Máquinas Eléctricas - Inicio

Universidad Autónoma de Zacatecas
Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
Programa del curso: Máquinas Eléctricas I y Lab.
Carácter
Semestre
recomendado
Obligatorio
6o.
Carrera: IE, ICE
Sesiones
Teoría
30
Lab
14
Créditos
Teoría
7
Lab
2
Categoría: Ciencias de la Ingeniería
Antecedentes
Total
9
Circuitos
Eléctricos
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
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
2.1.1 Cargas R, L y C
2.1.2 Potencia compleja y factor de potencia
2.2 Circuitos trifásicos en estado estable. Dominio del tiempo y notación fasorial
2.2.1 Generadores y cargas trifásicas en conexión Y-, Y-Y, - y  -Y
2.2.2 Cargas trifásicas balanceadas. Circuito equivalente monofásico.
2.2.3 Cargas trifásicas desbalanceadas
2.2.4 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
3.4.1 Campo magnético externo e interno de un conductor
3.4.2 Campo magnético entre conductores de una línea de transmisión trifásica
3.4.3 GMR y GMD
3.4.4 Cálculo de la inductancia y reactancia inductiva por fase.
3.5 Capacitancia y reactancia capacitiva
3.5.1 Campo eléctrico de un conductor
3.5.2 Campo eléctrico entre conductores
3.5.3 Radio equivalente
3.5.4 Cálculo de la capacitancia y reactancia capacitiva por fase.
3.6 Modelos de lineas de transmisión
3.6.1 Línea de longitud corta
3.6.2 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
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
4.5.1 Prueba de corto circuito
4.5.2 Prueba de circuito abierto
4.6 Regulación de voltaje, eficiencia y factor de potencia del transformador
4.7 Transformadores trifásicos
4.7.1 Conexiones Y-, Y-Y, - y  -Y
4.7.2 Circuitos equivalentes monofásicos
4.7.3 Regulación de voltaje, eficiencia y factor de potencia del transformador trifásico
4.8 Construcción del transformador
4.8.1 Núcleos y devanados primario y secundario
4.8.2 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
5.2.1 Configuración de generador elemental de ca
5.2.2 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.
6.2.1 Campo magnético giratorio del estator
6.2.2 Voltaje, corriente y par inducidos en el rotor
6.2.3 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
6.4.1 Prueba de resistencia de cd del estator
6.4.2 Prueba a rotor bloqueado
3
6.4.3 Prueba sin carga
6.5 Cálculo de corrientes, voltajes y factor de potencia
6.6 Potencias, pares (torques) y eficiencia
6.5.1 Potencias de entrada, electromagnética, desarrollada y de salida
6.5.2 Pares (torques) electromagnético, desarrollado y de salida
6.4.3 Pérdidas en el cobre (devanados), en el núcleo y por fricción y ventilación.
6.7 Características de par - deslizamiento o par – velocidad
6.7.1 Par de arranque, y par máximo
6.7.2 Corriente de arranque
6.8 Control de velocidad del motor de inducción trifásico
6.9 Motor de inducción monofásico
6.9.1 Principio de operación
6.9.2 Motor de fase partida
6.9.3
Motor de arranque por capacitor
6.9.4
Motor universal
6.9.4 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
7.1.1 Tipos de devanados
7.1.2 Conmutador
7.2 Generadores de CD
7.2.1 Voltaje inducido y par. Constante del generador
7.2.2 Generador excitado por separado y en derivación. Circuitos equivalentes
7.2.3 Generador serie. Circuito equivalente
7.2.4 Generador compuesto acumulativo y diferencial. Circuitos equivalentes
7.3 Motor de CD
7.3.1 Motor excitado por separado y en derivación. Circuitos equivalentes
7.3.2 Motor serie. Circuito equivalente
7.3.3 Motor compuesto acumulativo y diferencial. Circuitos equivalentes
7.3.4 Par y eficiencia del motor de cd
7.3.5 Arrancadores de motores de cd
4
Temario de sesiones de laboratorio
Sesión 1
Medición de voltaje y corriente en cargas trifásicas R, L y C en conexión Y y 
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.
2.
3.
4.
5.
Exámenes parciales (3)
Exámen final
Tareas
Asistencia / participacion
Prácticas de Laboratorio
25 %
30 %
15 %
5%
25 %
5
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, 1983
4. Electrical Machinery and transformers
Irvin G. L. Kosow
2da. Edición, Prentice Hall, USA, 1991
5. Electromechanical Energy devices
Yamayee / Bala
Wiley, USA, 1994
6. Notas sobre Máquinas Eléctricas
M. Reta Hernández
Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica. UAZ
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