Un convertidor reductor convierte 24 V en 16,8 V a 50 kHz con L = 220 µH. Halla la capacidad de salida C que limita el rizado de salida pico a pico a 25 mV.
Un motor de corriente continua con k = 1,2 V·s/rad funciona a 220 V. Despreciando todas las pérdidas en vacío, halla su velocidad en vacío n0 en rpm.
V = 220 Vk = 1,2 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua (k = 0,2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) con una alimentación fija de 48 V mueve una carga de 0,4 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 1000 rpm.
Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 240 V: una carga de 25 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo y una carga de 20 kW con un factor de potencia de 0,7 capacitivo. Halla el factor de potencia global cos φ que ve la alimentación.
Una carga monofásica consume 50 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 230 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.
P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 9 + j12 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 75 kW con un factor de potencia de 0,78 inductivo de una alimentación de 480 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 1,384 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 = 19,2/20 = 0,96 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 28,8·0,4/(68·10⁻⁶·200·10³) = 0,8471 A
Corriente pico
Imax = 0,96 + 0,8471/2 = 1,384 A
Respuesta
Imax = 1,384 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: C = 45,82 µF
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 = 16,8/24 = 0,7
Corriente de rizado de la bobina
ΔIL = (24 − 16,8)·0,7/(220·10⁻⁶·50·10³) = 0,4582 A
Capacidad
C = 0,4582/(8·50·10³·25·10⁻³) = 45,82 µF
Respuesta
C = 45,82 µF
3.Motores de corriente continua
Respuesta: n0 = 1751 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.
Velocidad en vacío
ω₀ = V/k = 220/1,2 = 183,3 rad/s
n0 = 60·183,3/(2π) = 1751 rpm
Respuesta
n0 = 1751 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: Rs = 12,03 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 = 0,4/0,2 = 2 A
E = 0,2·104,7 = 20,94 V
Resistencia en serie
Ra + Rs = (48 − 20,94)/2 = 13,53 Ω
Rs = 12,03 Ω
Respuesta
Rs = 12,03 Ω
La resistencia disipa 48,11 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: cos φ = 0,9611
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 = 25·tan(arccos 0,6) = 33,33 kvar
Q2 = −20·tan(arccos 0,7) = −20,4 kvar
Totales
P = 25 + 20 = 45 kW
Q = 33,33 + (−20,4) = 12,93 kvar
S = √(45² + 12,93²) = 46,82 kVA
Factor de potencia global
cos φ = P/S = 45/46,82 = 0,9611 inductivo
Respuesta
cos φ = 0,9611
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: QC = 27,66 kvar
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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18,19°) = 16,43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27,66 kvar
Respuesta
QC = 27,66 kvar
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 1,731 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 = 208/√3 = 120,1 V
Corriente de fase
|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 120,1/15 = 8,006 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·8,006²·9 = 1,731 kW
Respuesta
P = 1,731 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 28,22 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.