Un convertidor reductor convierte 48 V en 12 V a 40 kHz con L = 33 µH. Halla la menor corriente de carga Io,min con la que sigue en conducción continua.
Vin = 48 VVo = 12 Vf = 40 kHzL = 33 µH
Io,min = A
3.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua con k = 1 V·s/rad funciona a 240 V. Despreciando todas las pérdidas en vacío, halla su velocidad en vacío n0 en rpm.
V = 240 Vk = 1 V·s/rad
n0 = rpm
4.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua de 110 V tiene una resistencia de inducido de 2 Ω. Halla la resistencia de arranque en serie Rst que limita la corriente de arranque a 10 A.
V = 110 VRa = 2 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 27 kW con un factor de potencia de 0,85 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.
P = 27 kWpf = 0,85V = 240 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 64 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 = 64 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 12 + j9 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 208 VZ = 12 + j9 Ω por fase
P = kW
8.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 60 kW con un factor de potencia de 0,8 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 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 60 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3Disoluciones
1.Convertidores CC-CC
Respuesta: Imax = 0,2824 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 = 4,8/12 = 0,4
Corriente media y de rizado
Io = 4,8/20 = 0,24 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,2·0,4/(68·10⁻⁶·500·10³) = 0,08471 A
Corriente pico
Imax = 0,24 + 0,08471/2 = 0,2824 A
Respuesta
Imax = 0,2824 A
2.Convertidores CC-CC
Respuesta: Io,min = 3,409 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 = 12/48 = 0,25
Corriente de rizado
ΔIL = 12·0,75/(33·10⁻⁶·40·10³) = 6,818 A
Corriente de carga en el límite
Io,min = ΔIL/2 = 3,409 A
Respuesta
Io,min = 3,409 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: n0 = 2292 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.
Velocidad en vacío
ω₀ = V/k = 240/1 = 240 rad/s
n0 = 60·240/(2π) = 2292 rpm
Respuesta
n0 = 2292 rpm
4.Motores de corriente continua
Respuesta: Rst = 9 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.
Resistencia total
Ra + Rst = 110/10 = 11 Ω
Resistencia de arranque
Rst = 11 − 2 = 9 Ω
Respuesta
Rst = 9 Ω
La resistencia se va eliminando por etapas a medida que el motor acelera y crece la fuerza contraelectromotriz.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: Q = 16,73 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197
Potencia reactiva
Q = P·tan φ = 27·0,6197 = 16,73 kvar
Respuesta
Q = 16,73 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: ΔP = 127,9 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 = 64·tan(arccos 0,75) = 56,44 kvar
Potencia activa total máxima
A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 56,44²) = 191,9 kW
Potencia activa adicional
ΔP = 191,9 − 64 = 127,9 kW
Respuesta
ΔP = 127,9 kW
7.Potencia trifásica
Respuesta: P = 2,307 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 = 208/√3 = 120,1 V
Corriente de fase
|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 120,1/15 = 8,006 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·8,006²·12 = 2,307 kW
Respuesta
P = 2,307 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
8.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 119,8 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 = 60·tan(acos 0,8) = 60·0,75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 19,44 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.