Un convertidor reductor convierte 12 V en 9 V para una carga de 50 Ω a 500 kHz, con L = 22 µH y C = 220 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.
Un motor de corriente continua (k = 1,5 N·m/A, Ra = 2 Ω) funciona a 240 V y mueve un par de carga de 9 N·m. Halla su velocidad n en rpm.
V = 240 Vk = 1,5 N·m/ARa = 2 ΩT = 9 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1,2 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 600 rpm con una carga de 7,5 N·m.
Una carga de impedancia Z = 16 + j12 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia activa P que absorbe.
V = 230 VZ = 16 + j12 Ω
P = W
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una fuente de 24 V (eficaces) y 60 Hz tiene una impedancia interna Zs = 10 + j5 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 = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j5 Ω
C = µF
7.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 22 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 90 % y su factor de potencia es 0,84 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 480 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 22 kWη = 90%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,8 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 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 1,064 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 = 10,8/36 = 0,3
Corriente media y de rizado
Io = 10,8/15 = 0,72 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 25,2·0,3/(220·10⁻⁶·50·10³) = 0,6873 A
Corriente pico
Imax = 0,72 + 0,6873/2 = 1,064 A
Respuesta
Imax = 1,064 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔVo = 0,2324 mV
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 = 9/12 = 0,75
Corriente de rizado de la bobina
ΔIL = (12 − 9)·0,75/(22·10⁻⁶·500·10³) = 0,2045 A
Rizado de salida
ΔVo = 0,2045/(8·500·10³·220·10⁻⁶) = 0,2324 mV
Respuesta
ΔVo = 0,2324 mV
3.Motores de corriente continua
Respuesta: n = 1451 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.
Corriente de inducido
Ia = T/k = 9/1,5 = 6 A
Fuerza contraelectromotriz y velocidad
E = 240 − 6·2 = 228 V
ω = E/k = 152 rad/s → n = 1451 rpm
Respuesta
n = 1451 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: D = 24,63 %
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 = 0,75·62,83 + 10·1,2 = 59,12 V
Ciclo de trabajo
D = 59,12/240 = 24,63 %
Respuesta
D = 24,63 %
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: P = 2116 W
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
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 230/20 = 11,5 A
Potencia activa
P = I²·R = 11,5²·16 = 2116 W
Respuesta
P = 2116 W
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 530,5 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* = 10 − j5 Ω
Capacidad
XC = 5 Ω → C = 1/(2π·60·5) = 530,5 µF
Respuesta
C = 530,5 µF
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 35 A
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 eléctrica absorbida
Pin = Pout/η = 22/0,9 = 24,44 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 24444/(√3·480·0,84) = 35 A
Respuesta
IL = 35 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 21,25 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.