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 24 V en 7,2 V para una carga de 25 Ω. Conmuta a 50 kHz con L = 330 µH. Halla la corriente pico de la bobina Imax.

Vin​ = 24 VVo​ = 7,2 Vf = 50 kHzL = 330 µHR = 25 Ω
Imax = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
tiL​Imax​IL​DTT2T

Un convertidor reductor-elevador inversor ideal convierte 24 V en −8 V para una carga de 5 Ω a 50 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.

Vin​ = 24 VVo​ = −8 Vf = 50 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motor de corriente continua con k = 0,12 N·m/A y Ra = 0,8 Ω se conecta a 48 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.

V = 48 Vk = 0,12 N·m/ARa = 0,8 Ω
Tstall = N·m
4.Motores de corriente continuaDifícil
T (N·m)n (rpm)5 N·m750 rpm

Un motor de corriente continua con k = 1 V·s/rad y Ra = 1 Ω debe mover una carga de 5 N·m a 750 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.

k = 1 V·s/radRa = 1 ΩT = 5 N·mn = 750 rpm
V = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 VZ12 + j5 ΩI

Una carga de impedancia Z = 12 + j5 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.

V = 230 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
120 V50 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Una fuente de 120 V (eficaces) y 50 Hz tiene una impedancia interna Zs = 8 + j40 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 8 + j40 Ω
Pmax = W
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 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 400 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 400 VZ = 9 + j12 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,75 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 = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: Imax = 0,4407 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 = 7,2/24 = 0,3

Corriente media y de rizado

Io = 7,2/25 = 0,288 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 16,8·0,3/(330·10⁻⁶·50·10³) = 0,3055 A

Corriente pico

Imax = 0,288 + 0,3055/2 = 0,4407 A

Respuesta

Imax = 0,4407 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: Lcrit = 28,13 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 = 8/(24 + 8) = 0,25

Condición de límite

Iguala la corriente media de la bobina a la mitad de la corriente de rizado y despeja L.

Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)

Inductancia crítica

Lcrit = (1 − 0,25)²·5/(250·10³) = 28,13 µH

Respuesta

Lcrit = 28,13 µH
3.Motores de corriente continua

Respuesta: Tstall = 7,2 N·m

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 bloqueo

Ia = V/Ra = 48/0,8 = 60 A

Par de bloqueo

Tstall = 0,12·60 = 7,2 N·m

Respuesta

Tstall = 7,2 N·m
4.Motores de corriente continua

Respuesta: V = 83,54 V

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.

Fuerza contraelectromotriz

E = 1·78,54 = 78,54 V

Corriente de inducido

Ia = 5/1 = 5 A

Tensión de inducido

V = 78,54 + 5·1 = 83,54 V

Respuesta

V = 83,54 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: S = 4069 VA

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 + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A

Potencia aparente

S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA

Respuesta

S = 4069 VA
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 450 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.

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* = 8 − j40 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/16 = 7,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·8) = 450 W

Respuesta

Pmax = 450 W
7.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,4 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corriente de fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 230,9/15 = 15,4 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·15,4²·9 = 6,4 kW

Respuesta

P = 6,4 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

8.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 114 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 114 kvar

Respuesta

QC = 114 kvar

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