33
1 Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente Objetivos Definir el concepto de Inductancia Mutua Definir el fenómeno de acoplamiento magnético y su utilidad en los circuitos eléctricos. Desarrollar la capacidad de aplicar en forma apropiada la convención del “punto”. Obtener circuitos equivalentes. Aplicar el equivalente de Thévenin en circuitos que contienen elementos acoplados. Redes Eléctricas I. V. Paredes G 1 Inductancia Mutua d t vt dt vt Autoinductancia Para una vuelta el voltaje inducido es: vt Para N vueltas el voltaje inducido es: d t vt N dt L = Autoinductancia = d t N di d t d t di vt N N dt di dt Pero: di t vt L dt Redes Eléctricas I. V. Paredes G 2

Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

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Page 1: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

1

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Objetivos

Definir el concepto de Inductancia Mutua

Definir el fenómeno de acoplamiento magnético y su utilidad en los

circuitos eléctricos.

Desarrollar la capacidad de aplicar en forma apropiada la

convención del “punto”.

Obtener circuitos equivalentes.

Aplicar el equivalente de Thévenin en circuitos que contienen

elementos acoplados.

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 1

Inductancia Mutua

d t

v tdt

v t

Autoinductancia

Para una vuelta

el voltaje

inducido es: v t

Para N

vueltas el

voltaje

inducido es:

d t

v t Ndt

L = Autoinductancia = d t

Ndi

d t d t di

v t N Ndt di dt

Pero:

di t

v t Ldt

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 2

Page 2: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

2

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

1i t 2i t 2v t 1v t

Inductancia mutua

La capacidad de una bobina de inducir una tensión, como consecuencia

de una corriente variable circulando por ella, en otra bobina y viceversa, se

denomina Inductancia mutua.

Concepto

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 3

Inductancia Mutua

1L

2v t

21

11 1 21L

L1 Flujo en la bobina 1,

que no se une con la

bobina 2; Es producido

por la corriente en la

bobina 1

21 Flujo en la bobina 1, que

se une con la bobina 2; Flujo

mutuo. Es producido por la

corriente en la bobina 1

11 Flujo total en la bobina

1, producido por la

corriente en la bobina 1

Si no hay corriente en la bobina 2:

1i t

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 4

Page 3: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

3

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

Simbólicamente:

1i

1v

2 0i

2v

1L

21

1L 2L

1i t

11 1 21L

11 1

dv N

dt

11 11 1

1

d div N

di dt

11 1

div L

dtL1 Autoinductancia de la bobina 1

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 5

Inductancia Mutua

Simbólicamente:

1i

1v

2 0i

2v

1L

21

1L 2L

1i t

212 2

dv N

dt

11 1 21L

21 12 2

1

d div N

di dt

11 21

div M

dtM21 Inductancia mutua de la bobina 1

respecto de la bobina 2

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 6

Page 4: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

4

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

2L

12

22 2 12L

1v t

L2 Flujo en la bobina 2,

que no se une con la

bobina 1; Es producido

por la corriente en la

bobina 2

12 Flujo en la bobina 2,

que se une con la bobina

1; Es producido por la

corriente en la bobina 2

22 Flujo total en la

bobina 2, producido por la

corriente en la bobina 2

Si no hay corriente en la bobina 1:

2i t

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 7

Inductancia Mutua

Simbólicamente:

1 0i

1v

2i

2v

12

1L 2L

2i t

2L 22 2

dv N

dt

22 2 12L

2 22 2

2

d div N

di dt

22 2

div L

dtL2 Autoinductancia de la bobina 2

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 8

Page 5: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

5

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

Simbólicamente:

1 0i

1v

2i

2v

12

1L 2L

2i t

2L 121 1

dv N

dt

22 2 12L

12 21 1

2

d div N

di dt

21 12

div M

dtM12 Inductancia mutua de la bobina 2

respecto de la bobina 1

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 9

Inductancia Mutua

1 1 21 12L 2 2 12 21L

Si hay corriente en ambas bobinas:

1L

21

1i t

2L

12

2i t

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 10

Page 6: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

6

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

Si hay corriente en ambas bobinas:

1i

1v

2i

2v

21

1L 2L

2i t

2L

1L

12

1i t

1 1 12 21 L 2 2 21 12 L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 11

Inductancia Mutua

Flujo total en L1:

Está dado por el flujo en la bobina 1 ocasionado por la corriente en la

bobina 1, más o menos el flujo en la bobina 1 producido por la corriente

de la bobina 2.

Flujo total en L2:

Está dado por el flujo en la bobina 2 ocasionado por la corriente en la

bobina 2, más o menos el flujo en la bobina 2 producido por la corriente

de la bobina 1.

1 1 21 12L

2 2 12 21L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 12

Page 7: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

7

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

1i

1v

2i

2v

1L 2L

2i t 1i t

1 211 121 1 1 1

Ldd dv N N N

dt dt dt

1 21 1 12

di div L M

dt dt

2 122 212 2 2 2

Ldd dv N N N

dt dt dt

2 12 2 21

di div L M

dt dt

Se demuestra que: 12 21M M M Inductancia mutua

El signo de la inductancia mutua depende del sentido de los flujos propio

y mutuo.

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 13

Inductancia Mutua

Recordatorio: Regla de la mano derecha

Dirección de la

corriente

El dedo pulgar de la mano derecha indica la dirección del

flujo, si los demás dedos apuntan en la dirección de la

corriente

Dirección del

Flujo

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 14

Page 8: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

8

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

2i

2v

1i

1v

2i

2v

1i

1v

Como vimos, la inductancia mutua M puede ser positiva o negativa. Esto

depende de las direcciones relativas de los devanados.

Flujos se suman Flujos se restan

¿Como determinar las direcciones relativas de los devanados?

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 15

Inductancia Mutua

Estos puntos se colocan en los extremos de las bobinas de manera que:

Si las dos corrientes penetran ambas o salen ambas por los terminales

con punto de las bobinas, los signos de los términos correspondientes a

la inducción mutua son iguales a los signos de la autoinducción.

Si una corriente penetra por un terminal con punto y la otra sale del otro

terminal con punto, los signos de los terminales relativos a la inducción

mutua, son opuestos a los signos de las autoinducciones

Convenio de los puntos en bobinas acopladas

Para identificar esta polaridad relativa, se utiliza el convenio del

punto, que consiste en colocar un punto en cada una de las bobinas.

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 16

Page 9: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

9

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

2i

2v

1i

1v

1 2

1 1

1 2

2 2

di t di tv t L M

dt dt

di t di tv t M L

dt dt

Caso de signos iguales

1i

1v

2i

2v

Símbolo de circuito

M

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 17

Inductancia Mutua

1 2

1 1

1 2

2 2

di t di tv t L M

dt dt

di t di tv t M L

dt dt

Caso de signos diferentes

2i

2v

1i

1v

Sentido de flujos

1i

1v

2i

2v

M

Simbólicamente

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 18

Page 10: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

10

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Inductancia Mutua

Cuatro combinaciones de puntos.

12

div M

dt

1i

1v

2 0i M

1 0i

2v

2iM

21

div M

dt

1i

1v

2 0i M

12

div M

dt

1 0i 2i

2v

M

21

div M

dt

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 19

Inductancia Mutua

Tensiones en ambas bobinas.

1i

1v

2i

2v

M

1 21 1

di div L M

dt dt

2 12 2

di div L M

dt dt

1i

1v

2i

2v

M

1 21 1

di div L M

dt dt

2 12 2

di div L M

dt dt

1i

1v

2i

2v

M

1 21 1

di div L M

dt dt

2 12 2

di div L M

dt dt

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 20

Page 11: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

11

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Modelo fasorial para inductores acoplados.

1 21 1

di div L M

dt dt

2 12 2

di div L M

dt dt

1 21 1V j L I j M I

2 12 2V j L I j M I

1i

1v

2i

2v

M

2L1L

1Ij M

2I

1V 2V1j L 2j L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 21

Modelo Fasorial

Según los sentidos elegidos para las corrientes, I1 entra a un punto e I2

sale del otro, por lo tanto el signo del voltaje mutuo será el opuesto al del

voltaje autoinducido:

1 21 1

1 22 2 0

SL M

M L C

R jX I jX I V

jX I R jX jX I

Ejemplo

2R

CjX

2LjX

MjX1R

1LjXSV

1I 2I

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 22

Page 12: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

12

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

400100H

9H1

1H1 10 0v

Ejemplo

2v

En el circuito de la figura, encontrar 2

1

V

V

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 23

Modelo Fasorial

4001000j

90j1

10j1 10 0

10

V

rad / s

Según los sentidos dados para las corrientes, I1 entra a un punto e I2 sale

del otro, por lo tanto el signo del voltaje mutuo será el opuesto al del

voltaje autoinducido:

1 2

1 1

1 10 90 10

90 400 1000 0

j I j I

j I j I

Ejemplo

1I2I

22

1

400

10

V I

V

2V

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 24

Page 13: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

13

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Ejemplo.

22

10 9090 400 1000 0

1 10

j Ij j I

j

2

1

10 90

1 10

j II

j

Despejando I1 de la primera ecuación se tiene:

2 0 1724 16 7. .I

2

1

4006 9 1

0 1724 16 7

06 7

1

,

. .,

V

V

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 25

Modelo Fasorial

Ejemplo

Dos inductores, pueden ser conectados en 4 formas diferentes. Determinar

la inductancia equivalente para cada caso.

4 3 1 2

1L2L

V

4 3 1 2

a)

M

1L2L

4 3 1 2

b)

M

1L

2L

d) V

4 3 1 2

M

2L1L

V

4 3 1 2

c)

M

1L

2L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 26

Page 14: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

14

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Caso a)

1 2 1 2 2 V V V j L L M I

1 1

2 2

;

L

L

V j L I j M I

V j L I j M I

1 2 2 EqL

VX j L L M

IO bien:

Reactancia de inductores

acoplados conectados en

serie con flujo aditivo.

IV

4 3 1 2

j M

2j L

1j L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 27

Modelo Fasorial

Caso b)

1 2 2 EqL

VX j L L M

IO bien:

Reactancia de inductores

acoplados conectados en

serie con flujo sustractivo

4 3 1 2

M

1VI

2V

1 2 ; L LV V V 1 21 2; L LV j L I j M I V j L I j M I

V

2L

1L

V

3 4 1 2

I

j M

1V 2V

2j L1j L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 28

Page 15: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

15

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Caso c)

1 1 2 2 1

1 22 2

1 2 1 22 2 1

;

V j L I jM I V L M V L MI I

j L L M j L L MV j L I jM I

1 21 2

2

1

2

1 2

1 222

2

Eq

V L L MI I I

j L L

L L ML

L LM M

4 3 1 2

V

M

4

3 1

2

V2j L1j L

j M

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 29

Modelo Fasorial

Caso d)

1 1 2 2 1

1 22 2

1 2 1 22 2 1

V j L I j M I V L M V L MI I

j L L M j L L MV j L I j M I

;

1 21 2

2

1

2

1 2

1 222

2

Eq

V L L MI I I

j L L

L L ML

L LM M

V

4 3 1 2

M

2L1L

3

4 1

2

V2j L1j L

j M

1I2I

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 30

Page 16: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

16

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

1 2 2

1 1 2

100 4 3 6 6 2 0

6 2 6 8 2 2 5 0

j j I j I j I

j I j I j j j I

Ejemplo

5

3j

2j

8j 4

6j 100 01I

2I

Para el circuito de la figura encontrar 1 2eI I

Por KVL

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 31

Modelo Fasorial

1 2

1 2

4 3 8 100

8 18 5 0

j I j I

j I j I

Ejemplo

Reordenando:

1

2

4 3 8 100

8 5 18 0

j j I

j j I

1

2

20 3 3 5

8 69319

, ,

,

I

I

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 32

Page 17: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

17

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Ejemplo

El circuito de la figura, funciona en régimen sinusoidal permanente. Se desea

obtener la impedancia entre x e y, y la potencia instantánea en la fuente

independiente.

1 1 0 5 1 1 0 5 1 A Krad μH μH mF; ; , ; ; , ;FI n R L M C

CL

FI LC 1aV1V

M

x y

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 33

Modelo Fasorial

Solución CL

FI LC 1aV1V

M

x y

11

FI I

Vj C

1 1 2 1 1 21V j LI j L I I j M I j M I I

22 1 110

Ij L I I aV j M I

j C

Resolviendo: 1 20 5 0A A, ;I I

1I 2I

1

1 5,xy

xy

VZ j

I

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 34

Page 18: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

18

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Solución (Cont.) CL

FI LC 1aV1V

M

x y

0 75 V,xyV

1

1 5,xy

xy

VZ j

I

1

1 1 5 V,FI I

Vj C

1 1 5 90 V, cos ;v t t 1 Acos ;Fi t t

F F Fp t v t i t

1 1 2xyV j LI j M I I

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 35

Modelo Fasorial

3R1R

2j L

1I

V

2R

1j L

j M

2I

Ejercicio

Escribir las ecuaciones LVK

estándar para la red de la figura

siguiente

1 2 11 1 2 2

1 22 2 2 3 0

R j L R I R j M I V

R j M I R j L R I

Respuesta

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 36

Page 19: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

19

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo Fasorial

Ejercicio

Escribir las ecuaciones

malla estándar para la red

de la figura siguiente

1 21 1 1 3

1 1

1 2 31 1 2 2 3 2 3

1 1

1 2 33 2 3 2 4

2

1 1

1 12 0

10

R j L I j L j M I j I Vj C j C

j L j M I j L R j L R j M I j L R j M Ij C j C

j M I R j L j M I R j L R Ij C

Respuesta

3R

1R

2j L

1IV

2R

1j L j M

2I 4R3I

2

1

j C

1

1

j C

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 37

Modelo con fuentes dependientes

En la figura se presenta un modelo de

inductancia mutua utilizando fuentes de

tensión dependientes de la intensidad del

otro circuito en serie con la reactancia del

propio.

Modelo de inductancia mutua con fuentes dependientes

1j M I2j M I

1I 2I1j L2j L

1V 2

V

1i

1v

2i

2v

M

2L1L

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 38

Page 20: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

20

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo con fuentes dependientes

Utilizando el modelo de inductancia mutua

con fuentes de tensión dependientes

escribir las ecuaciones para el circuito

adjunto.

1i

1v

2iM

2L1L

1j L 2j L

1I

1v

2I

2j M I 1j M I

1 21 1

1 22 0

j L I j M I V

j M I j L I

11 2 22

2

j M Ij M I j L I I

j L

Despejando I2 de la segunda Ecuación:

Ejemplo 1

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 39

Modelo con fuentes dependientes

Y reemplazando en la primera:

21

11 1

2

j M IV j L I

L

2

1 1 2

1 2

V L L Mj

LI

El resultado es que se reduce el valor de la inductancia por efecto

del acoplamiento. Este hecho, generalmente no deseado, es lo

que se produce cuando se acerca un blindaje, o una cubierta

conductora, a las proximidades de una bobina (el material

conductor conforma espiras elementales en cortocircuito); pero

también se aprovecha para ajustar, reduciendo, el valor de una

inductancia utilizando como núcleo un material conductor no

ferromagnético (aluminio, cobre, plata).

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 40

Page 21: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

21

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo con fuentes dependientes

Ejemplo 2

Resolver el caso de inductores en serie

con flujo aditivo con el equivalente de

generadores dependientes:

1 1 22 2 L L MV j L I j MI j MI j LV

j X X XI

I

V

4 3 1 2

I

M

1V 2V

I

V

1j L2j L

Solución

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 41

j MI j MI

Modelo con fuentes dependientes

C1L

R

M

100 0

2L

Ejemplo 3

Para el circuito de la figura determinar las corrientes de malla,

utilizando el modelo para inductancias mutuas con fuentes

dependientes

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 42

Page 22: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

22

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Modelo con fuentes dependientes

C1L

R

Ai

V

2L

Bi

1I

2I

1 21 2 2

1 21 2

2

0

L L M L M

L M L C

V R j X X X I R jX X I

R j X X I R j X X I

Solución

El circuito equivalente del modelo

de inductancias acopladas con

fuentes dependientes es:

1 2 1 1 21 2 2

1 1 22 1

M M L L L

M L L C

V jX I I jX I R j X X I R jX I

jX I R jX I R j X X I

Y las ecuaciones son:

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 43

Bj Mi

Aj Mi

Potencia en inductores acoplados

Considerar un par de bobinas ideales, es decir su resistencia interna es cero,

acopladas magnéticamente, como las que se muestran en la figura. Por las

bobinas circula una corriente sinusoidal de frecuencia angular

1I 2I

1P 2P

12M

21M

1V 2V1L2L

Los voltajes inducidos son 1 1 1 12 2

2 2 2 21 1

V j L I j M I

V j L I j M I

1 21 1 2 2e

M M

j jI I I Ie e

Con

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 44

Page 23: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

23

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

La potencia compleja en la bobina 1 está dada por:

1 1 2 11 1 1 12

1 1 2 11 1 12

1 1

2 2

1

2

* *

M M M MM

* *

M M M M

S V I j L I j M I I

S j L I I j M I I

21 1 1

*

M MI I I

1 22 12 1 2 1 1 2

1 2 1 2 1 2

*

M M M M M M

M M

j j jI I I I I I

I I cos jsen

e e e

Pero

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 45

Potencia en inductores acoplados

Reemplazando:

1 1 2 11 1 12

21 1 1 12 1 2 1 2 1 2

21 1 1 12 1 2 1 2 12 1 2 1 2

1

2

1

2

1

2

* *

M M M M

M M M

M M M M M

S j L I I j M I I

S j L I j M I I cos jsen

S j L I j M I I cos M I I sen

21 12 1 2 1 2 1 1 12 1 2 1 2

1 1

2 2M M M M M

S M I I sen j L I M I I cos

Entonces la potencia en la bobina 1 es

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 46

Page 24: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

24

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

1 12 1 2 1 2

21 1 1 12 1 2 1 2

1

2

1

2

M M

M M M

P M I I sen

Q L I M I I cos

Por lo tanto las potencias activas y reactivas de la primera bobina es:

1 12 1 2 1 2

21 1 1 12 1 2 1 2

eff eff

eff eff eff

P M I I sen

Q L I M I I cos

Y en valores efectivos es:

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 47

Potencia en inductores acoplados

22 21 1 2 1 2 2 2 21 1 2 1 2

1 1

2 2M M M M M

S M I I sen j L I M I I cos

2 21 1 2 1 2

22 2 2 21 1 2 1 2

1

2

1

2

M M

M M M

P M I I sen

Q L I M I I cos

Similarmente para la bobina 2 se tiene

2 21 1 2 1 2

22 2 2 21 1 2 1 2

eff eff

eff eff eff

P M I I sen

Q L I M I I cos

Y en valores efectivos es

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 48

Page 25: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

25

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

Entonces la potencia activa total entregada a las bobinas es:

1 2 12 1 2 1 2 21 1 2 1 2

12 21 1 2 1 2

Tot eff eff eff eff

Tot eff eff

P P P M I I sen M I I sen

P M M I I sen

Dado que las bobinas se suponen sin perdidas, la potencia total debe ser cero.

Esto se cumple si y solo si:

12 21 12 120 lo que implica que M M M M M

1 2 1 2 1 2Tot eff effP P P MI I sen

Entonces

Es decir, las potencias entregadas a las bobinas son iguales en magnitud pero

opuestas en signo. Esto significa que una de las bobinas absorbe la potencia

de una parte del circuito mientras que la otra la entrega a otra parte de este.

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 49

Potencia en inductores acoplados

Esta potencia es llamada potencia transferida. La dirección de la potencia

transferida depende del valor de la diferencia de los ángulos φ1 – φ2.

Lo que significa que la potencia es transferida desde la primera bobina a

través del campo magnético a la segunda bobina y al circuito externo

conectado a la segunda bobina.

Si 1 2 1 20 es decir si 0, sen 1 20 0P y P

1 2 1 2Si - 0 es decir si 0, sen Se cumple lo contrario

1 2 1 2 1 2Si 0 o es decir si 0, sen

no hay potencia transferida

1 2 1 2Si 90 es decir cuando 1, sen

La potencia transferida es máxima

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 50

Page 26: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

26

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

Considerando ahora las potencias reactivas de dos bobinas con

acoplamiento mutuo, se puede observar que consisten de dos términos.

El primero representa la potencia de la autoinductancia de cada bobina (que

es la misma que cuando las bobinas no están acopladas)

1 2 1 2 1 2m m m eff effQ Q Q M I I cos

El segundo término representa la potencia de la inductancia mutua, que son

iguales. Entonces:

21 1 1 12 1 2 1 2eff eff eff

Q L I M I I cos

22 2 2 21 1 2 1 2eff eff eff

Q L I M I I cos

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 51

Potencia en inductores acoplados

Ejemplo.

a) La Potencia total y en las

ramas a-b y a-c

b) La potencia absorbida por

cada uno de los resistores R1

y R2

c) La potencia transferida por el

campo magnético

Para el circuito de la figura

= 377 rad/seg. encontrar:

50 j

50 j

25j

1I

a

b

5

5j

2I

I

c

eff700 V

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 52

Page 27: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

27

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

Solución.

50 j

25j

1I

a

b

5

5j

2I

I

c

700

25

1 2 2

2 1 2

1 2 2

700 25 25 10

0 25 25 5 5

10 10

j I I j I

j I I j I

j I I j I

Las ecuaciones de malla son:

1 2 20 8824 0 5294 A 50 30 58 3 31 AI , j , I ; I j ,

Resolviendo:

1 2

1 2

700 25 25 25 15

0 25 15 30

j I j I

j I I

Reordenando

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 53

10j

Potencia en inductores acoplados

1 2 2 60 50 30 10 30 31 6 71 5 AI I I I j I j , ,

1Re 700 60 42 KW*

TP V I

Re Re 700 10 30 7 KW*

ab acP V I j

2Re Re 700 50 30 35 KW*

ac bcP V I j

Potencias total y en las ramas ab y ac

Potencia absorbida en cada resistor

22 2 2

1 1 25 31 6 25 10 30 25 KWR eff

P R I ,

22 2 2

2 2 5 58 3 5 50 30 17 KWR eff

P R I ,

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 54

Page 28: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

28

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Potencia en inductores acoplados

1 2

1 2

25 17 42 KW

7 35 42 KW

T R R

T

P P P

P P P

La potencia transferida de la rama 2 a la rama 1 es

1 2 1 2 1 2

1 2 10 31 6 58 3 71 5 31 18 KW

TR eff eff

TR

P M I I sen

P , , sen ,

Lo que significa que la potencia restante de la segunda rama (35-17=18 KW)

es transferida a la primera rama para completar la potencia absorbida por el

resistor R1 esta es: (7+18=25KW).

Nótese que:

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 55

Energía en inductores acoplados

Para determinar la energía almacenada en las bobinas, con alimentación

sinusoidal, basta con recordar que:

2

QW

211 1 1 1 2 1 2

222 2 2 1 2 1 2

1 1

2 2 2

1 1

2 2 2

eff eff eff

eff eff eff

QW L I M I I cos

QW L I M I I cos

2 21 2 1 1 2 2 1 2 1 2

1 1

2 2Tot eff eff eff eff

W W W L I L I M I I cos

Entonces:

Y la energía total es:

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 56

Page 29: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

29

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Energía en inductores acoplados

Al igual que la potencia activa, la potencia reactiva y la cantidad de

energía almacenada, es dependiente de la diferencia de ángulos

entre las corrientes (φ1 – φ2). Entonces si (φ1 – φ2)= 0, la energía

almacenada es máxima y si (φ1 – φ2)= ± , es mínima. En el caso

que (φ1 – φ2)=±/2, la inductancia mutua no influye en la cantidad

de energía almacenada y esta viene dada por la suma de las

energías almacenadas en las bobinas cuando estas no están

acopladas.

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 57

Energía en inductores acoplados

Caso general de alimentación variable en el tiempo

1 21 1 1 1 12 1

2 12 2 2 2 21 2

1)

2)

di dip v i L M i

dt dt

di dip v i L M i

dt dt

1 1 1 21

1 1 2 1 1 1 1 1 1 10 0 0

1

2

t t tdiw t p p dt L i dt L i di L I

dt

La potencia suministrada a los inductores de la figura es:

1i

1v

2i

2v

M

Asumiendo que no hay energía almacenada previamente, en t = 0, se comienza

a incrementar desde cero hasta 1 1 1 1 en el instante ,i t I t1i

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 58

Page 30: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

30

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Energía en inductores acoplados

2

1

2

2 22 12 1 2 2

2

12 1 2 2 2 12 1 2 2 20

1

2

t

t

t

di diw t M I L i dt

dt dt

M I L i di M I I L i

Como segundo paso, se mantiene y se incrementa hasta un

instante en que .

1 1 1i t I 2i

2t 2 2 2i t I Durante ese intervalo 1 0/di dt

Entonces la energía almacenada en el instante es: 2t

2 2

2 1 2 1 1 12 1 2 2 2

1 1

2 2 w t w w L i M I I L i

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 59

Energía en inductores acoplados

Si el procedimiento seguido para obtener la energía se aplica exactamente

en la misma forma, pero invirtiendo los papeles de las bobinas 1 y 2, es

decir, se fija i1 en cero hasta t1 y luego se hace i2 constante a partir de ese

instante t1, se obtiene w2 anterior pero, con los índices cambiados, es decir:

Lo único que difiere en las dos expresiones para w(t2) es la forma en que

se llego a este estado. Pero dado que la energía no depende de la forma

en que se llegue a un estado final sino únicamente del valor de ese estado,

estas dos expresiones son iguales; es decir:

2 2

2 2 2 1 1 2 21 2 1

1 1

2 2 w t L I L I t M I I

21 12 M M M

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 60

Page 31: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

31

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Energía en inductores acoplados

1i

1v

2iM

2v

1i

1v

2i

M

2v

2 2

2 2 1 1 2 1

1 1

2 2 w L i L i Mi i

1i

1v

2i

M

2v

1i

1v

2iM

2v

2 2

2 2 1 1 2 1

1 1

2 2 w L i L i Mi i

Los signos de M siguen la regla de los puntos

Redes Eléctricas I. V. Paredes G 61

Coeficiente de Acoplamiento

2 2

2 2 1 1 2 1

1 1

2 2 w L i L i Mi i

La energía almacenada en una red pasiva es positiva para todo valor de M,

L1, L2, i1, e i2. Rescribiendo la expresión para la energía:

En la forma:

2

1 1 2 2 1 2 1 2 2 1

1

2 w L i L i L L i i Mi i

Se tiene que, como la energía es positiva, se debe cumplir que:

1 2 1 2 L L M M L L

Page 32: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

32

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Coeficiente de Acoplamiento

De aquí se define el coeficiente de acoplamiento como la fracción del flujo

total, producido por ambas bobinas, que es común a ambas bobinas.

Matemáticamente:

1 2

M

kL L

Y dado que 1 2M L L entonces 0 1 k

El medio a través del cual se acoplan las bobinas.

La distancia entre los ejes de las bobinas.

La orientación que tengan entre sí los ejes de las bobinas.

Los valores de acoplamiento de bobinas dependen de.

Coeficiente de Acoplamiento

1i

1v

2 0i

2v

1L

21

1L 2L

1i t

1 0i

1v

2i

2v

12

1L 2L

2i t

2L

k puede ser expresado en

términos del flujo en la forma:

12

11 12

21

21 22

or

k

k

1k Acoplamiento perfecto

11 22

Page 33: Cap 4-4 Circuitos Acoplados Magneticamente v-113

33

Tema II: Circuitos Acoplados Magnéticamente

Coeficiente de Acoplamiento

K alto; ≥ 0,5 K cercano a 1

Bajo acoplamiento k pequeño 0,5

Formas de variar el coeficiente de acoplamiento