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1Fórmulas y métodos
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
Transformadores
Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)
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)
Impedancia y fasores en alterna
Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z
Método
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.
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
Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
Para potencia y rendimiento, parte de V·Ia, resta las pérdidas en el cobre Ia²·Ra y después las pérdidas rotacionales.
2Problemas de práctica
1.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 20 A de una alimentación con una tensión de línea de 400 V. El factor de potencia es 0,9 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,9
P = kW
2.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 75 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 480 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. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMedia
Un transformador monofásico de 75 kVA, 4160/480 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.
S = 75 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 75 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 600 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,8 inductivo su rendimiento es del 98,2 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.
S = 75 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 98,2%
Pcu,fl = W
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga inductiva consume 19,5 A y 1638 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.
V = 120 VI = 19,5 AP = 1638 W
X = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 15 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,9. Halla la capacidad C necesaria.
P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla el factor de potencia cos φ del circuito.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
cos φ =
8.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la frecuencia de resonancia f0 del circuito.
V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 10 µF
f0 = Hz
9.Motores de corriente continuaMedia
Un motor de corriente continua (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) funciona a 120 V. A plena carga absorbe 5 A. Despreciando la corriente en vacío, halla su regulación de velocidad SR = (n₀ − nFL)/nFL en porcentaje.
V = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,8 ΩIFL = 5 A
SR = %
10.Motores de corriente continuaDifícil
Un motor de corriente continua con k = 0,8 V·s/rad y Ra = 1 Ω debe mover una carga de 6,4 N·m a 300 rpm. Halla la tensión de inducido V que necesita.
k = 0,8 V·s/radRa = 1 ΩT = 6,4 N·mn = 300 rpm
V = V
3Disoluciones
1.Potencia trifásica
Respuesta: P = 12,47 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 = √3·400·20 = 13,86 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 13,86·0,9 = 12,47 kW
Respuesta
P = 12,47 kW
2.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 29,82 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.
Q1 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 29,82 kvar
Respuesta
QC = 29,82 kvar
3.Transformadores
Respuesta: ILV = 156,3 A
Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.
Corriente nominal
Los dos devanados transportan la misma potencia aparente.
ILV = S/V = 75000/480 = 156,3 A
Respuesta
ILV = 156,3 A
4.Transformadores
Respuesta: Pcu,fl = 499,8 W
Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.
Potencia útil y absorbida
Pout = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,982 = 61100 W
Pérdidas totales y en el cobre
Ploss = 61100 − 60000 = 1100 W
Pcu,fl = 1100 − 600 = 499,8 W
Respuesta
Pcu,fl = 499,8 W
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: X = 4,395 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 = 1638/19,5² = 4,308 Ω
Reactancia a partir de la impedancia
|Z| = V/I = 120/19,5 = 6,154 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(6,154² − 4,308²) = 4,395 Ω
Respuesta
X = 4,395 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 370,2 µF
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 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,038 kvar
Capacidad
Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 8038/(2π·60·240²) = 370,2 µF
Respuesta
C = 370,2 µF
7.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: cos φ = 0,8425
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Reactancias
XL = 188,5 Ω, XC = 169,3 Ω
Impedancia
|Z| = √(30² + (19,18)²) = 35,61 Ω
Factor de potencia
cos φ = R/|Z| = 30/35,61 = 0,8425
El circuito es inductivo, así que el factor de potencia es inductivo (en retraso).
Respuesta
cos φ = 0,8425
8.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: f0 = 112,5 Hz
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Resonancia
En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC). La frecuencia de la alimentación no influye.
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 y a plena carga
n₀ = 60·120/(2π·1,2) = 954,9 rpm
nFL = 60·(120 − 5·0,8)/(2π·1,2) = 923,1 rpm
Regulación de velocidad
SR = (954,9 − 923,1)/923,1·100 = 3,448 %
Respuesta
SR = 3,448 %
10.Motores de corriente continua
Respuesta: V = 33,13 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.