INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES EN INGENIERÍA Y CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

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1 CARRERA: Ingeniería Eléctrica. PROGRAMA SINTÉTICO ASIGNATURA: Conversión de la Energía III SEMESTRE: Sexto OBJETIVO GENERAL: El alumno determinará y aplicará el funcionamiento, la construcción y operación del transformador, del auto transformador y el motor de inducción, así como los materiales utilizados en su construcción CONTENIDO SINTÉTICO: I. Consideraciones Generales del Transformador y su Clasificación. II. Prueba de Vacío, Separación de Pérdidas en el Núcleo. III. El Transformador Simplificado Reducido con Carga. IV. Prueba de Circuito Corto, Regulación y Rendimiento del Transformador. V. Conexiones de Transformadores y Operación en Paralelo. VI. Principio de Funcionamiento del Motor de Inducción Trifásico y su Comportamiento Como Transformador. VII. Pruebas de Marcha en Vacío y Rotor Bloqueado. VIII. Motor de Inducción Monofásico, Pruebas de Vacío y Circuito Corto. METODOLOGÍA: Búsqueda de información por parte de los alumnos. Realización de un resumen por escrito y de tareas extra clase. Redacción de un reporte de prácticas de laboratorio. Participación, discusión en clase con la coordinación del profesor. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Tres exámenes departamentales por escrito que corresponden al 60% de su calificación teórica, participaciones 10% y practicas de laboratorio el 30%. Para acreditar el laboratorio los alumnos presentarán: Un reporte por escrito que contendrá los resultados obtenidos en las prácticas realizadas, los diagramas de conexión y medición, la información correspondiente a los aparatos e instrumentos utilizados, las conclusiones y la bibliografía (30%) BIBLIOGRAFÍA: Chapman Stephen J. Maquinas Eléctricas Ed. Mc.Graw Hill Colombia Dawes Chester L. Tratado de Electricidad Corriente Alterna Tomo II Ed. Gustavo Gilli, S.A. México D.F E.E. STAFF M.I.T. Circuitos Magnéticos Y Transformadores. Reverté, S.A. Buenos Aires, Argentina, Bhag S. Huseyin R. Hiziroglu Maquinas Eléctricas y transformadores Ed. Alfa Omega/Oxford S.A,México Sanz Feito Javier. Maquinas Eléctricas Ed. Pentrice S.A. España 2002.

2 ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Zacatenco. CARRERA: Ingeniería Eléctrica. OPCIÓN: COORDINACIÓN: Academia de Conversión de la Energía. DEPARTAMENTO: Ingeniería Eléctrica. ASIGNATURA: Conversión de la Energía III SEMESTRE: Sexto. CLAVE: CRÉDITOS: 9 VIGENTE: Agosto 2005 TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-práctica. MODALIDAD: Escolarizada. TIEMPOS ASIGNADOS HRS/SEMANA/TEORÍA: 3.0 HRS/SEMANA/PRÁCTICA : 3.0 HRS/SEMESTRE/TEORÍA: 54 HRS/SEMESTRE/PRÁCTICA: 54 HRS/TOTALES: 108 PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR: Academia de Conversión de la Energía. REVISADO POR: Subdirección Académica. APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar. ESIME-ZACATENCO. AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y Programas de Estudio del Consejo General Consultivo del IPN. DIRECTOR: M. EN C. JESÚS REYES GARCÍA

3 ASIGNATURA: Conversión de la Energía III. CLAVE HOJA: 2 DE 16 FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA En el campo de las máquinas eléctricas de corriente alterna, tanto el transformador, como el motor de inducción tienen gran importancia. El transformador porque es el elemento principal en la transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica. El motor de inducción por su gran variedad de aplicaciones en la industria productiva nacional. Dentro de la carrera de Ingeniería Eléctrica, resulta indispensable el estudio de estas máquinas desde el punto de vista de la construcción, funcionamiento, pruebas, operación y mantenimiento. Esta asignatura tiene un carácter teórico práctico, por lo que el alumno verificará con la práctica del laboratorio los conceptos teóricos impartidos. Los antecedentes de esta asignatura son: Conversión de la Energía II, Circuitos Eléctricos II y Materiales Electrotécnicos. Los consecuentes de esta asignatura son. Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia, Líneas y Subestaciones Eléctricas, Protección de Sistemas Eléctricos I. OBJETIVO DE LA ASIGNATURA El alumno determinará y aplicará el funcionamiento, la construcción y operación del transformador, del auto transformador y el motor de inducción, así como los materiales utilizados en su construcción

4 ASIGNATURA: Conversión de la Energía III. CLAVE: HOJA: 3 DE 16 No. UNIDAD I NOMBRE: Consideraciones Generales del Transformador y su Clasificación. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno destacará la importancia que tiene el transformador en los sistemas eléctricos, su aplicación y el funcionamiento de las diferentes partes que lo constituyen. No.1 TEMA 1.1 T E M A S Definición del transformador y su Importancia la vida moderna HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 1.2 Aplicación de los transformadores y Principio de funcionamiento 1.3 Construcción del transformador: a) Núcleos b) Bobinas c) Aislamientos d) Tanques y auxiliares e) Conmutador y control 1.4 Número de fases, su operación, aplicación, colocación, refrigeración, forma del núcleo y construcción del tanque. 1.5 Circuito magnético, propiedades de los materiales magnéticos Imanes permanentes y energía del campo magnético. 1.6 Excitación con corriente alterna, pérdidas en el núcleo magnético y Cálculo de circuito magnético. Subtotal: ESTRATEGIA DIDÁCTICA Investigación de los niveles de tensión normalizados para la fabricación de los transformadores. Reporte escrito sobre los resultados de la investigación. Realización de prácticas. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental, abarcará las unidades I, II, III, 60% Evaluación de participaciones y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas 30%

5 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 4 DE 16 No. UNIDAD II NOMBRE: Prueba de Vacío, Separación de Pérdidas en el Núcleo OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno elaborará y analizará los circuitos equivalentes y diagramas vectoriales de un transformador real y simplificado. No.2 TEMA 2.1 T E M A S Transformador real y sus parámetros a) Diagrama vectorial b) Circuito equivalente HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 2.2 Transformador simplificado a) Diagrama vectorial b) Circuito equivalente simplificado 2.3 Prueba de vacío, finalidad y cálculo de parámetros. 2.4 Pérdidas en el núcleo, corriente de excitación, corriente magnétizante, corriente de pérdidas y factor de potencia. 2.5 Características de pérdidas y su separación en el núcleo mediante el ensayo de vacío. 2.6 Cálculo de parámetros de alta tensión. ESTRATEGIA DIDÁCTICA Subtotal: Los alumnos expondrán conceptos sobre el transformador real. Tarea de los diagramas vectoriales del transformador Realización de prácticas PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental, abarcará las unidades I, II, III, 60% Evaluación de participaciones y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas 30%

6 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 5 DE 16 No. UNIDAD III NOMBRE: El Transformador Simplificado Reducido con Carga. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno aplicará la teoría del transformador con carga y analizará los diagramas vectoriales con distintas cargas No.3 TEMA T E M A S Teoría del transformador con carga. Diagramas vectoriales con distintas cargas: resistiva, inductiva y capacitiva. Circuito equivalente real. Teoría y relación de transformación del transformador. Diagramas vectoriales con distintas cargas: resistiva, inductiva y capacitiva. El transformador con el primario referido al secundario y viceversa. Resistencia, reactancia e impedancia equivalente reducidas en términos del primario y secundario y caídas de tensión en términos del primario o secundario. HORAS CLAVE BIBLIOGRÁFICA T P EC B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 3.8 Por ciento de caída equivalente en términos del primario o secundario y pérdidas en los devanados (RI 2 ), referidas al primario o al secundario, diagramas vectoriales y circuitos equivalentes. ESTRATEGIA DIDÁCTICA Exposición en clase bajo la supervisión del profesor, el método para simplificar y reducir los diagramas vectoriales con las distintas cargas Realización de prácticas PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental, abarcará las unidades I, II y III 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%

7 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 6 DE 16 No. UNIDAD IV NOMBRE: Prueba de Circuito Corto, Regulación y Rendimiento del Transformador. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno calculará los parámetros del transformador determinando las pérdidas en el cobre y el rendimiento del mismo, con los resultados de la prueba de circuito corto. No.4 TEMA T E M A S Prueba de circuito corto y pérdidas en el cobre. Impedancia de circuito corto y porciento de impedancia del transformador. HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 4.3 Porciento de impedancia del transformador a 75 C. 4.4 Cálculo del porciento de regulación en términos del primario o secundario considerando factor de potencia unitario, inductivo y capacitivo. 4.5 Definición de rendimiento convencional, diario y máximo. 4.6 Resumen y análisis comparativos ESTRATEGIA DIDÁCTICA Subtotal: Explicación por parte del alumno de cada uno de los temas enumerados, para que los entienda y los confirme en el laboratorio bajo la supervisión del profesor. Desarrollo en clase de ejercicios relacionados con los temas. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental, abarcará las unidades IV, V y V. 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%

8 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 7 DE 16 No. UNIDAD V NOMBRE: Conexiones de Transformadores y Operación en Paralelo. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno determinará la polaridad, el desplazamiento angular, la secuencia de fases y realizará las conexiones de los devanados del transformador. Explicará la influencia de las armónicas en las conexiones trifásicas. No.5 TEMA 5.1 T E M A S Transformadores monofásicos, trifásicos y su polaridad HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 5.2 Transformadores monofásicos con derivaciones en alta tensión y devanados en baja tensión para conexión serie paralelo 5.3 Desplazamiento angular y secuencia de fases 5.4 Conexiones trifásicas de transformadores conocidas las polaridades de un grupo de transformadores monofásicos, hacer las conexiones: delta/delta, delta/estrella, estrella/delta y estrella/estrella. Determinar el desplazamiento angular y secuencia de fases así como las armónicas que afectan a estas conexiones. 5.5 Condiciones indispensables y condiciones necesarias Para la operación en paralelo de transformadores monofásicos y trifásicos 5.6 Diagrama vectorial 5.7 Resumen Subtotal: ESTRATEGIA DIDÁCTICA Realización de las distintas conexiones en los transformadores monofásicos y trifásicos considerando la polaridad en sus devanados, bajo la supervisión del profesor Realización de prácticas, y tareas. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental, abarcará las unidades IV, V y VI. 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%.

9 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 8 DE 16 No. UNIDAD VI NOMBRE: Principio de Funcionamiento del Motor de Inducción Trifásico y su Comportamiento Como Transformador. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno determinará los parámetros de los devanados primarios y secundarios, las caídas de tensión equivalentes. No.6 TEMA Construcción T E M A S Motor de inducción de rotor devanado HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 6.3 Campo magnético giratorio y su velocidad 6.4 Velocidad del rotor y su frecuencia 6.5 Deslizamiento y par de arranque 6.6 Motor de inducción jaula de ardilla 6.7 Comportamiento del motor de inducción como transformador 6.8 Relación de transformación 6.9 Diagrama vectorial y circuito equivalente ESTRATEGIA DIDÁCTICA Subtotal: Orientación del alumno por parte del profesor con relación al parámetro de las caídas equivalentes en términos del devanado primario o secundario. Pérdidas en los devanados primario y secundario. Ejercicios en clase para la confirmación con los resultados de las prácticas en el laboratorio. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental que abarcará las unidades IV, V y VII 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%.

10 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 9 DE 16 No. UNIDAD VII NOMBRE: Pruebas de Marcha en Vacío y Rotor Bloqueado. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno realizará la prueba de circuito corto y con los resultados que se obtengan calculará los parámetros del transformador determinando las pérdidas en el cobre y el rendimiento del mismo. No.7 TEMA 7.1 T E M A S Prueba de marcha en vació parámetros y cálculo de los HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B Análisis de la potencia absorbida y separación de perdidas Curvas características y circuito equivalente Pruebas de rotor bloqueado y cálculo de los parámetros Análisis de potencia absorbida Estudio del diagrama circular Potencia mecánica y potencia integrada Par motor y deslizamiento 7.9 Rendimiento convencional ESTRATEGIA DIDÁCTICA Subtotal: Investigación de la información por parte de los alumnos sobre las normas que permiten la realización de estas y otras pruebas a los motores de inducción. Realización de prácticas. Reporte de prácticas. Realización de tareas. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental que abarcará las unidades VII y VIII 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%.

11 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 10 DE 16 No. UNIDAD VIII NOMBRE: Motor de Inducción Monofásico, Pruebas de Vacío y Circuito Corto. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno explicará la construcción del motor de inducción monofásico y describirá el principio de su funcionamiento y como se produce el campo magnético giratorio. Analizara el circuito equivalente. No.8 TEMA Construcción T E M A S Principio de funcionamiento HORAS T P EC CLAVE BIBLIOGRÁFICA 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B 8.3 Campo magnético giratorio 8.4 Circuito equivalente 8.5 Determinación de parámetros de la prueba de vacío y de la de circuito corto 8.6 Comparación de perdidas en los inducción monofásica y trifásica. ESTRATEGIA DIDÁCTICA motores de Subtotal: Exposición de acetatos de los componentes que se abordan en esta unidad por parte de los alumnos bajo la supervisión del profesor de acuerdo al contenido del temario. Realización de prácticas. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Examen departamental que abarcará las unidades VII y VIII 60% Evaluación de participaciones en clase y tareas 10% Evaluación de reportes de las prácticas. 30%.

12 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 11 DE 16 RELACION DE PRÁCTICAS PRACT. No. 1 NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN LUGAR DE REALIZACIÓN Consideraciones generales de transformadores: I, II 4.0 LABORATORIOS PESADOS II Funcionamiento. DE INGENIERÍA Construcción. ELÉCTRICA Clasificación y utilización. Pruebas industriales necesarias para la utilización de los transformadores. Conexiones usuales normales. Cálculo de la relación de transformación, de corriente, tensiones y de control de potencia. Medición de potencia. Verificación de las conexiones de los wattmetros, tanto teórica como prácticamente 2 Características de los transformadores de laboratorio. I, II, 4.0 Físicas. Eléctricas. Magnéticas y de. Enfriamiento. 3 Pruebas dieléctricas. IV 4.0 Medición de resistencia de aislamiento. Pruebas de potencial aplicado. 4 Prueba de tensión inducida Determinación de pruebas. IV 8.0 Prueba de vacío. Medición de relación de transformación Determinación de parámetros.

13 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 12 DE 16 RELACION DE PRÁCTICAS PRACT. No. NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN LUGAR DE REALIZACIÓN Trazo de curvas. LABORATORIOS PESADOS II Prueba de corto circuito. DE INGENIERÍA Medición de resistencias óhmicas y de temperatura. ELÉCTRICA Medición de la relación de transformación. Determinación de parámetros. Trazo de curvas. Cálculo de regulación. Cálculo de rendimiento convencional. 5 Prueba de temperatura: IV, 3.0 Métodos. Determinación de las pérdidas de la prueba. Métodos de circuito corto. 6 Conexiones y operación de transformadores en paralelo: V 8.0 Estudio para el acoplamiento de transformadores en paralelo. Determinación de la polaridad, desplazamiento angular y secuencia de fases. Acoplamiento de transformadores en paralelo (acoplamiento, mediciones y cálculo) 7 Consideraciones generales de motores de inducción: VI 3.0 Funcionamiento. Construcción. Clasificación y utilización. Pruebas industriales

14 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 13 DE 16 RELACION DE PRÁCTICAS PRACT. No. 8 NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN LUGAR DE REALIZACIÓN Precauciones que se deben tener antes de poner en LABORATORIOS marcha al motor de inducción. PESADOS II DE Características del motor de inducción: VI 2.0 INGENIERÍA ELÉCTRICA Físicas. Eléctricas. Magnéticas. Térmicas. 9 Mediciones de parámetros del motor: VI 4.0 Medición de resistencias de aislamiento. Medición de resistencias óhmicas y de temperatura de los devanados. Medición de la relación de transformación. Medición de deslizamiento en vacío 10 Determinación de pérdidas: VI 6.0 Prueba de marcha en vacío: pérdidas, deslizamiento y trazo de curvas características. Prueba a rotor bloqueado y rendimiento convencional. Pérdidas. Trazo de curvas características. Diagrama circular: circuito equivalente, características de carga y cálculo de rendimiento convencional. 11 Comportamiento del motor con carga variable: VI 4.0 Deslizamiento. Curvas características.

15 ASIGNATURA: Conversión de la energía III. CLAVE: HOJA: 14 DE 16 RELACION DE PRÁCTICAS PRACT. No. NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN LUGAR DE REALIZACIÓN 12 Conexiones opcionales de transformadores: 5.0 LABORATORIOS PESADOS II Conexiones monofásicas de transformadores. DE INGENIERÍA Conexiones trifásicas de transformadores. ELÉCTRICA Conexiones hexafásicas de transformadores. Conexiones especiales: Delta abierta, T/t y Scott.

16 ASIGNATURA: Conversión de la Energía III. CLAVE: HOJA: 15 DE: 16 PERÍODO UNIDAD PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 1er. 2do. 3er. I, II y III IV, V,y VI VII y VIII Tres exámenes departamentales por escrito que corresponden al 60% de su calificación teórica, participaciones 10% y actividades complementarias el 30%, en sumatoria representan el 70% del total de la calificación teórica, y el 30% restante corresponde al laboratorio. Para acreditar el laboratorio los alumnos presentarán: Un reporte por escrito que contendrá los resultados obtenidos en la práctica, los diagramas de conexión y medición, la información correspondiente a los aparatos e instrumentos utilizados, las consideraciones teóricas, el desarrollo, de la práctica, las conclusiones y la bibliografía (30%) CLAVE B C BIBLIOGRAFÍA 1 X X X X X Chapman Stephen J. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Ed.McGraw Hill. Colombia Pág Dawes, Chester L. TRATADO DE ELECTRICIDAD, CORRIENTE ALTERNA TOMO II, Gustavo Gilli, S.A. Barcelona. Pág E. E. STAFF M. I. T. CIRCUITOS MAGNÉTICOS Y TRANSFORMADORES Reverté, S.A. Buenos Aires, Argentina, Pág Kosow, Irving L. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y TRANSFORMADORES. Reverté, S.A. España Pág Sanz Feito Javier. Maquinas Eléctricas 2aEd. Pentrice S.A. España Pág X X X Langsdorf Alexander S. TEORÍA DE LAS MAQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA.. McGraw Hill. Book Company España, Pág Rojas Domínguez, Angel Lucio. PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE TRANSFORMADORES Y MOTORES DE INDUCCIÓN. Primera edición ESIME- IPN, México, Pág Bhag S. Huseyin R. Hiziroglu Maquinas Eléctricas y transformadores 3ª Ed. Alfa Omega/Oxford S.A,México Pág

17 PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA 1. DATOS GENERALES ESCUELA: ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA. ZACATENCO - UPALM CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRICA. SEMESTRE Sexto ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM. ACADEMIA: CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA ASIGNATURA: CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA III ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: Ingeniero Electricista 2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno conocerá y aplicará el funcionamiento, la construcción y operación del transformador, del auto transformador y el motor de inducción, así como los materiales utilizados en su construcción. 3. PERFIL DOCENTE: CONOCIMIENTOS EXPERIENCIA PROFESIONAL HABILIDADES ACTITUDES * En las leyes fundamentales del electromagnetismo. * En los materiales que constituyen las partes del transformador, auto transformador y motor de inducción. * De preferencia con Experiencia docente. * Expresarse con claridad. * Facilidad de palabra. * Transmitir sus conocimientos de manera clara. * Cumplido. * Tolerante. * Justo y congruente. * Paciente. * Respetuoso. * Responsable y con vocación de servicio. * Dispuesto al cambio. * Compromiso social. ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ Ing. Modesto Castro Hinojosa. Ing. Guillermo Santillán Guevara. M en C. Jesús Reyes García. PRESIDENTE DE ACADEMIA SUBDIRECTOR ACADÉMICO DIRECTOR DEL PLANTEL FECHA: Enero 2005