Electrónica de potencia y accionamientos: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Convertidores CC-CC

Reductor
Vo = D·Vin
Elevador
Vo = Vin/(1 − D)
Reductor-elevador inversor
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Balance de potencia ideal
VinIin = VoIo
Rizado de la bobina
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Corriente media de la bobina
reductor Io; elevador y reductor-elevador Io/(1 − D)
Rizado de salida
reductor ΔIL/(8fC); elevador y reductor-elevador Io·D/(fC)
Límite de CCM
reductor (1 − D)R/(2f); elevador D(1 − D)²R/(2f); reductor-elevador (1 − D)²R/(2f)

Método

  1. Identifica el convertidor (reductor, elevador o reductor-elevador) y el ciclo de trabajo D a partir de la relación de tensiones.
  2. Usa el balance voltios-segundo en la bobina: la tensión media de la bobina a lo largo de un periodo es cero.
  3. Halla la tensión de la bobina mientras el interruptor está cerrado y luego ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. 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

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. 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
+−36 VLSCR = 15 Ω+−120 V

Un convertidor elevador ideal convierte 36 V en 120 V para una carga de 15 Ω. Halla la corriente media de la bobina IL.

Vin​ = 36 VVo​ = 120 VR = 15 Ω
IL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertidor elevador ideal convierte 15 V en 25 V para una carga de 50 Ω a 200 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.

Vin​ = 15 VVo​ = 25 Vf = 200 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
+−110 VRa​ = 1,2 ΩIa​ = 12 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 12 A de una alimentación de 110 V. Su resistencia de inducido es de 1,2 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 92 W. Halla su rendimiento η.

V = 110 VIa = 12 ARa = 1,2 ΩProt = 92 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VRa​ = 1 ΩIa​: 10 → 15 AM+−En = ?T

Un motor de corriente continua de excitación independiente a 240 V (Ra = 1 Ω) funciona a 1200 rpm con una corriente de inducido de 10 A. La carga cambia y la corriente pasa a 15 A, con el campo sin cambios. Halla la nueva velocidad n2.

V = 240 VRa = 1 Ωn1 = 1200 rpmIa1 = 10 AIa2 = 15 A
n2 = rpm
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VR + jXP = 1530 W17 A

Una carga inductiva consume 17 A y 1530 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla R.

V = 120 VI = 17 AP = 1530 W
R = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
400 V60 Hzcarga19 kW, 0,8C68 µFI

Una carga monofásica consume 19 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 400 V y 60 Hz. Se conecta un condensador de 68 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.

P = 19 kWpf1 = 0,8V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 50 Acos φ = 0,82inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 50 A de una alimentación con una tensión de línea de 690 V. El factor de potencia es 0,82 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 690 VIL = 50 Acos φ = 0,82
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 120 kW con un factor de potencia de 0,78 inductivo de una alimentación de 415 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 = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: IL = 26,67 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 − 36/120 = 0,7

Corriente en la carga

Io = 120/15 = 8 A

Corriente de la bobina

IL = Io/(1 − D) = 8/0,3 = 26,67 A

Respuesta

IL = 26,67 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: Lcrit = 18 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 − 15/25 = 0,4

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 = 0,4(1 − 0,4)²·50/(2200·10³) = 18 µH

Respuesta

Lcrit = 18 µH
3.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 79,94 %

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 = 110·12 = 1320 W
Pdev = 95,6·12 = 1147 W
Pout = 1147 − 92 = 1055 W

Rendimiento

η = 1055/1320·100 = 79,94 %

Respuesta

η = 79,94 %
4.Motores de corriente continua

Respuesta: n2 = 1174 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 − 10·1 = 230 V
E2 = 240 − 15·1 = 225 V

Nueva velocidad

n2 = 1200·225/230 = 1174 rpm

Respuesta

n2 = 1174 rpm
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: R = 5,294 Ω

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.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 1530/17² = 5,294 Ω

Respuesta

R = 5,294 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: cos φ = 0,8821

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 = 19·tan(arccos 0,8) = 14,25 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4,102 kvar
Q2 = 14,25 − 4,102 = 10,15 kvar

Nueva potencia aparente

S2 = √(19² + 10,15²) = 21,54 kVA

Nuevo factor de potencia

cos φ = P/S2 = 19/21,54 = 0,8821

Respuesta

cos φ = 0,8821
7.Potencia trifásica

Respuesta: P = 49 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 = √3·690·50 = 59,76 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 59,76·0,82 = 49 kW

Respuesta

P = 49 kW
8.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 195,9 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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 38,16 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12718/(377·415²) = 195,9 µF

Respuesta

Cph = 195,9 µF

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