Ejercicios Resueltos de Electrónica de Potencia: Convertidores CC/CC e Inversores

Ejercicios de Convertidores CC/CC

Ejercicio 3: Convertidor Boost

Un convertidor CC/CC Boost opera a 5 kHz y proporciona 150 V a una carga de 25 Ω desde una fuente de 40 V. La inductancia es de 200 µH. Se considera despreciable el rizado y los semiconductores son ideales. Calcular el ciclo de trabajo (D) sabiendo que opera en MCC (Modo de Conducción Continua).

Cálculo:

• V_o = V_i / (1 - D)
• 150 = 40 / (1 - D)
• D = 0,733

Ejercicio 4: Convertidor Buck

Un convertidor CC/CC Buck tiene una frecuencia de 100 kHz y una potencia de salida de 150 W sobre una carga resistiva. La V_i varía entre 20 V y 50 V y la V_o es de 15 V. Calcular el valor mínimo de inductancia que garantiza MCC. Considerar tensión de salida constante y semiconductores ideales.

Cálculo:

• V_o / V_i = D ⇒ 15 / 20 = D ⇒ D = 0,75
• P_o = V_o * I_o ⇒ 150 = 15 * I_o ⇒ I_o = 10 A
• D = √((2 * I_o * V_o * L) / (V_i * (V_i - V_o) * T))
• L = 1,88 µH

Ejercicio 5: Convertidor Reductor-Elevador (Buck-Boost)

Un reductor-elevador con V_i = 12 V, D = 0,6 y frecuencia de conmutación de 25 kHz. La inductancia es de 250 µH y la intensidad media de la carga resistiva (I_o) es de 1,5 A. Calcular el valor pico de intensidad de la inductancia en MCC.

Cálculo:

• V_o = (D / (1 - D)) * V_i = 18 V
• I_L = I_i + I_o = (V_o * I_o / V_i) + I_o = (18 * 1,5 / 12) + 1,5 = 3,75 A
• Δi_L = (V_i * D * T) / L = (12 * 0,6 * (1/25000)) / (250 * 10⁻⁶) = 1,152 A
• I_Lpico = I_L + Δi_L / 2 = 4,326 A

Ejercicio 6: Análisis de Diodo en Buck

Un CC/CC Buck con V_i = 20 V, V_o = 15 V, L = 75 µH, carga resistiva de 40 Ω y frecuencia de 25 kHz. Calcular el voltaje medio del diodo (V_{ánodo-cátodo}).

Cálculo:

• I_o = I_LF = 15 / 40 = 0,375 A
• D = 0,75
• Δi_L = (1 / L) * (V_i - V_o) * D * T = 2 A
• Δi_L / 2 = 1 A > 0,375 A ⇒ MCD (Modo de Conducción Discontinua)
• V_diodo = V_i * D = -15 V

Ejercicios de Inversores

Ejercicio 7: Inversor Monofásico en Puente

Calcular la intensidad media por cada polo. V_s = 100 V, desfase de ramas = 60º (π/3 rad) y R = 10 Ω.

Cálculo:

• I_media = (V_s / R) * (Φ / 2π) = (100 / 10) * (π/3 / 2π) = 1,667 A

Ejercicio 8: Cálculo de THD

Calcular el THD del ejercicio anterior.

• V_o1(rms) = (4 / π) * (V_DC / √2) * sen(π/2) * sen((π/3) / 2) = 45,01 V
• V_o(rms) = 57,73 V
• THD = √(V_o(rms)² - V_o1(rms)²) / V_o1(rms) = 80,3%

Ejercicio 9: Inversor Push-Pull

Calcular el valor eficaz del tercer armónico. Pulso único por semiciclo, n1=15, n2=60, V_DC=48 V y R=50 Ω.

Cálculo:

• V_o3(rms) = (n2 / n1) * (4 / π) * (V_DC / √2) * (sen(3π / 2) / 3) = -57,62 V

Ejercicio 10: Inversor con Modulación Senoidal

Inversor monofásico en puente, 100 V por semibatería. Desfase 180º, índice de modulación 0,75, f=50 Hz, índice de frecuencia 100. Calcular V_sal armónica fundamental eficaz.

Cálculo:

• V_{salidafundamental} = 75 V
• V_{salidafundamental(rms)} = (V_DC / √2) * 0,75 = 106,07 V

Ejercicio 11: Filtro LC de Salida

Calcular C del filtro LC si el primer armónico debe reducirse un 1%. L = 150 µH.

Cálculo:

• f_c = 995,4 Hz
• f_c = 1 / (2π * √(L * C))
• C = 170,56 µF

Ejercicio 12: Inversor Trifásico

Datos: Conexión Estrella, V_s = 100 V, pulso único por semiciclo.

A) Valor eficaz del armónico fundamental de la V_ab: 77,97 V

B) Valor armónico fundamental V_ax: 63,66 V