División de Ingenierías Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Transcripción

1 División de Ingenierías Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Identificación División académica Ingenierías Departamento Eléctrica y Electrónica Programa académico Ing. Eléctrica, Ing. Electrónica Nombre de la asignatura Máquinas eléctricas I Componente curricular Básico profesional área del conocimiento Circuitos, Máquinas eléctricas Código de la asignatura 3132, 3133 Pre-requisitos IEL1021, Circuitos II IIN4310, Examen comprehensivo I FIS1010, Teoría electromagnética Co-requisitos ninguno Número de créditos 4 Número de semanas 16 Intensidad horaria Horas teóricas asistidas: Horas prácticas asistidas: Horas trabajo independiente (teoría): Horas trabajo independiente (práctico): Nivel del curso Nombre del profesor Ubicación del profesor Horario de atención al estudiante Pregrado Rafael De Jesús Castillo Sierra 2-29L6 Edificio Muvdi segundo piso Martes: Miércoles: Jueves: 09:30 11:30 14:30 16:30 14:30 15:30 Descripción del curso La asignatura Máquinas Eléctricas I trata de la operación en estado estable de las máquinas eléctricas en general: transformadores, motores y generadores de corriente directa, motores y generadores sincrónicos, motores de inducción trifásicos y monofásicos y motores especiales. Se explora el principio de funcionamiento de las máquinas ideales, las características de operación de las máquinas reales, cálculos con su circuito equivalente para determinar parámetros de operación en estado estable y sus aplicaciones típicas. Justificación Objetivos El espectro del ejercicio laboral del ingeniero electricista y electrónico incluye la gestión de sistemas electromecánicos, de sistemas de potencia y de sistemas de control, por lo cual se requiere de una formación académica que brinde las bases para lograr poder desarrollarse en esos ámbitos de la ingeniería, los cuales se obtienen en parte en un curso de Máquinas Eléctricas como el presentado. General Desarrollar habilidades técnicas, conceptuales y criterio de ingeniería que le permita una adecuada toma de decisiones en el ámbito de las máquinas eléctricas. Específicos OE1. Aprender términos, conceptos y teorías relacionados con transformadores eléctricos, Máquinas de inducción, síncronas y de corriente directa OE2. Desarrollar habilidades y capacidad para la resolución de problemas que contienen transformadores eléctricos, Máquinas de inducción, síncronas y de corriente directa OE3. Manejar con habilidad las máquinas eléctricas y herramientas de medición de parámetros eléctricos y mecánicos Competencias a adquirir Transformadores Conocimiento o Diferenciar los materiales diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos teniendo cuenta sus características físicas y químicas o Entender la importancia de los transformadores en la vida cotidiana o Conocer las características del transformador ideal

2 o Entender el principio físico que explica las diferentes pérdidas de energía presentes en transformadores eléctricos o Conocer las características del transformador real o Conocer las partes de un transformador real o Conocer las características, ventajas, desventajas y aplicaciones del autotransformador o Distinguir las diferentes configuraciones de transformadores trifásicos, incluido las configuraciones especiales o Conocer y entender los procedimientos de laboratorio necesarios para la medición de parámetros eléctricos en transformadores y autotransformadores o Calcular tensiones inducidas en transformadores ideales o Referir impedancias desde el primario hacia el secundario y viceversa en transformadores o Medir las tensiones, corrientes y potencias en transformadores o Determinar el circuito equivalente de un transformador real partiendo de las pruebas de corto circuito y circuito abierto o Determinar de manera experimental la relación de transformación y la polaridad de un transformador monofásico o Concluir de forma razonable a partir de mediciones tomadas en transformadores o Determinar la eficiencia de un transformador partiendo del cálculo de las diferentes pérdidas de energía presente en el mismo o Determinar la regulación de tensión y graficar el diagrama fasorial del transformador real para distintos tipos de carga o Calcular los voltajes, corrientes, potencias y relación de transformación de un autotransformador ideal o Determina experimentalmente el aumento de la capacidad de un transformador convencional conectado como autotransformador o Calcular los voltajes, corrientes, potencias y relación de transformación de las distintas configuraciones de transformadores trifásicos, incluido las conexiones especiales Actitud o Analizar circuitos eléctricos que contengan transformadores eléctricos, teniendo en cuenta sus caídas de tensión y pérdidas de energía o Establecer si un transformador se encuentra trabajando bajo sus parámetros nominales (tensión, corriente, potencia) o Comparar transformadores teniendo en cuenta sus caídas de tensión y pérdidas de energía Motores de inducción Conocimiento o Conocer cómo se genera una tensión AC en una espira que giratoria inmersa en una región con campo magnético uniforme o Entender cómo se produce un torque magnético en una espira que porta corriente eléctrica y que se encuentra inmersa en una región con campo magnético uniforme o Conocer las partes de una máquina de corriente alterna o Entender como tres corrientes trifásicas balanceadas producen un campo magnético giratorio en un estator trifásico o Comprender la relación entre la frecuencia eléctrica, el número de polos y la velocidad de rotación de una máquinas eléctrica de corriente alterna o Entender el principio físico que explica las diferentes pérdidas de energía presentes en máquinas de corriente alterna o Comprender el concepto de deslizamiento de un motor de inducción y su relación con la carga mecánica que se le conecta al eje del motor o Entender el flujo de potencia en un motor de inducción, desde la potencia eléctrica de entrada hasta la potencia mecánica de salida o Conocer las principales características de los distintos tipos de motor de inducción comerciales o Entender e interpretar la curva par-velocidad del motor de inducción o Conocer y entender las técnicas de arranque de los motores de inducción o Comprender como se controla la velocidad a los motores de inducción o Conocer y entender la importancia de los parámetros nominales de los motores de inducción o Conocer y entender los procedimientos de laboratorio necesarios para la medición de parámetros eléctricos y mecánicos en motores de inducción

3 o Determinar la velocidad de rotación de un motor de inducción teniendo en cuenta la carga conectada al eje o Medir las tensiones, corrientes y potencias necesarias para determinar el circuito equivalente de un motor de inducción trifásico o Determinar el circuito equivalente de un transformador real partiendo de las pruebas de vacío, bloqueo y resistencia de los devanados en DC o Concluir de forma razonable a partir de mediciones tomadas en motores de inducción o Calcular los diferentes tipos de pérdidas de energía presente en motores de inducción o Determinar la caída de velocidad (Speed Drop) y graficar el diagrama fasorial del transformador real para distintos tipos de carga o Calcular los voltajes, corrientes, potencias, torques, velocidades de motores de inducción o Determinar la corriente de arranque de motores de inducción partiendo de su circuito equivalente y de su letra de código NEMA Actitud o Analizar circuitos eléctricos que contengan motores de inducción, estableciendo su operación partiendo de su circuito equivalente, tensión de alimentación y deslizamiento Máquinas síncronas Conocimiento o Conocer cómo se genera una tensión AC en una espira que giratoria inmersa en una región con campo magnético uniforme o Entender cómo se produce un torque magnético en una espira que porta corriente eléctrica y que se encuentra inmersa en una región con campo magnético uniforme o Conocer las partes de una máquina de corriente síncrona o Entender como tres corrientes trifásicas balanceadas producen un campo magnético giratorio en un estator trifásico o Comprender la relación entre la frecuencia eléctrica, el número de polos y la velocidad de rotación de una máquina eléctrica de corriente alterna o Entender el principio físico que explica las diferentes pérdidas de energía presentes en máquinas de corriente alterna o Comprender las formas de alimentación del rotor de una máquinas síncrona o Entender la relación entre la velocidad de giro, el flujo magnético del rotor y la tensión inducida en el estator o Conocer las diferentes formas de conectar un generador síncrono o Comprender las condiciones necesarias para conectar generadores en paralelo o Conocer el concepto de estabilidad estática y dinámica de un generador síncrono o Comprender la relación entre la potencia activa y la frecuencia eléctrica o Comprender la relación entre la potencia reactiva y la tensión inducida en el estator o Comprender la importancia del balance de potencia activa entre generadores que trabajan en paralelo en el mantenimiento de la frecuencia del sistema o Entender e interpretar la curva par-velocidad del motor síncrono o Entender los diagramas de casa para el análisis de generadores que trabajan en paralelo o Comprender la importancia del balance de potencia reactiva entre generadores que trabajan en paralelo en el mantenimiento de las tensiones del sistema o Entender los valores nominales de las máquinas síncronas y que condición limita a cada uno de ellos o Entender cómo y por qué el factor de potencia de motor síncrono varía a medida que lo hace la corriente de campo del motor o Comprender como arrancar motores síncronos o Conocer y entender los procedimientos de laboratorio necesarios para la medición de parámetros eléctricos en máquinas síncronas o Determinar los valores necesarios de corriente de campo para producir una tensión en terminales determinada o Medir las tensiones, corrientes y potencias necesarias para desarrollar la curva de magnetización y circuito equivalente de generadores síncronos o Concluir de forma razonable a partir de mediciones tomadas en generadores síncronos o Graficar diagramas fasoriales de generadores síncronos bajo diferentes cargas o Determinar los cambios en las tensiones, corrientes y frecuencia en generadores que operan solos cuando varía la carga

4 o Calcular la potencia activa entregada por generadores que trabajan en paralelo o Determinar la frecuencia del sistema partiendo de los aportes de potencia activa de generadores conectados en paralelo o Calcular la potencia activa y reactiva entregada por generadores que trabajan en paralelo con una red infinita o Calcular la cantidad de potencia reactiva consumida o entregada por el motor síncrono o Determinar la curva V del motor síncrono o Determinar la curva de capacidad partiendo de valores nominales de la máquinas síncrona Actitud o Analizar sistemas eléctricos con generadores que operan solos o Analizar sistemas eléctricos de potencia sencillos que contengan uno o más generadores conectados en paralelo entre si y conectados en paralelo con una red infinita o Identificar si la entrega de potencia del generador se encuentra dentro de los límites o Proponer un procedimiento para la maniobra de entrega de potencia de generadores que trabajan en paralelo con una red infinita o Poder decir si una máquina síncrona actúa como motor o como generador, y si suministra o consume potencia reactiva a partir del análisis de su diagrama fasorial o Utilizar el motor síncrono como elemento corrector del factor de potencia Máquinas de corriente directa Conocimiento o Entender cómo se induce voltaje en una espira giratoria o Comprender como contribuye las curvas (o curvaturas) de las caras de los polos a mantener un flujo constante y consecuentemente un voltaje de salida constante o Entender la ecuación para voltajes inducido y par inducido en una máquina de DC o Comprender como se realiza la conmutación o Entender los problemas de conmutación o Comprender el diagrama de flujo de potencia de máquinas de DC o Entender los tipos de motores de uso general o Entender el circuito equivalente de motores y generadores DC o Entender como deducir las características de par-velocidad de los motores DC o Comprender como controlar la velocidad de los motores DC o Conocer las aplicaciones, ventajas y desventajas de cada tipo de motor posee debido a sus conexiones eléctricas particulares o Comprender el efecto de la reacción de armadura sobre motores y generadores DC o Entender cómo puede trabajar un generador sin una fuente externa de voltaje o Conocer y comprender las formas de variar la tensión en terminales en generadores DC o Comprender como deducir la curva voltaje-corriente de generadores DC o Comprender los peligros de perder el circuito de campo en máquinas DC o Conocer y entender los procedimientos de laboratorio necesarios para la medición de parámetros eléctricos en máquinas DC o Determinar los valores necesarios de corriente de campo para producir una tensión en terminales determinada o Calcular la velocidad de giro de motores DC o Realizar análisis no lineal de motores de DC mediante la curva de magnetización, tomando en cuenta los efectos de reacción del inducido o Realizar análisis no lineal de generadores de DC mediante la curva de magnetización, tomando en cuenta los efectos de reacción del inducido o Medir las tensiones, corrientes y potencias necesarias para desarrollar la curva de magnetización, circuito equivalente y pruebas de carga de máquinas DC o Concluir de forma razonable a partir de mediciones tomadas en máquinas DC Actitud o Analizar circuitos eléctricos que contengan motores DC, estableciendo su operación partiendo de su circuito equivalente, tensión de alimentación, valor de corriente de campo y carga conectada en eje o Modificar, según la necesidad, la velocidad de motores DC o Analizar circuitos eléctricos que contengan generadores DC, estableciendo su operación partiendo de su circuito equivalente, velocidad de giro, corriente de campo y carga conectada en terminales

5 o Variar la tensión en terminales de generadores DC en función de la carga conectada en terminales Contenido Los temas a dar durante el semestre serán: Tópico Tema HT HP 1. Transformadores eléctricos 1.1. Generalidades - Ley de Ampere y ley de Faraday - Importancia de los transformadores - Partes de un transformador - Tipos de transformadores por construcción 1.2. Transformador ideal - Características transformador ideal - Relación de transformación - Potencia activa y reactiva - Transformación de impedancias 1.3. Transformador real - Características transformador real - Prueba de Corto-Circuito y Circuito-Abierto - Regulación de tensión - Eficiencia 1.4. Autotransformador - Usos, ventajas y desventajas - Relación de transformación - Ventaja de potencia 1.5. Transformadores trifásicos - Transformador trifásico tipo acorazado - Banco de transformadores monofásicos - Configuraciones especiales Motores de inducción 3. Máquinas síncronas 2.1. Generalidades - Fundamentos de máquinas de corriente alterna - Conceptos sobre motores de inducción 2.2. Motor de inducción trifásico - Curva Par-Velocidad - Eficiencia - Arranque - Control de velocidad 2.3. Motores de Inducción Monofásicos - Principio de funcionamiento - Curva Par-Velocidad - Arranque - Control de velocidad 3.1. Generalidades - Tensiones trifásicas inducidas - Velocidad de rotación - Partes de una máquina síncrona - Alimentación del rotor 3.2. Generador Síncrono - Diagrama fasorial - Valores nominales y la curva de capacidad - Operación de generadores: Un sólo generador Dos o más generadores Un generador con una red infinita 3.3. Motor Síncrono

6 4. Máquinas de corriente directa - Principio de funcionamiento del motor síncrono - Diagrama fasorial - Operación como capacitor variable - Arranque del motor síncrono 4.1. Generalidades - Máquina lineal - Máquinas rotativa 4.2. Motores de Corriente Directa - Tipos de motores DC - Curva Par-Velocidad - Curva de magnetización y la operación del motor - Control de velocidad 4.3. Generadores de Corriente Directa - Tipos de generadores DC - Circuitos equivalentes - Curva I-V - Control de tensión - Curva de magnetización y operación del generador 4.4. Motores especiales - Motor universal - Motor de reluctancia - Motor de histéresis - Motor de avance paso a paso - Motor DC sin escobillas Una hora teórica será destinada para la explicación inicial de la materia Metodología Actividades formativas en horario presencial Modalidad Descripción Clases teóricas Talleres Clases prácticas tutorías Sesiones expositivas de contenidos a cargo del profesor o de los estudiantes Desarrollo de ejercicios en grupos de estudiantes Sesiones prácticas con desarrollo de ejercicios, problemas y laboratorios Relación personalizada de ayuda donde se atiende, facilita y orienta a uno o varios estudiantes en el proceso formativo Actividades formativas para trabajo autónomo Modalidad Descripción Estudio y trabajo en grupo Preparación de tareas diversas para exponer o entregar en clase mediante el trabajo de los estudiantes en grupo Estudio y trabajo individual Las mismas actividades que en la modalidad anterior, pero realizadas de forma individual, incluye, además, el estudio personal Metodología Metodología Método expositivo Clase magistral Resolución de ejercicios y problemas Finalidad Transmisión de conocimientos y la dinamización por parte del profesor Ejercicios, ensayos y puesta en práctica de los conocimientos previos (Por ejemplo problemas técnicos o el análisis de textos o documentos)

7 Asesoría Trabajo cooperativo Prácticas de laboratorio Horarios disponibles semanalmente con el profesor y/o el monitor para asesorías individuales Actividades grupales, dentro o fuera de la clase, que propicien espacios para el desarrollo del pensamiento crítico a partir de la discusión entre los estudiantes al momento de explorar nuevos conceptos. Actividades grupales en donde se afianza el conocimiento teórico por medio de prácticas guiadas en los laboratorio del ingeniería eléctrica y electrónica Temas para trabajo presencial Tópico Tema Transformadores Motores de inducción Máquinas síncronas Máquinas DC Temas para trabajo autónomo Tópico Tema Transformadores Motores de inducción Máquinas síncronas Máquinas DC 1.1. Generalidades 1.2. Transformador ideal 1.3. Transformador real 1.4. Autotransformador 2.1. Generalidades 2.2. Motor de inducción trifásico 2.3. Motores de Inducción Monofásicos - Principio de funcionamiento 3.1. Generalidades 3.2. Generador Síncrono 3.3. Motor Síncrono - Principio de funcionamiento del motor síncrono - Diagrama fasorial - Operación como capacitor variable 4.1. Generalidades 4.2. Motores de Corriente Directa 4.3. Generadores de Corriente Directa 1.5. Transformadores trifásicos 2.3. Motores de Inducción Monofásicos - Curva Par-Velocidad - Arranque - Control de velocidad 3.3. Motor Síncrono - Arranque del motor síncrono 4.4. Motores especiales Evaluación Peso por corte Evaluación Fecha Porcentaje Contenido Primer corte Semana 1 a 4 25% Transformadores Segundo corte Semana 5 a 8 25% Motor de inducción Tercer corte Semana 9 a 13 25% Máquinas síncronas Cuarto corte Semana 14 a 16 25% Máquinas DC Cada uno de los cortes estará compuesto por actividades que se alinean con los tres niveles de competencia (conocimiento, habilidad y actitud). Las actividades que se enmarquen en las competencias de conocimiento tendrán un peso en el corte del 30%. Las actividades que se enmarquen en las competencias de habilidad tendrán un peso en el corte del 35%. Las actividades que se enmarquen en las competencias de actitud tendrán un peso en el corte de 35% Fechas de parciales

8 Evaluación Fecha Contenido Parcial 1 Semana 4 Transformadores Parcial 2 Semana 8 Motor de inducción Parcial 3 Semana 13 Máquinas síncronas Resultados de aprendizaje del curso Competencias Resultados de aprendizaje Conocimiento Aprender términos y hechos Conocer conceptos y teorías Desarrollar habilidades analíticas Desarrollar habilidades de resolución de problemas Desarrollar la capacidad para sacar conclusiones razonables a partir de observaciones Mejorar las habilidades matemáticas Desarrollar la habilidad en el uso de materiales, herramientas y la tecnología Por medio de exámenes parciales y quices (en clases teóricas y prácticas de laboratorio) los estudiantes demostraran que han construido nuevo conocimiento presentado en la bibliografía básica y complementaria Por medio de talleres en clase, parciales y quices, los estudiantes demostrarán que han desarrollado las habilidades analíticas, de solución de problemas y habilidades matemáticas Por medio de las prácticas de laboratorio y la entrega de informes de resultados, los estudiantes demostrarán que tienen la capacidad de sacar conclusiones razonables a partir de observaciones Por medio del uso de elementos de medición en el laboratorio y el uso de simuladores y software de programación, el estudiante demostrará que tiene habilidad en el uso de materiales, herramientas y la tecnología Actitud Desarrollar la capacidad de aplicar los principios y generalizaciones aprendidas a nuevos problemas y situaciones Por medio de exámenes parciales el estudiante demostrará su habilidad de aplicar los principios y generalizaciones aprendidas a nuevos problemas y situaciones Calificación de las prácticas de laboratorio En total se realizarán cuatro prácticas de laboratorio, una por cada tópico, Transformadores, Motores de inducción, Máquinas síncronas y Máquinas DC. La calificación de las prácticas de laboratorio se incluirá dentro del corte correspondiente. Las notas que se tomarán serán: Nota Nota 1: Quiz previo Nota 2: Uso de equipos y herramientas de medida Nota 3: Conclusiones de las prácticas Competencia Conocimiento Bibliografía - Fraile Mora, Jesús. Máquinas Eléctricas. Sexta Edición. Editorial McGraw Hill. España Fitzgerald, kingsley, Umans. Máquinas Eléctricas. Sexta edición. Editorial McGraw Hill. México Wildi, Theodore. Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia. Sexta edición. Editorial Pearson PrenticeHall. México, Sanz, Javier. Máquinas Eléctricas. Editorial Pearson, Prentice Hall. Madrid Chapman, Stephen J. Máquinas Eléctricas. Cuarta edición. Editorial McGraw Hill. México