Un convertidor reductor ideal convierte 12 V en 3,6 V para una carga de 20 Ω a 200 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 12 VVo = 3,6 Vf = 200 kHzR = 20 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua con k = 0,5 V·s/rad funciona a 120 V. Despreciando todas las pérdidas en vacío, halla su velocidad en vacío n0 en rpm.
V = 120 Vk = 0,5 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un troceador de continua alimenta un motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1 Ω) desde un bus de continua de 220 V. La tensión media del inducido es D·220 V. Halla el ciclo de trabajo D con el que el motor funciona a 500 rpm con una carga de 4,5 N·m.
Una carga de impedancia Z = 12 + j16 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Halla la potencia reactiva Q que absorbe.
V = 120 VZ = 12 + j16 Ω
Q = var
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 25 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Se conecta un condensador de 150 µF en paralelo con la carga. Halla la nueva corriente de línea I.
P = 25 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 15 + j20 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 480 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 480 VZ = 15 + j20 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 250 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 = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 1,244 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 = 4,8/12 = 0,4
Corriente media y de rizado
Io = 4,8/4 = 1,2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,4/(330·10⁻⁶·100·10³) = 0,08727 A
Corriente pico
Imax = 1,2 + 0,08727/2 = 1,244 A
Respuesta
Imax = 1,244 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 35 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 = 3,6/12 = 0,3
Condición de límite
Iguala la corriente media de la bobina a la mitad de la corriente de rizado y despeja L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Inductancia crítica
Lcrit = (1 − 0,3)·20/(2200·10³) = 35 µH
Respuesta
Lcrit = 35 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: n0 = 2292 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 = 120/0,5 = 240 rad/s
n0 = 60·240/(2π) = 2292 rpm
Respuesta
n0 = 2292 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: D = 20,58 %
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 = 0,75·52,36 + 6·1 = 45,27 V
Ciclo de trabajo
D = 45,27/220 = 20,58 %
Respuesta
D = 20,58 %
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: Q = 576 var
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| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 120/20 = 6 A
Potencia reactiva
Q = I²·X = 6²·16 = 576 var
Respuesta
Q = 576 var
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 141 A
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 = 25·tan(arccos 0,7) = 25,51 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 25,51 − 2,714 = 22,79 kvar
Nueva potencia aparente
S2 = √(25² + 22,79²) = 33,83 kVA
Nueva corriente de línea
I = S2/V = 33829/240 = 141 A
Respuesta
I = 141 A
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 16,59 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 = VL = 480 V
Corriente de fase
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19,2 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·19,2²·15 = 16,59 kW
Respuesta
P = 16,59 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 66,42 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.