Un convertidor reductor convierte 9 V en 2,7 V a 200 kHz con L = 150 µH. Halla la menor corriente de carga Io,min con la que sigue en conducción continua.
Vin = 9 VVo = 2,7 Vf = 200 kHzL = 150 µH
Io,min = A
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua (k = 0,2 N·m/A, Ra = 0,2 Ω) funciona a 24 V y mueve un par de carga de 1,2 N·m. Halla su velocidad n en rpm.
V = 24 Vk = 0,2 N·m/ARa = 0,2 ΩT = 1,2 N·m
n = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua de excitación independiente a 24 V (Ra = 0,2 Ω) funciona a 1800 rpm con una corriente de inducido de 6 A. La carga cambia y la corriente pasa a 2,4 A, con el campo sin cambios. Halla la nueva velocidad n2.
V = 24 VRa = 0,2 Ωn1 = 1800 rpmIa1 = 6 AIa2 = 2,4 A
n2 = rpm
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 3 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.
P = 3 kWpf = 0,75V = 400 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Un transformador monofásico de 75 kVA alimenta una carga de 46 kW con un factor de potencia de 0,8 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 = 75 kVAP1 = 46 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 40 A de una alimentación con una tensión de línea de 208 V. El factor de potencia es 0,7 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 208 VIL = 40 Acos φ = 0,7
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 200 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 400 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. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 200 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 13,46 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 = 25,2/36 = 0,7
Corriente media y de rizado
Io = 25,2/2 = 12,6 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 10,8·0,7/(220·10⁻⁶·20·10³) = 1,718 A
Corriente pico
Imax = 12,6 + 1,718/2 = 13,46 A
Respuesta
Imax = 13,46 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Io,min = 0,0315 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 = 2,7/9 = 0,3
Corriente de rizado
ΔIL = 2,7·0,7/(150·10⁻⁶·200·10³) = 0,063 A
Corriente de carga en el límite
Io,min = ΔIL/2 = 0,0315 A
Respuesta
Io,min = 0,0315 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: n = 1089 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.
Corriente de inducido
Ia = T/k = 1,2/0,2 = 6 A
Fuerza contraelectromotriz y velocidad
E = 24 − 6·0,2 = 22,8 V
ω = E/k = 114 rad/s → n = 1089 rpm
Respuesta
n = 1089 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: n2 = 1857 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.
Fuerza contraelectromotriz antes y después
E1 = 24 − 6·0,2 = 22,8 V
E2 = 24 − 2,4·0,2 = 23,52 V
Nueva velocidad
n2 = 1800·23,52/22,8 = 1857 rpm
Respuesta
n2 = 1857 rpm
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: Q = 2,646 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(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819
Potencia reactiva
Q = P·tan φ = 3·0,8819 = 2,646 kvar
Respuesta
Q = 2,646 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: ΔP = 20,59 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 = 46·tan(arccos 0,8) = 34,5 kvar
Potencia activa total máxima
A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 34,5²) = 66,59 kW
Potencia activa adicional
ΔP = 66,59 − 46 = 20,59 kW
Respuesta
ΔP = 20,59 kW
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 10,09 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.
Potencia aparente
S = √3·VL·IL = √3·208·40 = 14,41 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 14,41·0,7 = 10,09 kW
Respuesta
P = 10,09 kW
8.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 110,6 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.