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
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

Un convertidor reductor convierte 48 V en 19,2 V para una carga de 20 Ω. Conmuta a 200 kHz con L = 68 µH. Halla la corriente pico de la bobina Imax.

Vin​ = 48 VVo​ = 19,2 Vf = 200 kHzL = 68 µHR = 20 Ω
Imax = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
+−24 VSL = 220 µHC = ?R+−16,8 V

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.

Vin​ = 24 VVo​ = 16,8 Vf = 50 kHzL = 220 µHΔVo = 25 mV
C = µF
3.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

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
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 1000 rpmT = 0,4 N·m

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.

V = 48 Vk = 0,2 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 0,4 N·mn = 1000 rpm
Rs = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 V125 kW, 0,6220 kW, 0,7I

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.

V = 240 VP1 = 25 kW, pf1 = 0,6 inductivoP2 = 20 kW, pf2 = 0,7 capacitivo
cos φ =
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

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
ABCVL​ = 208 VNZ = 9 + j12 Ωpor fase

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
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

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.

Q1 = 75·tan(acos 0,78) = 75·0,8023 = 60,17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 28,22 kvar

Respuesta

QC = 28,22 kvar

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