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 12 V en −8 V a 200 kHz con L = 47 µH. Halla la corriente de rizado pico a pico de la bobina ΔIL.

Vin​ = 12 VVo​ = −8 Vf = 200 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.Convertidores CC-CCDifícil
tiL​Imax​Io​DTT2T

Un convertidor reductor convierte 36 V en 27 V a 500 kHz con L = 10 µH. Halla la menor corriente de carga Io,min con la que sigue en conducción continua.

Vin​ = 36 VVo​ = 27 Vf = 500 kHzL = 10 µH
Io,min = A
3.Motores de corriente continuaMedia
+−110 VRa​ = 0,2 ΩIa​ = 20 AM+−EωT

Un motor de corriente continua absorbe 20 A de una alimentación de 110 V. Su resistencia de inducido es de 0,2 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 170 W. Halla su rendimiento η.

V = 110 VIa = 20 ARa = 0,2 ΩProt = 170 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 0,2 ΩM+−En = 1200 rpmT = 40 N·m

Un troceador de continua alimenta un motor (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,2 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 1200 rpm con una carga de 40 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 40 N·mn = 1200 rpm
D = %
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 29 kWQSφ

Un motor monofásico consume 29 kW con un factor de potencia de 0,85 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la corriente de línea I.

P = 29 kWpf = 0,85V = 400 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la nueva corriente de línea Inew.

P = 40 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M90 kW, η = 91%cos φ = 0,8

Un motor de inducción trifásico entrega 90 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 91 % y su factor de potencia es 0,8 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 400 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 90 kWη = 91%cos φ = 0,8VL = 400 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 300 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Disoluciones

1.Convertidores CC-CC

Respuesta: ΔIL = 0,5106 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 = 8/(12 + 8) = 0,4

Tensión de la bobina durante el tiempo de conducción

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

VL = 12 V

Corriente de rizado

ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,4/(47·10⁻⁶·200·10³) = 0,5106 A

Respuesta

ΔIL = 0,5106 A
2.Convertidores CC-CC

Respuesta: Io,min = 0,675 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 = 27/36 = 0,75

Corriente de rizado

ΔIL = 27·0,25/(10·10⁻⁶·500·10³) = 1,35 A

Corriente de carga en el límite

Io,min = ΔIL/2 = 0,675 A

Respuesta

Io,min = 0,675 A

Por debajo de esta corriente el convertidor pasa a conducción discontinua y Vo sube por encima de D·Vin.

3.Motores de corriente continua

Respuesta: η = 88,64 %

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.

Potencias

Pin = 110·20 = 2200 W
Pdev = 106·20 = 2120 W
Pout = 2120 − 170 = 1950 W

Rendimiento

η = 1950/2200·100 = 88,64 %

Respuesta

η = 88,64 %
4.Motores de corriente continua

Respuesta: D = 55,69 %

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 = 1·125,7 + 40·0,2 = 133,7 V

Ciclo de trabajo

D = 133,7/240 = 55,69 %

Respuesta

D = 55,69 %
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 85,29 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.

Corriente de línea

Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.

I = P/(V·cos φ) = 29000/(400·0,85) = 85,29 A

Respuesta

I = 85,29 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Inew = 175,4 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 = P·tan φ1 = 40·tan(41,41°) = 35,28 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,13 kvar

Nueva corriente de línea

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(240·0,95) = 175,4 A

Respuesta

Inew = 175,4 A
7.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 178,4 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 = 90/0,91 = 98,9 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 98901/(√3·400·0,8) = 178,4 A

Respuesta

IL = 178,4 A
8.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 3834 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 69152/(314,2·239,6²) = 3834 µF

Respuesta

Cph = 3834 µF

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