Sistemas eléctricos de potencia y máquinas eléctricas: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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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

  1. Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
  2. Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
  3. Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
  4. 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

  1. Dibuja el circuito del inducido: la alimentación V, la resistencia Ra y la fuerza contraelectromotriz E en serie.
  2. Usa V = E + Ia·Ra para relacionar tensión, corriente y fuerza contraelectromotriz.
  3. Usa E = k·ω para la velocidad y T = k·Ia para el par, con ω = 2π·n/60.
  4. 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
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,9inductivo

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
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

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
4160 V480 VIHV​ILV​ = ?75 kVA

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
pf 0,875 kVA, η = 98,2%

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
120 VR + jXP = 1638 W19,5 A

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
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

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
100 V200 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

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
230 V500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 10 µF

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
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​nFL​

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
T (N·m)n (rpm)6,4 N·m300 rpm

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.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·10·10⁻⁶)) = 112,5 Hz

Respuesta

f0 = 112,5 Hz
9.Motores de corriente continua

Respuesta: SR = 3,448 %

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.

Fuerza contraelectromotriz

E = 0,8·31,42 = 25,13 V

Corriente de inducido

Ia = 6,4/0,8 = 8 A

Tensión de inducido

V = 25,13 + 8·1 = 33,13 V

Respuesta

V = 33,13 V

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