Un convertidor reductor ideal convierte 9 V en 4,5 V para una carga de 25 Ω a 50 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 9 VVo = 4,5 Vf = 50 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua con k = 0,1 N·m/A y Ra = 0,4 Ω se conecta a 24 V. Halla su par de bloqueo Tstall, el par a velocidad cero.
V = 24 Vk = 0,1 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua con k = 2 V·s/rad y Ra = 0,8 Ω debe mover una carga de 20 N·m a 600 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.
k = 2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 20 N·mn = 600 rpm
V = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 36 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.
P = 36 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 58 kW con un factor de potencia de 0,65 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 = 58 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
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 94 % y su factor de potencia es 0,86 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 480 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 120 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 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. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 4,032 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 = 14,4/24 = 0,6
Corriente media y de rizado
Io = 14,4/5 = 2,88 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9,6·0,6/(100·10⁻⁶·25·10³) = 2,304 A
Corriente pico
Imax = 2,88 + 2,304/2 = 4,032 A
Respuesta
Imax = 4,032 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 125 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 = 4,5/9 = 0,5
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 − 0,5)·25/(250·10³) = 125 µH
Respuesta
Lcrit = 125 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: Tstall = 6 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 = 24/0,4 = 60 A
Par de bloqueo
Tstall = 0,1·60 = 6 N·m
Respuesta
Tstall = 6 N·m
4.Motores de corriente continua
Respuesta: V = 133,7 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 = 2·62,83 = 125,7 V
Corriente de inducido
Ia = 20/2 = 10 A
Tensión de inducido
V = 125,7 + 10·0,8 = 133,7 V
Respuesta
V = 133,7 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: Q = 48 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(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Potencia reactiva
Q = P·tan φ = 36·1,333 = 48 kvar
Respuesta
Q = 48 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: ΔP = 130,2 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 = 58·tan(arccos 0,65) = 67,81 kvar
Potencia activa total máxima
A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 67,81²) = 188,2 kW
Potencia activa adicional
ΔP = 188,2 − 58 = 130,2 kW
Respuesta
ΔP = 130,2 kW
7.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 16,37 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 = 11/0,94 = 11,7 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·480·0,86) = 16,37 A
Respuesta
IL = 16,37 A
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 1362 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 82,18 kvar
Capacidad por fase
En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.