Un convertidor reductor ideal convierte 12 V en 9 V para una carga de 50 Ω a 100 kHz. Halla la menor inductancia Lcrit para conducción continua.
Vin = 12 VVo = 9 Vf = 100 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua absorbe 15 A de una alimentación de 120 V. Su resistencia de inducido es de 0,25 Ω y sus pérdidas rotacionales (rozamiento, ventilación y hierro) son de 140 W. Halla su rendimiento η.
V = 120 VIa = 15 ARa = 0,25 ΩProt = 140 W
η = %
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua (k = 0,1 V·s/rad, Ra = 0,4 Ω) con una alimentación fija de 24 V mueve una carga de 0,2 N·m. Halla la resistencia en serie Rs que lo frena hasta 750 rpm.
Una carga inductiva consume 17 A y 3672 W de una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla R.
V = 240 VI = 17 AP = 3672 W
R = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 29 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 V y 50 Hz. Se conecta un condensador de 330 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.
P = 29 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 50 HzC = 330 µF
cos φ =
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 4 + j3 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 480 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 480 VZ = 4 + j3 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,78 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 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 0,151 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 media y de rizado
Io = 2,7/25 = 0,108 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6,3·0,3/(220·10⁻⁶·100·10³) = 0,08591 A
Corriente pico
Imax = 0,108 + 0,08591/2 = 0,151 A
Respuesta
Imax = 0,151 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Lcrit = 62,5 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 = 9/12 = 0,75
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 − 0,75)·50/(2100·10³) = 62,5 µH
Respuesta
Lcrit = 62,5 µH
3.Motores de corriente continua
Respuesta: η = 89,1 %
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 = 120·15 = 1800 W
Pdev = 116,3·15 = 1744 W
Pout = 1744 − 140 = 1604 W
Rendimiento
η = 1604/1800·100 = 89,1 %
Respuesta
η = 89,1 %
4.Motores de corriente continua
Respuesta: Rs = 7,673 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 = 0,2/0,1 = 2 A
E = 0,1·78,54 = 7,854 V
Resistencia en serie
Ra + Rs = (24 − 7,854)/2 = 8,073 Ω
Rs = 7,673 Ω
Respuesta
Rs = 7,673 Ω
La resistencia disipa 30,69 W; un troceador controla la velocidad con muchas menos pérdidas.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: R = 12,71 Ω
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.
Resistencia a partir de la potencia activa
R = P/I² = 3672/17² = 12,71 Ω
Respuesta
R = 12,71 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: cos φ = 0,8586
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 = 29·tan(arccos 0,65) = 33,9 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·330·10⁻⁶ = 16588 var = 16,59 kvar
Q2 = 33,9 − 16,59 = 17,32 kvar
Nueva potencia aparente
S2 = √(29² + 17,32²) = 33,78 kVA
Nuevo factor de potencia
cos φ = P/S2 = 29/33,78 = 0,8586
Respuesta
cos φ = 0,8586
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 110,6 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 = VL = 480 V
Corriente de fase
|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·96²·4 = 110,6 kW
Respuesta
P = 110,6 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 138 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 29,96 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.