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​ΔI = ?DTT2T

Un convertidor reductor-elevador inversor ideal convierte 15 V en −35 V a 40 kHz con L = 330 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.

Vin​ = 15 VVo​ = −35 Vf = 40 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
+−48 VSLC = 100 µFR = 50 Ω−+−112 V

Un convertidor reductor-elevador ideal convierte 48 V en −112 V para una carga de 50 Ω a 20 kHz. El condensador de salida es de 100 µF. Halla el rizado de tensión de salida pico a pico ΔVo en mV.

Vin​ = 48 VVo​ = −112 Vf = 20 kHzC = 100 µFR = 50 Ω
ΔVo = mV
3.Motores de corriente continuaMedia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Un motor de corriente continua con k = 1,5 N·m/A y Ra = 1,2 Ω se conecta a 120 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.

V = 120 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 1000 rpmT = 0,3 N·m

Un motor de corriente continua (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) con una alimentación fija de 24 V mueve una carga de 0,3 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 1000 rpm.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 0,3 N·mn = 1000 rpm
Rs = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 4 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 4 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 4 kWpf = 0,8V = 400 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 96 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 96 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo. ¿Cuánta potencia activa adicional ΔP se puede añadir como carga resistiva (factor de potencia unidad) antes de que el transformador alcance su potencia nominal en kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 96 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VNZ = 20 + j15 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 20 + j15 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 = 20 + j15 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔIL = 0,7955 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 = 35/(15 + 35) = 0,7

Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción

Mientras S está cerrado, la bobina queda directamente sobre Vin.

VL = 15 V

Corriente de rizado

ΔIL = VL·D/(L·f) = 15·0,7/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0,7955 A

Respuesta

ΔIL = 0,7955 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔVo = 784 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 = 112/(48 + 112) = 0,7

Corriente en la carga

Io = 112/50 = 2,24 A

Rizado de salida

ΔVo = 2,24·0,7/(20·10³·100·10⁻⁶) = 784 mV

Respuesta

ΔVo = 784 mV
3.Motores de corriente continua

Respuesta: Tstall = 150 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 = 120/1,2 = 100 A

Par de bloqueo

Tstall = 1,5·100 = 150 N·m

Respuesta

Tstall = 150 N·m
4.Motores de corriente continua

Respuesta: Rs = 3,346 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 = 0,3/0,15 = 2 A
E = 0,15·104,7 = 15,71 V

Resistencia en serie

Ra + Rs = (24 − 15,71)/2 = 4,146 Ω
Rs = 3,346 Ω

Respuesta

Rs = 3,346 Ω

La resistencia disipa 13,38 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 3 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(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 4·0,75 = 3 kvar

Respuesta

Q = 3 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 85,2 kW

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 la carga existente

Q1 = 96·tan(arccos 0,75) = 84,66 kvar

Potencia activa total máxima

A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 84,66²) = 181,2 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 181,2 − 96 = 85,2 kW

Respuesta

ΔP = 85,2 kW
7.Potencia trifásica

Respuesta: P = 5,12 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| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 230,9/25 = 9,238 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·20 = 5,12 kW

Respuesta

P = 5,12 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

8.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 426 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27662/(377·415²) = 426 µF

Respuesta

Cph = 426 µF

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