Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica. Programa del curso: Máquinas Eléctricas I y Lab.

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1 Universidad Autónoma de Zacatecas Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Programa del curso: Máquinas Eléctricas I y Lab. Carácter Semestre recomendado Obligatorio 6o. Sesiones Créditos Antecedentes Teoría 30 Lab 14 Teoría 7 Lab 2 Total 9 Circuitos Eléctricos Carrera: IE, ICE Categoría: Ciencias de la Ingeniería Fecha: Octubre, 2005 Descripción y objetivos del curso Descripción del curso: El curso cubre los conceptos fundamentales de las principales máquinas eléctricas estáticas y rotatorias (transformadores, generadores y motores) de ca y cd en estado estable. Se hace particular énfasis en el transformador, el motor trifásico y monofásico de inducción, y en los diferentes tipos de generadores y motores de cd. Objetivos: Identificar los componentes principales de las transformadores, generadores y motores de cd, y generadores y motores de inducción de ca monofásicos y trifásicos. Evaluar sus características de funcionamiento (voltaje, corriente, potencia, par y velocidad) en condiciones de carga variable y en estado estable. Temario de sesiones del curso teóríco Tema 1. Introducción (1 sesión) Objetivo: Entender la ubicación de las diferentes máquinas eléctricas dentro del esquema general de un sistema eléctrico de potencia. 1.1 Historia del desarrollo de los sistemas eléctricos 1.2 Esquema general de los sistemas eléctricos de potencia 1.3 Clasificación general de las máquinas eléctricas estáticas y rotatorias Tema 2. Sistemas monofásicos y trifásicos de ca senoidal (repaso) (2 sesiones) Objetivo: Repasar los conceptos de circuitos trifásicos de ca senoidal en estado estable, 1

2 como punto de referencia para su aplicación en los capítulos subsecuentes. Entender el concepto de sistema por unidad. 2.1 Circuitos monofásicos en estado estable. Dominio del tiempo y notación fasorial Cargas R, L y C Potencia compleja y factor de potencia 2.2 Circuitos trifásicos en estado estable. Dominio del tiempo y notación fasorial Generadores y cargas trifásicas en conexión Y-Δ, Y-Y, Δ- Δ y Δ -Y Cargas trifásicas balanceadas. Circuito equivalente monofásico Cargas trifásicas desbalanceadas Potencia trifásica y factor de potencia 2.3 Sistema por Unidad Tema 3. Lineas de transmisión de alta tensión (Sistemas trifásicos balanceados) (4 sesiones) Objetivo: Evaluar los parámetros R, L, y C de las líneas de transmisión de AT de longitud corta y media 3.1 Tipos de líneas de transmisión. Componentes principales 3.2 Evaluación de parámetros eléctricos de los conductores 3.3 Cálculo de resistencia por fase 3.4 Inductancia y reactancia inductiva Campo magnético externo e interno de un conductor Campo magnético entre conductores de una línea de transmisión trifásica GMR y GMD Cálculo de la inductancia y reactancia inductiva por fase. 3.5 Capacitancia y reactancia capacitiva Campo eléctrico de un conductor Campo eléctrico entre conductores Radio equivalente Cálculo de la capacitancia y reactancia capacitiva por fase. 3.6 Modelos de lineas de transmisión Línea de longitud corta Línea de longitud media 3.7 Regulación de voltaje, eficiencia y factor de potencia en líneas de transmisión de longitud corta y media. Tema 4. Transformadores (máquinas eléctricas estáticas) (7 sesiones) Objetivo: Comprender el concepto de funcionamiento del transformador y obtener sus parámetros de circuito equivalente para evaluar sus características de voltaje y corriente. 2

3 4.1 Circuitos magnéticos. Ley de Ampere y Ley de Faraday 4.2 El transformador ideal monofásico 4.3 El transformador real monofásico 4.4 El circuito equivalente del transformador. Parámetros del transformador referidos al lado primario y al lado secundario 4.5 Obtención de parámetros Prueba de corto circuito Prueba de circuito abierto 4.6 Regulación de voltaje, eficiencia y factor de potencia del transformador 4.7 Transformadores trifásicos Conexiones Y-Δ, Y-Y, Δ- Δ y Δ -Y Circuitos equivalentes monofásicos Regulación de voltaje, eficiencia y factor de potencia del transformador trifásico 4.8 Construcción del transformador Núcleos y devanados primario y secundario Tipos de transformadores de potencia 4.9 Transformadores de instrumentos. Autotransformador. Tema 5. Principios de máquinas eléctricas rotatorias. (4 sesiones) Objetivo: Introducir los principios de la acción generador y de la acción motor 5.1 Construcción de máquinas eléctricas rotatorias. Rotor y estator 5.2 Principio de conversión de energía mecánica a eléctrica (generador). Ley de faraday y Ley de Lenz Configuración de generador elemental de ca Configuración de generador práctico de ca 5.3 Principio de conversión de energía eléctrica a mecánica (motor). Ley de Biot-Savart Tema 6. Motores de inducción de ca (7 sesiones) Objetivo: Comprender el concepto de funcionamiento del motor de inducción. Obtener sus parámetros de circuito equivalente para evaluar sus características de voltaje, corriente, eficiencia y par. 6.1 Construcción y tipos 6.2 Principio de operación Campo magnético giratorio del estator Voltaje, corriente y par inducidos en el rotor Deslizamiento. Frecuencia del voltaje y corriente inducidos en el rotor 6.3 Circuito equivalente monofásico real y aproximado 6.4 Obtención de parámetros del circuito equivalente con parámetros referidos a estator Prueba de resistencia de cd del estator Prueba a rotor bloqueado 3

4 6.4.3 Prueba sin carga 6.5 Cálculo de corrientes, voltajes y factor de potencia 6.6 Potencias, pares (torques) y eficiencia Potencias de entrada, electromagnética, desarrollada y de salida Pares (torques) electromagnético, desarrollado y de salida Pérdidas en el cobre (devanados), en el núcleo y por fricción y ventilación. 6.7 Características de par - deslizamiento o par velocidad Par de arranque, y par máximo Corriente de arranque 6.8 Control de velocidad del motor de inducción trifásico 6.9 Motor de inducción monofásico Principio de operación Motor de fase partida Motor de arranque por capacitor Motor universal Control de velocidad de motores monofásicos Tema 7. Máquinas de CD (6 sesiones) Objetivo: Comprender el concepto de funcionamiento del generador y motor de cd. Obtener sus parámetros de circuito equivalente para evaluar sus características de voltaje, corriente, eficiencia y par. 7.1 Construcción. Rotor y estator Tipos de devanados Conmutador 7.2 Generadores de CD Voltaje inducido y par. Constante del generador Generador excitado por separado y en derivación. Circuitos equivalentes Generador serie. Circuito equivalente Generador compuesto acumulativo y diferencial. Circuitos equivalentes 7.3 Motor de CD Motor excitado por separado y en derivación. Circuitos equivalentes Motor serie. Circuito equivalente Motor compuesto acumulativo y diferencial. Circuitos equivalentes Par y eficiencia del motor de cd Arrancadores de motores de cd 4

5 Temario de sesiones de laboratorio Sesión 1 Medición de voltaje y corriente en cargas trifásicas R, L y C en conexión Y y Δ Medición de potencia trifásica con el método de los 2 wáttmetros. Sesión 2 Construcción de un transformador monofásico. Pruebas con y sin entrehierro en el núcleo. Sesión 3 Voltajes y corrientes del transformador monofásico. Prueba de polaridad. Regulación de voltajes. Sesión 4 Pruebas en vacío y en corto circuito del transformador. Obtención de parámetros Sesión 5 Conexiones del transformador trifásico. Relaciones de voltaje y corriente. Sesión 6 Comportamiento del alternador trifásico con carga variable.. Secuencia de fase. Sesión 7 Disección e identificación de partes del motor trifásico de inducción. Sesión 8 Determinación de características de motor de inducción trifásico jaula de ardilla en vacío y a plena carga. Sesión 9 Determinación de características de motor de inducción trifásico rotor devanado en vacío y a plena carga. Sesión 10 Determinación de características de los motores monofásicos de fase parte y de arranque por capacitor. Sesión 11 Características del generador de cd en derivación autoexcitado y con excitación por separado. Sesión 12 Características del generador de cd serie y compuesto Sesión 13 Características del motor de cd en derivación autoexcitado y con excitación por separado. Sesión 14 Características del motor de cd serie y compuesto Metodología de enseñanza y actividades de aprendizaje 1. Se hará uso del pizarrón, proyector de acetatos y cañón/computadora en las sesiones teóricas. 2. En las sesiones teóricas se mostrarán los conceptos del tópico respectivo, asignando un espacio mínimo de 30 minutos para la solución de ejemplos, involucrando al estudiante en la participación activa de los mismos. 3. Se entregará un grupo de problemas de tarea por capítulo. Evaluación 1. Exámenes parciales (3) 25 % 2. Exámen final 30 % 3. Tareas 15 % 4. Asistencia / participacion 5 % 5. Prácticas de Laboratorio 25 % 5

6 Herramientas de cómputo de apoyo 1. Matlab y Mathcad Bibliografía Texto: 1. Fundamentos de Máquinas eléctricas Stephen J. Chapman McGraw-Hill Referencias: 2. Electrical machines Siskind McGraw-Hill / Kogakusha 3. Electric machinery Fitzgerald, Kingsley & Umans McGraw-Hill, USA, Electrical Machinery and transformers Irvin G. L. Kosow 2da. Edición, Prentice Hall, USA, Electromechanical Energy devices Yamayee / Bala Wiley, USA, Notas sobre Máquinas Eléctricas M. Reta Hernández Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica. UAZ 6

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