Un convertidor elevador ideal convierte 24 V en 48 V para una carga de 10 Ω a 100 kHz. El condensador de salida es de 220 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.
Un motor de corriente continua (k = 0,5 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) funciona a 120 V y mueve un par de carga de 2 N·m. Halla su velocidad n en rpm.
V = 120 Vk = 0,5 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 2 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) con una alimentación fija de 120 V mueve una carga de 15 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 750 rpm.
Un motor monofásico consume 30 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.
P = 30 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una fuente de 120 V (eficaces) y 60 Hz tiene una impedancia interna Zs = 20 + 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 = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j5 Ω
C = µF
7.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 11 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 92 % y su factor de potencia es 0,9 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 690 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 11 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 480 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. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 7,296 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 = 28,8/48 = 0,6
Corriente media y de rizado
Io = 28,8/5 = 5,76 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 19,2·0,6/(150·10⁻⁶·25·10³) = 3,072 A
Corriente pico
Imax = 5,76 + 3,072/2 = 7,296 A
Respuesta
Imax = 7,296 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: ΔVo = 109,1 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 = 1 − 24/48 = 0,5
Corriente en la carga
Io = 48/10 = 4,8 A
Rizado de salida
ΔVo = 4,8·0,5/(100·10³·220·10⁻⁶) = 109,1 mV
Respuesta
ΔVo = 109,1 mV
3.Motores de corriente continua
Respuesta: n = 2177 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 = 2/0,5 = 4 A
Fuerza contraelectromotriz y velocidad
E = 120 − 4·1,5 = 114 V
ω = E/k = 228 rad/s → n = 2177 rpm
Respuesta
n = 2177 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: Rs = 2,715 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 = 15/0,6 = 25 A
E = 0,6·78,54 = 47,12 V
Resistencia en serie
Ra + Rs = (120 − 47,12)/25 = 2,915 Ω
Rs = 2,715 Ω
Respuesta
Rs = 2,715 Ω
La resistencia disipa 1697 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: Q = 35,07 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.
Ángulo
φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Potencia reactiva
Q = P·tan φ = 30·1,169 = 35,07 kvar
Respuesta
Q = 35,07 kvar
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* = 20 − j5 Ω
Capacidad
XC = 5 Ω → C = 1/(2π·60·5) = 530,5 µF
Respuesta
C = 530,5 µF
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 11,12 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 = 11/0,92 = 11,96 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11957/(√3·690·0,9) = 11,12 A
Respuesta
IL = 11,12 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 625,3 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 54,31 kvar
Capacidad por fase
En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.