 7200 W
Pdev = 228·30 = 6840 W
Pout = 6840 − 274 = 6566 W
Rendimiento
η = 6566/7200·100 = 91,19 %
Respuesta
η = 91,19 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: D = 48,14 %
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.
Tensión de inducido necesaria
Va = 0,8·125,7 + 10·1,5 = 115,5 V
Ciclo de trabajo
D = 115,5/240 = 48,14 %
Respuesta
D = 48,14 %
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 18,75 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) = 6000/(400·0,8) = 18,75 A
Respuesta
I = 18,75 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 32,97 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 antes y después
La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.
Q1 = 9·tan(arccos 0,6) = 12 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·47·10⁻⁶ = 2362 var = 2,362 kvar
Q2 = 12 − 2,362 = 9,638 kvar
Nueva potencia aparente
S2 = √(9² + 9,638²) = 13,19 kVA
Nueva corriente de línea
I = S2/V = 13186/400 = 32,97 A
Respuesta
I = 32,97 A
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 4,8 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 = 400/√3 = 230,9 V
Corriente de fase
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 230,9/20 = 11,55 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·11,55²·12 = 4,8 kW
Respuesta
P = 4,8 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 76,08 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.