Ingeniería en Sistemas Energéticos

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1 PROGRAMA DE ESTUDIOS: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I PROTOCOLO Fechas Mes/año Clave 1-CT-SE-09 Semestre 6to. Elaboración Nivel Licenciatura X Maestría Doctorado Aprobación Ciclo Integración Básico Superior X Aplicación Colegio H. y C.S. C. y T. X C. y H. Plan de estudios del que forma parte: Ingeniería en Sistemas Energéticos Propósitos generales: Que el estudiante conozca los principios generales de las máquinas eléctricas, como son: transformadores, motores de corriente directa, y que realice un análisis de las mismas que le permitan una correcta aplicación dentro de los sistemas eléctricos. Carácter Modalidad Horas de estudio semestral (16 semanas) Indispensable X Seminario Taller Con Docente Teóricas 72 Autónomas Teóricas 72 Curso X Curso-taller Prácticas 48 Prácticas 48 Optativa * Laboratorio X Clínica Carga horaria semanal: 7.5 Carga horaria semestral: 120 Asignaturas Previas Teoría de los circuitos. Asignaturas Posteriores: Máquinas eléctricas II. Requerimientos para cursar la asignatura Conocimientos generales de física, de matemáticas: números reales y números complejos. Conceptos de circuitos eléctricos, electricidad y magnetismo Perfil deseable del profesor: Licenciatura o Posgrado en algún área relacionada con la ingeniería mecánica o eléctrica Academia responsable del programa: Programa de Energía Diseñadores: Dr. Álvaro Eduardo Lentz Herrera, M. en I. Fernando Gabriel Arroyo Cabañas, Dr. Gerardo Canizal, M. en I. Carlos Chávez Baeza *Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE será considerada INDISPENSABLE. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 1

2 PROGRAMA DE ESTUDIOS MÁQUINAS ELÉCTRICAS I INTRODUCCIÓN Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o convertir energía eléctrica en energía mecánica, cuando se usa para convertir energía mecánica en eléctrica se le llama generador, asimismo, cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se le llama motor. Puesto que una máquina eléctrica puede convertir potencia en uno u otro sentido, cualquier máquina se puede usar como motor o como generador. Prácticamente todos los motores y generadores convierten energía de una forma en otra mediante la acción e un campo magnético, por lo en este programa de estudios se abordaran máquinas eléctricas que utilicen campos magnéticos para la conversión de energía. Los motores y los generadores eléctricos son tan comunes en nuestros días debido a que utiliza energía eléctrica, que es una fuente de energía limpia en sitio y eficiente, un motor eléctrico no requiere de un sistema de combustible que necesita una máquina de combustión interna, por lo cual resulta muy apropiado para usos en ambientes donde la contaminación asociada con la combustión resulta perjudicial; aunque la conversión de energía térmica o mecánica en energía eléctrica puede efectuarse en sitios distantes donde se generan los contaminantes, para luego transmitirse hasta el sitio donde ha de utilizarse en cualquier casa oficia o fábrica. Los transformadores colaboran en este proceso reduciendo las pérdidas de potencia entre el sitio de generación y el sitio de su utilización. El curso requiere exposiciones del profesor y desarrollo de ejemplos por parte de los estudiantes, además se espera conozca los aspectos relacionados para llevar a cabo el análisis de las máquinas eléctrica de c.c. y transformadores, que sea capaz de realizar pruebas diagnósticas, esperando al final del curso el desarrollo de estas habilidades. El curso es una asignatura fundamental para quienes desean formarse como ingenieros, ya que permite construir habilidades básicas dentro las actividades profesionales en ingeniería. PROPÓSITOS GENERALES Que el estudiante conozca los principios generales de las máquinas eléctricas, como son: los transformadores, los motores y generadores de corriente directa, y que realice un análisis de las mismas que le permitan una correcta aplicación dentro de los sistemas eléctricos. UNIDAD 1. ANTECEDENTES PLANEACIÓN ESPECÍFICA Que el estudiante tenga los conocimientos de los principios básicos de las máquinas eléctricas, reforzando el conocimiento previamente adquirido, para que entienda con claridad los temas de las unidades subsecuentes mediante la exposición en clase. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 2

3 1.1. Máquinas eléctricas Movimiento rotacional y leyes de potencia Campo magnético Ley de Faraday. UNIDAD 2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS Que el estudiante adquiera el conocimiento sobre los circuitos magnéticos, su aplicación y características que le permitan la comprensión de su aplicación en los temas siguientes, mediante la exposición en clase, la resolución de ejercicios y la presentación de ejemplos de aplicación en la ingeniería eléctrica Concepto de circuito magnético Excitación de núcleos ferromagnéticos con corriente directa Curva de magnetización y saturación Energía magnética almacenada Excitación de núcleos ferromagnéticos con corriente alterna Pérdidas por corrientes parásitas Laminación Factor de apilamiento Reactor con núcleo ferromagnético Circuito equivalente. UNIDAD 3. TRANSFORMADORES Que el estudiante tenga los conocimientos de los principios básicos de los transformadores, que sea capaz de realizar un análisis de los mismos, dentro de los sistemas eléctricos mediante la exposición en clase y la realización de ejercicios de aplicación Tipos de transformadores y formas constructivas Estructura del transformador, FEM inducida, Relación de transformación y Polaridad Deducción del circuito equivalente Por ciento y por unidad de impedancia Circuitos equivalentes aproximados y diagrama de favores Análisis de comportamiento bajo distintas cargas Regulación y rendimiento del transformador Auto-transformadores Especificaciones y normas. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 3

4 3.10. Conexión de transformadores Requisitos de polaridad, transformación, impedancia, secuencia y desplazamiento angular Transformadores trifásicos, características y ventajas. UNIDAD 4. FUNDAMENTOS DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTÍNUA Que el estudiante adquiera los conocimientos básicos de las máquinas de corriente continua (c.c.) que le permitan una mejor comprensión del uso y aplicación de los motores y generadores de c.c Espira giratoria entre dos polos Conmutación en máquinas de c.c Ecuaciones en las máquinas de c.c Construcción de máquinas de c.c Flujos de potencia y pérdidas en las máquinas de c.c. UNIDAD 5. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA Que el estudiante tenga los conocimientos de los principios básicos de los generadores de corriente continua, que sea capaz de realizar un análisis de los mismos, dentro los sistemas eléctricos mediante la exposición en clase y la realización de ejercicios de aplicación dentro del campo de la ingeniería eléctrica Circuito equivalente Normatividad aplicable Curva de magnetización Generador con excitación independiente Generador con excitación en derivación Generador con excitación en serie Generador con excitación compuesta acumulativa Generador con excitación compuesta diferencial Operación en paralelo de generadores de c.c. UNIDAD 6. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Propósitos Que el estudiante tenga el conocimiento de los principios básicos de los motores de corriente continua, que sea capaz de realizar un análisis de los mismos, dentro los sistemas eléctricos mediante la exposición en clase y la realización de ejercicios de aplicación dentro del campo de la ingeniería eléctrica. Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 4

5 6.1. Circuito equivalente de un motor de c.c Normatividad aplicable Motores con excitación independiente y con excitación en derivación Motor de imán permanente Motor en serie Motor con excitación compuesta Arrancadores de los motores de c.c Eficiencia en los motores de c.c. METODOLOGÍA PARA EL CURSO La parte inicial de cada una de las unidades del curso será expositiva para establecer las generalidades del mismo y brindarles un marco teórico del tema, posteriormente se afianzarán los conocimientos vistos en cada unidad mediante el desarrollo de ejemplos prácticos en clase y revisión de casos de máquinas de c.c. y transformadores ya existentes. Los estudiantes deberán realizar investigación bibliográfica de cada uno de los temas vistos; se les proporcionará material adicional en forma de tareas y ejercicios, para que desarrollen sus habilidades en conocimiento y estudio de las máquinas eléctricas de c.c. y transformadores; y se les ofrecerán asesorías, cuya finalidad será brindarles apoyo sobre los temas abordados mediante ejemplos prácticos de en clase, tareas y ejercicios; es deseable realizar una visita o prueba de campo, en la que se pueda o visitar una instalación eléctrica industrial, reafirmando el conocimiento visto en clase. EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA Los estudiantes de la asignatura deberán tener conocimientos de circuitos eléctricos, en particular en el manejo de cálculos de cargas y elaboración de circuitos equivalentes. EVALUACIÓN FORMATIVA Debido al contenido de los temas se recomienda realizar dos evaluaciones formativas, la primera al finalizar tercera unidad para verificar que los estudiantes se hayan apropiado los conocimientos básicos de las máquinas eléctricas, circuitos magnéticos y transformadores eléctricos. La segunda evaluación se recomienda llevarla acabo al finalizar la sexta unidad, para que el estudiante demuestre sus habilidades al distinguir las características de los motores y generadores de corriente continua. En caso de que el grupo requiera mayor atención para subsanar algunas deficiencias, una vez que se conozca el resultado de cada Evaluación Formativa, se podrán a disposición una o dos clases del curso (según sea el caso) para abundar en aquellos temas en los que los estudiantes requieran mayor profundidad; o bien, como parte de las asesorías se incluirá un mayor número de ejercicios Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 5

6 que les permitan a los estudiantes mejorar sus habilidades en el dibujo y al mismo tiempo consoliden los conceptos vistos en clase. EVALUACIÓN PARA CERTIFICACIÓN Los estudiantes deberán mostrar los siguientes conocimientos; demostrara su conocimiento de los circuitos magnéticos y la correcta aplicación de los transformadores eléctricos, sea capaz de realizar el dimensionamiento de los motores eléctricos y la correcta aplicación del motor a utilizar en las diversas aplicaciones. Finalmente, ser capaz de realizar el dimensionamiento de los generadores eléctricos y la correcta aplicación del motor a utilizar en las diversas aplicaciones. Conocerá las normas aplicables de los motores eléctricos. Como indicadores para la Evaluación para Certificación se considerarán los siguientes; la habilidad de reconocer principales elementos y tipos de transformadores eléctricos. La habilidad de reconocer principales elementos y tipos de generadores eléctricos de c.c. y reconocer principales elementos y tipos de motores eléctricos de c.c. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Chapman, S. J. Máquinas Eléctricas, México. McGraw Hill, Mohamed E. El-Hawary. Principles of Electric Machines with Power Electronic Applications, 2 nd edition, Wiley-IEEE Press, Charles I. Hubert. Electric Machines: Theory, Operating Applications and Control, 2 nd Edition. Prentice may, Anthony J. Pansini, Basics of Electric Motors, 2 nd ed. PennWell Books, BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA P.C. Sen. Principles of Electric Machines and Power Electronics, 2 nd ed. John Wiley & Sons, Amador Víctor Pérez. Generadores, motores y transformadores. UNAM México, Fitzgerald, Kingley y Kusko. Electrical Machinery. McGraw Hill. México, Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Máquinas eléctricas I 6