A0251 mau01 s0u0t0 v1 43 by Heidy Anllela Molina Ponce

INGENIERÍA ELÉCTRICA

Mg. Neil Mendoza

Cada autor es responsable del contenido de su propio texto. De esta edición: © Universidad Continental 2012 Jr. Junín 355, Miraflores, Lima-18 Teléfono: 213 2760 Derechos reservados Primera edición: Noviembre 2013 Tiraje: 500 ejemplares Autor: Manuel Jesús Ojeda Acosta Oficina de Producción de Contenidos y Recursos Impreso en el Perú - Solvimagraf S.A.C Jr. Emilio Althaus N° 406 Of. 301 - Lince contacto@solvimagraf.com Fondo Editorial de la Universidad Continental

Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, en todo ni en parte, ni registrada en o trasmitida por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio sea mecánico, fotoquímico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia, o cualquier otro sin el permiso previo por escrito de la Universidad.

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PRESENTACIÓN DE LA ASIGNATURA

COMPETENCIA DE LA ASIGNATURA

UNIDADES DIDÁCTICAS

TIEMPO MÍNIMO DE ESTUDIO

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD I

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES

TEMA N.º 1: Potencia y energía eléctrica

1.1 Ley de Ohm

1.2 La potencia eléctrica

1.3 La energía eléctrica

TEMA N.º 2: Instrumentos de medida

2.1 El voltímetro

2.2 El amperímetro

2.3 El ohmímetro

2.4 El multímetro

LECTURA SELECCIONADA N.º 1 La electricidad hasta el año 1800

ACTIVIDAD N.º 1

TEMA N.º 3: Circuitos de corriente continua

3.1 Circuito serie de corriente continua

3.2 Circuito paralelo de corriente continua

3.3 Leyes de Kirchhoff

TEMA N.º 4: Circuitos de corriente alterna

4.1 Circuitos RL.

4.2 Circuitos RC.

4.3 Circuitos RLC.

LECTURA SELECCIONADA N.º 2 Faraday y la inducción electromagnética

CONTROL DE LECTURA N.º 1

glosario de la unidad I

bibliografía de la unidad i

AUTOEVALUACIÓN de la unidad i

UNIDAD II: MÁQUINAS ELÉCTRICA I: MOTORES CC

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD II

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES

TEMA N.º 1: La máquina de CC

1.1 Partes de una máquina de CC.

1.2 Clasificación de una máquina de CC.

1.3 Sentido de giro y circulación de la corriente.

TEMA N.º 2: Magnitudes básicas de una máquina de CC

2.1 FEM inducida

2.2 Par interno o electromagnético

2.3 Relaciones de potencia

2.4 Rendimiento y par nominal

LECTURA SELECCIONADA N.º 1 Teoría de circuitos

Actividad N.° 1

TEMA N.º 3: Tipos de excitación

3.1 Excitación independiente

3.2 Excitación serie

3.3 Excitación derivación (shunt)

3.4 Excitación compound

TEMA N.º 4: Curvas y aplicaciones de motores de CC

4.1 Motor de excitación independiente

4.2 Motor serie

4.3 Motor derivación o shunt

4.4 Motor compound

LECTURA SELECCIONADA N.º 2 Las máquinas eléctricas

TAREA ACAdÉMICA N.° 1 glosario de la unidad II bibliografía de la unidad ii

77 77 78

AUTOEVALUACIÓN de la unidad ii

UNIDAD III: MÁQUINAS ELÉCTRICA II: MOTORES CA

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD III

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES

TEMA N.º 1: La máquina de CA

1.1 Máquinas síncronas

1.2 Partes de una máquina síncrona 1.3 Clases de máquina síncrona

1.4 Principio de funcionamiento

TEMA N.º 2: La máquina asíncrona

2.1 El motor de inducción en reposo. Características mecánicas

2.2 Frecuencia de las corrientes del rotor 2.3 Rendimiento y balance de energía

LECTURA SELECCIONADA N.º 1 Teoría y análisis de máquinas eléctricas

Actividad N.° 1

TEMA N.º 3: El motor trifásico de inducción

3.1 Prueba en marcha

100

3.2 Magnitud de carga

100

3.3 Placa de características

100

TEMA N.º 4: El motor monofásico de inducción

4.1 Motores de espira en corto circuito

100

4.2 Motores de fase partida

100

4.3 Características eléctricas

100

4.4 Transformación de un motor trifásico en monofásico

100

LECTURA SELECCIONADA N.º 2 Magnetostática

CONTROL DE LECTURA N.º 2

109

glosario de la unidad II

110

bibliografía de la unidad IiI

110

AUTOEVALUACIÓN de la unidad iii UNIDAD IV: TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

111 115

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD IV

115

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES

115

TEMA N.º 1: Fuentes de energías renovables y no renovables

116

1.1 Generación de Energía Eléctrica

119

1.2 Transmisión de Energía Eléctrica

119

1.3 Distribución de Energía Eléctrica

119

TEMA N.º 2: Electrónica digital

125

2.1 Componentes y dispositivos electrónicos

125

2.2 Circuitos lógicos

125

2.3 Automatismos en lógica cableada

125

2.4 Automatismos en lógica programable

125

LECTURA SELECCIONADA N.º 1

Diseño digital utilizando lógica programable

Actividad N.° 1

132

TEMA N.º 3: Electrónica industrial

116

3.1 Control electrónico de máquinas eléctricas

119

3.2 Métodos de arranque y regulación de velocidad

119

TEMA N.º 4: Proyectos eléctricos

125

4.1 Expediente Técnico del Proyecto

125

4.2 Metrado y Presupuesto de Materiales

125

4.3 Planos Eléctricos. Código Nacional de Electricidad. Simbología

125

LECTURA SELECCIONADA N.º 2 Metrados para obras de edificación

TAREA ACAdÉMICA N.° 2

132

138

GLOSARIO de la unidad IV

138

bibliografía de la unidad IV

138

AUTOEVALUACIÓN de la unidad iv ANEXO: claves de las autoevaluaciones

139 142

INTRODUCCIÓN

a asignatura Ingeniería Eléctrica que se desarrolla en

este modo será una lectura analítica y reflexiva, para ello puedes

la modalidad de educación virtual, proporciona el pre-

utilizar diversas estrategias en el manejo de información, tales

sente manual autoformativo como el material didáctico

como mapas conceptuales, mapas mentales, cuadros compara-

más importante del curso. En este manual encontraras de forma

tivos, cuadros sinópticos, entre otros. Las lecturas seleccionadas

sintetizada los conocimientos más importantes de la ingeniería

te permitirán profundizar o consolidar lo temas tratados. Desa-

eléctrica, que contribuirán sustanti-vamente en tu formación

rrolla las actividades y tareas académicas, con responsabilidad y

profesional.

esfuérzate siempre por dar lo mejor de ti. Las autoevaluaciones

En la Unidad I, encontrarás sobre las magnitudes eléctricas y sus relaciones, los instrumentos de medida y las leyes que gobiernan

te ayudarán a estar mejor preparado para evaluaciones escritas o para la prueba final.

los circuitos eléctricos. En la Unidad II, conocerás una de las má-

La asignatura descrita en este manual requiere sólo un conoci-

quinas más importantes que el ser humano haya creado, las má-

miento básico de la teoría básica de circuitos, álgebra y algo de

quinas de corriente continua, sus partes y funcionamiento. En la

trigonometría. Debido al tratamiento comprensible de todos los

Unidad III, ampliaras tus conocimientos sobre los diversos tipos

temas, este manual cubre las expectativas de una amplia gama de

de máquinas de corriente alterna. En la Unidad IV, se tratarán

estudiantes, así que te invito a que me acompañes en esta aventu-

diversos tópicos, como la generación, trasmisión y distribución

ra y fascinante área de la ingeniería eléctrica.

de la energía. Los proyectos eléctricos y la automatización de motores eléctricos. Es recomendable que la lectura de cada unidad se vea reforzada con la indagación y la profundización de los temas tratados, de

Mg. Juan Mendoza

Desarrollo de contenidos

PRESENTACIÓN DE LA ASIGNATURA Diagrama

Objetivos

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Inicio

COMPETENCIA DE LA ASIGNATURA

Desarrollo Conoce y de contenidos

Actividades Autoevaluación utiliza adecuadamente la energía y máquinas eléctricas, valiéndose del control auto-mático asistido por ordenadores, en el diseño de instalaciones industriales emplean-do las Normas internacionales y Normas Técnicas Peruanas; apreciando su importancia en el proceso de industrialización.

Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

UNIDADES DIDÁCTICAS

Recordatorio

UNIDAD I

Anotaciones

Circuitos eléctricos

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

UNIDAD II

UNIDAD IV

Máquinas eléctrica I: motores CC

Máquinas eléctrica II. Motores CA

Tópicos de ingenieria eléctrica

TIEMPO MÍNIMO DE ESTUDIO

UNIDAD I

UNIDAD II

UNIDAD IV

1.a y 2.a Semana

3.a y 4.a Semana

5.a y 6.a Semana

7.a y 8.a Semana

16 horas

Bibliografía

Desarrollo de contenidos

Diagrama

Desarrollo de contenidos

Lecturas seleccionadas

Objetivos

Inicio

Actividades

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Autoevaluación

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD I Glosario

Bibliografía Inicio

Recordatorio Desarrollo de contenidos

Anotaciones Actividades

Autoevaluación

Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

Recordatorio

Anotaciones

CONTENIDOS

Diagrama

Lecturas seleccionadas

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Objetivos

Diagrama

EJEMPLOS

autoevaluación

ACTIVIDADES

BIBLIOGRAFÍA

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Objetivos

Inicio

CONOCIMIENTOS

PROCEDIMIENTOS

ACTITUDES

Tema N.°1: Potencia y enerDesarrollo Actividades Autoevaluación gía eléctrica

1. Relaciona la intensidad de corriente y el voltaje en un resistor. Usando tablas, ecuaciones y gráficas.

1. Interés por ampliar y profundizar los temas tratados en el curso.

de contenidos

1.1. Ley de Ohm. 1.2. La potencia eléctrica. 1.3. La energía eléctrica.

Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

Tema N.°2: Instrumentos de medida 2.1. El voltímetro. 2.2. El amperímetro.

Recordatorio

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Anotaciones

2.3. El ohmímetro. 2.4. El multímetro.

Lectura seleccionada N.°1 La electricidad hasta el año 1800 (Braun, 1992).Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología. Tema N.°3: Circuitos de corriente continua 3.1. Circuito serie de corriente continua. 3.2. Circuito paralelo de corriente continua. 3.3. Leyes de Kirchhoff. Tema N.°4: Circuitos de corriente alterna 4.1. Circuitos RL. 4.2. Circuitos RC. 4.3. Circuitos RLC. Lectura seleccionada N.°2 FARADAY Y LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA (Braun, 1992).Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología. Autoevaluación de la unidad I

2. Elabora un cuadro con la potencia eléctrica de diversos aparatos eléctricos en casa y en la industria. 3. Calcula la energía eléctrica en joules y kilowatthora. 4. Describe las características de los diferentes instrumentos de medida. 5. Identifica los diferentes instrumentos eléctricos. 6. Describe el voltaje y la corriente eléctrica en circuitos de corriente continua. 7. Analiza la ley de Kirchhoff en circuitos simples. 8. Describe los circuitos de corriente alterna: RL, RC y RLC. 9. Calcula magnitudes eléctricas en circuitos de corriente eléctrica. Actividad N.° 1 Control de lectura N.°1

2. Cumple oportuna-mente con la presen-tación de las activi-dades encomendadas.

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

Anotaciones

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

TEMA N.°1: POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA Introducción En este tema aprenderás los principios básicos de los circuitos eléctricos los cuales serán los conocimientos fundamentales para comprender la ingeniería eléctrica y su contribución en el desarrollo de los pueblos y la calidad de vida de las personas. 1.1 Ley de Ohm Al conectar un pequeño foco a una batería o generador este se enciende. La batería proporciona la fuerza electromotriz para que los electrones se muevan a través del cable conductor y del filamento conductor del foquito. El movimiento de electrones denominada corriente eléctrica, origina que el cable y el filamento se calienten. El material del cual está hecho el filamento del foquito es tal que se calienta hasta ponerse de color amarillo y emite luz. Tal como se observa en la FIGURA 1. FIGURA Nº 1. GENERADOR (PILA) CONECTADA A UN FOQUITO

Fuente: Dmitry G. CC BY-SA 3.0. Está claro que en este hecho, la intensidad de la corriente eléctrica que pasa a través del cable conductor depende de la fuerza electromotriz o voltaje del generador. Esta relación fue descubierta por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm y por eso es conocida como la ley de Ohm (Valentín, 2012). Ley de Ohm: “La intensidad de corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje del generado e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”.

Formas de expresar la Ley de Ohm: I=V/R → V=IR Donde I = intensidad de corriente eléctrica (amperio= A) V = Voltaje o fuerza electromotriz (voltio = V) R = Resistencia eléctrica (ohmio = Ω) Sabías que…

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

“La resistencia eléctrica depende del material del cual está hecho el cable conductor, de su longitud y área de su sección transversal. Recordatorio

En la Ingeniería Eléctrica se utilizan diversos dispositivos con resistencias eléctricas de diferentes valores, para graduar el voltaje o la intensidad de corriente en un circuito, FIGURA 2.

FIGURA Nº 2. RESISTORES DE CARBÓN SÓLIDOS, LAS BANDAS DE COLORES INDICAN SU VALOR. ESTOS RESISTORES SE UTILIZAN EN CIRCUITOS ELECTRÓNICOS.

Fuente: Giannini Pelizer http://pontociencia.org.br/galeria/#/content/Fisica/Eletromagnetismo/ IMG_0969.jpg a. Símbolos eléctrico A continuación se muestra en la FIGURA Nº 3 algunos símbolos eléctricos que serán útiles para representar diversos circuitos eléctricos. FIGURA Nº 3. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS.

Fuente: http://www.simbologia-electronica.com

Anotaciones

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

b. Aplicación de la Ley de Ohm Situación problemática Anotaciones

En el esquema simbólico de un circuito simple, mostrado en la FIGURA 4, el voltaje o fuerza electromotriz de la pila es ε = 12 voltios, la resistencia interna de la pila es r = 2 ohmio y el foquito al que se conecta tiene una resistencia R = 8 ohmio, ¿cuál es la intensidad de corriente eléctrica que circula por el circuito? FIGURA Nº 4. Esquema de un circuito

Fuente: Juan Mendoza Resolución:

Aplicamos la ley de Ohm:

Dato: Voltaje: V = 12 V

I=V/R

Resistencia total: R = 2Ω + 8 Ω = 10 Ω

I = (12V)/(10Ω) I = 1,2 A

1.2 La potencia eléctrica Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, éste se calienta. Esto se debe a que parte de la energía cinética de los electrones se transforma en energía térmica. Los choques que sufren los electrones con los átomos del material conductor por el que circulan, elevan la temperatura del mismo. (Valentín, 2012). El año 1845, James Prescott Joule fue capaz de encontrar la ley que permite calcular este efecto. Ley de Joule: “La potencia disipada por un conductor es igual al voltaje o dife-rencia de potencial, a la que está sometido multiplicado por la intensidad de corriente que lo atraviesa” Formas de expresar la Ley de Joule:

Donde P = potencia disipada (watt= W o kilowatt = kW) V = Voltaje o fuerza electromotriz (voltio = V)

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

I = intensidad de corriente eléctrica (ampere =A)

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

R = Resistencia eléctrica (ohmio = Ω) Sabías que… En la mayoría de los aparatos eléctricos puedes ver su potencia en la placa de características que viene por la parte de atrás y pega-da, FIGURA 5. Una terma eléctrica de 5500 W, consume igual que 55 focos de 100W, FIGURA 6. FIGURA Nº 5. PLACA DE CARACTERÍSTICAS DE UNA EMBUTIDORA, INDICA QUE SU POTENCIA ES DE 3250 W = 3,25 KW.

Fuente: http://www.areatecnologia.com/electricidad/potencia-electrica.html FIGURA Nº 6. DUCHA ELÉCTRICA DE POTENCIA 5500 W = 5,5 KW.

Fuente: Juan Mendoza Si observas tu recibo de consumo eléctrico, encontraras la potencia que has contratado. Esta potencia es la máxima que podemos usar en nuestras casas, es decir si tu contrato es de 3 000 W o 3 kW de potencia, quiere decir que puedes conectar aparatos a la vez cuya suma de sus potencias no exceda los 3 kW. a Calculo de potencia de corriente continua La corriente continua es la que producen las pilas, las baterías y las dinamos. Todo lo que se conecte a estos generadores serán receptores de corriente continua.

Situación problemática

Calcula la potencia disipada por un resistor que se conecta a una pila de 12V y por el que circula una intensidad de corriente de 2mA. Resolución: 1) Identificamos los datos:

Voltaje = V = 12 voltios.

Intensidad de corriente = I = 2 mA = 0,002 A.

2) Aplicamos la fórmula de la potencia:

P = (12V) x (0,002A)

P = 0,06 W

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

b. Calculo de potencia de corriente alterna Anotaciones

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el voltaje y la intensidad de corriente entre los terminales es función del tiempo, por lo tanto la potencia instantánea está dada por:

Donde V^*= voltaje eficaz (medido por un voltímetro). I^*=intensidad de corriente eficaz. Para un circuito puramente resistivo (solo resistencias) el voltaje y la intensidad de corriente están en fase en fase, el ángulo de fase es cero (φ = 0), tal como se ve en la FIGURA 7. En este caso vemos que durante todo el ciclo se consume potencia y ésta es, además, positiva. FIGURA Nº 7. DIAGRAMA DE LA POTENCIA INSTANTÁNEA, VOLTAJE E INTENSIDAD DE CORRIENTE.

Fuente: Juan Mendoza Ahora bien, si el voltaje y la intensidad de corriente están desfasadas un determi-nado ángulo φ, FIGURA 8. No se aprovecha toda la potencia que se absorbe (po-tencia aparente). Parte de la potencia se aprovecha y es positiva (potencia activa) y parte no se aprovecha y es negativa (potencia reactiva). FIGURA Nº 8. DIAGRAMA DE LA POTENCIA APARENTE, ACTIVA Y REACTIVA, VOL-TAJE E INTENSIDAD DE CORRIENTE DESFASADOS UN CIERTO ÁNGULO φ.

Fuente: Juan Mendoza

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

• Potencia activa

Representa la “potencia útil”, es decir, la potencia que se consume y se aprovecha cuando ponemos a funcionar un equipo eléctrico. Por ejemplo, la potencia calorífica que proporciona la resistencia de un calentador eléctrico, la potencia Recordatorio luminosa que proporciona una lámpara, etc. P_activa=V^* I^* cos(φ)

Factor de potencia (FP)

El valor del coseno del ángulo de desfase se conoce como factor de potencia FP=cos(φ)

• Potencia reactiva La potencia reactiva es la potencia que consumen los motores, transforma-dores y todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina o enrollado para crear un campo electromagnético. Esta potencia reactiva no produce ningún trabajo útil y perjudica la transmisión de la energía a través de las líneas de distribución eléctrica. P_reactiva=V^* I^* sen(φ) • Potencia aparente La potencia aparente o potencia total es la suma de la potencia activa y la aparente. Estas dos potencias representan la potencia que se toma de la red de distribución eléctrica, que es igual a toda la potencia que entregan los generadores en las plantas eléctricas. Estas potencias se transmiten a través de las líneas o cables de distribución. P2(aparente) = P2(activa) +P2(reactiva) P_aparente =V^* I^* 1.3 La energía eléctrica La energía eléctrica es fundamental en la vida diaria. En nuestras viviendas la usamos para hacer funcionar nuestros artefactos eléctricos. Esta energía la recibimos como un servicio de una empresa eléctrica de la zona y los pagos mensuales que realizamos por este servicio dependen de la energía eléctrica que consumen estos artefactos, (OSINERG, 2014). Este consumo se mide por intermedio de un equipo de medición de energía eléctrica, denominado comúnmente “medidor”. El consumo de energía eléctrica registrado por el medidor depende de la potencia del artefacto eléctrico y del tiempo que está encendido el mismo. E =Pt Donde P = potencia (kilowatthora = kW) y t = tiempo (horas =h). Aunque la energía se mide en joules en el sistema internacional de unidades, con fines prácticos, esta se mide en kilowatthora (kWh). a. Calculo de la energía eléctrica

Situación problemática

En la FIGURA 9, se muestra la poten-cia que consume un calentador de agua, P = 5,4 kW. Si durante un mes una familia hace un uso de 15 horas, y el kilowatthora de energía cuesta S/. 0,50. Determinar el costo mensual de uso de la ducha eléctrica.

Datos:

Potencia: P = 5,4 kWh

Tiempo = t = 15 h.

Glosario

Anotaciones

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Costo = C = 0.50 (S/./kWh)

Resultado: Anotaciones

Costo total = Pt C

Costo total = (5,4)(15)(0.5)

Costo total = S/. 40.5 FIGURA Nº 9. FICHA TÉCNICA DE UN CALENTADOR DE AGUA.

Fuente: Juan Mendoza

TEMA N.° 2: INSTRUMENTOS DE MEDIDA Introducción En este tema conocerás los principales instrumentos de medida eléctrica, como el voltímetro, el amperímetro, el ohmímetro y multímetro. Aunque existen diversos instrumentos, los cuales se sugiere indagar para ampliar sus conocimientos, estos instrumentos básicos te permitirán comprender las magnitudes físicas más impor-tantes en la ingeniería eléctrica. 2.1 El voltímetro Un voltímetro es el instrumento eléctrico que mide la diferencia de potencial o vol-taje entre dos puntos de un circuito eléctrico. Internamente un voltímetro está for-mado por un imán y un embobinado, como se ve en la FIGURA 10. FIGURA Nº 10. DISEÑO INTERIOR DE UN VOLTÍMETRO DE RANGO DE 0 A 10 VOLTIOS

Autor: Paco. CC BY-SA 3.0.

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

http://en.wikipedia.org/wiki/Voltmeter#mediaviewer/File:Voltmeter_hg.jpg

Los voltímetros pueden ser analógicos o digitales y a su vez se diseñan para medir voltaje de corriente alterna (AC) o voltaje de corriente continua (DC). FIGURARecordatorio 11. FIGURA Nº 11. VOLTÍMETRO ANALÓGICO DE CORRIENTE ALTERNA (CA) DE RANGO DE 0 A 250 VOLTIOS Y VOLTÍMETRO DE CORRIENTE CONTINUA (DC) DE RANGO DE 0 A 16 VOLTIOS.

Fuente: http://www.bottompaintstore.com Los voltímetros se conectan en paralelo entre los bornes o extremos de un aparato eléctrico, de un resistor o de una fuerza electromotriz. Los voltímetros tienen resis-tencias internas muy altas para dar medidas precisas, FIGURAS 12 y 13. FIGURA Nº 12. ESQUEMA DE UN VOLTÍMETRO CONECTADO EN PARALELO A UN APARTO ELÉCTRICO. RS Y RC SON LA RESISTENCIA INTERNA.

Fuente: Adaptado de Adisson Wesley Longman. FIGURA Nº 13. CIRCUITO DE UNA BATERÍA DE 24 VOLTIOS, DOS RESISTORES Y UN VOLTÍMETRO CONECTADO EN PARALELO A UN RESISTOR DE 250 MΩ.

Fuente: Juan Mendoza

Anotaciones

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

2.2. El amperímetro Anotaciones

Un amperímetro es el instrumento eléctrico que mide la intensidad de corriente eléctrica que circula por él, FIGURA 14. FIGURA Nº 14. AMPERÍMETROS ANALÓGICOS DE CORRIENTE ALTERNA (CA) DE RANGO DE 0 A 50 A Y AMPERÍMETRO DE CORRIENTE CONTINUA (DC) DE RANGO DE 0 A 25A.

Fuente: http://www.bottompaintstore.com Los amperímetros se conectan en serie con un aparato eléctrico, un resistor o de una fuerza electromotriz. Los amperímetros tienen resistencias internas muy bajas para dar medidas precisas, FIGURA 15. FIGURA Nº 15. ESQUEMA DE UN AMPERÍMETRO ANALÓGICO. CON RESISTENCIA INTERNA RC MUY PEQUEÑA.

Fuente: Adaptado de Adisson Wesley Longman. 2.3. El ohmímetro El ohmímetro es el instrumento eléctrico que mide la resistencia eléctrica, FIGURA 15. La mayoría de los ohmímetros analógicos son capaces de medir la resistencia en una gama bastante amplia de valores. Esto también puede dar poca precisión debido a calambres de la escala que se pro-duce en el extremo alto valor de cada gama.

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

FIGURA 16. Ohmímetro analógico de escala lineal, de 5 rangos: 1K, 10K, 100K, 1M y 10M, respectivamente. Recordatorio

Fuente: http://www.iq-technologies.net/projects/test/004/

Para medir un resistor con un ohmímetro es necesario que el resistor este desconectado.

2.4 El multímetro El multímetro contiene diferentes instrumentos seleccionables, como voltímetro, amperímetro y ohmímetro, además puede seleccionarse diferentes rangos de medi-da tanto en corriente alterna como en corriente continua, (Chacón de Antonio, 2003). Muchos multímetros tienen opciones adicionales, como para medir tempera-tura, pruebas de diodos entre otros. FIGURA 16. FIGURA Nº 16. MULTÍMETROS DIGITALES. DCV = MODO VOLTÍMETRO DE CO-RRIENTE CONTINUA, ACV = MODO VOLTÍMETRO DE CORRIENTE ALTERNA, DCA = MODO AMPERÍMETRO DE CORRIENTE CONTINUA, Ω = MODO OHMÍMETRO

Anotaciones

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

Anotaciones

UNIDAD I: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Diagrama

Objetivos

Inicio

Desarrollo de contenidos

Actividades

Autoevaluación

Fuente: Juan Mendoza

LECTURA SELECCIONADA N.° 1 Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

LA ELECTRICIDAD HASTA EL AÑO 1800 Párrafos tomados del libro Recordatorio

Anotaciones

ELECTROMAGNETISMO: DE LA CIENCIA A LA TECNOLOGÍA Autor: ELIEZER BRAUN Desde tiempos inmemoriales el hombre se dio cuenta de que después de frotar con paño un tipo de resina llamada ámbar, ésta adquiría la capacidad de atraer algunos objetos ligeros, como trozos de papel. La historia registra a Tales de Mileto, filósofo y matemático griego, que vivió hace unos 2 600 años, como el primero que hizo experimentos de esta naturaleza, aunque es bastante probable que desde antes se conociese este tipo de fenómeno. En griego, ámbar se dice elektron y de esta palabra se deriva electricidad. Durante muchos siglos este tipo de experiencias no fueron sino meras curiosidades. Hacia principios del siglo XVIII se inició la investigación detallada de los fenómenos eléctricos. Entre 1729 y 1736 dos científicos ingleses, Stephen Gray (1696-1736) y Jean Desaguliers (1683-1744) dieron a conocer los resultados de una serie de experimentos eléctricos muy cuidadosos. Encontraron que si unían por medio de un alambre metálico un tubo de vidrio previamente frotado con un trozo de corcho, éste se electrificaba. Comprobaron que el corcho se electrificaba ya que al acercarle trozos de papel éstos eran atraídos por él. Este fenómeno persistía aun si el vidrio y el corcho se separaban a distancias de 300 metros. Si en lugar de efectuar la unión con un alambre metálico empleaban un hilo de seda, el corcho no se electrificaba. Además descubrieron que si la línea de transmisión hacía contacto con el suelo, o sea con la tierra, el corcho dejaba de electrificarse. Con todos estos experimentos llegaron a la conclusión de que la electrificación era un efecto que se presentaba en la superficie de los cuerpos, en donde aparecía lo que llamaron una “virtud” o “fluido” eléctrico al que en la actualidad se le llama

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carga eléctrica. Encontraron que la carga eléctrica podía moverse libremente de un cuerpo a otro a través de ciertos materiales que llamaron conductores (el cuerpo humano, los metales, el aire húmedo, etc.). También existen materiales que no conducen electricidad, a los que se llama aisladores o no-conductores (la madera, Recordatorio la seda, la cerámica, etcétera). Un científico francés, François du Fay (1698-1739), hizo otro tipo de experimentos que reportó entre 1733 y 1734. Frotó con tela de seda dos tubos de vidrio iguales. Al acercar los tubos vio que siempre se repelían. Así concluyó que dos materiales idénticos se repelan cuando se electrifican en formas idénticas. Como cada uno de los tubos adquiere el mismo tipo de carga se puede afirmar que cargas iguales se repelen. El mismo François du Fay hizo muchos otros experimentos con diferentes materiales y llegó a la conclusión de que existen dos tipos de electricidad; a una la llamó vitrosa (la que aparece cuando se frota con seda el vidrio) y a la otra resinosa (la que aparece cuando se frota al hule con piel). En resumen, existen en la naturaleza dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa. Además, se puede concluir de una multitud de resultados experimentales que dos cargas eléctricas del mismo tipo (negativa-negativa o positiva-positiva) se repelen, mientras que dos cargas de tipos distintos (positiva-negativa) se atraen. No fue sino hasta fines del siglo XVIII, en 1785, que el ingeniero militar francés Charles Auguste Coulomb (l736-1806) pudo medir con bastante precisión las características de las fuerzas entre partículas eléctricamente cargadas. Regresemos al año de 1663, cuando Otto von Guericke (1602-1686) de Magdeburgo, Alemania, construyó el primer generador de electricidad. Este aparato producía cargas eléctricas por medio de fricción. Sobre un armazón de madera Von Guericke montó una esfera de azufre sobre un eje. Mientras con una mano hacía girar la esfera, con la otra la presionaba. Así obtenía cargas eléctricas sobre la esfera, que atraían diversos objetos cercanos. El funcionamiento de esta máquina estaba basado en el experimento arriba descrito en que se frotaba una sustancia con otra. El famoso científico inglés Isaac Newton (1642-1727) propuso usar una esfera de vidrio en lugar de una de azufre. Al transcurrir los años se diseñaron diferentes variantes, gracias a lo cual se construyeron máquinas cada vez con mayor capacidad de producir carga eléctrica. Así, en las primeras décadas del siglo XVIII ya existían máquinas que producían cargas eléctricas por medio de fricción. Funcionaban esencialmente a base de discos que se hacían girar por medio de manivelas. Al girar se friccionaban con otra superficie y se cargaban, de la misma forma en que un trozo de vidrio se carga al frotarlo con un paño. Estas máquinas producían cantidades respetables de carga eléctrica y al acercarlas a otras superficies se producían chispas. Era muy frecuente encontrar estas máquinas en salones de juegos, pues hacían que los cabellos de las señoras se pusieran de punta al ser atraídos por las cargas generadas. Hacia 1746 Pieter van Musschenbroek, en Leiden, Holanda, construyó el primer dispositivo para almacenar cargas eléctricas. Se trataba de una botella de vidrio que estaba recubierta, tanto en sus paredes interiores como exteriores, de una capa muy delgada de estaño. En esta famosa botella de Leiden se pudieron almacenar considerables cantidades de carga eléctrica, producidas por las máquinas de fricción. Posteriormente se diseñaron otros dispositivos más prácticos y cómodos para almacenar carga eléctrica, a los cuales se llamó condensadores. Hacia mediados del siglo XVIII, mientras efectuaba algunos experimentos, Benjamín Franklin se dio cuenta de que durante las tormentas había efectos eléctricos en la atmósfera, y descubrió que los rayos eran descargas eléctricas que partían de las nubes. Alejandro Volta (1745-1827), profesor de la Universidad de Pavia, Italia, se enteró de los experimentos de Galvani y los volvió a hacer, usando lo que llamó ranas “galvanizadas”. Sin embargo, no aceptó la explicación de Galvani. Volta se dio cuenta de que para lograr el efecto descubierto por Galvani se necesitaba cobre, hierro y el líquido del tejido muscular. Invento la pila y muy pronto en muchos países europeos se construyeron pilas voltaicas de diferentes tipos, que fueron un acicate para

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los estudios de las propiedades y efectos electroquímicos, térmicos, magnéticos, etc., de la electricidad. EL MAGNETISMO HASTA EL AÑO 1800 En el caso del magnetismo, al igual que en el de la electricidad, desde tiempos remotos el hombre se dio cuenta de que el mineral magnetita o imán (un óxido de hierro) tenía la propiedad peculiar de atraer el hierro. Tanto Tales de Mileto como Platón y Sócrates escribieron acerca de este hecho. En el periodo comprendido entre los años 1000-1200 d.C. se hizo la primera aplicación práctica del imán. Un matemático chino, Shen Kua (1030-1090) fue el primero que escribió acerca del uso de una aguja magnética para indicar direcciones, que fue el antecedente de la brújula. Este instrumento se basa en el principio de que si se suspende un imán en forma de aguja, de tal manera que pueda girar libremente, uno de sus extremos siempre apuntará hacia el norte. Más tarde, después del año 1100, Chu Yu informó que la brújula se utilizaba también para la navegación entre Cantón y Sumatra. La primera mención europea acerca de la brújula fue dada por un inglés, Alexander Neckham (1157-1217). Hacia 1269 Petrus Peregrinus de Maricourt, un cruzado francés, hizo una descripción detallada de la brújula corno instrumento de navegación. En el año 1600 el inglés William Gilbert (1544-1603), médico de la reina Isabel I, publicó un famoso tratado, De magnete, en el que compendió el conocimiento que se tenía en su época sobre los fenómenos magnéticos. Analizó las diferentes posiciones de la brújula y propuso que la Tierra es un enorme imán, lo que constituyó su gran contribución. De esta forma pudo explicar la atracción que ejerce el polo norte sobre el extremo de una aguja imantada. Asimismo, Gilbert se dio cuenta de que cada imán tiene dos polos, el norte (N) y el sur (S), que se dirigen hacia los respectivos polos terrestres. Descubrió que polos iguales se repelen, mientras que polos distintos se atraen, y que si un imán se calienta pierde sus propiedades magnéticas, las cuales vuelve a recuperar si se le enfría a la temperatura ambiente. El científico francés Coulomb, el que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas (véase el capítulo II), midió con su balanza las fuerzas entre los polos de dos imanes. Descubrió que la magnitud de esta fuerza varía con la distancia entre los polos. Mientras mayor sea la distancia, menor es la fuerza: si la distancia aumenta al doble, la fuerza disminuye a la cuarta parte; si la distancia aumenta al triple, la fuerza disminuye a la novena parte y así sucesivamente, ¡igual que en el caso de las cargas eléctricas que él mismo había descubierto! HAY RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO? LAS personas que en diferentes épocas investigaron y estudiaron las propiedades de la electricidad no concibieron que hubiera alguna relación entre este tema y el magnetismo. Hasta fines del siglo XVIII estos dos campos fueron completamente ajenos. Sin embargo, desde principios del mencionado siglo se inició la búsqueda de una posible relación entre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, como Franklin sabía que cuando caía una tormenta había efectos eléctricos en la atmósfera, trató infructuosamente de magnetizar una aguja de hierro en una tormenta. Por otro lado, en el año de 1774 la Academia Electoral de Baviera, en Alemania, ofreció un premio para la persona que resolviera la siguiente cuestión: ¿Hay una analogía real y física entre las fuerzas eléctricas y magnéticas? En vano se trató de encontrar una respuesta afirmativa. Incluso Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas por un lado y entre polos de imanes, por el otro, en la década de 1780 afirmó que estas fuerzas eran de naturalezas físicas distintas, a pesar de que sus magnitudes dependían de la distancia de la misma forma (véanse los capítulos II

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y III). Fue un profesor danés quien en 1820 obtuvo por primera vez una respuesta afirmativa a la cuestión propuesta.

Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosofía natural en la Universidad de Copenhague, inició en 1807 sus investigaciones sobre los efectos de la electriRecordatorio cidad en la aguja magnética de una brújula. En ese año, y posteriormente en 1812 publicó varios ensayos en los que argüía, apoyado en consideraciones filosóficas, que la electricidad y el magnetismo deberían estar relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no presentó ningún resultado experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de esta falla en su argumentación y trató de verificarla realizando una serie de experimentos con corrientes eléctricas. Durante muchos años Oersted no obtuvo ningún resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de corriente de que disponía eran pilas voltaicas de muy baja intensidad. Después de muchos años, en 1820, durante una clase en que es-taba presentando a sus alumnos ciertos experimentos eléctricos, encontró que una corriente eléctrica sí tiene un efecto sobre un imán. La experiencia de Oersted fue la siguiente. Colocó un alambre por el que circulaba corriente eléctrica encima de una brújula y observó que la aguja se desviaba hacia el oeste. En seguida colocó este alambre debajo de la brújula y vio que la aguja también se desviaba, pero ahora, hacia el este. Oersted entonces concluyó que para que la aguja imantada de la brújula se pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magnética, y que la corriente eléctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente eléctrica pro-duce un efecto magnético. Ahora bien, este efecto magnético de la corriente eléctri-ca no puede quedar confinado dentro del alambre conductor, sino que tiene que estar esparcido en todo el espacio a su alrededor, para que llegue, por así decirlo, hasta donde está la aguja. Esta fue la primera vez que alguien mencionó la idea de que el efecto magnético debe estar disperso en todo el espacio, y como veremos más adelante constituye la idea básica del campo magnético. Oersted publicó estos resultados en un pequeño folleto de seis páginas en latín, como se acostumbraba en ese entonces, que envió a las diferentes sociedades cien-tíficas europeas. Este trabajo causó inmediatamente sensación, dio lugar a muchas interrogantes y estimuló una ráfaga de investigaciones, principalmente en Francia. Los experimentos de Oersted se repitieron en muchos lugares, en particular en el Congreso de Investigadores Suizos que se llevó a cabo en Ginebra, Suiza, en el verano de 1820, al que asistió el científico francés François Arago (1786-1853). A su regreso a París, Arago reportó a la Academia de Ciencias lo que presenció en Ginebra. Sus miembros oyeron estos resultados pero se mostraron muy escépticos, y sólo se convencieron hasta que presenciaron una demostración directa el 11 de septiembre. Una persona que estuvo presente en esa sesión fue André-Marie Am-pere (1775-1836), amigo de Arago, profesor suplente en la Sorbona y gran mate-mático. Ampere empezó a investigar el efecto en su casa. Para empezar se dio cuenta de que Oersted no había entendido correctamente el fenómeno, ya que no había to-mado en cuenta el efecto del magnetismo terrestre. Ampere diseñó entonces un experimento en el que éste fuera neutralizado. Así encontró el verdadero efecto que tenía la corriente eléctrica sobre la aguja imantada: ésta siempre se alinea en una dirección perpendicular a la dirección de la corriente eléctrica. Una semana después de haber presenciado la demostración de Arago, el 18 de septiembre, Ampere pre-sentó a la Academia la primera de una serie de memorias de gran importancia: hizo sus presentaciones semanalmente hasta el 2 de noviembre y en cada ocasión anunció nuevos resultados. Ampere determinó también que estas fuerzas entre los alambres que conducían corriente eléctrica se debían a efectos magnéticos: un alambre que conduce electri-cidad crea un efecto magnético a su alrededor (un campo), y el otro alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica en uno de los alambres genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre que conduce electricidad. Pudo verificar que estas fuerzas no se debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.

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TEMA N.° 3: CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA Anotaciones

Introducción En este tema se profundizará sobre los circuitos de corriente continua o circuitos CC, las asociaciones en serie y en paralelo de resistores eléctricos y la aplicación de las leyes de Kirchhoff para circuitos. Este conocimiento te ayudará a comprender los circuitos eléctricos complejos y las leyes que lo gobiernan. 3.1 Circuito serie de corriente continua La corriente continua (CC en español, DC en inglés) en un circuito circula desde el polo positivo al polo negativo de una batería. La intensidad e corriente continua es constante en el tiempo, FIGURA 17. (Valentín, 2012). En un circuito serie de corriente continua la intensidad de corriente que circula por cada una de los resistores es la misma y el voltaje se reparte para cada resistor. Por ejemplo para el circuito de la FIGURA 17 se cumple: I =I1=I2=I3 V =V1+V2+V3 La resistencia total o equivalente de resistores en serie es la suma de las resistencias de cada uno. Rtotal =R1+R2+R3 FIGURA No 17. CIRCUITO SERIE DE CORRIENTE CONTINÚA

Fuente: Juan Mendoza 3.2 Circuito paralelo de corriente continua En un circuito paralelo de corriente continua la intensidad de corriente que sale de la batería se reparte para cada resistor y el voltaje es el mismo (Valentín, 2012). Por ejemplo para el circuito de la FIGURA 18 se cumple: I =I1+I2+I3

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V = V1=V2=V3

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La resistencia total o equivalente de resistores en paralelo es:

FIGURA No 18. Circuito paralelo de corriente continúa.

Fuente: Juan Mendoza 3.3 Leyes de Kirchhoff Gustaf Robert Kirchhoff enunció dos reglas que permiten resolver de forma sistemática problemas de circuitos eléctricos, (Valentín, 2012). Para poder entender bien las leyes de Kirchoff debemos tener claros estos dos conceptos: NODO: Es un punto de la red en el cual se unen tres o más conductores. MALLA: Es un circuito que puede recorrerse sin pasar dos veces por el mismo sitio. a. Ley de Nodos La suma algebraica de las intensidades que entran a un nodo es igual a la suma algebraica de las intensidades que salen del mismo nodo (Chacón de Antonio, 2003), tal como se ilustra en la FIGURA 19. ∑I_entran =∑I_salen FIGURA No 19. Ley de Nodos

Fuente: Juan Mendoza b Ley de Mallas Comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas, (Chacón de Antonio, 2003). ∑E = ∑IR c Aplicación de las leyes de Kirchhoff

Sea el circuito mostrado en la FIGURA 20.

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FIGURA No 20. CIRCUITO ELÉCTRICO FORMADO TRES BATERÍAS Y CINCO RESISTORES.

Fuente: Juan Mendoza El método de Kirchhoff para la solución de un circuito es la aplicación directa de los dos principios mencionados anteriormente: Ley de los nodos y la Ley de las mallas. Lo primero que hacemos al momento de resolver un circuito por este método es identificar los ramales y asignar a cada uno de ellos una corriente de nombre y sentido arbitrario, tal como se muestra en la FIGURA 21. FIGURA No 21. CIRCUITO ELÉCTRICO CON INTENSIDADES DE CORRIENTES ARBITRARIAS.

Fuente: Juan Mendoza La selección del sentido de cada intensidad de corriente es completamente arbitraria. A menos que el circuito contenga una sola fuente o sea sumamente sencilla, en general no es posible anticipar cuál será el sentido real de cada corriente. Se aplica la ley de los nodos, en cualquiera de los dos nodos b o e, por ejemplo en el nodo b: I1 = I2 + I3 …(1) Las ecuaciones restantes para completar el sistema de ecuaciones se obtiene de la ley de las mallas. De todas las mallas existentes podemos seleccionar las necesarias para completar nuestro sistema de ecuaciones. La elección de las mallas es un tanto arbitraria. En nuestro ejemplo hay tres mallas posibles, de las cuales solo necesitamos dos para completar nuestro sistema de ecuaciones. Nótese que las tres mallas no son independientes: la malla acdfa es simplemente la suma de las mallas fabef y bcdeb. Tomaremos cualesquiera dos de las tres posible.

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Una vez elegida la malla, la recorremos en el sentido que deseemos (es arbitrario). Cuando la fuente se atraviesa desde el borne negativo al positivo, su fuerza electromotriz es positiva y si se atraviesa desde el borne positivo al negativo la fuerza elecRecordatorio tromotriz es negativa. Cuando la corriente y el sentido del recorrido son de sentido contrario, la corriente se considera negativa. Malla fabef: E1-E2=I1 R1+I3 R2+I1 R2 15 - 5 =I1(3)+ I3 (2)+ I1 (1) 10 = 3I1+2I3+I1…(2) Malla bcdeb: -E3 + E2 = I2 R4 + I2 R5 - I3 R2 -10 + 5 = I2(4) + I2(8) - I3(2) -5 = 4I2 + 8I2 - 2I3 …(3) Resolvemos las ecuaciones (1), (2) y (3):

La intensidad de corriente I2, con signo negativo, indica que su sentido es contrario al que se asumió inicialmente en forma arbitraria. Haciendo la corrección, el resultado es:

TEMA N.° 4: CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA Introducción En este tema se profundizará sobre los circuitos de corriente alterna o circuitos CA, los diagramas fasoriales, circuitos básicos con capacitores y bobinas. Este conocimiento te ayudará a comprender los circuitos eléctricos con corriente y voltajes variables en el tiempo. Este tipo de corriente es la que más se utiliza en la industria y en las residencias. 4.1 Circuitos RL

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En la FIGURA 22 se muestra el circuito RL y su diagrama fasorial. El voltaje del resistor VR está en fase con la intensidad de corriente. Sin embargo el voltaje de la bobina, VL está adelantada 90º con respecto a la intensidad de corriente α grados a la corriente (Valentín, 2012). FIGURA Nº 22. CIRCUITO RL Y SU DIAGRAMA FASORIAL.

Fuente: Juan Mendoza Se cumple: El voltaje total.

El ángulo de desfase entre el voltaje y la corriente se calcula a partir de la tangente.

La impedancia del circuito:

La reactancia inductiva:

a. Ejemplo de circuito RL En la FIGURA 23 se muestra un circuito RL. Vamos a hallar VR, VL, VT y φ, y dibujar el diagrama de fasores de VT e I.

FIGURA Nº 23. CIRCUITO RL.

Fuente: Juan Mendoza

Empecemos hallando los voltajes en cada componente.

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VR= I R

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VR= (1A)(50Ω) = 50 V VL= I XL VL= (1A)(50Ω) = 50 V Ahora calculamos el voltaje total: VT= √(502 + 502 ) = 70,7 V Ahora el ángulo de desfase: φ = tan-1 (50/50)=45°

4.2 Circuitos RC En la FIGURA 24 se muestra el circuito RC y su diagrama fasorial. El voltaje del resistor VR está en fase con la intensidad de corriente. Sin embargo el voltaje del capacitor VC está retrasada 90º con respecto a la intensidad de corriente α grados a la corriente, (Valentín, 2012). FIGURA Nº 24. CIRCUITO RC Y SU DIAGRAMA FASORIAL.

Fuente: Juan Mendoza

Se cumple: El voltaje de total.

El ángulo de desfase entre el voltaje total y la corriente se calcula a partir de la tangente.

La impedancia del circuito:

La reactancia capacitiva:

b. Ejemplo de circuito RC En el circuito RC de la FIGURA 24, está formado por una resistencia de 40 Ω y un capacitor de 20 μF. El voltaje máximo o pico de la fuente es de 120V y una frecuencia de 50Hz. Se desea la intensidad que circulará por el circuito y el voltaje en el capacitor y resistor.

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Calculamos la reactancia:

Calculamos la impedancia del circuito

Calculamos es desfase:

Calculamos la intensidad de corriente total:

Calculamos los voltajes

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4.3 Circuitos RLC En la FIGURA 24 se muestra el circuito RLC y su diagrama fasorial. El voltaje del resistor VR está en fase con la intensidad de corriente. Sin embargo el voltaje del capacitor VC está retrasada 90º y VL está adelantada 90º, con respecto a la intensidad de corriente (Chacón de Antonio, 2003). FIGURA Nº 24. CIRCUITO RLC Y SU DIAGRAMA FASORIAL.

Fuente: Juan Mendoza

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Impedancia (Z) Un factor que aparece en los circuitos de corriente alterna es la impedancia. Esta se mide en ohms y se calcula: Z = √(R2 + (XL - XC)2) Donde R= resistencia XL = reactancia inductiva XC = reactancia capacitiva El diagrama fasorial de la impedancia muestra modulo y fase, FIGURA 25. FIGURA Nº 25. DIAGRAMA DE LA IMPEDANCIA

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FARADAY Y LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Párrafos tomados del libro Recordatorio

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ELECTROMAGNETISMO: DE LA CIENCIA A LA TECNOLOGÍA Autor: ELIEZER BRAUN Un joven investigador inglés, Michael Faraday (1791-1867) se empezó a interesar en los fenómenos eléctricos y repitió en su laboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Ampere. Una vez que entendió cabalmente el fondo físico de estos fenómenos, se planteó la siguiente cuestión: de acuerdo con los descubrimientos de Oersted y Ampere se puede obtener magnetismo de la electricidad, ¿será posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inició una serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta. Faraday fue uno de los más ilustres científicos experimentales del siglo XIX. Hijo de un herrero y con estudios de educación elemental, ya que no tuvo oportunidad de enseñanza de mayor nivel, empezó a trabajar como aprendiz de librero en 1808, dedicándose a la encuadernación. Como pasatiempo leía los libros que le traían los clientes, en particular los de química y electricidad, lo que abrió ante sus ojos un nuevo mundo, despertándose en él un gran interés por aumentar sus conocimientos. Así empezó a estudiar cursos nocturnos que ofrecía en la Royal Institution

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(Ins-titución Real para el Desarrollo de las Ciencias) el científico Humphry Davy. Esta institución había sido fundada en 1799 y desde 1801 su director era Davy, uno de los científicos más prestigiados de Inglaterra. Faraday escribió notas del curso que llevó con Davy. Luego publicó su primer trabajo científico en 1816 y fue elegido miembro de la Royal Institution en 1827. Entre los logros de Faraday se pueden mencionar el descubrimiento de las leyes de la electrólisis, la demostración de que sin importar cómo se produjera la electricidad siempre era la misma ya que producía en todos los casos los mismos efectos. Posiblemente sus mayores descubrimientos fueron la in-ducción electromagnética y la idea de campo. En este capítulo hablaremos de la primera y dedicaremos otro capítulo al concepto de campo. Faraday inició en 1825 una serie de experimentos con el fin de comprobar si se podía obtener electricidad a partir del magnetismo. Pero no fue sino hasta 1831 que pudo presentar sus primeros trabajos con respuestas positivas. Después de muchos intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, Faraday obtuvo un indicio en el otoño de 1831. El experimento fue el siguiente. Enrolló un alambre conductor alrededor de un núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de la bobina anterior y lo conectó a una batería, produciéndose una corriente inducida de una bobina a otra sin estar conectados. Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería ocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de que en el momento en que desconectaba la batería la aguja del galvanómetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si hay corriente en la bobina B. Siguiendo esta idea Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ninguna producción de electricidad por magnetismo. Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina B el valor de la corriente eléctrica que circula por él cambia de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magnético que produce esta corriente a su alrededor también cambia de cero a un valor distinto de cero. De la misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético. Faraday realizó diferentes experimentos en los cuales el efecto magnético que pro-ducía y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una corriente eléctrica en esta bobina. Otro experimento que realizó fue el siguiente: enrolló una bobina A en un anillo de hierro dulce circular y sus extremos los conectó a un galvanómetro. Enrolló otra bobina B en el mismo anillo y sus extremos los conectó a una batería. Al conectar el interruptor de la batería empezó a circular una corriente por la bobina B. Esta corriente generó un efecto magnético a su alrededor, en particular dentro del anillo de hierro dulce. Como consecuencia, el anillo se magnetizó y el efecto magnético producido cruzó también a la bobina A. Faraday se dio cuenta, nuevamente, que sólo había movimiento de la aguja del galvanómetro cuando se conectaba y desconectaba la batería. Cuando fluía por la bobina B una corriente de valor constante, la aguja del galvanómetro no se movía, lo que indicaba que por la bobina A no había corriente alguna. Después de muchos experimentos adicionales Faraday llegó a una conclusión muy importante. Para ello definió el concepto de flujo magnético a través de una super-ficie de la siguiente forma: supongamos que un circuito formado por un alambre conductor es un círculo. Sea A el área del círculo. Consideremos en primer lugar el caso en que la dirección del efecto magnético sea perpendicular al plano que forma el círculo y sea B la intensidad del efecto. El flujo magnético a través de la superficie es el producto de B con el área del círculo, o sea, (BA). En segundo lugar consi-deremos el caso en que la dirección del efecto magnético no sea perpendicular al plano del círculo. Si proyectamos la superficie del círculo perpendicularmente a la dirección del efecto, se obtiene la superficie A’. El flujo magnético es ahora igual a (BA’). Llamaremos al área A’ el área efectiva. El flujo es, por tanto, igual a la mag-nitud del efecto magnético multiplicada por el área efectiva. Si el efecto magnético que cruza el plano del circuito cambia con el tiempo, enton-ces, de acuerdo con el descubrimiento de Faraday se genera, o como se ha

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conve-nido en llamar, se induce una corriente eléctrica a lo largo del alambre que forma el circuito.

Sin embargo, Faraday descubrió otra cosa muy importante. Lo que realmente debe cambiar con el tiempo para que se induzca una corriente eléctrica es el flujo Recordatorio mag-nético a través de la superficie que forma el circuito eléctrico. Por supuesto que si el efecto magnético cambia con el tiempo, entonces el flujo que produce también cambiará. Pero puede ocurrir que el flujo cambie sin que el efecto cambie. En efec-to, si el área efectiva de la superficie cambia, manteniéndose el valor del efecto constante, entonces el flujo cambiará. El descubrimiento de Faraday indica que en este caso también se inducirá una corriente eléctrica en el circuito. Una manera de cambiar el área efectiva del circuito es, por ejemplo, haciendo girar la espiral del circuito, perpendicular al efecto magnético. En este caso el flujo magnético cambia con el tiempo y se induce una corriente en el circuito, sin que el efecto magnético hubiese cambiado. Vemos claramente que se puede cambiar el área efectiva de muchas otras maneras. Además, puede ocurrir que cambien simultáneamente tanto el valor del efecto como el área efectiva con el consecuente cambio del flujo mag-nético. Lo importante es que si el flujo neto cambia entonces se induce una corriente eléctrica. Este descubrimiento lleva el nombre de ley de inducción de Faraday y es uno de los resultados más importantes de la teoría electromagnética. Mientras mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que se inducirá en el alambre conductor. De esta forma nos damos cuenta de que se pueden lograr valores muy altos de corriente eléctrica con sólo cambiar el flujo magnético rápidamente. Así, gracias a la ley de inducción de Faraday se puso a disposición de la humanidad la posibilidad de contar con fuentes de corrientes eléctricas intensas. La manera de hacerlo fue por medio de generadores eléctricos. Recuérdese que hasta el descubrimiento de Faraday, las únicas fuentes de electricidad disponibles eran la fricción entre dos superficies y por medio de batería o pilas vol-taicas. En cualquiera de estos dos casos las cantidades de electricidad que se obte-nían eran muy pequeñas. Para finalizar queremos destacar algunos aspectos importantes de la investigación científica. En primer lugar, Faraday pudo hacer su descubrimiento porque tenía a su disposición dos elementos fundamentales: la batería o pila voltaica, inventada por Volta no muchos años antes, y el galvanómetro, inventado por Ampere hacía poco tiempo. Sin estos aparatos no hubiera podido hacer ningún descubrimiento. En se-gundo lugar, Faraday pudo plantearse la pregunta acerca del efecto del magnetismo sobre la electricidad después de que entendió los descubrimientos tanto de Oersted como de Ampere. Si no hubiera conocido éstos, ni Faraday ni ninguna otra persona hubiese podido plantear dicha cuestión. Estos aspectos son muy importantes, pues el avance de los conocimientos ocurre como la construcción de un edificio: se construye el segundo piso después de haber construido el primero y así su-cesivamente. Se va avanzando en el conocimiento de la naturaleza basándose en descubrimientos e invenciones hechos con anterioridad. Por ello, Isaac Newton una vez expresó: “Pude ver más lejos que otros porque estaba encima de los hombros de gigantes.” EL TELÉGRAFO EL TELÉGRAFO eléctrico fue uno de los primeros inventos que surgieron de las apli-caciones de los descubrimientos de Ampere y Faraday. El telégrafo moderno, que empezó a usarse a partir de 1837, es un aparato que transmite mensajes codifica-dos a larga distancia mediante impulsos eléctricos que circulan a través de un cable conductor. Anteriormente ya se habían usado diferentes sistemas para comunicarse a larga distancia, desde las señales de humo hasta las ópticas. Sin embargo, no fue sino hasta el advenimiento de los descubrimientos electromagnéticos, hechos en el primer tercio del siglo XIX, que se dispuso de un método económico y seguro para la telecomunicación. Fue Joseph Henry quien en 1829 construyó el primer telégrafo. Sin embargo, la persona que le dio gran impulso fue el estadounidense Samuel Morse (1791-1872), quien inventó un código que lleva su nombre. Este código consiste en una combina-ción de puntos y rayas, en donde la duración del punto es una unidad y la de la raya es de tres unidades. Cada letra o número es una combinación predeterminada de puntos y rayas. La transmisión de una unidad significa que durante ese tiempo el manipulador está conectado, cerrando el circuito eléctrico.

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El telégrafo se utilizó primero para transmitir mensajes a distancias relativamente cortas, digamos dentro de una ciudad. Al transcurrir el tiempo hubo necesidad de aumentar la distancia de operación. De hecho, muchos inventores como Morse, Charles Wheatstone y otros, mejoraron y ampliaron los sistemas telegráficos, debi-do al valor monetario que representaba transmitir las noticias acerca de los precios de las mercancías, y para difundir diferentes sucesos. Las noticias significaban dine-ro y el telégrafo eléctrico permitió obtenerlas con rapidez. Hacia mediados de siglo se presentó la necesidad de ampliar la red telegráfica entre Europa y América. Fue gracias al gran talento de uno de los más eminente físicos de la época, el inglés William Thomson, lord Kelvin (1824-1907), que se hicieron los estudios necesarios para instalar en 1866 el primer cable trasatlántico que conectó a Wall Street en Nueva York con la City en Londres. El desarrollo del telégrafo creó la necesidad de contar con electricistas hábiles, por lo que se crearon escuelas técnicas y superiores de las que egresarían los que posteriormente se llamarían ingenieros electricistas. Los diferentes problemas técnicos que se presentaron en el tendido de los cables, en el mejoramiento de los equipos telegráficos, y en el desarrollo de la teoría de la transmisión de señales fueron materia de investigación en departamentos científicos de las universidades.

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Corriente alterna.- Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación senoidal. Anotaciones

Corriente continua.- Se denomina corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere al flujo continuo de carga electrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. Circuito eléctrico.- Un circuito es una red eléctrica (interconexión de resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Capacitor.- Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, que almacena energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Fuerza electromotriz.- La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Galvanómetro.- Es una herramienta que se usa para detectar y medir la corriente eléctrica. Se trata de un transductor analógico electromecánico que produce una deformación de rotación en una aguja o puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina. Inductor.- Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de

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campo magnético.

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Kilowatthora.- unidad convencional de la energía, y se calcula ultiplicando la potencia por el tiempo.

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Recordatorio Resistor.- Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. Son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calenInicio tadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule.

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Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA DE LA UNIDAD I

Valentín, L. J. (2012). Introducción a los circuitos eléctricos industriales. España: Editorial Donostiarra SA Chacón de Antonio, F. J. (2003). Electrotecnia: Fundamentos de ingeniería eléctrica. Volumen 16 de Ingeniería. España: Universidad Pontificia Comillas.

Anotaciones

OSINERG (2014). Guía para calcular el consumo eléctrico domestico Recuperado el 20 de octubre de 2014, de: http://www.osinerg.gob.pe/newweb/ uploads/GFE/GuiaCalcularConsumo1.pdf Braun (1992). Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología. Mexico. FONDO DE CULTURA ECONÓMICA S. A. Recuperado el 20 de octubre de 2014, de: http:// bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/menu.htm

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AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD I

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1. Entre las alternativas mostradas a continuación, una de ellas corresponde a un movimiento filosófico e intelectual que impulsó el desarrollo de la ciencia moderna en el siglo XVIII. Bibliografía 1) Si una pila tiene 12 V y se conecta a un foquito de resistencia 2,4 Ω , entonces la intensidad de corriente que circula por el foquito es:

Anotaciones

a. 5,0 A b. 4,0 A c. 3,0 A d. 2,0 A e. 1,0 A 2) La unidad de la potencia eléctrica es: a. Joule b. watt c. kilowatthora d. voltios e. ampere 3) La potencia consumida por los embobinados en los motores se denomina: a. Potencia activa b. Potencia útil

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c. Potencia reactiva d. Potencia aparente e. Potencia fluctuante Anotaciones

4) La energía eléctrica se mide en: a. watt b. ampere c. voltios d. kilowatthora e. energy 5) El instumento que mide la resistencia eléctrica es: a. ameprímetro b. voltímetro c. resistimetro d. galvanometro e. Ohmímetro 6) En circuito de corriente continua, hay tres resistencias de 2 Ω, 3 Ω y 6 Ω, conectados en serie, entonces la resistencia total es: a. 11 Ω b. 36 Ω c. 1 Ω d. 5 Ω e. 24 Ω 7) En circuito de tres resistencia en paralelo es correcto afirmar: a. La intensidad de corriente es la misma en cada resistencia. b. El voltaje es el mismo en cada resistencia. c. La resistencia total es la suma de cada resistencia. d. El voltaje total es la suma de los voltajes de cada resistencia. e. La intensidad de corriente es diferente en cada resistor. 8) La ley de nodos de Kirchhoff afirma: a. El voltaje es el mismo en cada resistencia. b. La suma de los voltajes de un nodo es igual a la fuerza electromotriz. c. La intensidad de corriente total que entra a un nodo es igual a la intesidad de corriente toal que sale del nodo. d. La corriente que entra a uno nodo es igual a cero. e. La suma de corriente es igual a la suma de nodos.

9) En un circuito RC, se cumple: a. El voltaje del capacitor esta adelantado 90° con respecto a la corriente b. El voltaje del capacitor esta en fase con la corriente. c. El voltaje del capacitor es igual a RC.

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d. El voltaje del capacitor esta retrasado 90° con respecto a la corriente.

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e. La corriente y el voltaje de condensador estan en fase.

10) Un circuito RLC simple esta formado por : a. Una pila, un resistor, un inductor y un cable. b. Una pila, un resistor, un cable y ciruito libre. c. Un generdor, un inductor y resistor. d. La corriente y el inductor estan en fase. e. Una generador eléctrico, un resistor, un capacitor y un inductor.

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UNIDAD II: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I: MOTORES CC

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ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Objetivos

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Tema N.°1: La máquina de CC 1.1 Partes de una máquina de CC Desarrollo Actividades Autoevaluación Clasificación de una máquina de1.2 contenidos

de CC

1.3. Sentido de giro y circulación de la corriente Tema básicas LecturasN.°2: Magnitudes Glosario Bibliografía seleccionadas una máquina de CC

PROCEDIMIENTOS

ACTITUDES

1. Describe los componentes fundamentales de un motor de corriente continua.

1. Asume una posición crítica de las fuentes de información que utiliza en su aprendizaje.

2. Explica el funcionamiento de un máquina CC, utilizando vocabularios científico apropiado, así como principios y leyes.

2. Respeto de las normas de seguridad eléctrica

2.1. FEM inducida. 2.2. Par interno o electromagnético Recordatorio Anotaciones 2.3. Relaciones de potencia

Lectura seleccionada N.°1 TEORÍA DE CIRCUITOS (Wagemakers y Escribano 2013) INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE CIRCUITOS Y MÁ-QUINAS ELÉCTRICAS. PP 5 - 204. http://www.escet.urjc.es/~fisica/ personal/alexandre/download/ circuitos_2013.pdf

Analiza las magnitudes básicas de una máquina de corriente continua.

4. Describe los diferentes tipos de excitación de los motores de CC. 5. Clasifica los motores de acuerdo a los tipos de excitación. 6. Reconoce las curas características de motores de CC. 7. Interpreta las gráficas de las curvas características de motores de CC.

Tema N.°3: Tipos de excitación Actividad N° 1

3.1. Excitación independiente 3.2. Excitación serie

Tarea Académica Nº 1

3.3. Excitación derivación 3.4. Excitación compound Tema N° 4: Curvas y aplicaciones de motores de CC. 4.1. Motor de excitación independiente. 4.2. Excitación serie. 4.3. Excitación shunt.

derivación

4.4. Excitación compound. Lectura seleccionada N.°2 LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS (Wagemakers y Escribano 2013) INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE CIRCUITOS Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS. PP 207 - 376. Autoevaluación de la unidad II

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UNIDAD II: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I: MOTORES CC

TEMA N.° 1: La máquina de CC Introducción En este tema se profundizará sobre las máquinas de corriente continua, que contri-buyeron en el desarrollo de la humanidad. Se revisará las partes de una máquina CC, los tipos y las ecuaciones que la gobiernan. 1.1 Partes de una máquina de CC Una máquina de corriente continua puede ser un generador o un motor, ambos se compone principalmente de dos partes. El estator, FIGURA 26, da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor, FIGURA 27, es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones). (Théodore, 2007) FIGURA Nº 26. ESTÁTOR DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

Fuente: Marrrci. CC BY-SA 3.0. http://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1tor#mediaviewer/File:Stator_eines_ Universalmotor.JPG FIGURA Nº 27. ROTOR DE UNA PEQUEÑA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

Fuente: Jjmontero9 . CC BY-SA 3.0. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/17/Small_DC_Motor_Rotor.JPG 1.2 Clasificación de una máquina CC Las máquinas de CC se clasifican en generadores o dínamos y en motores de CC. Según su tipo de excitación en: • De excitación independiente

Desarrollo UNIDAD II: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I: MOTORES CC de contenidos

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• De autoexitación.

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Las máquinas de CC de autoexcitación a su vez pueden ser: excitación en serie, shunt y compound, FIGURA Nº 28. (Chacón de Antonio, 2003). Recordatorio

FIGURA Nº 28. ESQUEMA DE CLASIFICACIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

Fuente: Juan Mendoza a. Construcción de las máquinas de corriente continua Básicamente una máquina de CC consta de una parte fija formada por el es-tator y la carcasa y otra parte móvil que constituye el rotor o inducido. Am-bos elementos constituyen un circuito electromagnético, (Chacón de Antonio, 2003).

El estator

El estator es la parte fija de una máquina rotativa, está formado por la car-casa y el sistema inductor constituido por polos magnéticos, FIGURA 29. Los polos magnéticos se general al hacer pasar corriente por un embobinado, en las bobinas de campo que se componen de muchas vueltas de alambre de cobre aislado y que generalmente se enrolla en una forma que se ajuste al núcleo de hierro de la pieza polar a la que está firmemente sujeta, FIGURA 30. (Chacón de Antonio, 2003). FIGURA Nº 29. ESQUEMA DE UN CARCASA DE ESTATOR DE UNA MÁQUINA DE CUATRO POLOS

Fuente: Adaptado de tecnoficio http://www.tecnoficio.com/

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FIGURA Nº 30. BOBINA DE CAMPO SEPARADA DEL NÚCLEO DE HIERRO

Fuente: Adaptado de tecnoficio http://www.tecnoficio.com/

El rotor o inducido

El rotor está constituido por chapas de material ferromagnético de forma cilíndrica, con un ranurado donde se aloja el devanado inducido. Los terminales de las bobinas del devanado del inducido van unidos al conjunto de delgas (láminas metálicas) montadas sobre la superficie de un cilindro y que constituye el colector, FIGURA 31, (Chacón de Antonio, 2003). FIGURA Nº 31. PARTES PRINCIPALES DE UN ROTOR

Fuente: Adaptado de Jjmontero9. CC BY-SA 3.0. El conjunto formado por colector y las escobillas (elementos conductores en continuo contacto con las delgas) permite la conexión eléctrica del bobinado inducido con el circuito exterior a la máquina, FIFGURA 32. FIGURA Nº 32. CONEXIÓN ENTRE LAS ESCOBILLAS Y EL COLECTOR

Fuente: Juan Mendoza

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Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Esto se conoce como el principio de reversibilidad. (Chacón de Antonio, Recordatorio 2003). 1.3. Sentido de giro y circulación de la corriente En el dínamo, la escobilla o borne positivo corresponde a la salida de la co-rriente del inducido; mientras que en el motor es por donde entra la corrien-te. El sentido de giro del rotor en el caso de un motor de CC depende del sentido de la intensidad de corriente, que ingresa al colector (Chacón de An-tonio, 2003).

TEMA n.°2: Magnitudes básicas de una máquina de CC Introducción En este tema se profundizará sobre las máquinas CC, tanto en un dínamo como en un motor de CC. Las tres magnitudes básicas que caracteriza y definen el funcionamiento de la máquina son: la fuerza electromotriz inducida, par interno, y relación de potencias. 2.1 FEM inducida En el caso de un dínamo, la fem inducida (E) es función del flujo máximo por polo (Φ), del número de conductores activos del inducido (Z), el número de polos (p) y de la velocidad de la máquina (N), (Chacón de Antonio, 2003). E = (p∙Z∙N∙Φ)/(a∙60) Donde a = número de secciones inducidas o ramas en paralelo que depende del tipo de devanado: Imbricados simples a = p, ondulados simples p = 2. Para cada tipo de dínamo concreta, las características constructivas determinan una constante K que engloba los parámetros constantes de la máquina y sustituyendo en la ecuación anterior se obtiene: E = K∙N∙Φ Ejemplo Calcula la fem inducida en un dínamo hexapolar que tiene 600 conductores activos totales en el inducido, gira a 800 rpm y el flujo por polo es de 30 mWb, para el caso de un devanado de inducido imbricado simple. Resolución

2.2 Par interno o electromagnético La fuerza F ejercida sobre un conductor de longitud L, por el cual circula una intensidad de corriente I y está sometida a una inducción magnética B, está dado por la ecuación de la Laplace, (Chacón de Antonio, 2003). F = B∙I∙L

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Si los conductores forman devanados estos experimentan un par interno T dado por: T = (p∙Z∙F∙r)/a Donde T = Par inteno (N-m) F= Fuerza de Laplace (N). r = Radio del inducido (m). Para el caso de una máquina ideal, la potencia mecánica aportada por el inducido y la potencia eléctrica obtenida coinciden, el par interno se calcula en función de la intensidad de corriente en el inducido: T = (p∙Z∙Φ∙I)/(a∙2π) Ejemplo Calcula el par interno y la potencia interna para el devanado imbricado simple de un dinamo hexapolar que tiene 680 conductores activos totales en el inducido, gira a 700 rpm y el flujo por polo es de 30 mWb. Por inducido circula una intensidad de corriente de 20 A. Resolución El par interno

La potencia interna P = EI =(238)(20)=4 760 W 2.3 Relaciones de potencia Caso de un generador Los generadores de CC o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la actualidad, estos generadores han caído en desuso y han sido sustituidos por los rectificadores, generalmente de silicio, que transforman corriente alterna en corriente continua en forma estática y con mayor rendimiento, (Théodore, 2007). En la FIGURA 33, se muestra el circuito equivalente de un generador de CC, desde el punto de punto de vista del circuito eléctrico, al conectar una carga eléctrica en el exterior aparece una corriente en el inducido Ii de circulación que provoca una caída de tensión en el inducido, que se debe en parte a la resistencia propia de este devanado Ri y en parte a la resistencia que presentan los contactos escobillas-colector. FIGURA Nº 33. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADO DE CC

Fuente: Adaptado de Steven Chapman

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Si se denomina Ve la caída de tensión por par de escobillas, la aplicación de las leyes de Kirchhoff al circuito inducido conduce a la siguiente ecuación: E = V+ Ii Ri + Ve Donde V indica la tensión terminal en bornes del generador. Al multiplicar por la intensidad de corriente se obtiene la relación de potencias: EIi=VIi+ Ii2 Ri + Ve Ii Despejando la potencia útil del generador o entregado a la red: P = VIi = EIi - Ii2 Ri - Ve Ii En esta ecuación se ha supuesto despreciable la posible acción desmagnetizante del inducido sobre el inductor. Caso de un motor A diferencia de los generadores, los motores de CC transforman tensión continua en sus bornes en movimiento mecánico en su eje. El circuito equivalente del motor se observa en la FIGURA 34. FIGURA Nº 34. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR DE CC

Fuente: Adaptado de Steven Chapman Sea V el voltaje de la red, Ve el voltaje en las escobillas, EA la fuerza contra electromotriz y RA, la resistencia en el inducido, la aplicación de las leyes de Kirchhoff al circuito inducido conduce a la siguiente ecuación: V = EA + IA RA + Ve Multiplicando por la intensidad de corriente que circula por el circuito, se obtiene la relación de potencia. P = VIA = EIA+ IA2 RA + Ve IA Ejemplo Un motor CC tiene una fuerza contraeletromotriz de 248 V, un voltaje enlas escobillas de 2V y una resistencia de inducido de 2,5 Ω. Si absorbe 10 A de la red Calcular el voltaje entre los bornes del motor y las potencias. Resolución • El voltaje en el motor: V = 248 + (10)(2.5) + 2 = 275V • La potencia interna: P = EI = (248)(10) = 2 480 W • La potencia absorbida de la red: P = VI = (275)(10) = 2 750 W • La potencia perdida en el inducido:

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P = I2 RA = (10)2 (2.5) = 250 W • La potencia perdida en las escobillas: P = Ve I = (2)(10) = 20W Anotaciones

b Rendimiento Cuando la máquina trabaja como generador, la potencia recibida a la entrada o recibida en el eje del generador vale: Pa = Pm + PFe + Pi Donde Pa = potencia de entrada transmitida al eje del generador (W). Pm = potencia en pérdidas mecánica (W) PFe= potencia disipada en el hierro (W) Pi =EI= potencia interna (W) El rendimiento es la potencia útil (Pu) con respecto a la potencia recibida (Pa)

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TEORÍA DE CIRCUITOS Párrafos tomados del libro Recordatorio

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INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE CIRCUITOS Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS Autores: Wagemakers, A. y Escribano, F., 2013 http://www.escet.urjc.es/~fisica/personal/alexandre/download/circuitos_2013. pdf La potencia eléctrica La potencia eléctrica es la energía por unidad de tiempo, y se expresa normalmente en watt atios [W], o, en ciertos casos, en Julios por segundo [J•s−1]. Esta potencia es una magnitud real que corresponde a la transferencia de energía por segundo en un sistema. Es una cantidad muy importante y útil en ingeniería, pues sirve para dimensionar y analizar la capacidad de los sistemas para consumir o proporcionar energía. Potencia en un circuito La energía que un dipolo recibe o proporciona determina el sentido de la corriente y/o de la tensión. Para un receptor, la energía se entrega al receptor. Se dice que el receptor recibe o absorbe energía. En el caso de un dispositivo correspondiente a un generador, este tiene que proporcionar una energía para poder hacer circular la corriente. Se dice que el dispositivo entrega energía. Resistencias, condensadores y autoinducciones Las resistencias, los condensadores y las bobinas (también llamadas autoinduccio-nes). Son elementos esenciales en todos los diseños y análisis de circuitos eléctricos y electrónicos. Estudiamos primero los componentes pasivos capaces de consu-

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mir energía. Estos no pueden producir más energía de la que reciben. En contraste, los componentes activos pueden aportar energía al circuito. Resistencia

El primer elemento de circuito tratado es la resistencia. Físicamente, una resistencia es un dipolo, con dos bornes conductores unidos a un material conductor o se-miconductor. En operación, sobre cada uno de los bornes se aplica un potencial eléctrico distinto. Es decir, se introduce una diferencia de potencial entre los extre-mos del dipolo. Como su nombre indica, la resistencia impone una dificultad a la corriente que lo atraviesa. El material conductor o semiconductor de que está cons-truido conlleva una estructura que en cierto modo “ralentiza” el flujo de electrones que lo atraviesa. Para una diferencia de potencial dada entre los bornes, el material va a limitar la velocidad de los electrones y por lo tanto modifica la corriente que lo atraviesa. El valor de la resistencia R se mide en ohmios [Ω] y se corresponde con una propiedad física del componente o del material conductor. El condensador El condensador es un elemento capaz de acumular carga cuando se le alimenta con corriente continua, y, por lo tanto, es capaz de almacenar energía. En teoría, dos piezas metálicas con partes enfrentadas sin contacto se comportan como un con-densador cuando existe una diferencia de potencial entre ellas. En esta configura-ción, los metales en equilibrio electrostático tienen la misma carga, pero con signos opuestos. La capacidad tiene como unidad en el S.I. el Faradio [F], que constituye una medida de cuánta carga puede almacenar un condensador dada una diferencia de potencial. En general, la capacidad depende ´únicamente de la geometría del condensador. Inductancias Las inductancias o inductores constituyen la tercera gran clase de elementos lineales en electricidad y en electrónica. Al igual que un condensador, un elemento inductivo permite almacenar energía, pero, en este caso, en forma de campo magnético. Para entender el concepto de inductancia conviene pues estudiar primero cómo se produce el campo magnético. Una carga moviéndose en el espacio ejerce sobre el resto de cargas una influencia (fuerza) en forma de campo eléctrico y magnético. En el caso de conductores con corriente continua, aparece un campo magnético a su alrededor que puede tener una estructura muy compleja. Cuando se superponen varias espiras circulares idénticas recorridas por la misma corriente podemos hacernos una idea del campo en el interior de las mismas. El solenoide o bobina es un ejemplo de dispositivo inductivo que consta de espiras enrolladas y recorridas por una corriente eléctrica. Si la corriente es continua, existe entonces un campo uniforme y constante en el interior de la bobina. Una inductancia (o inductor) es un elemento de circuito eléctrico capaz de generar tal campo magnético. Conviene recordar algunos aspectos fundamentales que se observan en electromagnetismo: • U n conductor recorrido por una corriente produce una influencia en su en-torno en forma de campo magnético. • L a magnitud de este campo es proporcional a la intensidad de la corriente que lo recorre. • D ado una superficie, se puede calcular “qué cantidad” de campo magnético atraviesa esta superficie mediante el flujo magnético. Generadores y fuentes Un generador es un elemento capaz de poner en movimiento los electrones en un circuito. Sería equivalente a una bomba en un circuito hidráulico: no crea el fluido, sino que lo hace circular. El generador eléctrico crea un campo eléctrico que acelera las cargas, provocando una corriente eléctrica si está conectado a un circuito por donde pueda circular. Los generadores se pueden modelar según dos tipos de fuen-tes: las fuentes de tensión y las fuentes de corriente. El primer tipo fija la diferencia de potencial, mientras la corriente depende del circuito conectado. En el segundo caso, se ofrece una corriente fija. La diferencia de potencial para esta fuente de-penderá del circuito.

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Cualquier pila o generador de tensión real se modela con una resistencia en serie con el generador de f.e.m., resistencia que simboliza las pérdidas y las limitaciones del propio generador. Para un generador de tensión real, esta resistencia en serie provoca una caída de tensión a la salida del generador a medida que va subiendo la corriente proporcionada. Esta resistencia, llamada resistencia interna, modeliza los defectos y las perdidas internas del dispositivo. Teoremas de teoría de circuitos El teorema de Millman El teorema de Millman permite calcular fácilmente la expresión de una tensión en un circuito lineal compuesto de ramas en paralelo. Suponiendo un circuito con k ramas en paralelo, el método determina la tensión común a todas las ramas en función de los elementos del circuito. Este teorema es simplemente una manera más rápida de calcular una tensión cuando se conocen los elementos del circuito. No se puede aplicar en todo los casos, si existen más de dos nudos el teorema ya no es válido. El teorema de Thévenin El teorema de Thévenin permite reducir cualquier circuito lineal a una simple fuente de tensión asociada a una resistencia. Es decir, que cualquier asociación de ele-mentos lineales visto desde dos puntos se comporta como un generador con un elemento pasivo en serie (una resistencia en corriente continua). Es un resultado muy interesante que permite hacer abstracción de todos los elementos del circuito y lo reduce a un modelo mucho más sencillo. Las aplicaciones para el análisis son múltiples, es una herramienta muy potente para reducir la complejidad de un es-quema eléctrico o electrónico. El teorema de Norton El teorema de Norton es el equivalente del teorema de Thévenin para una fuente de corriente. Cualquier red lineal vista desde dos puntos se puede modelizar mediante una fuente de corriente y una resistencia equivalente en paralelo. Permite al igual que el teorema de Thévenin obtener un equivalente más manejable de una red lineal. El teorema de superposición En un sistema lineal se pueden separar los efectos de las distintas fuentes de tensión o corriente. Es una consecuencia de la linealidad de los circuitos: los efectos debidos a cada fuente se van sumando de manera independiente y lineal. Este teo-rema permite entonces calcular el efecto de cada fuente sobre el circuito por sepa-rado para luego obtener el efecto total resultante. Circuitos de corriente alterna El uso de corriente alterna ha tardado algún tiempo en imponerse como estándar en la industria. En los principios de la era industrial, en Estados Unidos, la compañía eléctrica Edison (fundada por el famoso inventor del mismo nombre) apostó por la corriente continua para la distribución comercial de energía. Sin embargo, el transporte de electricidad con este método se reveló ineficiente. La corriente alterna ofrecía un mejor rendimiento para el transporte debido a la existencia de trans-formadores de tensión. El desarrollo posterior de las máquinas asíncronas y síncro-nas ha establecido de una vez por todo el uso de la corriente alterna en las indus-trias. Sin embargo muchos aparatos eléctricos requieren una corriente continua, especialmente los componentes electrónicos de baja tensión. Por este motivo, exis-ten numerosos convertidores de corriente alterna a continua y en gran parte la electrónica de potencia está dedicada a transformar la energía de una forma a la otra. Características de las señales alternas La corriente alterna aparece en la electrotecnia con el desarrollo de los generadores rotativos gracias a los trabajos de Nikola Tesla en el siglo XIX. Estos generadores, al girar a una velocidad constante producen una fuerza electromotriz que varía

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en el tiempo como la señal sinusoidal periódica. Se detallan a continuación las caracte-rísticas principales de las funciones sinusoidales.

Las señales alternas tienen distintos parámetros importantes. Primero es una función periódica con un cierto periodo T0 en segundos que representa el tiempo Recordatorio para el cual se vuelve a repetir la forma de onda. La frecuencia es el número de veces que se repite el fenómeno en un segundo, y corresponde también al inverso del periodo. Representación de cantidades sinusoidales como fasores Una señal periódica podría representarse como la parte real de una señal compleja. Esta notación tiene ventajas cuando todas las señales de un circuito oscilan con la misma frecuencia en régimen permanente, es decir cuando el régimen de transitorio haya transcurrido. Se puede considerar el que el régimen de transitorio termina cuando la amplitud de las señales periódicas deja de fluctuar. La hipótesis de base del análisis es otra vez la linealidad de los circuitos. Se puede demostrar que en los circuitos lineales, la frecuencia de la corriente y la tensión es la misma para cada elemento del circuito. En estas condiciones se puede ignorar la información de la frecuencia. Lo que en-tonces interesa de las cantidades sinusoidales de cada elemento son la amplitud y la fase inicial. Una señal sinusoidal quedará totalmente definida con tres parámetros: su amplitud, su fase y su frecuencia angular. Una ventaja inmediata del uso de los fasores es la posibilidad de representarlos en el plano complejo como vectores para comparar diferentes cantidades sinusoidales. El dibujo así obtenido se llama un diagrama de fasores. Otra propiedad importante de los fasores consiste en la posibilidad sumar o restar gráficamente y analíticamente señales alternas. Resistencias, condensadores e inductancias en corriente alterna Se han visto las características físicas de los componentes pero sólo se han estu-diado su comportamiento en régimen continuo, es decir cuando las tensiones y las corrientes son constantes. Es esencial entender cómo se comportan estos elementos lineales en presencia de una corriente alterna. Este comportamiento va a ser distinto según el elemento considerado. Sin embargo gracias a la representación de las señales con número complejos existen modelos sencillos en forma de impedancia compleja. La impedancia mide la oposición de un elemento a la corriente alterna. Esta oposición (esta “resistencia”) admite una representación en forma de números complejos, con su fase y su mó-dulo asociado. El interés del formalismo con fasores consiste en la resolución de ecuaciones diferenciales lineales en forma ecuaciones algebraicas. Resistencias Una propiedad importante de las resistencias ideales es la validez de la ley de Ohm en cualquier circunstancia. Por lo tanto, la relación entre tensión y corriente alterna para una resistencia es idéntica a la relación en continua, es decir que la ley de Ohm se sigue cumpliendo. La relación tensión/corriente es lineal, incluso cuando hay variaciones temporales. Este elemento no produce ningún desfase adicional entre la tensión y la corriente. Condensadores El condensador provoca un desfase de π/2 radianes entre la tensión y la corriente. Este desfase se puede observar en la representación en forma de fasores de la tensión y de la corriente también ayuda a visualizar la relación entre las cantidades. El orden de los fasores es el siguiente: primero viene la corriente y seguido viene la tensión. Se dice que la tensión va detrás de la corriente o que la corriente adelanta la tensión. Este desfase caracteriza los circuitos con condensadores. Al tener la co-rriente adelantada con respecto a la tensión, podemos estar seguros que existen condensadores en el circuito. Inductancias Al igual que el condensador, se han estudiado las propiedades estáticas de las bo-binas, es decir el comportamiento en corriente continua. Las bobinas se comportan

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de forma peculiar cuando se les alimentan con una tensión eléctrica alterna. Las leyes del electromagnetismo relacionan la corriente y el flujo magnético de una bo-bina mediante el coeficiente de auto inductancia. Se puede ver la relación entre la tensión y la corriente donde la tensión adelanta la corriente en π/2 debido al efecto de la bobina sobre la corriente.

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ACTIVIDAD N.°1 Autoevaluación

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TEMA n.°3: TIPOS DE EXCITACIÓN Anotaciones

Introducción En este tema se analizaran las características a tener en cuenta para elegir el motor o generador que más nos convenga. Se ampliara sobre los tipos de excitación en el devanado de las máquinas, los cuales ayudaran a conocer con mayor precisión. 3.1 Excitación independiente En general el régimen de funcionamiento de la máquina no afecta, en ningún caso, la tensión de alimentación del circuito inductor, FIGURA 35. Frente a esta ventaja, presenta el inconveniente de tener que disponer de otra fuente de alimentación, (Wagemakers y Escribano, 2013). FIGURA Nº 35. ESQUEMA DE UN GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE Fuente: Manuel Cortez

En la FIGURA Nº 36. Se puede comprobar que la tensión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al aumentar la intensidad de carga. Esto es debido a que

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la caída de tensión que se produce en la Resistencia de inducido (Ri) aumenta de forma proporcional a la intensidad.

FIGURA Nº 36. CARACTERÍSTICAS EN CARGA DE UNA DINAMO CON Recordatorio EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Fuente: Manuel Cortez 3.2 Excitación serie En este tipo de máquina autoexcitada, el devanado inductor esta en serie con el inducido y, por lo tanto la corriente de la excitación es idéntica a la intensidad de la carga. En la FIGURA 37, se muestra el esquema de un generador en excitación en serie, (Wagemakers y Escribano, 2013). Toda la intensidad que el generador suministra a la carga fluye por ambos devana-dos. El inconveniente es que cuando trabaja en vacío (sin carga conectada), al ser la intensidad nula, ya que el circuito está abierto, no se excita. Cuando aumenta mucho la intensidad de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que a la Vb de la dinamo también se eleva, por consiguiente es muy inestable y apenas se usa industrialmente. FIGURA Nº 37. ESQUEMA DE UN GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA CON EXCITACIÓN SERIE.

Fuente: Manuel Cortez 3.3 Excitación derivación (shunt) El devanado del circuito inductor está conectado en paralelo con el inducido y, por lo tanto, el circuito de excitación está en la misma tensión que el inducido. En la FIGURA 38, se muestra el esquema de un generador con excitación en paralelo, (Wagemakers y Escribano, 2013).

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FIGURA Nº 38. ESQUEMA DE UN GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA CON EXCITACIÓN SHUNT O PARALELO Anotaciones

Fuente: Manuel Cortez En la FIGURA 39 observamos que la tensión que proporciona el generador se reduce drásticamente con los aumentos de la intensidad de carga. Esto se debe a que al aumentar la tensión en el inducido con la carga se produce una dismi-nución de la Vb, que provoca a su vez, una reducción de la Iex. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación de la dinamo para cargar muy elevadas. Por consiguiente se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga. FIGURA Nº 39. CARACTERÍSTICAS EN CARGA DE UNA DÍNAMO EN DERIVACIÓN

Fuente: Manuel Cortez 3.4 Excitación compound (compuestas) El devanado inductor consta de dos bobinas que se conectan: una en serie con el inducido y otra en paralelo con él. Según la conexión larga (compound acumulativa o hipercompound) o corta (sustractiva o anticompound) se dan dos tipos de máquinas de excitación com-puesta, como se muestra en la FIGURA 40, que corresponde a la de un genera-dor de excitación compound, (Wagemakers y Escribano, 2013). Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, se consigue que la Tensión que suministra el generador a la carga sea más estable para cualquier régimen de carga. Esta gran estabilidad hace que ésta sea en la práctica la más utilizada para la generación de energía.

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FIGURA Nº 40. ESQUEMA DE UN GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA CON EXCITACIÓN COMPOUND Recordatorio

Fuente: Manuel Cortez

TEMA n.°4: Curvas y aplicaciones de motores de CC Introducción En este tema se analizaran las curvas y aplicaciones de los motores CC, los cuales te ayudaran a comprender el funcionamiento de las máquinas y uso en la industria. Los motores de corriente continua se diferencian por la conexión del arrollamiento con respecto al inducido, FIGURA 41. FIGURA Nº 41. CONEXIONES DE MOTROERS DE CORRIENTE CONTINUA

Fuente: Peter Bastian 4.1 Motor de excitación independiente Los motores que llevan imanes permanentes en lugar de embobinados de exci-tación son llamados motores de excitación independiente. También se puede utilizar un devanado de campo el cual es alimentado mediante una fuente de alimentación externa a la máquina, que puede ser, por ejemplo, un banco de baterías (Théodore, 2007), FIGURA 42.

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En este tipo de máquina para arrancar y reducir la velocidad se reduce la tensión en el inducido, por ejemplo mediante una resistencia de arranque. Para aumentar las revoluciones por encima de las nominales, se reduce la tensión de excitación, por ejemplo mediante un regulador de campo. FIGURA Nº 42 CIRCUITO DE UNA MÁQUINA CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Fuente: Peter Bastían Estos tipos de motores se emplean para accionamientos cuya velocidad se controla dentro de una amplia gama, con independencia de la carga, por ejemplo para fre-sadoras y otras máquinas herramientas. Los motores de corriente continuo con par para pequeñas velocidades, han de equiparse con sistema de refrigeración inde-pendiente, (Wagemakers y Escribano, 2013), FIGURA 43. FIGURA Nº 43. MOTOR ELÉCTRICO DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE / TIPO DC - 180 - 1 000 W, 12 - 48 V

Fuente: Direct Industry 4.2 Excitación serie

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En este caso el inductor está en serie con el inducido; en este caso el devanado de excitación está construido con pocas espiras de hilo grueso, ya que circulará por él toda la corriente de la máquina (Wagemakers y Escribano, 2013), FIGURA 44. Recordatorio FIGURA Nº 44. CIRCUITO DE UNA MÁQUINA CON EXCITACIÓN SERIE

Fuente: Peter Bastían

Los motores en serie son los que tiene el mayor par de arranque. Para arrancar el motor y controlar su velocidad hasta alanzar su velocidad nominal, se conecta en serie una resistencia de arranque. En el motor en serie toda la corriente del inducido pasa también a través del arrollamiento de excitación. Cuando la corriente es grande lo es también la corriente de excitación. Al acelerar sin carga, van disminuyendo la corriente del inducido y la corriente de excitación a medida que aumenta la velocidad. Al debilitar el campo de excitación, vuelve aumentar la velocidad, (Wagemakers y Escribano, 2013). Por ese motivo los motores en serie no deben accionar la carga mediante correas planas, porque la correa podría saltar de la polea. Cuando se cargan los motores en serie, aumenta la corriente en el inducido, y por lo tanto la corriente de excitación: la velocidad se reduce notablemente mientras que aumenta el par.

La velocidad de los motores en serie depende mucho de la carga La disminución de la velocidad es especialmente importante cuando el motor trabaja con una resistencia de arranque. En este caso, el aumento de corriente del inducido provoca una caída de tensión en el inducido. La velocidad disminuye porque el inducido ha de generar una tensión antagónica de inducido inferior. Los motores en serie se utilizan principalmente para vehículos eléctricos, por ejemplo para tranvías, ferrocarriles, carretillas eléctricas. Si el bastidor magnético de estos motores es de capa magnética, entonces los motores en serie pueden fun-cionar con corriente alterna, (Wagemakers y Escribano, 2013). 4.3 Excitación derivación (shunt) Maquinas shunt o derivación, en las que el devanado inductor se conecta direc-

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ta-mente a los terminales de la máquina, quedando en paralelo (derivación) con el inducido; en este caso el devanado de excitación está formado por arrollamientos de hilo delgado con gran número de espiras (Wagemakers y Escribano, 2013), FIGURA 45. FIGURA Nº 45. CIRCUITO DE UNA MÁQUINA CON EXCITACIÓN DERIVACIÓN

Fuente: Peter Bastían En el motor de derivación, el arrollamiento de excitación queda en paralelo con el inducido Las revoluciones se pueden regular mediante resistencias de arranque y regulador de campo. En vacío y en carga, el motor en derivación se comportan por igual que un motor con excitación independiente. Los motores que no se embalan en vacío y cuya velocidad disminuye sólo muy poco en carga se denominan con comportamiento en derivación. En los motores de derivación y en los motores de excitación independiente, es preciso comprobar que la excitación no se puede desconectar durante el funcionamiento. En caso contrario, el inducido alcanza unas revoluciones inadmisibles elevadas en el débil campo de excitación causado por el magnetismo remanente de los polos de excitación. Los motores en derivación se pueden embalar si se interrumpe el circuito de excitación. 4.4 Excitación compound (compuestas) En las máquinas compuestas la excitación total está repartida entre dos deva-nados, uno colocado en serie (de pocas espiras de hilo grueso) y otro colocado en paralelo con el inducido (de muchas espiras de hilo delgado). Según que el devanado en derivación esté conectado directamente a las escobillas del inducido o después del devanado en serie, se obtienen las máquinas compuestas con corta o larga derivación, respectivamente (Wagemakers y Escribano, 2013), Fi-gura 46.

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FIGURA Nº 46. CIRCUITO DE UNA MÁQUINA CON EXCITACIÓN COMPOUND

Fuente: Peter Bastían En los polos principales del motor compound existe un arrollamiento en derivación y un arrollamiento en serie, igual que en los generadores compound. La velocidad se puede regular mediante arrancador y regulador de campo. En el motor “compundado”, el arrollamiento serie está conectado de tal manera que su campo magnético presenta la misma dirección que el campo magnético del arro-llamiento en derivación. En vacío, el motor compundado se comporta igual que un motor en derivación. En carga, la velocidad del motor compundado disminuye algo más ya que, debido a la mayor intensidad del inducido, también es mayor el flujo magnético principal. FIGURA Nº 47. Si el arrollamiento serie está conectado de tal manera que su campo magnético debilite el campo magnéticos del arrollamiento en derivación, entonces el motor esta “contracompundado”. Un motor compundado se convierte en un motor contra-compudado si se hace mal el cambio de polaridad al efectuar la inversión de sentido de giro. Entonces aumenta la velocidad den carga porque se debilita el campo prin-cipal. Los motores contracompundados tienden por lo tanto a embalarse y son ines-tables. Por eso se evita esta conexión. Se empela en casos excepcionales, con el fin de reducir las percusiones de las variaciones de carga sobre velocidad, (Wagema-kers y Escribano, 2013). Los motores compound se utilizan cuando el par de arranque que de los motores de derivación es demasiado reducido, por ejemplo en equipos elevadores. FIGURA Nº 47. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DE POTENCIA DE 750 W.

Fuente: Direct Industry

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LLAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Párrafos tomados del libro Recordatorio

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INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE CIRCUITOS Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS Autores: Wagemakers, A. y Escribano, F., 2013 http://www.escet.urjc.es/~fisica/personal/alexandre/download/circuitos_2013. pdf Las máquinas eléctricas se basan en principios físicos que fueron investigados en el siglo XVIII y XIX por físicos famosos como Faraday, Lenz, Helmhotz, Maxwell y por supuesto muchos otros contribuidores. El interés por el magnetismo fue creciendo gracias a los trabajos del físico inglés Michael Faraday, quien estableció las bases de la teoría de la inducción electromagnética. Además de descubrir una relación entre campo eléctrico y magnético, construyó prototipos de transformadores y de máquinas eléctricas. En el ambiente de la revolución industrial del siglo XIX, estos inventos se popularizaron y permitieron el desarrollo de los sistemas eléctricos tal como los conocemos hoy en día. Antes de la electricidad, la energía primaria se aprovechaba directamente. Por ejemplo, el agua, el viento o la energía animal acti-vaba los molinos para moler el grano o prensar aceitunas. El desarrollo de la elec-tricidad ha permitido transformar y distribuir esta energía. Hoy en día se siguen aprovechando estas fuentes básicas y otras para producir energía y transportar la energía hasta el usuario. Circuitos Magnéticos La circulación de una corriente llevaba a la generación de un campo magnético, y por tanto, de un flujo magnético. Las máquinas eléctricas usan circuitos magnéticos para canalizar los flujos magnéticos generados por las corrientes y así transformar la energía de una forma a otra. El ferromagnetismo La mayoría de los materiales no interactúan apenas con el campo magnético. Sin embargo, existe una clase de materiales, llamados ferromagnéticos, que reaccionan muy bien al campo magnético, tales como el hierro, cobalto y níquel. Para entender la naturaleza de esta interacción, consideremos el modelo atómico, donde los elec-trones giran en orbitas alrededor de un núcleo atómico. Estos electrones en movimiento pueden interpretarse como una corriente eléctrica circulando en una espira circular, este movimiento del electrón produce un campo magnético en el entorno que puede asimilarse al campo producido por un pequeño imán en forma de barra. Con este modelo, el átomo puede asemejarse un dipolo magnético elemental. Este modelo, conocido como el magnetón de Bohr, tiene limitaciones evidentes pero permite entender los mecanismos básicos del ferromagnetismo. El campo magnético creado por el átomo puede interactuar a su vez con el campo de los átomos vecinos y eventualmente con un campo magnético externo. La forma en la que interactúan los átomos entre sí determinan las propiedades magnéticas del material. En muchos casos esta interacción es muy débil y el efecto sobre el campo magnético global de un material es pequeño. Sin embargo en los materiales ferromagnéticos la interacción entre átomos vecinos es muy fuerte y se forman estructuras llamadas dominios magnéticos. Estos dominios corresponden a un volumen pequeño del material en el que la mayoría de los átomos tienen campos magnéticos alineados. A priori, los dominios magnéticos tienen orientación al azar, haciendo que en suma no se produzca ningún campo magnético global. Sin embargo cuando un material ferromagnético está en presencia de un campo magnético externo, los dominios magnéticos son orientados en una misma dirección, originando que el material se comporte como un imán, que produce un campo magnético que se suma al campo magnético externo.

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Circuitos magnéticos En los materiales ferromagnéticos existe una relación entre el campo creado por un dispositivo externo (típicamente bobinas) y el campo total que aparece enRecordatorio el material estudiado. Esta relación es importante de por sus aplicaciones en ciencia y tecnología, determina entre otras cosas la calidad de un circuito magnético. El campo “externo” se suele llamar la excitación magnética. El campo total se llama inducción magnética o densidad de flujo magnético. Se considera ahora el circuito magnético, formado por una bobina y un material ferromagnético que permite la circulación de un flujo magnético en su interior. Potencia del flujo magnético Las máquinas eléctricas se usan para transformar o aprovechar la potencia eléctrica y transformarla en potencia mecánica o en otra forma de potencia eléctrica. Es decir que el hecho de transformar una tensión eléctrica en campo magnético también implica transformar la energía eléctrica en energía magnética. Acoplamientos magnéticos Una bobina produciendo un campo magnético variable va a inducir tensiones y co-rrientes en otros conductores cercanos por la ley de Faraday. A su vez, estos conductores o bobinas al tener corrientes inducidas pueden producir otro campo de reacción que influye a su vez a la primera bobina. En concreto, una bobina será influenciada por su propio campo magnético (la autoinductancia) y por los campos de otras bobinas (los acoplamientos). Esta acción mutua entre las bobinas debidas al campo magnético se llama acoplamiento magnético. Este fenómeno, aparentemente sencillo, es la base del funcionamiento de los transformadores de potencia. Es esencial entender este fenómeno con el objetivo de obtener un modelo Principio del generador eléctrico Un generador es un dispositivo capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica proviene de un mecanismo externo tal como un mo-lino, una rueda, una turbina, etc. El generador convierte el movimiento en energía eléctrica aprovechable. El campo magnético permite efectuar la conversión de energía eléctrica a energía mecánica gracias a una interacción con las cargas eléctricas. Es decir la espira gira en un campo uniforme y el flujo del campo magnético atravesando la espira varia en función de la posición relativa de la espira con el campo. Si la espira gira en el campo en función del tiempo se genera una variación de flujo magnético que a su vez origina una fuerza electromotriz. Se supone, para simplificar el estudio, que el eje de rotación de la espira y el campo magnético son perpendiculares. El flujo a través de la espira dependerá directamente del ´ángulo formado entre el campo y el plano definido por la espira. Por ejemplo, cuando la espira es perpendicular al campo magnético el flujo será proporcional a la superficie de la espira. Si la espira se encuentra paralela al campo, el flujo es nulo. Aquí se considera la “sección proyectada” como la superficie de la espira vista desde la perspectiva del campo magnético cuando la espira forma un ángulo con el campo magnético. Principio del motor Ahora se va a describir el efecto dual del generador que es la creación de movimiento a partir de energía eléctrica. Un conductor con corriente en el seno de un campo magnético experimenta una fuerza que puede producir movimiento sobre el conductor, esta fuerza se conoce como la fuerza de Laplace. Los motores rotativos consisten en una espira de un material conductor, en general de cobre, recorrida por una corriente generada por un dispositivo externo, como una batería. La espira se coloca sobre un soporte rotativo llamado rotor. En el caso general el rotor consta de muchas espiras enrollada y entrelazada de forma muy compleja.

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El rotor se coloca con su eje perpendicular a un campo magnético uniforme generado por otro dispositivo. Aparece una fuerza de Laplace en el alambre debida a la interacción del campo magnético con las corrientes. Esta fuerza origina un torque o momento que hace a la espira girar alrededor de un eje. Para obtener un movi-miento circular continuo conviene cambiar la orientación del campo magnético, o bien el sentido de la corriente. Si no se cambia el sentido de la corriente, la espira se mantendrá en una posición vertical y no se moverá. La solución empleada en las máquinas de corriente continua consiste en cambiar la polaridad de la fuente cada media vuelta para invertir el par y seguir con el movimiento. En tal caso, el torque varía de forma sinusoidal con el tiempo. Es una desventaja para las máquinas eléc-tricas dado que en general se desea un torque lo más constante posible para evitar vibraciones y otros problemas mecánicos. El campo magnético se crea gracias a una estructura fija alrededor de las espiras llamado estator. Se genera el campo gracias a otro juego de bobinas o bien con imanes permanentes. El rotor consiste en la parte circular que puede girar libre-mente en torno al eje transversal. La potencia mecánica producida por una máquina eléctrica de este tipo se define en función del momento producido y de la velocidad angular de rotación de la máquina. Generación de un campo giratorio En los ejemplos anteriores, el estator produce un campo magnético estático y uni-forme para generar electricidad o movimiento. En otros tipos de máquinas eléctricas, el estator produce un campo variable que va a interactuar con el rotor. Es el caso de los motores asíncronos y síncronos el estator no se mueve, sin em-bargo genera un campo magnético variable. Este campo puede generarse fácilmente a partir de una alimentación trifásica a tres espiras. Cada espira genera un campo magnético perpendicular al plano definido por la espira cuyo sentido se puede hallar con la regla de la mano derecha. Sin embargo la expresión general del campo en un punto arbitrario se debe calcular analíticamente o numéricamente con las leyes de Maxwell. Aunque es complicado descubrir la expresión del campo en todo el espacio se puede deducir el campo en el centro de la espira. En este punto el campo es normal al plano definido por la espira. La superposición del campo de las tres espiras en el estator va a provocar un efecto interesante, se va a producir una campo neto giratorio puede representarse como un imán que gira a la velocidad de la frecuencia eléctrica. Transformadores Muchas veces, los recursos energéticos (carbón, agua, etc) no están en el lugar del consumo de la energía sino lejos. Se necesita entonces un dispositivo que permite transportar la energía sobre grandes distancias. Un cable conductor siempre pre-senta una cierta resistencia que depende del material. Al pasar una corriente por este cable, el calentamiento por efecto Joules disipa una parte de la energía que se quiere transportar. La disipación por efecto Joules depende de la resistencia y de la intensidad de corriente que circula por el cable conductor. Entonces para reducir estas pérdidas existen dos soluciones: reducir la resistividad del material o reducir la corriente. El número de materiales para el transporte de la energía es limitado. El cobre, el material clásico para el transporte, es ahora un metal muy caro y se han buscado alternativas más económicas. Se usan ahora cables híbridos formados de hebras de acero y aluminio trenzadas. El aluminio es buen conductor (aunque peor que el co-bre) pero es demasiado dúctil. El acero da la solidez requerida del cable. Sin em-bargo resulta difícil rebajar la resistividad de las líneas. La otra solución, rebajar la corriente, implica aumentar la tensión de alimentación. Los transformadores tienen el papel de elevar una tensión alterna para el transporte y luego rebajar la tensión para que el usuario pueda conectarse con tensiones menos peligrosas. Los proble-mas de las altas tensiones se ven compensados por el ahorro energético realizado en las líneas. Los transformadores fueron inventados al final del siglo XIX por dos ingenieros, Lucien Gaulard y John Gibbs, consiguieron elevar una tensión alterna hasta los 2000 voltios sobre 40km y luego rebajarla. Este invento fue luego desarrollado y mejorado para el transporte de la energía sobre largas distancias. La elevación de la tensión permite reducir las pérdidas por calentamiento en los cables de transporte.

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El uso de transformador es únicamente posible en corriente alterna debido a la naturaleza de su funcionamiento. Hace uso de los principios de la inducción electromagnética para transformar la tensión, lo que restringe al empleo de tensiones dinámicas y más en concreto a tensiones alternas para los usos prácticos. Recordatorio Sin em-bargo, existen ahora dispositivos capaces de elevar tensiones continuas a muy altas tensiones para el transporte de energía llamados HVDC (High-Voltage Direct Current). Estos sistemas se usan por ejemplo en cables submarinos para largas distancias, pero se basan en la electrónica de potencia para su funcionamiento. Tienen dos ventajas decisivas, primero solo se necesitan dos cables (comparado con el trifásico), y es más eficiente que la corriente alterna. Otra clase muy extendida de transformadores son los transformadores de pequeña potencia alimentados por una tensión de 110V o 220V eficaz y con salidas de hasta 30V. Estos transformadores bobinados de pequeña potencia tienden a desaparecer con el desarrollo de la electrónica de potencia. Las fuentes conmutadas modernas tienen un alto rendimiento y un peso mucho menor que los transformadores clásicos que contienen pesados núcleos ferromagnéticos. Los transformadores son equipos destinados a elevar o rebajar una tensión alterna. Básicamente, consisten en dos bobinas acopladas por un circuito magnético. Una de las bobinas genera un campo mientras en la secunda se produce una inducción electromagnética provocada por el campo de la primera bobina. El circuito magnético esta hecho de un material ferromagnético, actúa como un conductor del campo magnético generado por las bobinas. Sin este material, la casi totalidad del flujo magnético se perdería en el aire; sirve de “canal” por el cual circula y se amplifica el flujo magnético. En el transformador más común, el núcleo se presenta como láminas de material ferromagnéticos (hierro, etc.) pegadas entre sí y aisladas eléc-tricamente con un tratamiento termo-químico. No se suelen usar bloques macizos por una cuestión de pérdidas de energía por corrientes de Foucault. Un transformador consiste en un circuito magnético conectado por un lado (el pri-mario) a una bobina alimentada por un generador y al otro lado (el secundario) a una bobina conectada a una impedancia, también llamada carga. El transformador en si es la asociación de dos elementos que hemos estudiado un circuito magnético y un acoplamiento magnético. Sin embargo se añadirá otros elementos en el modelo responsables de las pérdidas de rendimiento del transformador.

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GLOSARIO DE LA UNIDAD II Bibliografía

Autoinducción.-fenómeno electromagnético que se presenta en circuitos eléctricos con una corriente eléctrica variable en el tiempo. Recordatorio

Campo magnético.- es una descripción de la influencia magnética de las corrientes elécAnotaciones tricas y de los materiales magnéticos Devanado inductor.- Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica Corriente alterna. Espira.- es un conductor cerrado, existen espiras cuadradas, circulares o de cualquier otra forma. Un flujo magnético variable en el interior de una espira iduce una fuierza electromotriz y este asu vez una corriente inducida, que asu vez genera una campo magnético inducido que se opoene a la variación del flujo magnético. Fasor.- es una representación gráfica de un número complejo que se utiliza para representar una oscilación, de forma que el fasor suma de varios fasores puede representar la magnitud y fase de la oscilación resultante de la superposición de varias oscilaciones en un proceso de interferencia. La impedancia, la reactancia inductiva, la reactancia capacitiva y la resistencia elétricas se pueden expresar como un fasor. Flujo magnético.- es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. Inductor, bobina o reactor.- es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Impedancia.- La impedancia es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto en magnitud y fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. Inductancia.- es una medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético. Núcleo.- Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Reactancia.- es la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y condensadores, se mide en Ohmios y su símbolo es Ω. Junto a la resistencia Inicio eléctrica determinan la impedancia total de un componente o circuito.

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BIBLIOGRAFÍA DE LA UNIDAD II

Théodore, W. (2007). Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. México: Pear-son Educación. Recordatorio

Anotaciones

Chacón de Antonio, F. J. (2003). Electrotecnia: Fundamentos de ingeniería eléctrica. Volumen 16 de Ingeniería. España: Universidad Pontificia Comillas. Wagemakers, A. y Escribano, F. (2013). Introducción a la teoría de circuitos y máquinas . Alcala-España: Universidad Rey Juan Carlos, Universidad de Alcalá.

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AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD II

1) Una máquina de corriente continua esta formado básicamente por: Bibliografía

a. Un rotor y un estator

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Desarrollo UNIDAD II: MÁQUINAS ELÉCTRICAS I: MOTORES CC de contenidos

b. Un rotor y escobillas

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c. Delgas y escobillas d. un rotor y delgas e. Un devanado y un estator 2) Las máquinas de CC continua pueden ser: a. Motores y generadores b. Motores e inductores c. Inducido e inductor d. Rotor y estator e. Excitado y no excitado 3) El principio de reversibilidad indica que : a. Un motor puede girar en sentido horario y antifhorario. b. Un motor puede funcionar como un generador y viceversa. c. El sentido de giro de un motor es igual al de un generador. d. El generador puede generar corriente continua. e. El generador tiene motor. 4) En un dínamo si hace girar el rotor con 100 rpm y generar una fem de 12 V, cuantas revoluciones debe girar para generar una fem de 18 V. a. 100 rpm b. 150 rpm c. 50 rpm d. 600 rpm e. 200 rpm 5) El par interno de un motor es de 12Nm cuando el flujo magnético es de 0,20 mWb, ¿cuál es par interno si se incrementa el flujo a 0,25 mWb? a. 18 Nm b. 16 Nm c. 15 Nm d. 20 Nm e. 24 Nm 6) Si el tipo de excitación de un motor es independiente, entonces; a. El devanado inductor es alimentado mediante una fuente de CC dependiente de la tensión en el devanado del inducido. b. El devanado inductor y del inducido son indpendientes. c. El devanado inductor es alimentado mediante una fuente de CC independiente de la tensión en el devanado del inducido. d. El devanado inductor y del inducido son independiete de la excitación. e. El devanado inductor y del inducido son independiente de la tensión eléctrica. 7) En una máquina autoexcitada: a. El devanado inductor esta en paralelo con el inducido.

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b. El devanado inductor esta en serie y paralelo con el inducido. c. El devanado inductor autoexcita al inducido. d. El devanado inductor esta en serie con el inducido. Anotaciones

e. El devanado inductor e inducido se excitan independientemente. 8) Los motores que llevan imanes permanentes son: a. Motores de excitación en serie b. Motores de excitación en paralelo c. Motores de excitación compound. d. Motores de excitación independiente. e. Motores compuesto. 9) Los motores que tiene el mayor par de arranque, son: a. Motores de excitación independiente. b. Motores de excitación en paralelo c. Motores de excitación compound. d. Motores compuesto. e. Motores de excitación en serie. 10) En los motores en derivación se pueden embalar: a. si se añaden cargas. b. si se ponen en funcionamiento sin cargas. c. si se ponen en funcionamiento en serie. d. si se ponen en compound. e. si se interrumpe el circuito de excitación.

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CONTENIDOS Recordatorio Desarrollo de contenidos

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ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Objetivos Anotaciones

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Tema N.°1: La máquina síncrona Desarrollo Actividades Autoevaluación

1 Describe los componentes fundamentales de un motor de corriente alterna

1. Interés por ampliar y profundizar los temas tratados en el curso. 2. Cumple oportunamente con la presentación de las actividades encomendadas.

de contenidos

1.1. Máquinas síncronas. 1.2. Partes de una máquina síncrona. 1.3. ClasesGlosario de máquina Bibliografía síncrona.

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1.4. Principio de funcionamiento. Tema N.°Anotaciones 2: La máquina asíncrona

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2.1. Principio de funcionamiento 2.2. Características cas.

mecáni-

2.3. Frecuencia de las corrientes del rotor 2.4. Rendimiento y balance de energía Lectura seleccionada N.°1

2 Explica el funcionamiento de máquinas sincrónicas, asincrónicas y universales, utilizando magnitudes básicas 3 Describe las características mecánicas de un motor de inducción 4 Describe las características de los motores trifásicos de inducción: prueba en marcha y magnitud de carga 5 Analiza las placas de ca-racterísticas del motor trifásico de inducción Actividad N.°1

MAGNETOSTÁTICA (Gutiérrez, 2012) Teoría y análisis de máquinas eléctricas.

Tema N.° 3: El motor trifásico de inducción 3.1. Principio de funcionamiento. 3.2. Prueba en marcha Tema N.° 4: El motor monofásico de inducción 4.1. Principio de funcionamiento 4.2. Motores de espira en corto circuito 4.3. Motores de fase partida Lectura seleccionada N.°1 MÁQUINAS CON CORRIENTE ALTERNA (Gutiérrez, 2012) Teoría y análisis de máquinas eléctricas

Autoevaluación de la unidad III

Control de lectura N.°2

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TEMA N.°1: LA MÁQUINA SÍNCRONA Introducción En este tema se tratara sobre la maquinas alternas síncronas, sus partes y principio de funcionamiento. Su importancia en el desarrollo industrial fue crucial para la construcción de motores y generadores de corriente alterna. 1.1 Máquinas síncronas Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna, como motor convierte energía eléctrica en energía mecánica y como generador convierte energía mecánica en energía eléctrica. En 1889, Dobrowolsky invento el primer motor de corriente alterna trifásica con rotor en jaula de ardilla, FIGURA 48. (Fraile, 2008). FIGURA NO 48. RÉPLICA A TAMAÑO COMPLETO DEL PRIMER MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA, INVENTADO Y FABRICADO EN 1889 POR EL INGENIERO AEG VON DOLIVO DOBROWOLSKY (1862-1919).

Fuente: http://www.nicospilt.com/index.html 1.2 Partes de una máquina síncrona Estator El estator, o parte estática, contiene un devanado trifásico de corriente alterno denominado devanado inducido y un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas, FIGURA 49. El campo magnético presente en el estator de una máquina sincrónica gira con una velocidad constante. La velocidad de giro en revoluciones por minuto en régimen permanente está ligada con la frecuencia de la tensión eléctrica en los bornes y el número de pares de polos. n = (60∙f)/p donde: n= Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto) f = Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) p = Número de pares de polos que tiene la máquina (p = 1, un par o dos polos; p = 2, dos pares o cuatro polos, etc.) Rotor El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de campo y un devanado en cortocircui-

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to, que impide el funcionamiento de la máquina a una velocidad distinta a la de sincronismo, denominado devanado amortiguador. Además, contiene un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas de menor espesor que las del estator, FIGURA 49, (Fraile, 2008). Recordatorio Las máquinas sincrónicas pueden clasificarse: Máquina de polos salientes: El rotor presenta expan-siones polares que dan lugar a un entrehierro variable. Máquina de rotor liso: El devanado de campo está dis-tribuido en varias bobinas situadas en diferentes ángulos.

1.3 Clases de máquina sincrónica Como motor: La máquina síncrona a la velocidad de sincronismo, pues no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado de campo (rotor) con corriente continua y el devanado inducido (estator) con una tensión senoidal alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo, FIGURA 50. (Bastian, et al. 2001). Como generador: Una turbina acciona el rotor de la máquina sincrónica a la vez que se alimenta el devanado de campo (rotor) con corriente continua. El entrehierro variable (máquinas de polos salientes) o la distribución del devanado de campo (máquinas de rotor liso) contribuyen a crear un campo más o menos senoidal en el entrehierro, que hace aparecer en los bornes del devanado inducido (estator) una tensión senoidal. Al conectar al devanado inducido una carga trifásica equilibrada aparece un sistema trifásico de corrientes y una fuerza magnetomotriz senoidal, (Fraile, 2008). Fuentes de generación trifásicas El generador sincrónico trifásico o alternador es la máquina que se utiliza en las centrales eléctricas (Turboalternador) o bien como sistema autónomo de generación (Grupo electrógeno). FIGURA NO 49. PARTES DE UNA MÁQUINA SINRÓNICA

FUENTE: José Gurrutxaga

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FIGURA NO 50. MÁQUINA SINRÓNICA TRIFASICA

FUENTE: Adapatado de Peter Bastian 1.4 Principio de funcionamiento Campos magnéticos giratorios El estator de una máquina eléctrica de inducción (motor) es igual al del generador de CA, mientras que, por otro lado, el rotor, denominado de jaula de ardilla, es totalmente distinto y formado por un cilindro de barras de cobre o de aluminio. FIGURA 51, (Fraile, 2008). FIGURA NO 51. CORTE DE UNA MÁQUINA SINRÓNICA

Fuente: http://apuntescientificos.org/motores.html

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El rotor de jaula de ardilla no está conectado eléctricamente, es decir no existe conexión eléctrica entre el rotor y el estator, la corriente que circula por él es inducida por el campo magnético giratorio que crean las bobinas del estator.

En la FIGURA 52, representa la sección de una máquina bifásica de inducciónRecordatorio en la que los arrollamientos del estator se encuentran separados 90° eléctricos entre sí. Las bobinas B1 y B2 se conectan a cada una de las dos fases de la red, siendo i1 e i2 las corrientes que circulan por ambas bobinas en un instante dado, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 52. ESQUEMA DEL CORTE DE UNA MÁQUINA SINRÓNICA BIFÁSICA

Fuente: Fraile, M. J. (2008). Los campos magnéticos producidos por ambas bobinas se representan en la FIGURA 53. Este campo magnético rotatorio induce una corriente en el rotor jaula de ardilla, que lo hace girar, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 53. ESQUEMA DEL CORTE DE UNA MÁQUINA SINRÓNICA BIFÁSICA

Fuente: Fraile, M. J. (2008)

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TEMA N.° 2: LA MÁQUINA ASÍNCRONA Introducción En este tema se tratara sobre la maquinas alternas asíncronas, sus partes y principio de funcionamiento. Las maquinas asíncronas como motores representan la mayoría de los motores utilizados en la industria tanto monofásico como trifásico. 2.1 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de las máquinas asíncronas se basa en los campos magnéticos giratorios que se producen al circular la corriente por los devanados de la máquina CA, efecto equivalente al de un imán que gira a velocidad determinada, dentro del espacio del rotor, (Fraile, 2008). a) La máquina asíncrona como generador, de inducción no tiene aplicación industrial en comparación del alternador. b) La máquina asíncrona como motor inducción es el productor de fuerza motriz en el 90% de las unidades, de todos los tipos de fabricados, tanto como monofásico y trifásico. Consta básicamente de un estator bobinado alimentado por la red y un rotor o inducido que gira a una velocidad (n) menor que la velocidad de sincronismo (ns), FIGURA 54. El rotor puede ser de jaula de ardilla o bien un rotor bobinado con anillo rozantes que permiten intercalar resistencias rotóricas para disminuir la velocidad de arranque y/o controlar la velocidad sin afectar el par de arranque o nominal. FIGURA NO 54. PARTES DE UNA MÁQUINA ASINCRONA.

Fuente: Fraile, M. J. (2008) Las máquinas asíncronas son muy robustas y sencillas, se caracterizan por el hecho de que existe un deslizamiento (s) entre la velocidad del sincronismo (ns) del campo giratorio y la velocidad de giro (n) del rotor de la máquina. Este deslizamiento se expresa mediante la fórmula: s = ns - n Donde s = valor absoluto del deslizamiento (rpm). n_s= velocidad de sincronismo (rpm). n= velocidad de giro del rotor (rpm). Las máquinas asíncronas se clasifican en generador y motor, FIGURA 55.

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El generador de inducción Se llaman máquinas de inducción porque en el rotor se produce una primera acRecordatorio ción generadora que induce corrientes y otra segunda acción motriz que obliga a las corrientes inducidas a seguir la velocidad de sincronismo. El motor de inducción Es el más utilizado ya sea en monofásico o trifásico, el más usual es el de corto circuito en el rotor o jaula de ardilla. Se utiliza en todo tipo de instalaciones o sistemas donde no se requiera regular la velocidad ni mantenerla constante. FIGURA NO 55. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Fuente: Gerardo Pazos http://maquinasjrotero.blogspot.com 2.2 Características mecánicas Al someter los tres devanados de fase del estator a la tensión de un sistema trifásico se crea un campo magnético giratorio en el estator de velocidad igual a la del sincronismo (ns) e idéntica a las corrientes que atraviesan el estator (n1) n1 = ns = (60f1)/p Con el motor en reposo aparece un campo magnético giratorio en él y se induce una fem (E2) tal y como sucede en el secundario de un transformador, y sin tener en cuenta las características constructivas está dado por: E2 = 4.44N2 f1 Φp Donde E2 = fem inducida en el rotor en reposo (V). N2 = Número de espiras del rotor. f1 = frecuencia del estator (Hz). Φp= flujo máximo por polo (Wb). La fem inducida en las barras del rotor, cerradas a través de anillos, crean unas elevadas corrientes secundarias de corto circuito de igual frecuencia que el estator (f1) que tienden a oponerse a las causas que las produce. El valor de estas corrientes inducidas con el rotor en reposo es muy grande debido a que en estas condiciones la fem del rotor (E2), solo tiene que vencer la reducida reactancia de dispersión y la resistencia del devanado rotórico. El motor de inducción en reposo se puede considerar como un transformador en corto circuito con un entrehierro en su circuito

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magnético, (Bastian, et al. 2001). En reposo se cumple: Donde m = E1/E2 = N1/N2 Donde E1 = fem por fase en el estator (V). E2 = fem por fase en el rotorr (V) N1 = Número de espiras del estator. N2 = Número de espiras del rotor. Dado que el devanado del rotor tiene el mismo número de polos que el estator, se verifica que en reposo sus frecuencias son iguales (f1 = f2) y los campos magnéticos giratorios del estator y del rotor giran ambos en igual sentido y con la misma velocidad de sincronismo, on respeto al estator (n1= n2= ns). Ambos campos estacionarios entre sí reaccionan mutuamente y el campo resultante excitado por los amperios vuelta del primario (N1 I1), con los amperios vuelta del secundario (N2 I2), al actuar sobre las corrientes inducidas de las barras del rotor, dan lugar a un par de arranque que, si es superior al par resistente del rotor, se pondrá en marcha en el mismo sentido que los dos polos, (Fraile, 2008). 2.3 Frecuencia de las corrientes del rotor Con el rotor en reposo, las frecuencias del estator y del rotor son iguales, (f1 = f2), y la velocidad del campo es síncrona en ambos devanados. Con el motor en marcha, el campo magnético del rotor sigue girando al velocidad de sincronismo y en la misma dirección que el campo magnético del estator, pero los que sufre una gran transformación es la frecuencia de las corrientes del rotor f2, que son proporcionales a la diferencia de velocidad o deslizamiento, (s = ns- n), (Fraile, 2008). La diferencia entre la velocidad angular síncrona del campo magnético del rotor (ωs) menos la velocidad de este (ω) es la velocidad de las corrientes en el rotor (ωr) y está dada por (ωr = ωs - ω):

Donde ωr = sωs fr = sfs = f2 = sf1 f1 = frecuencia del estator (Hz). f2 = frecuencia del rotor (Hz). La frecuencia de las corrientes en el rotor es bajísima, comprendida entre 0,4 y 4,25 Hz para deslizamientos de 0,008 a 0,085. Mientras, el rotor sigue girando a la velocidad n próxima a la del sincronismo: n = ns (1 - s) Esta transformación de la frecuencia de las corrientes del estator (f1) en la frecuencia del rotor (fr) y viceversa, es de aplicación en los convertidores de frecuencia, y tiene una repercusión muy importante en el cálculo de las magnitudes del rotor, donde quedan afectadas al igual (f2) por el factor s.

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2.4 Rendimiento y balance de energía Como en todo motor eléctrico, en el motor de inducción el rendimiento se define mediante la relación de la potencia útil (Pu) entregada en el eje y la potencia absorbida de la red (Pa), (Fraile, 2008). La potencia útil (Pu) es la nominal (Pn) del motor o potencia P2, utilizando el símil del transformador. La potencia absorbida de la red (Pa) es la eléctrica trifásica (Pm) a considerar en los cálculos del dimensionado de la sección de los conductores y protecciones de la red o potencia del primario P1, (Bastian, et al. 2001).

La potencia absorbida de la red para m1 fases: Pa = Pm = m1 V1f I1f cosφ1 De esta potencia, una parte se disipa en el cobre del estator: PCu1 = m1 R1 I12f Restadas estas pérdidas a la potencia de la red, da lugar a la que se emplea para producir el campo magnético giratorio del estator (Pc). Pc = m1 E1f I1f cosφ1 El campo magnético giratorio del estator produce en éste unas pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis que se denominan pérdidas en el hierro del estator (PFe1) y que ya aparecen en vacío: PFe1 = m1 E1 Io cosφo La potencia que el estator transmite al rotor, (Peh = Pa-(PCu+PFe)), es la potencia en el entrehierro es el equivalente a la potencia generada por el rotor a motor parado. Peh = m2 E2 I2 cosφ2 = m1 E1 I1 cosφ1 En el rotor también ocurren perdidas de la misma naturaleza, las pérdidas totales (Pp) se obtiene con las pérdidas parciales: Pp = PCu1 + PFe1 + PCu2 + Pm Donde Pm es la perdida de potencia mecánica por fricción entre las piezas mecánicas.

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LECTURA SELECCIONADA N.°1 Lecturas seleccionadas

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MAGNETOSTÁTICA Párrafos tomados del libro Recordatorio

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TEORÍA Y ANÁLISIS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS Autor: Agustin Gutierrez Paucar, 2012. Materiales ferromagnéticos Los elementos ferromagnéticos que se encuentran en la naturaleza son solamente tres: el hierro, el níquel y el cobalto. Entre éstos naturalmente el de mayor uso es el hierro y sus aleaciones con los otros dos y con otros metales (Al, Cu, etc.). Algunas Aleaciones: El Acero-Silicio: Es la aleación más importante el hierro-silicio, también llamado acero-silicio, contiene un porcentaje variable de ¼-5% de silicio. Esta aleación recibe además un tratamiento térmico y con ello se obtiene un material que tiene mejor permeabilidad y al mismo tiempo mayor resistencia eléctrica y esto implica una disminución de las pérdidas por corrientes parásitas. El acero silicio se fabrica en láminas de 8.5mm a 9.35mm de espesor y de acuerdo con el porcentaje de silicio se obtienen diferentes tipos de aleaciones: i. Field Grade: ¼% de silicio con una resistencia específica de 10μΩ-cm. Se emplea en la construcción de pequeños motores. ii. Armadura Grade: ½% de silicio con una resistencia específica de 19μΩ-cm. Se emplea en pequeños motores generadores y en general en los dispositivos donde se desea tener altas densidades de flujo sin que interesen ma-yormente las pérdidas en el núcleo. iii. Electrical Grade: 1% de silicio con una resistencia específica de 26μΩ-cm. Se emplea en motores y generadores de potencias medias, en transforma-dores, relays y otros aparatos diseñados para operación intermitente. iv. Motor Grade: 2.5% de silicio con una resistencia específica de 42μΩ-cm. Se emplea en motores y generadores medianos de buena eficiencia en aparatos de control y en transformadores para radios. v. Dínamo Grade: 3.5% de silicio con una resistencia específica de 50μΩ-cm. Se emplea en motores y generadores de alta eficiencia, pequeños transfor-madores de potencia y transformadores de radio. vi. Transformador Grade: 5% de silicio con una resistencia específica de 56μΩ-cm. Se emplea en los grandes transformadores de potencia, en gran-des alternadores de alta eficiencia y en generadores síncronos. Otros materiales ferromagnéticos: Surgieron otros tipos de aleaciones que se dividen en materiales blandos que pierden fácilmente su magnetismo y materiales duros que pierden difícilmente su mag-netismo y que se emplean especialmente en imanes permanentes. Entre éstos ma-teriales destaca el Alnico, una aleación de aluminio, níquel y cobalto. El permalloy y el numetal tienen una permeabilidad muy elevada, (Bastian, et al. 2001). En diferentes equipos de comunicaciones en cambio se requieren materiales de permeabilidad sumamente constante: se obtuvieron entonces las aleaciones perminvar y conpernik. Finalmente los materiales magnéticos se emplean para imanes permanentes en instrumentos y están sujetos frecuentemente a campos alternos, cambios de tem-peratura y esfuerzos mecánicos que no deben desde luego modificar sus caracterís-ticas magnéticas. La propiedad principal que deben tener es un alto magnetismo remanente y una alta fuerza coercitiva. También el producto (BH)máx conviene que sea alto.

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Las Ferritas

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Las ferritas son materiales no metálicos que responden a la fórmula general MeFe2O4, donde Me representa un metal bivalente. Con las ferritas puede hacerse polvo, que luego mediante procesos metalúrgicos se forman los núcleos de la forma Recordatorio requerida. Estos materiales se emplean para altas frecuencias porque tienen muy alta resistividad y por consiguiente sus pérdidas por corrientes parásitas son prácti-camente nulas; también sus pérdidas por histéresis son sumamente bajas. Tienen por lo tanto gran aplicación en electrónica. Se fabrican bajo diferentes nombres, como por ejemplo: Ferroxcube, Ferramic, Ceramag, Crolite, etc. Propiedades de los materiales ferromagnéticos 1) Llegan a magnetizarse fuertemente en la misma dirección del campo mag-nético donde están colocados. 2) La densidad de flujo en los materiales ferromagnéticos varía en forma no li-neal con la intensidad magnética, con excepción de pequeños rangos donde la variación es lineal. 3) Los materiales ferromagnéticos presentan saturación, histéresis y retentivi-dad. Circuito magnético Un circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado. Para su fabricación se utilizan materiales ferromagnéticos, pues éstos tienen una permeabilidad magnética mucho más alta que el aire o el espacio vacío y por tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del material, llamado núcleo. El llamado acero eléctrico es un material cuya permeabilidad magnética es excepcionalmente alta y por tanto apropiada para la fabricación de núcleos, (Bastian, et al. 2001). Un circuito magnético sencillo es un anillo o toro hecho de material ferromagnético envuelto por un arrollamiento por el cual circula una corriente eléctrica, FIGURA NO 56. Esta última crea un flujo magnético en el anillo cuyo valor viene dado por:

Donde Φ es el flujo magnético (Wb). F es la fuerza magnetomotriz, definida como el producto del número de espiras N por la corriente I ( ) . R es la reluctancia, la cual se puede calcular por:

Donde Lc es la longitud del circuito, medida en metros. µ representa la permeabilidad magnética del material, medida en H/m (hen-rio/ metro). Ac es el área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético, perpendicular al flujo), en metros cuadrados. Los circuitos magnéticos son importantes en electrotecnia, pues son la base teórica para la construcción de transformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.

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FIGURA NO 56. ESTRUCTURA DE UN CIRCUITO MAGNÉTICO SIMPLE

Fuente: Frecuentemente CC BY-SA 3.0 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Circuito_magnetico_simple_detalle.jpg Los circuitos magnéticos están en la mayor parte de los casos compuestos por di-versas partes, las que pueden ser de materiales distintos. Muchos son los aparatos y máquinas que se valen de circuitos magnéticos, y en las figuras que siguen ilus-tramos algunos, (Bastian, et al. 2001). En la FIGURA NO 57, se ve un transformador monofásico del tipo “a ventana”. El circuito magnético está afectado por dos bobinas, y en el dibujo se han señalado con líneas de trazos, algunas de las líneas del flujo magnético. Se aprecia que hay un solo camino para las mismas. FIGURA NO 57. ESTRUCTURA DE UN CIRCUITO MAGNÉTICO DE TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

Fuente: Adaptado de Marcelo Sobrevila En la FIGURA NO 58, tenemos el croquis de un transformador monofásico del tipo “acorazado”, en donde el circuito magnético es de una forma y ¬isposición tal, que las líneas de flujo se reparten en los dos tramos laterales, mientras que el tramo central contiene todo el flujo. En este aparato, las dos bobinas del sistema están arrolladas en la columna central. FIGURA NO 58. CROQUIS DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO DEL TIPO “ACORAZADO”

Fuente: Adaptado de Marcelo Sobrevila

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En la FIGURA NO 59, puede verse el dibujo esquemático de un relevador (vulgar-mente llamado relé o relay). Se trata de un circuito magnético con una parte algo separada, de tal manera que cuando se establece la corriente en la bobina,Recordatorio se for-man en las partes metálicas que se enfrentan , polaridades magnéticas, y la parte separada es atraída procurando unirse al resto. Este movimiento se aprovecha para accionar un pequeño interruptor, el que asu vez, comanda otro circuito más impor-tante. En este caso también las líneas del flujo que se foran en el brazo central se reparten luego entre los brazos laterales, pero pasando por un tramo de aire que se llama entrehierro, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 59. DIBUJO ESQUEMÁTICO DE UN RELEVADOR

Fuente: Adaptado de Marcelo Sobrevila Finalmente, en la FIGURA NO 60 tenemos el corte por un plano normal al eje de giro, de una máquina de corriente continua de cuatro polos. Este circuito consta de cuatro bobinas arrolladas sobre los cuatro polos, que generan el flujo que se reparte por mitades en las partes exteriores, y penetra en el rotor para completar su recorrido. En todos estos ejemplos observamos que el flujo magnético es producido por adecuadas bobinas que se llaman bobinas excitadoras o bobinas de excitación, o bobinas excitatrices, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 60. MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA DE CUATRO POLOS

Fuente: Adaptado de Marcelo Sobrevila A la corriente que circula por la o las bobinas de excitación, se la llama corriente excitación, y es la encargada de producir el flujo magnético. Es muy natural que los circuitos magnéticos presenten imperfecciones derivadas, muchas veces, la de la imposibilidad material de lograr adecuadas disposiciones constructivas. Las princi-pales son la dispersión, y el debilitamiento de la inducción en los entrehierros. Con respecto al entrehierro, que es el tramo en la cual el flujo magnético se establece por el aire, las líneas de inducción se expanden y en consecuencia el flujo toma valores inciertos que habrá que analizar y controlar. En un motor hay entrehierro entre el estator y el rotor, (Bastian, et al. 2001).

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ACTIVIDAD N.°1 Autoevaluación

Esta actividad puede consultarla en su aula virtual. Lecturas seleccionadas

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TEMA N.°3: El motor trifásico de inducción Anotaciones

Introducción En este tema se ampliara sobre el motor trifásico de inducción, también llamado motor asíncrono, es hoy día el motor eléctrico que más se utiliza en las aplicaciones industriales, sobre todo el motor con rotor de jaula de ardilla. 3.1 Principio de funcionamiento La sección del motor de inducción trifásico, tal como se muestra en la FIGURA 61, se compone de un bastidor o estator fijo, un bobinado trifásico alimentado por una red eléctrica trifásica y un rotor giratorio. No hay ninguna conexión eléctrica entre el estator y el rotor. Las corrientes del rotor se inducen desde el estator a través del entrehierro. Tanto el estator como el rotor están fabricados de una lámina de núcleo altamente magnetizable que proporciona pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis bajas. FIGURA NO 61. PARTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO CON ROTOR DE JAULA DE ARDILLA. Fuente: Voltimun

http://www.voltimum.es/articulo/motor-asincrono-trifasico-parte-i Estator El bobinado del estator está formado por tres bobinados individuales que se super-

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ponen y están decalados con un ángulo eléctrico de 120°. Cuando se conecta a la alimentación, la corriente de entrada primero magnetiza el estator. Esta corriente de magnetización genera un campo rotativo que gira con la velocidad de sincronismo ns. Recordatorio ns = 60f/p Para el número de pares de polos más pequeño 2p = 2, (p=1) en un circuito de 50 Hz, la velocidad sincrónica más alta es ns = 3000/min-1. Las velocidades sincrónicas de un circuito de 50 Hz se indican en la siguiente tabla. Pares de polos 2p

ns en rpm

3000

1500

1000

750

600

500

375

250

188

125

Rotor En los motores de inducción con rotor de jaula de ardilla, el rotor está formado por un bloque laminar de núcleo de rotor cilíndrico y ranurado provisto de barras de aluminio unidas por delante con anillas para formar una jaula cerrada. El rotor de los motores de inducción trifásicos a veces se denomina rotor. Este nombre tiene su origen en la forma de ancla que tenían los rotores de los primeros dispositivos eléctricos. En un equipo eléctrico, el bobinado del rotor está inducido por el campo magnético, mientras que en los motores trifásicos, este papel corresponde a los rotores, (Bastian, et al. 2001). El motor de inducción parado actúa como un transformador cortocircuitado en el secundario. Por consiguiente, el bobinado del estator corresponde al bobinado principal y el bobinado del rotor (bobinado de jaula), al bobinado secundario. Dado que está en cortocircuito, la corriente interna del rotor depende de la tensión inducida y de su resistencia. La interacción entre el flujo magnético y los conductores de corriente del rotor genera un par de torsión que se corresponde con la rotación del campo rotativo. Las barras de la jaula está dispuestas de forma excéntrica con respecto al eje de rotación para impedir fluctuaciones en el par de torsión, FIGURA NO 62. Esto se denomina “inclinación”, (Stephen, 2012). FIGURA NO 62. ROTOR DE JAULA DE ARDILLA

Fuente: Adaptada de Rockwell Automation Cuando está en vacío, el rotor casi alcanza la velocidad sincrónica del campo rotativo, ya que el par de torsión antagonista es reducido (ninguna pérdida sin carga).

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Si la rotación fuera la de sincronismo, la tensión ya no se induciría, la corriente dejaría de fluir y ya no habría par de torsión. Durante el funcionamiento, la velocidad del rotor baja hasta la velocidad de carga n. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la de carga se denomina deslizamiento s. Basado en este deslizamiento s, dependiente de la carga, la tensión inducida en el bobinado del rotor cambia y éste, a su vez, cambia la corriente del rotor y el par de torsión M. Al aumentar el deslizamiento, también lo hacen la corriente del rotor y el par de torsión. Dado que el motor de inducción trifásico actúa como un transformador, la corriente del rotor se transforma en la parte del estator (o secundario) y la corriente de alimentación del estator cambia esencialmente de la misma manera. La potencia eléctrica del estator generada por la corriente de alimentación se convierte, a través del entrehierro, en potencia mecánica en el rotor. Por ello, la corriente del estator consta de dos componentes, la corriente de magnetización y la corriente de carga en sí, (Bastian, et al. 2001). Deslizamiento La diferencia entre la velocidad sincrónica ns y la velocidad n de funcionamiento de régimen se denomina deslizamiento s y suele expresarse en porcentaje. Dependiendo del tamaño de la máquina, durante el funcionamiento de régimen esta diferencia es aproximadamente del 10-3%. El deslizamiento es una de las características más importantes de una máquina de inducción, (Stephen, 2012). s = (ns - n)/ns Donde s = deslizamiento ns= velocidad sincrónica n = velocidad del rotor FIGURA NO 63. LA TENSIÓN ROTÓRICA UR ES PROPORCIONAL AL DESLAMIENTO S. UNA TENSIÓN DEL ROTOR DEL 10% CORRESPONDE A UN DESLIZAMIENTO DEL 10%.

Fuente: Rockwell Automation La tensión rotórica inducida UR, mostrada en la FIGURA 63, es proporcional al deslizamiento s. En la posición de parada, la tensión alcanza su máximo con n = 1 y s = 1, lo que también intensifica al máximo el flujo de corriente. En las aplicaciones reales, este hecho lo confirma la elevada corriente de arranque. El par de torsión también alcanza su máximo durante el periodo de parada con una resistencia de rotor determinada, (Stephen, 2012). Este comportamiento puede modificarse variando el diseño. Sin embargo, la resistencia del rotor no suele utilizarse para este fin. La siguiente fórmula se aplica para la velocidad del rotor: n = ns (1 - s) Disipación Las pérdidas de potencia del motor, se muestran en la FIGURA 64.

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FIGURA NO 64. ESQUEMA DE PÉRDIDAS DE POTENCIA DE UN MOTOR TRIFÁSCIO DE INDUCCIÓN.

Fuente: Rockwell Automation 3.2 Prueba en marcha Al conectar el motor a la red, la carga ofrece un par resistente (ML) que sigue la curva de la FIGURA 65. Las características de par de torsión propias de los motores de inducción con rotor de jaula de ardilla. El par acelerador abarca toda la característica de par, desde la parada hasta la velocidad máxima, (Stephen, 2012). FIGURA NO 65. CARACTERÍSTICA DE PAR DEL MOTOR DE INDUCCIÓN RESPECTO A LA VELOCIDAD

Fuente: Rockwell Automation MA : Par inicial de arranque en la posición de parada; también llamado par mínimo. Los valores proporcionados por los fabricantes de motores deberían estar comprendidos entre -15% y +25%. Mn: Par de torsión de régimen durante el funcionamiento de régimen con una potencia de régimen Pn y una velocidad de régimen nn. Sin carga, el par es muy bajo y cubre la fricción interna. Cuando el motor se carga, su velocidad disminuye ligeramente por el valor del deslizamiento s y el par aumenta. Un motor estándar en funcionamiento continuo debe poder proporcionar el par nominal sin exceder el límite de temperatura. MK : Par máximo. Éste es el par máximo que un motor puede proporcionar. Si la potencia aumenta por encima de la carga nominal Pn, el deslizamiento s continúa incrementándose, la velocidad n disminuye y el motor proporciona un par mayor.

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Esto puede aumentarse hasta el valor máximo MK (par máximo), momento en el que el motor se hace inestable, es decir, su velocidad disminuye de repente con este valor de deslizamiento (deslizamiento de interrupción) y la velocidad del motor tiende a 0, (Stephen, 2012). Según las normas, el par máximo debe ser MK ≥ 1,6 Mn y es necesario poder sobrecargar el motor al menos durante 15 segundos con este valor y la tensión y frecuencia nominal. Los datos de catálogo permiten una tolerancia de hasta un -10%. En la mayoría de los motores, el par máximo es considerablemente mayor y suele alcanzar valores de MK = 2...3,5 Mn. Por consiguiente, los motores de inducción son especialmente apropiados para las cargas intermitentes, siempre que el calor adicional pueda disiparse, (Stephen, 2012). MS: Par de desincronización; es el par mínimo producido durante la aceleración. En cualquier caso, debe ser mayor que el par de carga ML a esa determinada velocidad, ya que, de lo contrario, el motor no puede acelerarse. Los valores mínimos del par de desincronización se indican en las normas correspondientes al funcionamiento a tensión nominal. ML: Par de carga, el par antagonista que representa a la carga durante la aceleración. MM: Par motor, también denominado par acelerador. MB: Par acelerador, como la diferencia entre el par motor MM y el par de carga ML. Con un servicio continuo, un modo de funcionamiento S1 y una carga nominal Pn, un motor bien dimensionado gira a la velocidad nominal nn y proporciona el par nominal Mn: 3.3 Placa de características La placa característica de un motor de inducción contiene elementos básicos que se muestran en la FIGURA 67. FIGURA NO 67. DATOS DE PLACA DEL MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO

Fuente: Fernando Villada Duque Rev.fac.ing.univ. Antioquia no.40 Medellín Apr./June 2007

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TEMA N.°4: EL MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN Introducción

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La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía eléctrica sólo suministra un servicio de CA monofásico. Además, en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, etc. En este tema ampliaremos sobre el motor monofásico. 4.1 Principio de funcionamiento La mayoría de los motores monofásicos son “motores pequeños” de “caballaje fraccionario” (menos de 1 hp). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños normales de caballaje integral: 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115 V como para 230 V en servicio monofásico y aún para servicio de 440 V entre los límites de 7.5 a 10 hp. Los tamaños especiales de caballaje integral van desde varios cientos hasta algunos miles de hp en servicio de locomotoras, con motores de serie monofásicos de CA, FIGURA NO 68. Aquí se describen las características principales y los principios básicos de funcionamiento de éstos motores tan ampliamente usados, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 68. MOTOR MONOFÁSICO

Fuente: Electrónicos SV http://electronicos-sv.blogspot.com/2013_05_01_archive.html Aspectos constructivos Fundamentalmente los motores monofásicos de inducción cuentan con un estator construido de material ferromagnético (por ejemplo, chapas de hierro al silicio) sobre el que se colocan las bobinas principales, tantas como polos tenga el motor. En la FIGURA NO 69 se puede ver, además, un rotor de características similares al estator rodeado de barras conductoras cortocircuitadas en los extremos por anillos formando una “jaula de ardilla” típica de los motores de inducción, (Bastian, et al. 2001). Estas sencillas máquinas conservan la propiedad fundamental de no poseer contactos eléctricos rozantes lo que les confiere una durabilidad muy alta y muy bajo mantenimiento. Si pensamos en un motor de un solo par de polos podemos ver fácilmente que el campo generado por el devanado principal al conectarse a una fuente de tensión alterna tiene una dirección fija y un signo cambiante en forma sinusoidal. Los motores de inducción requieren un campo magnético rotante para inducir las corrientes adecuadas en el rotor y producir un par mecánico. Entonces ¿cómo es que los motores monofásicos pueden funcionar?

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FIGURA NO 69. ESQUEMA DE UN MOTOR MONOFÁSICO

Fuente: Santiago Labollita Máquinas Eléctricas, Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro 2007 Principio de funcionamiento Si el campo magnético es fijo en el espacio y alterno en el tiempo y el rotor de halla bloqueado (por ejemplo al intentar arrancarlo) el circuito electromagnético resultante se asemeja mucho al de un transformador en cortocircuito, donde el rotor haría las veces de secundario. Para comprender el funcionamiento de éstas máquinas debemos imagina que el campo magnético alterno es en realidad la composición de dos campos de módulo constante pero rotantes en sentidos opuestos. En la FIGURA 70 se esquematiza esta construcción abstracta en la que ahora se tiene el equivalente a dos motores trifásicos conectados en secuencias opuestas y unidos por su eje, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 70. COSNTRUCCIÓN DE UNMOTOR MONOFÁSICO A PARTIR DE DOS MOTORES TRIFÁSICOS

Fuente: Santiago Labollita Máquinas Eléctricas, Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro 2007 De ésta forma los rotores no giran ya que en un caso ideal los momentos inducidos a cada lado del eje son iguales y opuestos. Como ya se conoce de la teoría de motores trifásicos, los campos magnéticos rotantes inducen un momento en los rotores que varía con la velocidad de éstos últimos. La curva de torques que generan el campo 1 y 2 se ilustra en la FIGURA NO 71 donde se puede ver que al sumarse los efectos (zona sombreada) no se obtiene ningún par resultante con el rotor detenido. Así llegamos a la característica principal de los motores de inducción monofásicos: no pueden arrancar por si solos, (Stephen, 2012). FIGURA NO 71. EL EFECTO SUMADO DE AMBOS CAMPOS ROTANTES NO DEJA PAR DE ARRANQUE SOBRE EL MOTOR.

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Fuente: Santiago Labollita

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Máquinas Eléctricas, Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro 2007 Si por algún medio, en cambio, se impulsara el rotor en un sentido cualquiera se induciría instantáneamente un par en el eje que aceleraría la máquina hasta alguna velocidad de equilibrio con el par resistente (en vacío, las pérdidas mecánicas propias). Entonces el motor monofásico puede pensarse como dos motores trifásicos opuestos en los que uno prevalece sobre el otro al definirse externamente un sentido de giro, (Stephen, 2012). 4.2 Motores de espira en corto circuito Este motor monofásico se llama así, por utilizar dos o más espiras en corto para su funcionamiento. También tiene otros nombres como: motor de polos camuflados, polos hendidos, polo partido, polo saliente, polos sombreados, polo blindado, polos amortiguadores o espira de Frager, FIGURA NO 72. Este motor es el que posee las peores características de los motores monofásicos de corriente alterna, debe su nombre debido a que el devanado auxiliar de este motor forma un anillo de cobre que se coloca en los polos salientes del mismo. Estos anillos permiten establecer el campo rotatorio necesario para su funcionamiento, (Stephen, 2012). a. Constitución del motor monofásico espira en corto El Estator: Está formado por un núcleo de chapas magnéticas. Entre la cara del polo tiene incrustadas las espiras en corto circuito, y sobre el núcleo la bobina polar inductora. Ver el diagrama abajo. El Rotor: Es del tipo de jaula de ardilla. Espiras de frager: Son espiras de cobre en cortocircuito, colocadas a 180 grados. Este motor eléctrico monofásico tiene un rendimiento muy bajo, por lo tanto se construyen para potencias muy bajas. FIGURA NO 72. MOTOR MONOFÁSICO DE ESPIRA DE CORTO CIRCUITO

Fuente: Adaptado de Santiago Labollita Máquinas Eléctricas, Ingeniería Mecánica. Instituto Balseiro 2007 b. Características del motor monofásico espira en corto 1. Son motores de baja potencia. 2. Funcionan sólo con corriente alterna. 3. La espira en corto ocupa 1/3 del polo saliente. 4. La posición de la espira determina el sentido de giro del rotor. 5. Las espiras en los polos, guardan un desfase de 180 grados. 6. Generalmente no utiliza sistema de enfriamiento. 7. La velocidad se puede variar, variando la resistencia de la bobina polar.

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Se necesitan métodos auxiliares para que estos motores arranquen por sí solos sin necesidad de impulsarlos externamente, FIGURA 73. Anotaciones

FIGURA NO 73. ESQUEMÁ DE UN MOTOR MONOFÁSICO DE ESPIRA DE CORTO CIRCUITO

Fuente: B.S. Gurú. Electric Machinery and transformers. 4.3 Motores de fase partida A este tipo de motor también se le conoce como motor de fase dividida o de fase hendida, es uno de los motores de mayor uso para aplicaciones que requieren potencias fraccionarias. Uno de los devanados se le conoce como devanado principal y tiene resistencia baja e inductancia alta y su función es conducir corriente y establecer el flujo necesario a la velocidad especificada. El otro devanado, denominado devanado auxiliar, tiene resistencia alta e inductancia baja, FIGURA 74. Éste último devanado es desconectado del motor cuando se alcanza una velocidad aproximada a 75% de su velocidad sincrónica, (Stephen, 2012). FIGURA NO 74. ESQUEMÁ DE UN MOTOR MONOFÁSICO DE FASE PARTIDA CON INTERRUPTOR CENTRÍFUGO.

Fuente: B.S. Gurú. Electric Machinery and transformers. Ya que el devanado auxiliar es de sección pequeña, no puede funcionar por mucho tiempo. Se recurre a un interruptor centrífugo que desconecta el circuito auxiliar una vez que el rotor alcanza aproximadamente el 75% de la velocidad asignada. Este sistema se aplica en potencias entre 50W y 500W. a. Motor por capacitor de arranque Este motor incluye un condensador conectado en serie con el devanado auxiliar o de arranque. Éste capacitor permite mejorar la característica de arranque del mo-

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tor y queda desconectado por el interruptor centrífugo, cuando el motor alcanza el 75% de su velocidad sincrónica aproximadamente. Después de ese tiempo el motor queda conectado únicamente con el devanado de trabajo. Éste tipo de motor se recomienda utilizar cuando los requerimientos de par de arranque son de cuatro Recordatorio a cinco veces el par especificado. El capacitor utilizado en este motor es del tipo electrolítico, FIGURA 75, (Stephen, 2012). FIGURA NO 75. ESQUEMÁ DE UN MOTOR MONOFÁSICO DE FASE PARTIDA CON CAPACITOR DE ARRANQUE

Fuente: B.S. Gurú. Electric Machinery and transformers. b. Motor de capacitor de arranque y capacitor de marcha Este motor es el que mejores características presenta entre los motores de tipo fraccionario. El capacitor de arranque le permite desarrollar mejor par de arranque en el motor mientras que el capacitor de marcha permite mejorar funcionamiento. En la FIGURA NO 76 se observa la representación esquemática para este tipo de motor, como se puede apreciar el condensador de arranque es desconectado del motor por medio del interruptor centrífugo una vez que se alcanza una velocidad de aproximadamente 75% de la velocidad sincrónica. Este capacitor es de tipo electrolítico mientras que el capacitor de marcha es del tipo en aceite para corriente alterna y operación continua, (Stephen, 2012). FIGURA NO 76. ESQUEMA DE UN MOTOR MONOFÁSICO CON CAPACITOR DE ARRANQUE Y DE MARCHA.

Fuente: B.S. Gurú. Electric Machinery and transformers. c. Motor de fase dividida permanente A este motor también se le conoce como motor de capacitor dividido permanente, es una versión menos cara que la del motor de arranque por capacitor y marcha por capacitor, FIGURA 77. En este caso el capacitor sirve para proporcionar el arranque del motor y a la vez para su funcionamiento con carga. Debido a que ambos devanados deben permanecer conectados, en este motor no se requiere de un interruptor centrífugo. Se recomienda utilizarlos cuando se requiere accionar cargas con mínimo par de arranque, (Stephen, 2012).

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FIGURA NO 77. ESQUEMÁ DE UN MOTOR MONOFÁSICO CON FASE DIVIDIDA PERMANENTE

Fuente: B.S. Gurú. Diagrama

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Electric Machinery and transformers.

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MÁQUINAS CON CORRIENTE ALTERNA Párrafos tomados del libro Recordatorio

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TEORÍA Y ANÁLISIS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS Autor: Agustín Gutiérrez Paucar, 2012

Ley De Faraday De Inducción Electromagnética “La variación del flujo magnético en una espira induce sobre esta una fuerza electromotriz (f.e.m.). si la espira es un circuito cerrado, la fuerza electromotriz origina una corriente eléctrica, llamada corriente inducida”. Ley De Lenz “La corriente inducida en la espira fluye en un sentido tal que se opone a la variación del flujo magnético, este efecto es tal que la corriente inducida en la espira origina un campo magnético que interacciona con el campo inductor, la interacción entre el campo inductor e inducido se percibe como fuerzas de atracción o repulsión” Excitación electromagnética Existen diversas formas de producir una variación del flujo magnético en una espira, un caso por ejemplo es utilizar un imán permanente, que se mueve en forma oscilante sobre la espira. En FIGURA 78, (a) el imán se acerca a la espira con el norte hacia abajo, esto incrementa la intensidad del campo magnético en el área de la espira, lo que produce una variación del flujo magnético. De acuerdo a la Ley de Faradya esta variación induce sobre la espira una fem, que a su vez origina una corriente, la ley de Lenz sugiere que el sentido de la corriente es tal que su campo inducido se opone a la variación del flujo, es decir la espira se comportará como imán con un norte hacia arriba, ejerciendo una fuerza de repulsión al imán. (b) cuando el imán se aleje, la corriente inducida se invertirá tal que su campo inducido ejercerá una fuerza de atracción sobre el imán, (Bastian, et al. 2001).

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Se puede concluir un comportamiento interesante de la espira, cuando el imán se acerca lo repele y cuando se aleja lo atrae, la persona que manipule el imán podrá percibir esta fuerza de resistencia al mover el imán, lo que significa que la generación de corriente inducida en la espira requiere de hacer un trabajo mecánico. Recordatorio El fenómeno de inducción electromagnético es entonces la clave para transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Mover el imán sobre una espira no es la única forma de inducir fuerza electromotriz y corrientes sobre las espiras, recuerda que lo que Faraday afirma es que se requiere es la variación del flujo magnético, aquí está la clave de la generación. En un generador sencillo, es posible mantener el imán permanente en reposo y hacer que las espiras sean las que se mueva, por ejemplo haciéndolas rotar, este segundo método, se muestra en la FIGURA 79 (a) el sistema se llama alternador. FIGURA NO 78. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE FARADAY. AL MOVER EL IMÁN SOBRE UNA ESPIRA, EL FLUJO MAGNÉTICO VARIABLE EN EL ÁREA DE LA ESPIRA INDUCE SOBRE ESTA UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ QUE DEPENDE DE LA RAPIDEZ CON LA QUE SE MUEVE EL IMÁN.

Fuente: Adisson Wesley Longman Electricidad y Magnetismo FIGURA NO 79. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE FARADAY. AL GIRAR LA ESPIRA, EL FLUJO MAGNÉTICO VARIA EN EL ÁREA DE LA ESPIRA Y SE INDUCE SOBRE ESTA UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ QUE DEPENDE DE LA RAPIDEZ CON LA QUE SE MUEVE EL IMÁN.

Fuente: Adisson Wesley Longman Electricidad y Magnetismo En ambos casos mostrados anteriormente la fuerza electromotriz que se induce es variable, tal como se muestra en la FIGURA 85 (b). Excitación electromagnética con corriente alterna Recordemos que las corrientes generan un campo magnético en su entorno, y que esta se puede intensificar utilizando bobinas con núcleos ferromagnéticos. Entonces esto sugiere que para inducir corriente en una espira se podría utilizar un campo magnético variable generado por una corriente variable en otro circuito. Es decir, para generar una fuerza electromotriz en un circuito se requiere de un segundo circuito, así aparecen los términos circuito inducido y circuito inductor.

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Este es el principio de las máquinas alternas, (Bastian, et al. 2001). Motor de corriente alterna trifásico El principio de funcionamiento se basa en el campo magnético giratorio que crea una corriente alterna trifásica. El motor representado en la FIGURA NO 86 está formado por un par de polos por fase con sus correspondientes devanados, cuyos finales están unidos en un punto común. Aplicamos un sistema trifásico de tensiones equilibradas por los principios de los devanados. Las corrientes que circulan en cada momento son las representadas en la FIGURA NO 80, Por ejemplo, en el instante 1 (0°) la intensidad en la fase a tiene un valor de 10 A y es positiva (va de principio a final del devanado), mientras en las fases b y c las corrientes son de 5 A y son negativas (van del final al principio). Si aplicamos la regla del sacacorchos, podemos determinar el sentido del campo magnético en ese instante. En el instante 2 (60°), actuando de la misma forma vemos que el campo magnético ha girado 60°, y así sucesivamente hasta llegar al instante 7, donde se repite la posición primera. El campo magnético resultante gira a una frecuencia de f vueltas por segundo. Si la máquina tiene p pares de polos, la velocidad, expresada en revoluciones por minuto, sería: n = 60f/p, donde f es la frecuencia y p el número de pares de polos de la máquina, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 80. a) CONSTITUCIÓN DE ESTATOR DE UN MOTOR TRIFÁSICO. b) CORRIENTES QUE CIRCULAN Y CAMPO MAGNÉTICO DESARROLLADO EN EL ES-TATOR DEL MOTOR.

Fuente: McGraw-Hill Motores eléctricos A esta velocidad se le denomina velocidad síncrona y es la que efectúa la división de las máquinas de corriente alterna en síncronas (rotor girando a la velocidad de sincronismo) y asíncronas (el rotor gira a una velocidad menor que la de sincronismo). Pero vamos a retomar el principio de funcionamiento de los motores trifásicos. El campo magnético giratorio corta los conductores del rotor e induce en ellos una fuerza electromotriz. Al estar dichos conductores cortocircuitados, se originan unas corrientes elevadas y en consecuencia, un campo magnético que reacciona con el del estator, lo que da lugar a un flujo común giratorio, (Bastian, et al. 2001). Las corrientes inducidas y el flujo determinan un par de giro sobre el rotor con el mismo sentido que el del campo magnético giratorio. El rotor seguirá el giro del campo magnético, pero a una velocidad menor denominada n2. A la diferencia de velocidades del campo y del rotor se le llama deslizamiento s = 100%. (n1-n2)/n1. Conexión de un motor trifásico Para simplificar, vamos a suponer que se trata de un motor trifásico de rotor en cortocircuito. Disponemos de tres devanados iguales distribuidos en las ranuras del estator, tal como podemos observar en el esquema representado en la FIGURA NO 81 (a). Los tres principios y los tres finales se llevan a una caja de bornes en la que

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se realizan las conexiones, según se muestra en la Figura 87 (b).

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FIGURA NO 81. DIVERSAS FORMAS DE MOSTRAR LA CAJA DE BORNES DE Recordatorio UN MOTOR TRIFÁSICO.

(a)

(b) Fuente: Electricidad y un poco más http://blog.espol.edu.ec/crielectric/tag/electricidad/ Recuerda En los sistemas trifásicos hay dos tipos de conexiones para las bobinas de los motores: la conexión en estrella y la conexión en triángulo. En la conexión en triángulo las tensiones de línea y fase coinciden. Así, si la línea es de 380 V cada una de las fases está conectada a una dife-rencia de potencial de 380 V. En la conexión en triángulo la intensidad de línea es raíz de tres veces superior a la intensidad de fase. En la conexión en estrella la tensión de línea es raíz de tres veces mayor que la tensión de fase. Curvas características El comportamiento de los motores de corriente alterna se estudia a través de sus curvas características, entre las que destacan: a) Característica de velocidad: n = f (P); U = cte.; f = cte. Representa la velocidad del motor en función de la potencia que suministra, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes. En la FIGURA NO 82 podemos ver que la velocidad se reduce muy poco (entre el 2% y el 5 %) al aumentar la potencia que suministra, es decir, la carga, (Bastian, et al. 2001).

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FIGURA NO 82. CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD

Fuente: McGraw-Hill Motores eléctricos b) Curva característica de consumo: I = f (P); U = cte.; f = cte. Simboliza la corriente que el motor absorbe de la red en función de la potencia su-ministrada, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes. En la FIGURA NO 83 podemos observar que la corriente se incrementa a medida que aumenta la carga, pero no según una función lineal. La corriente que el motor absorbe en vacío está comprendida entre el 25 % y el 50 % de la nominal, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 83. CARACTERÍSTICA DE CONSUMO

Fuente: McGraw-Hill Motores eléctricos c) Curva característica de factor de potencia: cos φ= f (P); U = cte.; f = cte. Informa sobre cómo varía el factor de potencia en función de la potencia que sumi-nistra el motor, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes. Tiene interés para conocer el consumo de energía reactiva. En la FIGURA NO 84 podemos com-probar que el factor de potencia con cargas muy bajas es muy pequeño; en vacío está cercano a 0,2. En el punto de potencia nominal suele tener el valor máximo de factor de potencia, (Bastian, et al. 2001).

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FIGURA N° 84. CARACTERÍSTICA DE FACTOR DE POTENCIA

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Fuente: McGraw-Hill Motores eléctricos d) Curva de rendimiento: η = f (P); U = cte.; f = cte. Indica cómo varía el rendimiento de la máquina en función de la potencia que su-ministra. En la FIGURA NO 85 se observa que la forma de la curva aumenta muy rápidamente hasta llegar a un valor máximo, en el cual las pérdidas fijas (PFe + Pm) son iguales a las variables (PCu), para luego disminuir de manera más o menos lenta, (Bastian, et al. 2001). FIGURA NO 85. CARACTERÍSTICA DE RENDIMIENTO.

Fuente: McGraw-Hill Motores eléctricos Objetivos

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CONTROL DE LECTURA N.° 2 Esta actividad puede consultarla en su aula virtual. Glosario

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Alternador.- s una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido a un Anotaciones campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo atraviesa. Capacitor.- s un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje. Histéresis magnética.- es el fenómeno que permite el almacenamiento de información en los platos de los discos duros o flexibles de los ordenadores: el campo induce una magnetización, que se codifica como un 0 o un 1 en las regiones del disco. Esta codificación permanece en ausencia de campo, y puede ser leída posteriormente, pero también puede ser invertida aplicando un campo en sentido contrario. Interruptor centrífugo.- Un interruptor centrífugo es un interruptor eléctrico que funciona con la fuerza centrífuga creada desde un eje de rotación, lo más común es que sea de un motor eléctrico o de un motor de gasolina. El interruptor se diseña para activar o para desactivar en función de la velocidad rotatoria del eje. Máquina sincrónica.- Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna que convierte energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizada como motor síncrono, o bien convierte energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizada como, generador síncrono, o sin carga como compensador sincrono. Máquina asincrónica.- es una descripción de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos Monofásico.- Un sistema monofásico es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por una única corriente alterna o fase y por lo tanto todo el voltaje varía de la misma forma. Reluctancia magnética.- La de un material o circuito magnético es la resistencia que este posee al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. Tensión trifásica.- es un sistema de tres tensiones alternas ,acopladas, ( se producen simultáneamente las 3 en un generador), y desfasadas 120º entre si (o sea un tercio del Periodo). Tranformador.- Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

UNIDAD III: MÁQUINAS ELÉCTRICAS II MOTORESdeDesarrollo CA contenidos

Objetivos

Inicio

Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

BIBLIOGRAFÍA DE LA UNIDAD III

Bastian, P., et al. (2001). Electrotecnia. Volumen 1 de Ciclos formativos. Madrid-España: McGraw-Hill. Ediciones Akal S.A. Fraile, M. J. (2008). Máquinas Eléctricas, 6 Ed. Madrid-España: Mc Graw-Hill. Anotaciones

Stephen J. Chapman (2012). Máquinas eléctricas, 5 Ed. Madrid-España: McGraw-Hill.

Objetivos

Inicio

Actividades

Autoevaluación

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD III

Glosario

1. El campo magnético presente en el estator de una máquina sincrónica de cuatro polos y conectada a una red de frecuencia de 60 Hz, gira con una ve-locidad constante Bibliografía igual a: a) 1600 RPM

Anotaciones

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

b) 1500 RPM c) 1000 RPM d) 750 RPM e) 1800 RPM 2. Con respecto al rotor mostrado en la figura:

a) Es de seis polos lisos. b) Es de tres polos lisos c) Es de seis pares de polos salientes d) Es de tres pares polos salientes e) Es de tres pares de polos salientes 3. La siguiente figura muestra el esquema del estator de una máquina:

Bibliografía

ollo nidos

Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

UNIDAD III: MÁQUINAS ELÉCTRICAS II MOTORES CA

a) Trifásica b) Monofásica Anotaciones

c) Bifásica d) Hexapolar e) Monopolar 4. En una máquina de corriente alterna la diferencia entre la velocidad de sin-cronismo y la velocidad del rotor se denomina: a) Desfase b) Deslizamiento c) Delta d) Asincronismo. e) Reactancia 5. La siguiente figura muestra el esquema de un motor:

a) Monofásico b) Bifásico c) Trifásico d) Alternador e) Universal 6. Una característica del motor sincrónico trifásico es que: a) El rotor requiere de una fuente de corriente alterna trifásica. b) el rotor requiere de una corriente alterna monofásica. c) No tiene par de arranque. d) Se comportan como un transformador. e) contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de campo y un devanado en cortocircuito. 7. En los motores con rotor de jaula de ardilla: a) Está conectado a una fuente trifásica b) Está conectada a una fuente bifásica c) Se conecta en serie con el estator d) no está conectado eléctricamente a ninguna fuente. e) Se conecta en paralelo con el estator 8. En la siguiente figura se muestra el esquema de un transformador monofási-co, en

UNIDAD III: MÁQUINAS ELÉCTRICAS II MOTORESdeDesarrollo CA contenidos

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

el primario tiene 200 espiras y en el secundario 300 espiras, si se co-necta a una fuente alterna de voltaje máximo 220 V en el primario, ¿Cuál es el voltaje máximo de salida en el secundario?

a) 110 V b) 55 V c) 330 V d) 25 V e) 12 V 9. Los motores de jaula de ardilla estándar tienen unas características de velo-cidad “rígidas” porque: a) La carcasa del rotor es completamente rígida. b) La velocidad n sólo disminuye ligeramente conforme aumenta la carga. c) Sus precios son costosos y se mantiene rígido. d) Son máquinas muy duraderas por su dureza. e) Son rotores de varillas en forma de jaula muy rigidez. 10. Un motor trifásico el rotor es conocido: a) Jaula de ardilla. b) Tiene tres pares de escobillas. c) No tiene escobillas. d) No le hace falta estator. e) Tiene escobillas de ardilla.

Bibliografía

ollo nidos

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Actividades

AutoevaluaciĂłn

as nadas

Glosario

BibliografĂa

torio

Anotaciones

Desarrollo de contenidos

Diagrama

Desarrollo de contenidos

Diagrama Lecturas seleccionadas

Objetivos

Inicio

Actividades

Recordatorio Diagrama

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Autoevaluación

DIAGRAMA DE PRESENTACIÓN DE LA UNIDAD IV Objetivos Glosario

Inicio Bibliografía

Actividades

EJEMPLOS

ACTIVIDADES

Autoevaluación

Anotaciones

autoevaluación Lecturas seleccionadas

Lecturas seleccionadas

UNIDAD IV: TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

CONTENIDOS Desarrollo de contenidos Recordatorio

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Glosario

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía

ORGANIZACIÓN DE LOS APRENDIZAJES Anotaciones Objetivos

Inicio

CONOCIMIENTOS

PROCEDIMIENTOS

ACTITUDES

Tema N.°1: Fuentes de enerDesarrollo Actividades y Autoevaluación gías renovables no renovade contenidos bles

1. Analiza las principales fuentes y empresas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica

1. Interés por ampliar y profundizar los temas tratados en el curso 2. Cumple oportunamente con la presentación de las actividades encomendadas 3. Asume una posición crítica de las fuentes de información que utiliza en su aprendizaje 4. Respeto de las normas de seguridad eléctrica

1.1 Generación de Energía Eléctrica Glosario Bibliografía 1.2 Transmisión de Energía Eléctrica

Lecturas seleccionadas

1.3 Distribución de Energía Eléctrica Tema N.°2: Electrónica digital Anotaciones

Recordatorio

2.1 Dispositivos electrónicos 2.2 Circuitos lógicos 2.3 Automatismos en lógica cableada 2.4 Automatismos en lógica programable Lectura seleccionada N.°1 DISEÑO DIGITAL UTILIZANDO LÓGICA PROGRAMABLE (Oliver, 2007). Diseño Digital Utilizando Lógica Programable: Aplicaciones a la Enseñanza http://iie.fing.edu.uy/publicaciones/2007/Oli07/Oli07. pdf Tema N.°3: Electrónica industrial 3.1 Control electrónico máquinas eléctricas 3.2 Métodos de arranque Tema N.°4: Proyectos eléctricos 4.1. Expediente Técnico del Proyecto 4.2. Metrado y Presupuesto de Materiales 4.3. Planos Eléctricos. Código Nacional de Electricidad. Simbología

2. Describe los principales componentes y dispositivos electrónicos 3. Analiza el automatismo de la lógica cableada y la lógica programable 4. Reconoce las diferen-tes partes de un pro-yecto eléctrico 5. Interpreta los símbolos de planos eléctricos 6. Evalúa expedientes de proyectos eléctricos. Metrado y presupuesto de materiales Actividad N.°1 Tarea académica N.º2

Bibliografía

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torio

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

CONOCIMIENTOS Lectura seleccionada N.°1 Anotaciones

METRADOS PARA OBRAS DE EDIFI-CACIÓN (Dirección Nacional de construcción, 2010). Metrados para obras de edifi-cación y habilitaciones urbanas. http://www. vivienda.gob.pe/popup/Documentos_pdf/RD_2010_073_ DNC.pdf

Autoevaluación de la unidad IV

PROCEDIMIENTOS

ACTITUDES

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

TEMA N.°1: FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES Introducción

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

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Recordatorio

Anotaciones

El sector eléctrico de Perú se nutre principalmente de energía de centrales hidro-eléctricas y de gas natural, pero se ha incorporado a su matriz energética 142 MW eólicos entre 2013 e inicios del 2014. En este tema se tratara la generación de energía eléctrica, lo cual es muy importante para comprender nuestras fuentes de energia. 1.1 Generación de energía eléctrica La generación de energía eléctrica renovables son: Hidroeléctrica La energía hidroeléctrica es el único recurso renovable explotado en el Perú. La ins-talación hidroeléctrica más grande del país es complejo del Mantaro de 900 MW, (Tamayo, 2011). El sector eléctrico en el Perú ha experimentado sorprendentes mejoras en los últi-mos 15 años. Se ha mejorado la calidad y la eficacia de la prestación del servicio. Estas mejoras fueron posibles gracias a las privatizaciones posteriores a las refor-mas iniciadas en 1992. Al mismo tiempo, las tarifas de electricidad han permanecido en consonancia con el promedio de América Latina. Sin embargo, aún quedan muchos retos. Los principales son el bajo nivel de acceso en las áreas rurales y el potencial sin explotar de algunas energías renovables, en concreto la energía hidroeléctrica, la energía eólica y la energía solar. El marco re-gulador de energías renovables incentiva estas tecnologías pero en volúmenes muy limitados ya que una mayor oferta implicaría un aumento en el costo de la energía del país, (Tamayo, 2011). La capacidad actual de generación de electricidad está dividida de manera uniforme entre las fuentes de energía térmica e hidroeléctrica. En 2006, el consumo total de electricidad en el Perú era de 24 TWh, lo que corresponde a 872 kWh per cápita al año. A continuación se muestran los porcentajes de consumo para los diferentes sectores económicos: (Tamayo, 2011) Industrial: 66%; Residencial: 24% Comercial: 19%; Iluminación pública: 3% Desde el punto de vista de las demandas proyectadas, el Ministerio de Energía y Minas estimó que la demanda de electricidad aumentaría entre el 5,6% y el 7,4% al año entre 2007 y 2015. Se esperaba que la demanda de electricidad per cápita al-cance los 1.632 kWh en 2030, (Tamayo, 2011). La industria de generación eléctrica en el Perú es conformada por empresas de ge-neración tanto privadas como del Estado, 37 de éstas conforman las empresas in-tegrantes del Comité de Operación Económica del Sistema Nacional (COES-SINAC), las cuales han puesto a disposición de este Comité sus unidades de generación, para que éste las requiera a operación según un despacho económico en tiempo real de todo el conjunto. En la Tabla 1 se muestra inventario de centrales hidroeléctricas del Perú, (Tamayo, 2011).

Bibliografía

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ollo nidos

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Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

Anotaciones

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

TABLA 1. INVENTARIO DE CENTRALES HIDROELECTRICAS DEL PERU Potencia Instalada (MW)

Producción de Energía (GWh)

264.4

1 446.20

Duke Energy

Carhuaquero

592.4

EGENOR

Galito Ciego

38.1

64.3

EGENOR

Yanango

42.8

205.6

EDEGEL

Huinco

258.4

861.6

EDEGEL

130.5

S.M. CORONA

Cahua

43.1

205.6

CAHUA

Huampani

31.5

213.7

EDEGEL

Callahuanca

75.1

547.8

EDEGEL

Matucana

128.6

748.4

EDEGEL

Moyopampa

518.3

EDEGEL

Yaupi

108

824.1

Electro Andes

Malpaso

54.4

134.1

Electro Andes

Chimay

153

938

EDEGEL

S. A. de Mayolo

798

4 965.80

Electroperu

Restitución

210

1 605.80

Electroperu

Machupicchu

718.5

EGEMSA

Sab Gaban II

113.1

789.3

SAN GABAN

Charcani V

145.4

629.3

EGASA

Aricota 1

24.3

56.8

EGESUR

Nombre Cañon del Pato

Huanchor

Empresa

FUENTE : MINISTERIO DE ENERGIA Y MINAS - MAPA 2004. www.minem.gob.pe/electricidad/pub_inicio.asp Eólica La energía eólica es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire. La energía eólica es utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales, (Tamayo, 2011). El Atlas Eólico de Perú contiene la información detallada sobre la enorme capacidad de energía eólica disponible. También se puede descargar los mapas eólicos con datos mensuales, por departamento, por altura (50, 80 y 100m) y densidad de energía. Según estudios del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), se estima que el potencial de energía eólica de Perú es de 19 GWh/año o aproximadamente el 70% del consumo actual de electricidad. Las provincias de Talara, Laguna Grande, Marcona y Punta Atico son las que tienen el mayor potencial de energía

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

Lecturas seleccionadas

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Glosario

eólica pero no ha sido hasta ahora cuando se ha aprobado un marco regulador para desarrollar el potencial de energía eólica de Perú.

El Decreto Legislativo 1002 (Ley de Recursos Energéticos Renovables, RER), es la norma que regula las subastas de contratos de suministro de energía por veinte Recordatorio años al sistema nacional interconectado. Este año 2014 se esperaba una nueva asignación de contratos a proyectos eólicos pero el gobierno ha decidido postergarlo hasta la próxima licitación, el próximo año. Solar La energía solar es el recurso energético con mayor disponibilidad en casi todo el territorio Peruano. En la gran mayoría de localidades del Perú, la disponibilidad de la energía solar es bastante grande y bastante uniforme durante todo el año, comparado con otros países, lo que hace atractivo su uso. En términos generales, se dispone, en promedio anual, de 4-5 kWh/m2 día en la costa y selva y de 5-6 kWh/ m2 día, aumentando de norte a sur. Esto implica que la energía solar incidente en pocos metros cuadrados es, en principio, suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de una familia. El problema es transformar esta energía solar en energía útil y con un costo aceptable, (Tamayo, 2011). Por otro lado, con los paneles fotovoltaicos, o simplemente llamados “paneles solares”, se puede transformar la energía solar directamente en electricidad. La fabricación de los paneles fotovoltaicos requiere alta tecnología y pocas fábricas en el mundo lo hacen, pero su uso es sumamente simple y apropiado para la electrificación rural, teniendo como principal dificultad su alto costo. Geotérmica Se llama energía geotérmica a la energía que puede obtenerse mediante el aprove-chamiento del calor del interior de la Tierra. El interior de la tierra está caliente y la temperatura aumenta con la profundidad. Las capas profundas, pues, están a tem-peraturas elevadas y, a menudo, a esa profundidad hay capas freáticas en las que se calienta el agua: al ascender, el agua caliente o el vapor producen manifestacio-nes en la superficie, como los géiseres o las fuentes termales, utilizadas para baños desde la época de los romanos. Actualmente, el progreso en los métodos de perfo-ración y bombeo permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo, (Tamayo, 2011). Mareomotriz La energía mareomotriz se debe a las fuerzas gravitatorias entre la luna, la tierra y el sol, que originan las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa entre estos tres astros. Esta diferencia de alturas puede aprovecharse en lugares estratégicos como golfos, bahías o estuarios utilizando turbinas hidráulicas que se interponen en el movimiento natural de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la gene-ración de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctri-ca, una forma energética más útil y aprovechable, (Tamayo, 2011). Biomasa La formación de biomasa a partir de la energía solar se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis vegetal que a su vez es desencadenante de la cadena bio-lógica. Mediante la fotosíntesis las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales sin valor energético, en mate-riales orgánicos con alto contenido energético y a su vez sirven de alimento a otros seres vivos. La biomasa mediante estos procesos almacena a corto plazo la energía solar en forma de carbono. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o carburantes de origen vegetal, liberando de nuevo el dióxido de carbono almacenado. 1.2. Transmisión de energía eléctrica No basta con construir centrales eléctricas para atender la creciente demanda. Es necesario tomar medidas en el ámbito de la transmisión eléctrica, de modo que se

Anotaciones

Bibliografía

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ollo nidos

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Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

Anotaciones

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

eviten futuras congestiones en el transporte de la electricidad, permitiendo hacer uso de las nuevas centrales sin restricciones, (Tamayo, 2011). Como se ha mencionado el suministro eléctrico es una actividad económica com-puesta de tres fases, que deben realizarse simultáneamente y, por tanto, en coordinación. Estas son la generación, transmisión y distribución. El sub-sector de generación se encarga de producir la energía eléctrica; el sub-sector de transmisión en conectar (transportar) dicha electricidad de los generado-res a los distribuidores, y el de distribución de entregarnos dicha energía en nuestras casas, oficinas o industrias. Dentro de este esquema de funcionamiento, para entender la actividad de transmi-sión es importante tomar en consideración lo siguiente: •

os generadores y distribuidores pueden encontrarse a muchos kilómetros L de separación.

•

La energía eléctrica no puede almacenarse, por lo que su generación y distribución para el consumo es en “tiempo real”. Así, debido a ese consumo instantáneo, una vez generada la energía eléctrica ésta se inyecta en una línea de transmisión.

•

En general, las centrales generan electricidad en media tensión (usualmente a 10 kilo Voltios -kV).

¿Cómo se realiza la transmisión? El transmisor toma la energía eléctrica que le proporciona el generador, pero esta energía se encuentra en media tensión. Hay que tener en cuenta que para transportar gran cantidad de electricidad, y por grandes distancias, es necesario hacerlo en nivel de alta tensión, con el fin de minimizar las pérdidas eléctricas en el transporte. Entonces, mediante el uso de transformadores, debe realizarse un procedimiento que eleve la tensión de la energía eléctrica, (Tamayo, 2011). La energía es transportada hasta las ciudades, llegando a ella en un nivel de alta tensión. Pero para ingresar a la ciudad la energía debe ser transformada dos veces: primero a media tensión y luego a baja tensión, de modo que la energía sea adecuada para su uso en los aparatos eléctricos de nuestras casas e industrias. La electricidad que utilizamos en nuestras casas para prender la radio, foco o televisor es de 220 voltios. Finalmente cabe recalcar lo siguiente: •

La distancia (kilómetros) que recorre la energía influye en la energía que se debe de inyectar, así como el asegurar su voltaje necesario.

•

n el transporte se producen pérdidas de energía, las cuales se han venido E re-duciendo desde la entrada de inversiones en este sector. La pérdida de energía es una consecuencia natural del transporte, (si bien no se puede evitar, si puede ser disminuido a través de mejoras, por ejemplo, en el cableado o en los transformadores). Es por ello que la cantidad que se despacha desde una central de generación es siempre mayor a la que se consume finalmente.

•

Lo que permite transportar la energía de un punto a otro se denomina línea de transmisión. Debido a que las líneas de transmisión usan distintos niveles de tensión (voltios) para transportar la electricidad se denominan:

√

Baja Tensión (120/240 V a 600 V)

√

Mediana tensión (2.4 kV. a 69 kV.)

√

Alta tensión (115 kV. a 230 kV.)

√

Extra alta tensión (345 kV. a 765 kV.)

√

Ultra alta tensión (> 765 kV.)

El Sistema Eléctrico Interconectado Nacional Gracias a la interconexión, la energía que nosotros recibimos puede llegar de dife-rentes lugares del país. La interconexión permite llevar energía desde las centrales más eficientes (económicas) a cualquier punto que se encuentre dentro del Sistema. Asimismo, permite ampliar las posibilidades de suministro de energía y cubrir una mayor población con electricidad. De no existir el Sistema Interconectado

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

Lecturas seleccionadas

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Glosario

la demanda de las ciudades tendría que ser abastecida por centrales que producen electricidad a un mayor costo, (Tamayo, 2011).

Pero la interconexión no es sólo útil por la transmisión de energía más barata, sino que además permite que ante la eventualidad de fallo de alguna CentralRecordatorio de generación de energía otra pueda entrar a cubrir la producción necesaria para las ciudades. Así por ejemplo, la ciudad de Lima podría ser atendida tanto por la Central Hidroeléctrica de Santiago Antunez de Mayolo en Huancavelica como por la Central Térmica de Ventanilla que se ubica a sólo unos kilómetros de la ciudad. La posibilidad de tomar la electricidad de uno u otro sitio se debe a que la mayoría de líneas de transmisión están interconectadas (superando los 15 mil km) Sin embargo, todavía existen sistemas aislados de transmisión en el país, los cuales se irán incorporando poco a poco al Sistema Interconectado Nacional. 1.3. Distribución de Energía Eléctrica Las empresas distribuidoras son las que finalmente se encargan de la entrega del servicio de energía eléctrica a los usuarios residenciales e industriales. (Tamayo, 2011). En el año 2010, la venta a cliente final por sectores económicos de consumo tuvo la siguiente distribución: 56% Industrial, 18% Comercial, 24% Residencial y 2% Alumbrado Público. Asimismo, los consumos de energía para las actividades económicas como manufactura y minería fueron: 8 175,6 GW.h (28%) y 7 468,5 GW.h (25%) respectivamente, cuyos porcentajes se refieren a la participación determinada respecto a las ventas totales a cliente final.

TEMA N.°2: Electrónica digital Introducción La electrónica digital ha permitido crear circuitos eléctricos capaces de controla cualquier sistema mecánico o eléctrico. Este tema nos permitirá comprender el control y automatización de sistemas en la industria. 2.1 Dispositivos electrónicos Los dispositivos electrónicos de potencia son: los diodos, los transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor UJT, el transistor PUT y el diodo Shockley. Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO). (Valentín, 2012). Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los elec-trodos principales. El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: • Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción). • Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia. • Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. • Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro. • El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento

Anotaciones

Bibliografía

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ollo nidos

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Actividades

Autoevaluación

as nadas

Glosario

Bibliografía

torio

Anotaciones

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia. 2.2 Circuitos lógicos Un circuito lógico es aquel que maneja la información en forma de “1” y “0”, dos niveles lógicos de voltaje fijos. “1” nivel alto o “high” y “0” nivel bajo o “low”. Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y combinaciones poco o muy complejas de los circuitos antes mencionados. (Valentín, 2012). Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como los compuertas, entre otros. •

compuerta nand (No Y)

•

compuerta nor (No O)

•

compuerta or exclusiva (O exclusiva)

•

mutiplexores o multiplexadores

•

demultiplexores o demultiplexadores

•

decodificadores

•

codificadores

•

memorias

•

flip-flops

•

microprocesadores

•

microcontroladores,. etc.

La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones. Aunque los circuitos electrónicos podrían parecer muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples. En un circuito lógico digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples. (Valentín, 2012). 2.3 Automatismos en lógica cableada También conocida como lógica de contactos, la lógica cableada es la forma de realizar controles, en la que el tratamiento de datos se efectúa en conjunto con contactores. Un automatismo eléctrico constará de uno o varios circuitos cuya finalidad es la de alimentar eléctricamente a unos actuadores encargados de realizar un trabajo. Este trabajo será típicamente mecánico aunque también podría ser calorífico, o generar un aviso luminoso, sonoro, etc. El resultado del actuador también podría ser la conexión de sistemas de potencia o generadores eléctricos. (Valentín, 2012). Conveniencia de los circuitos de mando Cuando se pretende alimentar un actuador o sistema eléctrico permitiendo cierto grado de maniobra no limitada únicamente a la apertura o cierre es conveniente separar el esquema eléctrico en dos: uno principal o de potencia y otro secundario o de mando (y señalización). (Valentín, 2012). El circuito principal será el encargado de transmitir la potencia al elemento accionado. Constará de tres o cuatro hilos o conductores en el caso de alimentación alterna trifásica o de dos hilos en caso de alimentación monofásica o de corriente continua y a los niveles adecuados de tensión (220 V o superior). Estos conductores deberán soportar el paso de la corriente para el que las máquinas estén diseñadas, (Wakerly 2001). El circuito de mando será el encargado de realizar las funciones de temporización, autorretención, enclavamiento, etc. que nos permitan un mayor control del proceso o dispositivo. Consta de dos hilos porque se trabaja generalmente con alimentación alterna monofásica de 220 V o menor. Los elementos que forman parte del circuito de mando no maniobran con elevadas potencias y por tanto no se les exigen las mismas condiciones que los elementos del circuito de potencia (son más baratos). De este modo, al separar el circuito en dos, se consigue:

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

Lecturas seleccionadas

•

na simplificación en los esquemas, pues se trabaja con dos esquemas difeU rentes más sencillos Un ahorro en cableado, pues el mando se encarga a un circuito monofásico en vez de trifásico (el usual en la industria).

•

Un ahorro en los elementos, pues a los elementos del circuito de mandoRecordatorio no se les exigen las mismas características que a los de potencia.

•

Si el elemento a alimentar es de escasa potencia y la maniobra que se pretende realizar es simple, no suele haber esta separación.

Necesidad de los elementos de protección Además de las acciones de maniobra que pueden englobarse en lo que se denominaría la operación normal de la instalación, existen otras acciones que son necesarias para proteger los elementos de la instalación o para proteger a las personas. De estas acciones se encargan los elementos de protección. Dentro del primer grupo, los destinados a la protección de los elementos, se encuentran todos los dispositivos encargados de detectar condiciones anormales de funcionamiento y de realizar las acciones oportunas para evitar las consecuencias dañinas de ese mal funcionamiento. Estas acciones generalmente provocan la interrupción de la alimentación del elemento en situación anormal. Esta acción de interrupción a veces es instantánea tras la detección de la situación y otras veces permite cierto retardo en función de la gravedad de la situación. Los principales elementos dentro de este grupo son los relés térmicos o magnetotérmicos y los fusibles, que se encargan de detectar (los relés) o detectar y despejar (los fusibles) las sobrecargas y cortocircuitos, (Wakerly 2001). En este sentido conviene introducir el concepto de condiciones nominales. Son aquellas por encima de las cuales el equipo no está garantizado que funcione perfectamente durante el periodo de vida del mismo: •

Si se trabaja por encima de la tensión nominal, es posible que los aislamientos no soporten esa tensión y se produzcan descargas y contorneamientos. También puede dar lugar a corrientes mayores de las esperadas.

•

i se trabaja por encima de la intensidad nominal las pérdidas por efecto S Joule son demasiado elevadas y es posible que el sistema de refrigeración del equipo no permita disipar ese calor, con lo que la temperatura sube excesivamente y puede dañar el aislamiento. Por otro lado, un par por encima del nominal en una máquina rotativa puede producir una fatiga excesiva del material o directamente ocasionar la rotura del eje.

Dentro del segundo grupo de dispositivos de protección, los que se refieren a la protección de las personas, el principal es el relé diferencial, que detecta fugas de corriente. Elementos en una instalación eléctrica A continuación se describirán brevemente los principales elementos de los circuitos de mando, protección y potencia de baja tensión. Pulsador Es un contacto que tiene una sola posición estable. Esta posición estable permitirá el paso de corriente y en este caso será un pulsador normalmente cerrado o pulsador de apertura (o pulsador de paro), o bien no lo permitirá y será un pulsador normalmente abierto o pulsador de cierre (o pulsador de marcha), (Wakerly 2001). Contactor Es un elemento de accionamiento electromagnético con una posición de reposo. Su misión es la de establecer la corriente de alimentación de un dispositivo eléctrico (típicamente un motor) al ser accionado, o bien modificar la forma en que sea alimenta, FIGURA 94. Esto se consigue aplicando tensión a la bobina del contactor. Cuando la bobina deja de ser excitada, sus contactos volverá a su estado de reposo dejando de alimentar la instalación o motor al que estaba conectado. En definitiva, el contactor permite, al ser activado, o impide, al ser desactivado, el paso de corriente en una parte del circuito de potencia, (Wakerly 2001).

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FIGURA No 87. CONTACTOR

Fuente: gama-me.com http://www.gama-me.com/sites/default/files/3rt1015-1ap02_0.jpg El contactor se divide en tres partes fundamentales, FIGURA 87. •

ontactos de potencia a través de los cuales se alimenta el circuito de potenC cia.

•

Contactos auxiliares, utilizados para el circuito de mando o maniobra.

•

Electroiman. Elemento mecánico que acciona los contactos de potencia y maniobra. o auxiliares. FIGURA No 88. PARTES DE UN CONTACTOR

Fuente: automatismoindustrial http://automatismoindustrial.files.wordpress.com/2012/10/contactor2.jpg Relé Elemento típicamente usado en protección aunque por su funcionamiento puede desempeñar funciones de maniobra, FIGURA 96. Relés usados en protección Son dispositivos que muestrean una o varias magnitudes eléctricas y en función de su valor o de la relación entre las magnitudes son capaces de detectar si existe un mal funcionamiento del sistema que están controlando. (Wakerly 2001).

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FIGURA No 96. RELE SIEMES

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Fuente: sumnistroselectricos http://www.suministroselectricos.com/303-482-thickbox/rele-sobrecarga-siemens-3ru1116-1cb0.jpg Interruptor Elemento de maniobra con dos posiciones estables. Interrumpe o establece la in-tensidad nominal o con leve sobrecarga. Aunque se confunde este término con el de disyuntor, el interruptor propiamente dicho de baja tensión no interrumpe la intensidad de cortocircuito, FIGURA 97, (Wakerly 2001). FIGURA No 97. INTERRUPTOR

Fuente: Belgram http://www.belgram.com.ar/images/siemens_interruptor_termica.jpg 2.4. Automatismos en lógica programable La lógica programable, como el nombre implica, es una familia de componentes que contienen conjuntos de elementos lógicos (AND, OR, NOT, LATCH, FLIPFLOP) que pueden configurarse en cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte. Hay varias clases de dispositivos lógicos programables: ASICs, FPGAs, PLAs, PROMs, PALs, GALs, y PLDs complejos, (Wakerly 2001). ASIC ASIC significa Circuitos Integrados de Aplicación Específica y son dispositivos defi-nibles por el usuario. Los ASICs, al contrario que otros dispositivos, pueden contener funciones analógicas, digitales, y combinaciones de ambas. En general, son programables mediante máscara y no programables por el usuario. Esto significa que los fabricantes configurarán el dispositivo según las especificaciones del usuario. Se usan para combinar una gran cantidad de funciones lógicas en un dispositivo. Sin embargo, estos dispositivos tienen un costo inicial alto, por lo tanto se usan

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principalmente cuando es necesario una gran cantidad. Estructura básica de un PLD Un dispositivo programable por el usuario es aquel que contiene una arquitectura general pre-definida en la que el usuario puede programar el diseño final del dispo-sitivo empleando un conjunto de herramientas de desarrollo. Las arquitecturas ge-nerales pueden variar pero normalmente consisten en una o más matrices de puer-tas AND y OR para implementar funciones lógicas. Muchos dispositivos también contienen combinaciones de flip-flops y latches que pueden usarse como elementos de almacenaje para entrada y salida de un dispositivo. Los dispositivos más com-plejos contienen macrocélulas. Las macrocélulas permiten al usuario configurar el tipo de entradas y salidas necesarias en el diseño, (Wakerly 2001). PROM Las PROM son memorias programables de sólo lectura. Aunque el nombre no implica la lógica programable, las PROM, son de hecho lógicas. La arquitectura de la mayoría de las PROM consiste generalmente en un número fijo de términos AND que alimenta una matriz programable OR. Se usan principalmente para decodificar las combinaciones de entrada en funciones de salida. Esta memoria es conocida como ROM programable de la sigla en inglés Program-mable Read Only Memory. Este tipo de memoria a diferencia de la ROM no se pro-grama durante el proceso de fabricación, en vez de ello la programación la efectúa el usuario y se puede realizar una sola vez, después de la cual no se puede borrar o volver a almacenar otra información, (Wakerly 2001). En la FIGURA 98 se observa la disposición interna de una celda de memoria y los fusibles correspondientes. FIGURA NO 98. CELDA DE MEMORIA DE UNA PROM

Fuente: virtual.unal.edu.co http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2000477/lecciones/100301. htm El proceso de programación de una PROM generalmente se realiza con un equipo especial llamado quemador. Este equipo emplea un mecanismo de interruptores electrónicos controlados por software que permiten cargar las direcciones, los datos y genera los pulsos para fundir los fusibles del arreglo interno de la memoria. PAL Las PAL son dispositivos de matriz programable. La arquitectura interna consiste en términos AND programables que alimentan términos OR fijos. Todas las entradas a la matriz pueden ser combinadas mediante AND entre si, pero los términos AND específicos se dedican a términos OR específicos. Las PAL tienen una arqui-

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tectura muy popular y son probablemente el tipo de dispositivo programable por usuario más empleado. (Wakerly 2001). FIGURA 98 FIGURA NO 98. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA PAL

Fuente: virtual.unal.edu.pe http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2000477/lecciones/040401. Objetivos Inicio htm

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LECTURA SELECCIONADA N.°1 Lecturas seleccionadas

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DISEÑO DIGITAL UTILIZANDO LÓGICA PROGRAMABLE Diseño Digital Utilizando Lógica Programable: Aplicaciones a la Enseñanza (Juan Anotaciones Pablo Oliver, 2007)

Recordatorio

http://iie.fing.edu.uy/publicaciones/2007/Oli07/Oli07.pdf El hardware programable tiene ciertas diferencias y ciertas similitudes con la arquitectura tradicional de un sistema basado en un microprocesador ejecutando instrucciones de programa leídas de una memoria. La similitud es que también tiene una memoria, escondida para el usuario, en la cual se debe cargar el código de configuración. El código que se carga en dicha memoria es intrínsecamente diferente del software. El software está diseñado en base a instrucciones que se ejecutan secuencialmente una tras otra, en cambio el código de configuración, a ser cargado en un chip reconfigurable, no contiene instrucciones a ser ejecutadas, sino que indica cómo deben interconectarse las celdas que se encuentran dentro de una FPGA. Es decir que es una descripción de un determinado circuito electrónico. Al no ejecutar instrucciones en forma secuencial se puede aprovechar el paralelismo de todo el hardware disponible, pudiendo obtenerse importantes mejoras en velocidad. ¿Qué sucede cuando el sistema contiene elementos configurables? Aquí el concepto de software no puede aplicarse tal cual, ya que no hay un set de instrucciones a ejecutar. Pero sí hay una memoria en la que se almacena la configuración del circuito a implementar. Podría interpretarse como una instrucción muy larga que determina las interconexiones del hardware configurable. Algunos autores llaman a este flujo de datos de configuración configware. Otro punto importante es la reconfiguración del hardware, esto significa flexibilidad, y permite desarrollar múltiples aplicaciones con una misma plataforma, y con una misma inversión inicial. Puede hacerse una analogía al desarrollo del software, al abaratarse las computadoras personales y los compiladores o los ambientes de desarrollo de software el mismo tuvo un crecimiento explosivo. Salvando las dis-

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tancias, la posibilidad de contar con plataformas reconfigurables de bajo costo, y he-rramientas de diseño hardware, han producido un crecimiento importante en diseños reutilizables ofrecidos a terceros en un proceso que tiene un interesante paralelismo con el fenómeno del opensource en el software, pero que es de aparición mucho más reciente. Hay autores que justifican esta demora en la aparición, y posterior proliferación, de los microprocesadores en los años ’70, ya que durante varios años los microprocesadores pudieron satisfacer la demanda de cálculo para la gran mayoría de las aplicaciones. El desarrollo de herramientas de diseño asistido ha llevado a incorporar una gran cantidad de conceptos de software en el diseño hardware, y se puede realizar una analogía entre los procesos. En el caso de un programa escrito en un lenguaje de alto nivel existe una compilación y posteriormente una optimización del mismo que lleva a obtener instrucciones en lenguaje de máquina o lenguaje ensamblador. Análogamente en el diseño de un circuito, que parte de una especificación en un lenguaje de descripción hardware, se realiza un proceso de compilación del mismo y luego un proceso de síntesis y optimización que dan como resultado un circuito eléctrico como un listado de componentes e interconexiones. Es necesario entonces que el ingeniero electrónico que se mueve en esta frontera conozca ambos procesos, tanto en sus semejanzas como en sus diferencias. ¿Dónde poner entonces la frontera entre hardware y software? En general, para resolver un determinado problema, existen variadas soluciones que van desde un sistema “puramente” software hasta soluciones cien por ciento hardware. La fronte-ra puede moverse de acuerdo a criterios de ingeniería que involucran velocidad, consumo, confiabilidad o costos. Podríamos decir que existe una relación dialéctica entre el hardware y el software. Dispositivos Lógicos Programables Los dispositivos lógicos programables pueden ser definidos como circuitos lógicos digitales en los cuales el usuario puede grabar el circuito a implementar. Los prime-ros dispositivos programables fueron pensados para simplificar diseños digitales realizados con compuertas discretas, los modernos dispositivos ahora son reconfi-gurables en los cuales se puede implementar una aplicación completa (SoPC, System on a Programmable Chip). Los dispositivos lógicos programables pueden clasificarse de acuerdo a la tecnología utilizada en su fabricación, que estará directamente asociado a la forma de progra-marse, y de acuerdo a su complejidad. Estas clasificaciones no son ortogonales ya que la tecnología utilizada además de determinar el tipo de programación posible determinará, junto con la densidad y la arquitectura interna, el grado de complejidad del dispositivo. La primer idea de implementación de un dispositivo lógico reprogramable, es decir con programación dinámica, es atribuida a Wahlstrom que en 1967 propone un cir-cuito con estas características. La tecnología de integración de circuitos utilizada en esa época no permitía incluir gran cantidad de transistores en un chip y por lo tanto la idea de Wahlstrom no tiene demasiada repercusión, ya que se debían utilizar una gran cantidad de transistores adicionales solo para programar el dispositivo. Pasarían casi dos décadas hasta que un dispositivo conceptualmente similar fuera desa-rrollado por Xilinx en 1985 y patentado por Freeman. Para esa época la patente de Wahlstrom ya estaba caduca. Entre estos dos hitos históricos aparecen los dispositivos programables con pro-gramación no volátil, y que en principio tienen una evolución propia, tanto en el modo de programación como en la estructura interna, que mayoritariamente están basados en lógica en dos niveles. Hoy en día la frontera entre CPLDs y FPGAs es mucho más borrosa, ya que por ejemplo una de las últimas familias de CPLDs desarrolladas por Altera, la familia MAX, si bien tiene programación no volátil, la misma está almacenada en una me-moria Flash interna al chip, y se carga en una SRAM de configuración al inicializar el dispositivo. Almacenamiento de la configuración

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La configuración de los dispositivos lógicos programables debe almacenarse de algún modo dentro del dispositivo, si analizamos las diferentes formas de almacenamiento de la configuración veremos que se utilizan las mismas que para las memorias de almacenamiento de datos, y estas son: Recordatorio PROM (Programmable Read-Only Memory), o también llamados dispositivos OTP (One Time Programmable). Estos dispositivos solo pueden programarse una vez. Tradicionalmente son dispositivos de bajo costo que se utilizan en producción una vez que el diseño a programar está terminado y probado. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory). Estos dispositivos per-miten múltiples programaciones permitiendo el borrado con luz ultra-violeta. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Similares a los anteriores, pero el borrado se realiza en forma eléctrica. Los dispositivos más primitivos se borran utilizando tensiones especiales más elevadas que los niveles lógicos utilizados por el dispositivo en funcionamiento. Las versiones más nuevas ISP (In System Programability) permiten el borrado y la nueva programación utilizando niveles lógicos de voltaje de modo que no es necesario extraer el integrado del sistema y ponerlo en un programador, sino que se puede programar en el propio sistema en el cual es utilizado. PLICE (Programmable Low-Impedance Circuit Element) Antifuse, esta tecno-logía es propietaria de Atmel y actúa al revés que un fusible: cuando no es programado es un aislante, cuando se programa se genera un camino de baja resis-tencia. ViaLink Antifuse es la tecnología utilizada por Quicklogic, funciona igual que el PLICE Antifuse, pero presenta menor resistencia y menor capacidad parásita. (300 ohms para el PLICE y 50 ohms para Vialink). Flash SRAM (Static Random Access Memory), las memorias Flash tienen la ventaja de ser eléctricamente borrables como las EEPROM pero utilizan celdas de menor tamaño parecidas a las utilizadas por las EPROM. SRAM (Static Random Access Memory). La programación se escribe exacta-mente igual que como se escriben datos en una RAM estática. Estos dispositivos son los que introducen el cambio cualitativo que los hace reconfigurables. Pueden ser reconfigurados repetidas veces en forma muy rápida, sin alterar la vida útil del dispositivo. Los dispositivos basados en SRAM son los únicos que permiten una configuración dinámica. Si bien en los demás dispositivos (excepto los basados en PROM y Antifuse), existe la posibilidad de configurarlos múltiples veces, la cantidad de configuraciones que aceptan está limitada a unas 10.000 y su configuración es lenta. Por el contrario los dispositivos basados en SRAM permiten “infinitas” reprogramaciones y por lo tanto son los únicos que pueden ser utilizados para aplicaciones de lógica reconfigurable, tanto en aplicaciones clásicas como en aplicaciones que requieran reconfiguración en tiempo de corrida (run-time). Algunos de los dispositivos basados en SRAM incorporan una característica extra que es la reconfiguración parcial. Esto quiere decir que se puede configurar una parte del dispositivo mientras el resto del mismo sigue en operación normal. La reconfiguración parcial tiene múltiples ventajas: permite tener varios diseños en un mismo chip y cambiarlos por partes, permite reducir el tiempo de programación de cada parte, y por lo tanto simplifica su utilización para reprogramaciones en tiempo de corrida. Los tiempos de configuración dependen de la cantidad de bits de configuración de cada chip y de la máxima frecuencia de reloj con la cual cada dispositivo puede ser programado. Para poner algún ejemplo cargar la configuración completa en un Xilinx XCV1000E, con unas 27.500 celdas lógicas, lleva aproximadamente 12,5 ms. Las últimas innovaciones en configuración de dispositivos incluyen la compre-sión/ descompresión del flujo de datos de configuración como forma de ahorrar tiempo y espacio de almacenamiento; y el encriptado de los datos para proteger los diseños. También se han incluido formas de programación remota para poder ac-tualizar

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versiones en sistemas ya diseñados. Arquitecturas de dispositivos programables Programmable Read Only Memory PROM Las memorias usualmente se utilizan para almacenamiento de datos, pero pueden ser vistos como circuitos digitales que pueden implementar funciones booleanas. Desde el punto de vista lógico una memoria PROM de N bits de direcciones está constituida por un primer nivel de compuertas ANDs completo (todos los minitérminos posibles), y un segundo nivel de compuertas OR (tantas como salidas) programable. Con esta configuración es posible implementar cualquier función lógica de N variables. Las primeras PROMs fueron desarrolladas por Harris en 1970, y en 1971 Intel introduce las EPROMs borrables con luz ultravioleta. El problema con la utilización de PROMs para la implementación de funciones booleanas es que usualmente son dis-positivos de baja velocidad. Programmable Logic Array PLA Los primeros dispositivos lógicos programables comerciales fueron las PALs. Estos dispositivos estában pensados para implementar funciones lógicas en dos niveles AND-OR, pero no tenían el plano AND completo, sino programable. De esta forma no es posible implementar cualquier función lógica de un determinado número de entradas sino sólo aquellas funciones que sean minimizables y puedan ser repre-sentadas con la cantidad de términos productos disponibles dentro del chip. El se-gundo nivel o plano OR también es programable. Estos dispositivos fueron comer-cializados a principios de los ‘70s pero no tuvieron mayor éxito debido a su baja performance, a su alto costo y a que no existían herramientas CAD que corrieran en computadores de bajo costo. PALs (Programmable Array Logic) Los PALs introducidos en 1978 por Monolithic Memories Inc (MMI), fueron la segunda generación de dispositivos desarrollados y básicamente son una simplificación de los PLAs. Este tipo de dispositivos mantiene la estructura de dos planos AND-OR, pero mientras el plano AND es programable, el plano OR se simplifica y pasa a ser fijo. Al reducir las interconexiones programables se logra mayor velocidad. Estos dispositivos tuvieron mayor éxito comercial que los anteriores y se utilizaron ampliamente en la sustitución de diseños realizados con lógica discreta del tipo “glue-logic”. Además de poder realizar funciones booleanas se agrega un flip-flop por cada compuerta OR, de modo de poder realizar circuitos secuenciales. Así aparece el concepto de celda, macrocelda (macrocell) o CLB (Configurable Logic Block), un bloque programable capaz de implementar una determinada función lógica más una celda de memoria o flip-flop. Cellular Arrays Otro tipo de dispositivos programables que presenta un enfoque diferente de los vistos anteriormente, están formados por un conjunto de elementos simples inter-conectados entre sí, pero en ellos las interconexiones son básicamente fijas, siendo programable la función que realiza cada elemento. Antecedentes de cellular arrays pueden encontrarse a fines de los años ’60 y principios de los ’70, pero sus primeras versiones comerciales datan de mucho tiempo después, a fines de los ‘80 Algotronix desarrolla el dispositivo llamado Cellular Array Logic or CAL. PLDs (Programmable Logic Device) y CPLDs (Complex Programmable Logic Device) Los CPLDs son herederos directos de las PALs y podrían clasificarse en la misma categoría. La celda básica es igual y está realizada en dos niveles AND-OR, con el primer nivel AND programable y el nivel OR fijo; y con el elemento de memoria o Flip-Flop a la salida del OR. El almacenamiento de la programación es por EEPROM o Flash. Permiten la realimentación de la salida de una celda hacia la matriz de interconexión; de esta forma se puede lograr sintetizar funciones lógicas

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complejas de más de dos niveles o máquinas de estados si se realimentan las sali-das de los FF. Poseen matrices de interconexiones programables, y usualmente las celdas están agrupadas en una estructura jerárquica, con conexiones rápidas entre vecinos. Hay una diferenciación de bloques de entrada-salida. Como ejemploRecordatorio de arquitectura comercial veremos la serie MAX 3000A de Altera. FPGAs (Field Programmable Gate Array) En 1984 Xilinx desarrolla un nuevo dispositivo que denomina Logic Cell Array (LCA), basado en un concepto diferente a los PLDs. Los LCAs están compuestos de una gran cantidad de celdas lógicas cuya función es programable, dichas celdas pueden ser interconectadas mediante conexiones programables de varios tipos. Estos dispositivos y sus desarrollos posteriores dan origen a las hoy llamadas FPGAs. Las FPGAs están basados en una estructura regular de bloques de procesamiento e interconexiones programables, rodeados de bloques dedicados a entrada salida. Las interconexiones usualmente están organizadas en forma de una malla jerárquica, disponiéndose de caminos rápidos entre bloques contiguos, caminos verticales y caminos horizontales. De esta forma los elementos de procesamiento forman una isla rodeada de líneas de interconexión. Los elementos de procesamiento pueden realizar funciones simples de un bajo nú-mero de entradas para dar como resultado una única salida. Esos bloques o celdas internamente están compuestos por una Look-Up Table (LUT) más algún elemento de memoria o flip-flop. EEl tamaño de la LUT más utilizado es de cuatro entradas, que permite implementar cualquier función lógica de cuatro entradas, o lo que es lo mismo una tabla de verdad de 16 renglones.

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Esta actividad puede consultarla en su aula virtual. Lecturas seleccionadas

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TEMA N.°3: Electrónica industrial Anotaciones

Introducción La electrónica industrial ha permitido crear circuitos digitales capaces de controlar cualquier sistema mecánico o eléctrico. Este tema nos permitirá comprender el control y automatización de sistemas en la industria, sobre todo el control electrónico de las maquinas electrica. 3.1 Control electrónico de máquinas eléctricas Regulación de la velocidad Aunque son de sobra conocidas las ventajas del motor de inducción en cuanto a robustez, sencillez, coste y mantenimiento, su uso generalizado en aplicaciones de regulación de velocidad no ha llegado hasta esta última década, (Théodore, 2007). Ello ha sido gracias al: • Desarrollo de dispositivos electrónicos de potencia (IGBT) de fácil control, alta frecuencia de conmutación y capacidad media de potencia. • Desarrollo de sistemas de control digital (DSP) con gran potencia computacional y recursos propios de microcontroladores de gama alta (converti-

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dores A/D, E/S digitales, temporizadores, watchdog, unidades de captura y comparación) que permiten la implementación en tiempo real de complejos algoritmos de control. •

Disminución de coste de los dispositivos y de los sistemas.

Para comprender los principios básicos de la regulación de la velocidad de los motores asíncronos, se recuerda que la velocidad de giro de estas máquinas en r.p.m. viene expresada por (Théodore, 2007):

Por lo tanto, de acuerdo con la expresión anterior existen tres procedimientos para cambiar la velocidad n a saber: a)

Variar el número de polos (p) de la máquina

Cambiar la frecuencia de alimentación (f1).

Modificar el deslizamiento(s).

Los procedimientos prácticos para variar la velocidad de un motor asíncrono se basan fundamentalmente en el control de la frecuencia y del deslizamiento, y este a su vez se puede controlar indirectamente ajustando la tensión de alimentación aplicada a la máquina. Control de la tensión y frecuencia de línea De acuerdo con la ecuación anterior y conforme a lo dicho, un método para variar la velocidad de giro de un motor asíncrono es, cambiar la frecuencia de alimentación f¡ que llega al estator, pues ésta modifica la velocidad de sincronismo del campo magnético giratorio y por ende la velocidad mecánica de giro que es cercana a aquélla en virtud del pequeño valor del deslizamiento en este tipo de máquinas. Sin embargo hay que tener en cuenta que el flujo magnético en el entrehierro es directamente proporcional a la f.e.m. inducida en cada devanado del estator e inversamente a la frecuencia, (Théodore, 2007). Por consiguiente una reducción en la frecuencia de alimentación f1 produce un aumento del flujo magnético φm. Para evitar la saturación del núcleo magnético debido al aumento del flujo, deberá aumentarse proporcionalmente la f.e.m. (E1). Sin embargo la forma más sencilla de regular esta f.e.m. es controlando la tensión de alimentación V1, de este modo al variar la frecuencia de alimentación f1 siempre que se cambie al mismo tiempo la tensión aplicada V1 se conseguirá una buena regulación de la velocidad del motor, (Théodore, 2007). La realización práctica de este sistema de control requiere el uso de dos convertidores electrónicos: un rectificador controlado y un inversor. El rectificador controlado transformará la tensión trifásica de la red en una etapa intermedia de c.c., de tal modo que se puede regular la tensión que llega al inversor modificando el ángulo de encendido de los tiristores del rectificador controlado. El inversor produce una tensión trifásica cuya frecuencia depende de la secuencia de impulsos que se aplican a las puertas de sus tiristores, de este modo al motor asíncrono llega una tensión variable en frecuencia y tensión. Si se considera que a la frecuencia nominal o frecuencia base, la tensión aplicada al motor es la tensión nominal. Por debajo de esta frecuencia, el flujo se mantiene constante, variando la frecuencia pero haciendo que sea constante el cociente tensión/frecuencia con lo que se consigue que el par máximo sea el mismo para todas las curvas par-velocidad que resultan para las frecuencias inferiores a la nominal o base, (Théodore, 2007). Por encima de la frecuencia nominal, no se puede realizar el mismo tipo de control de conservar inalterable la relación V1/f1, ya que obligaría a aumentar la tensión por encima de su valor nominal, y es por ello que la tensión se fija en el valor nominal y se aumenta la frecuencia paulatinamente en esta zona, esto provoca una disminución del flujo magnético en el entrehierro, lo que se traduce en una reducción del valor par máximo, en todo el rango de variación superior. Esta acción corresponde al control por reducción de campo, por lo que es posible funcionar en

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esta zona en un régimen de potencia constante.

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Cuando se requiere un control muy preciso de la velocidad de un accionamiento movido por un motor asíncrono, el circuito anterior no es capaz de cumplir tal objetivo y debe completarse con algún lazo de realimentación que incorpore una Recordatorio medida de la velocidad del motor. En este caso se fija la velocidad de consigna desde el exterior por medio de la tensión de referencia n*; el tacogenerador acoplado al eje del motor produce una f.e.m proporcional a la velocidad real de la máquina (n). Hay un nudo sumador en el que se restan ambas tensiones (velocidades), dando lugar a la tensión de error de velocidad n* - n, que se procesa a través de un controlador proporcional integral PI para reducir el error acero y mejorar la dinámica del lazo de control; la parte proporcional de este controlador incluye un factor p/60, siendo p el número de pares de polos del motor, para convertir la diferencia de velocidades medida en r.p.m. en una frecuencia equivalente del circuito del rotor f*2. A continuación existe un regulador de la frecuencia anterior, que es simplemente un limitador, que fija el valor de la frecuencia de consigna del rotor f*2 para que no sea superior a la que corresponde a la condición de par máximo, limitando de este modo la corriente del inversor a un valor permisible. A continuación existe otro sumador que suma la frecuencia f*2 con la frecuencia eléctrica de giro del rotor np/60, generando de este modo la frecuencia de consigna en el valor f*1= f*2 + np/60, que debe producir el inversor que alimenta el motor, (Théodore, 2007). Por otro lado, esta señal f*1 se lleva a un generador de funciones para producir la señal de referencia de tensión V1* que debe aplicarse a la máquina y que regula los impulsos de disparo del rectificador controlado, haciendo que la máquina funcione con el cociente V1*/ f*1 constante. Si la frecuencia f*1 que llega al generador de funciones es inferior a la frecuencia (velocidad) base, este generador suministra una tensión proporcional de la forma V1*=k • f*1 + V0, donde V0 representa la tensión necesaria que debe aplicarse al estator, para que el motor trabaje con flujo nominal a velocidad cero, y donde k se elige de tal modo que la máquina trabaje a la tensión nominal o asignada cuando el valor de la frecuencia es la nominal. Cuando f*1 es superior a la frecuencia base fb se produce una saturación del bloque generador de funciones, lo que limita el valor de V1* a su valor máximo, que es igual a la tensión nominal. De este modo, por debajo de la frecuencia base se tiene una regulación simultánea de V1* y f*1, la primera de las cuales se utiliza para cambiar la salida del rectificador controlado y la segunda para modificar la frecuencia del inversor, manteniendo en cada momento el cociente V1*/ f*1 constante. Por encima de la frecuencia base, el valor de V1* es constante y la regulación de velocidad se hace a través de la frecuencia de salida del inversor y que va fijando la frecuencia f*1. Si se considera que la máquina está girando en una situación determinada a velocidad n y se aumenta la velocidad de consigna n*, se produce un error de velocidad positivo que satura el regulador de la frecuencia del rotor f2, dando lugar a una salida máxima de f*2; de este modo el motor se acelera aumentando la corriente de la máquina hasta el valor máximo permitido por el inversor, lo que da lugar al máximo par de aceleración posible hasta que se consigue reducir el error de velocidad cero. El accionamiento que mueve el motor alcanza el régimen permanente para un valor de f*2 para el cual se cumple el balance de pares motor y resistente. El proceso inverso tiene lugar si se reduce la velocidad de consigna n*. Otro sistema de regulación que se utiliza para el control de los motores asíncronos es el uso de ciclo convertidores. En este caso este sistema electrónico produce una tensión trifásica variable en amplitud y frecuencia directamente, sin que se requiera una etapa de c.c. Intermedia, (Théodore, 2007). El inconveniente de los ciclo convertidores es que el rango de variación de la frecuencia producida varía solamente entre 0 y 1/3 de la frecuencia de alimentación. Este sistema de regulación se emplea principalmente en motores de gran potencia, debido a la complejidad del equipo de control de disparo de los tiristores. Las prestaciones del motor en cualquier punto de trabajo; la variación de la frecuencia de la tensión de alimentación permite regular la velocidad del motor, pero también provoca una variación indeseada del flujo y del par en el motor, debido al fuerte acoplamiento de las variables.

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Anotaciones

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3.2 Métodos de arranque Variadores de velocidad Existen dos posibilidades de regular la velocidad, una con los variadores mecánicos y otra con los electrónicos. Los variadores mecánicos Son los que aparecieron en primer lugar para poder controlar o regular la velocidad de los coches teledirigidos, sin ellos sólo habría dos posibilidades: o velocidad máxima, o coche parado. Esto se da todavía en algunos coches a escala de juguete, que montan un pequeño motor, unas baterías y un interruptor, (Théodore, 2007). Para regular la velocidad se ideó un sistema que consiste en interponer entre la batería y el motor una resistencia variable. Es decir al empezar a acelerar la resistencia (R) que se interpone entre la batería y el motor es la máxima posible, por lo que al ser la I=V/R y considerar la tensión constante (V), la intensidad (I) de la corriente, es decir la cantidad de electricidad que llega al motor, es mínima. A medida que la resistencia se va haciendo menor, mayor intensidad llegará al motor y el vehículo irá más rápido. La velocidad máxima se conseguirá cuando ninguna resistencia se interponga entre las baterías y el motor. Los variadores mecánicos tienen inconvenientes respecto a los variadores electrónicos, como son: • Pérdida de energía: Excepto cuando se va a la máxima velocidad, parte de la energía de las baterías se pierde en las resistencias en forma de calor. Es decir siempre gastaremos prácticamente los mismos electrones, vayamos a la mínima o a la máxima velocidad. • Poco progresivos: incluso el mejor modelo no se puede comparar al variador electrónico más básico. • Lentos en la respuesta, ya que dependen de un servo mecánico. • Limitados a motores no muy potentes: ya que la altas intensidades acaben por quemar literalmente el variador. • Poca seguridad, ya que cuando se agotan las baterías se detiene el servo de aceleración y el variador puede quedar en una posición diferente a la neutra, quedando la máquina fuera de control. • Requieren un mantenimiento continuo. • Poco duraderos: el sistema de contactos no es perfecto y el paso de grandes intensidades de corriente hace que se deterioren llegando un momento en que la reparación no sea posible y haya que proceder a comprar uno nuevo. • Peso y espacio: en los variadores mecánicos hay que incluir además de su peso, el del servo de dirección, resistencias cerámicas etc, por lo que son más pesados que los electrónicos. Además requieren más espacio libre para su instalación. Pero no todo son inconvenientes, ya que tienen una ventaja fundamental: su precio, hasta 10 veces inferior a los electrónicos. Los variadores electrónicos Tienen la gran ventaja de solucionar la gran mayoría de los problemas de los variadores mecánicos, pero lógicamente su precio es mucho más elevado. Hicieron su aparición a principios de los años 80, con el fin de solucionar los inconvenientes de los variadores mecánicos. Los primeros en aparecer eran grandes, pesados y muy caros, y debido a los transistores bipolares que empleaban, las resistencias eran elevadas, calentándose de manera importante, por lo que tampoco eran utilizables con motores excesivamente potentes, (Théodore, 2007). Más tarde, a mediados de los 80, aparecieron los transistores MOS-FET (Metal Oxide Silicone - Field Effect Transistor) es decir transistores con efecto de campo de silicona-óxido metálico y se dio un paso significativo en la obtención de variadores eficientes, siendo la antesala de los avanzados variadores de que disponemos actualmente.

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

Lecturas seleccionadas

Los variadores electrónicos están formados por varios bloques de circuitos electrónicos que presenten varias funciones dependiendo de la tarea final a realizar. Así, podemos destacar las siguientes funciones incluidas en la mayoría de variadores de velocidad que podemos encontrar en el mercado: Recordatorio •

Arranque y variación de velocidad.

•

Inversión del sentido de marcha.

•

Desaceleración, aceleración, parada.

•

Protecciones del motor y variador.

•

Comando dos hilos o tres hilos.

•

Velocidades preseleccionadas.

•

Memorización de la configuración en el variador.

•

Inyección de corriente continua en la parada.

•

Conmutación de rampa.

•

Retoma al vuelo, etc...

Varias funciones pueden ser afectadas sobre una misma entrada lógica. Podemos encontrar una amplia variedad de variadores de velocidad en el mercado, cada uno de los cuales será adecuado a un tipo de uso, dentro de las múltiples funciones que un solo variador puede realizar (aparte de variar la velocidad de la máquina, tal y como hemos indicado anteriormente pueden realizar otras funciones).

TEMA N.°4: Proyectos eléctricos Introducción Los proyectos de ingeniería eléctrica tienen como finalidad establecer expedientes y procesos que permitan que estos proyectos se culminen en los costos y tiempos programados. Por esta razón en te tema veras como se elabora un expediente téc-nico. 4.1 Expediente Técnico del Proyecto A continuación se muestra el esquema de un expediente técnico que debe tomarse como referencia. (Théodore, 2007). Partes de un expediente técnico: NOMBRE DEL PROYECTO

UBICACIÓN Municipio Distrital Provincia Departamento

Fecha

CONTENIDO

Proyectista

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Glosario

Anotaciones

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

Información general

Diagnóstico de la situación actual

3. Formulación Anotaciones

4. Presupuesto 5. Evaluación ANEXOS 1.

Plano general

2. Fotografías

1. INFORMACIÓN GENERAL 1.1

Código (a ser asignado por el FPA)

1.2

Nombre del proyecto

1.3 Ubicación Departamento

Provincia

Distrito

Altitud (m.s.n.m)

Comunidad (es): Acceso vía: km: 1.4

Horas de viaje:

Tipo de proyecto (marcar con X)

Mejoramiento 1.5

Nuevo

Indicar si fue presentado a otras entidades (marca con X).

Sí

Entidad _____________ Resultado ______________

1.6

Indicar si el proyecto se encuentra en el plan estratégico local.

Sí 1.7

El proyecto está aprobado por alguna institución

Sí

Adjuntar documentos de aprobación

1.8

Población beneficiada

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Número de familias de la comunidad Número de familias beneficiadas por el proyecto

1.9

Marco de referencia – antecedentes del proyecto

Describir los hechos más importantes como el origen del proyecto, nivel de estudios existentes y su relacionamiento con otros proyectos e instituciones si fuera el caso. 1.10 Resumen del proyecto (no extender a más de una página) √

Objetivos y beneficios.

√

Descripción general del proyecto

•

Infraestructura.

•

Operación y Mantenimiento.

√

Familias beneficiadas.

√

Periodo de ejecución (meses).

√

Costo de infraestructura y costo total.

√ Sostenibilidad. √

Riesgos e impactos ambientales.

2. DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL 2.1 Situación del servicio existente y descripción de la infraes-tructura actual •

Describir el sistema actual

•

Describir las obras del sistema:

Indicar capacidades, condiciones, estado de conservación, pérdidas de conducción, etc. •

Determinar eficiencia actual y deficiencias de todo el sistema. 2.2 Situación actual del sistema de operación y mantenimiento

Operación y Mantenimiento - Describir los aspectos siguientes: •

escribir la organización de Operación y Mantenimiento (MunicipaliD dad, Unidad de Gestión Municipal, JASS, Comité)

•

Documentos legales:

- Estatutos y reglamentos.

- Reconocimiento de la entidad de Operación y Mantenimiento, actas, libros contables.

•

Padrón de usuarios

•

Sistema de cobranza actual y montos de pago.

•

Personal que se ocupa de operación y mantenimiento.

•

Actividades de mantenimiento actualmente

•

Deficiencias del sistema actual

3. FORMULACIÓN 3.1

Definición del problema

Definir el problema central y sus causas. 3.2

Objetivos del proyecto y resultados

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

Describir el objetivo central del proyecto el cual debe reflejar los resultados que se quiere lograr. Anotaciones

3.3

Demanda y oferta

•

I ndicar población actual y futura: Módulo de consumo, demanda (promedio, máximo diarios y máximo horario)

•

Oferta de agua en base a aforos de las fuentes.

•

Balance del nivel de cobertura de la población.

3.4

Descripción Técnica de las Alternativas Propuestas (Atención: este punto es fundamental para la evaluación)

Infraestructura •

as obras planteadas deben analizarse bajo 2 o 3 alternativas de L solución, en base a consideraciones técnicas, económicas. sociales y ambientales y luego proponer la alternativa mas viable para que sea esta la que se diseñe en el expediente técnico.

•

n caso consideren que a este nivel no es todavía viable realizar la elecE ción adecuada, debe indicarse para que a nivel de expediente técnico se estudie las alternativas.

•

ara sustentar las alternativas técnicas deberá describirse condiciones P topográficas, geológicas, climatológicas, logísticas y capacidades tecnológicas de la región donde se ubica el proyecto.

Operación y Mantenimiento •

eben preferirse las actividades que son necesarias para la gestión D adecuada del proyecto en estos componentes.

Educación sanitaria •

ebe indicarse las actividades previstas para mejorar los niveles de D educación sanitaria de la población.

ADJUNTAR UN PLANO GENERAL DEL SISTEMA O COMO CONDICIÓN MÍNIMA UN CROQUIS

3.5

Metas y cronograma de ejecución (diagrama de Gantt)

Ítem

Referencia

Meses 1

Actividades

2 3 4 4. PRESUPUESTO 4.1 Resumen presupuestal y financiero

Cuadro 1:

Costo directo

Ítem

Referencia

Materiales

Equipo mecánico

Mano de obra

Costo

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Servicios contratados

TOTAL

Cuadro 2:

Presupuestos

Ítem

Referencia

Infraestructura

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Costo

a) Costo directo (C.D) b) Gastos generales (10% de C.D) c) Imprevistos (5% de C.D) 2.

Servicios contratados por el FPA (detracciones) a) Supervisión (8% de Infraestructura) b) Capacitación (costo fijo) *

TOTAL PROYECTO (1+2)

* Se considera un monto de S/. 30,000. En el caso de conglomeraciones se sumará S/. 5,000 por cada localidad adicional.

Cuadro 3:

Financiamiento

Referencia

FPA

MD *

Demandante*

Colaboradora

TOTAL

En efectivo Valorizado TOTAL

NOTA: El aporte de la alianza debe ser como mínimo 20% del total

Justificación Sólo se considerará como aporte propio valorizado, equipo mecánico, en caso de Municipios y Mano de obra en caso de los Demandantes, con las justificaciones siguientes: 1. Justificación de equipo mecánico

• Trabajos a realizar y metrado.

• M aquinarias requeridas - rendimientos y horas de trabajo requeridas.

• Costo por hora y valorización total.

2. Justificación de Mano de Obra

• Trabajo(s) a realizar y metrado.

• Rendimiento y Nº de jornales requeridos.

• Nº de beneficiarios y jornales por usuario.

• Valor del jornal y valorización total.

5. EVALUACIÓN 5.1

Evaluación económica

5.2

Aspectos sociales

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

(Grado de interés de los beneficiarios, organización y descripción de aporte de mano de obra para la ejecución del proyecto, nivel de organización para O y M). Anotaciones

5.3

Sostenibilidad

(Cuotas mensuales o tarifas previstas conforme al acta del sobre Nº 1, aportes en mano de obra para operación y mantenimiento, ingresos y costos totales de la entidad de O y M; Compromisos de terceros (municipalidad distrital o provincial). 5.4

Aspectos ambientales

(Describir los impactos positivos y negativos del proyecto y las medidas de mitigación a implementarse, cuando es necesario). 5.5

Análisis de riesgos por efectos naturales y medidas de protección

Describir riesgos naturales que existen en la zona y que pueden afectar las obras y su funcionamiento adecuado como son derrumbes, inundaciones etc. 5.6

Justificación final de la alternativa propuesta

Indicar los puntos principales que a su criterio justifican el financiamiento y la ejecución de la alternativa propuesta del proyecto. 4.2 Metrado y Presupuesto de Materiales Costos de un proyecto de infraestructura Los costos de un proyecto de infraestructura son de capital importancia para la viabilidad de la misma. •

na correcta estimación de los costos del proyecto permitirá elaborar una U oferta adecuada y competitiva.

•

Una de las tareas clave para el cálculo correcto de los costos, es la adecuada y minuciosa estimación del METRADO de la obra a ejecutar, porque permitirá establecer la cantidad necesaria de materiales, mano de obra y equipo que serán utilizados en su realización.

•

l METRADO de un proyecto está íntimamente relacionado con los Costos E Directos de la obra. El cálculo de los Costos Indirectos será más fácil en la medida que podamos estimar el volumen de los trabajos y el tiempo que tomará su realización.

Clasificación de los costos a)

Según su participación en el proceso constructivo, los costos se clasifican en:

•

OSTOS DIRECTOS = ∑ (Materiales, Mano de obra (incluyendo leC yes so-ciales), Equipos y Herramientas).

•

OSTOS INDIRECTOS= ∑ (Depreciación de los activos fijos como C Inmuebles; Energía, Alquiler de local, Maquinarias, Supervisión, etc.)

b) Según su variación en función del volumen de las actividades, los costos se clasifican en:

•

ostos Fijos: son aquellos costos que permanecen inalterables ante C cualquier volumen de operación, ejemplo: Sueldos de la gerencia, Alquileres, Depreciación, Servicios, etc.

•

Costos Variables: son aquellos que varían de acuerdo al volumen de producción, ejemplo: Materias Primas, Mano de Obra Directa, Destajo, Materiales auxiliares, Energía, etc.

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Lecturas seleccionadas

El METRADO es un conjunto ordenado de datos obtenidos mediante la medición y la lectura de los planos de la infraestructura a construir. Dicha lectura es una interpre-tación de las dimensiones del diseño realizado enRecordatorio los planos y se ejecuta con la ayuda de un escalímetro o de un software como Autocad. El METRADO se realiza con el objetivo de cuantificar los trabajos a realizar y así calcular el costo de los mismos. Para lograr este objetivo debe hacerse un estudio integral de los PLANOS y las ESPECIFICACIONES TECNICAS del proyecto. Es muy importante interrelacionar los planos de: Arquitectura, Estructuras, Instalaciones Sanitarias y las Instalaciones Eléctricas. Durante el estudio del proyecto será necesario reunir cada actividad en grupos bien definidos: según sus características, su similitud con otras tareas, momento de eje-cución, etc. Los criterios para esta agrupación serán determinados por el experto. Cada grupo de tareas recibirá la denominación de “PARTIDA”. Las partidas del proyecto Una PARTIDA es un conjunto de trabajos agrupados de acuerdo a determinados criterios, con el fin de hacer su medición, programación, evaluación y costos. El orden para ejecutar estos trabajos es de primordial importancia porque nos da la secuencia en que se tomarán las medidas de los planos. 4.3 Planos Eléctricos. Código Nacional de Electricidad. Simbología Por principio, los planos, los diagramas y los esquemas eléctricos se dibujan en es-tado de reposo. Esto significa que se dibujan sin tensión aplicada o bien sin que circule la corriente y las piezas mecánicas sin accionar. Si hubiera diferencias res-pecto a estas reglas, deberán indicarse explícitamente en los planos. Hay tres tipos básicos de planos: •

Plano general.

•

De funcionamiento.

•

De circuitos. Inicio

Diagrama

Objetivos

Desarrollo de contenidos

Actividades

Autoevaluación

LECTURA SELECCIONADA N.°2 Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

METRADOS PARA OBRAS DE EDIFICACIÓN Recordatorio

Fuente: Metrados para obras de edificación y habilitaciones urbanas. (Dirección Nacional de Construcción, 2010). Anotaciones http://www.vivienda.gob.pe/popup/Documentos_pdf/RD_2010_073_DNC.pdf INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS

En cuanto se refiere a instalaciones eléctricas de edificaciones en general, el metrado debe considerar las partidas necesarias, las mismas que deben tomar en cuenta las partes que conforman la instalación eléctrica de utilización: conexión a la red externa (acometida, caja de conexión) si fuese necesario, alimentadores, subalimentadores, tableros, circuitos derivados. El metrado correspondiente a la conexión a la red externa, cuenta con una partida específica. El metrado correspondiente a las salidas para alumbrado, tomacorrientes y fuerza, es decir parte de la instalación que corresponde a los circuitos derivados, considera tres subpartidas: • Salidas (salidas para alumbrado, tomacorrientes, etc.).

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Glosario

Anotaciones

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

• Canalizaciones, Conductos o tuberías. • Conductores en tuberías. Anotaciones

El metrado correspondiente a los alimentadores y/o sub alimentadores, dependiendo de cada caso debe considerar las siguientes sub partidas: • Salidas (cajas de derivación o de paso). • Canalizaciones, conductos o tuberías. • Conductores en tuberías. • Cruzadas con ductos de concreto. Para el caso de los circuitos de señales débiles deberán considerarse las partidas siguientes: • Salidas (salidas para señales débiles). • Canalizaciones, conductos o tuberías. • Conductores en tuberías. • Sistemas de conductos. CONEXIÓN A LA RED EXTERNA DE MEDIDORES Extensión de trabajo Por lo general la conexión al servicio público de electricidad es por cuenta del propietario y los trabajos los ejecuta la empresa de servicio público de electricidad, sin embargo, podrían haber labores accesorias como cajas de paso, obras de albañile-ría, etc. para efectuar la instalación del suministro eléctrico. Unidad de medida Global (Glb) Forma de medición El cómputo global significa que se pondrá una cifra total por la instalación del sumi-nistro eléctrico. SALIDAS PARA ALUMBRADO, TOMACORRIENTES, FUERZA Y SEÑALES DÉBILES El metrado debe iniciarse desde el alimentador, subalimentadores y circuitos derivados. El metrado correspondiente a los alimentadores y/o sub alimentadores, de-pendiendo de cada caso debe considerar las siguientes sub partidas: • Salidas (cajas de derivación o de paso) • Canalizaciones, conductos o tuberías • Conductores en tuberías. • Cruzadas con ductos de concreto. El metrado correspondiente a las salidas para alumbrado, tomacorrientes y fuerza, es decir parte de la instalación que corresponde a los circuitos derivados, considera tres subpartidas: • Salidas (salidas para alumbrado, tomacorrientes, etc.) • Canalizaciones, Conductos o tuberías • Conductores en tuberías. Para el caso de los circuitos de señales débiles deberán considerarse las partidas siguientes: • Salidas (salidas para señales débiles) • Canalizaciones, conductos o tuberías • Conductores en tuberías. • Sistemas de conductos SALIDA Descripción.- La salida es la parte de la instalación eléctrica conformada por la caja, en la cual se ha de instalar los artefactos de alumbrado o equipos de utilización, así como los dispositivos de control (interruptores) o de señal débil. Extensión del trabajo:

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Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Incluye el suministro de la caja, sus accesorios y la mano de obra de instalación. Unidad de medida Unidad (Und.). Forma de medición

Se medirá en base a la cantidad de unidades de salidas, pudiendo agruparse en subpartidas diferentes, de acuerdo a sus tipos y características, tales como: Salida para alumbrado Salida para tomacorrientes Salida para interruptores Salida para dimers Salida para pulsadores Salida para intercomunicadores Salida de señales débiles (data y comunicaciones) Cajas de derivación Cajas de paso CANALIZACIONES, CONDUCTOS O TUBERÍAS Descripción Esta partida considera las canalizaciones, conductos o tuberías que son necesario para la instalación de los conductores y cables de energía; correspondiente a los alimentadores, circuitos derivados y circuitos de señal débil. Extensión del trabajo Incluye el suministro de los conductos o tuberías, sus accesorios y la mano de obra de instalación. Unidad de Medida Metro (m). Forma de medición Se medirá la longitud de los conductos y/o tuberías, pudiendo agruparse en subpar-tidas diferentes, de acuerdo a sus tipos y características. CONDUCTORES Y CABLES DE ENERGÍA EN TUBERÍAS Descripción Esta partida considera los conductores que se instalarán en los conductos y/o tuberías, así como en los sistemas de conductos, correspondiente a los alimentadores, circuitos derivados y circuitos de señal débil. Extensión de Trabajo Incluye el suministro de conductores, cables de energía, accesorios de cables (llámese empalmes, derivaciones, puntas muertas, terminaciones, conectores, etc.), así como la mano de obra de la instalación. Unidad de Medida Metro (m). Forma de medición Se medirá la longitud total de conductores y/o cables de energía agrupándose en partidas diferentes de acuerdo a sus tipos y características. Cuando los conductores colocados en las tuberías son del mismo tipo y características, su longitud se determina, multiplicando los metros de conductos o tubería por el número de conductores, pudiendo agruparse en subpartidas diferentes, de acuerdo a sus tipos y características. SISTEMAS DE CONDUCTOS Descripción Para efectos de protección mecánica, facilidad de instalación o remoción de los con-ductores y/o cables de energía, cables de telecomunicaciones, se hace necesaria la instalación de sistemas de conductos.

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

Extensión de Trabajo Incluye el suministro de conductos, buzones, cámaras de inspección y/o empalmes así como la mano de obra de instalación con sus materiales requeridos. Anotaciones

Unidad de Medida Descripción Unidad de medida • BUZONES Unidad (Und.) • CONDUCTOS Metro (m) Forma de medición Se medirá la longitud de la cruzada y de ser necesaria se puede separar por cantidad de conductos o vías y/o tipo de material. INSTALACIONES EXPUESTAS Descripción Son instalaciones visibles, colocadas o adosadas sobre apoyos o soportes. Extensión de trabajo Comprende el suministro y montaje de los dispositivos de sujeción o soporte para los conductores. Unidad de medida Unidad (Und.) TABLEROS PRINCIPALES Extensión de trabajo Comprende el suministro e instalación del o los tableros principales o generales, según especificaciones y planos. Unidad de medida Unidad (Und.) Forma de medición El cómputo será por cantidad de unidades indicando las características generales del tablero, que deberá incluir todos los elementos que lo integran. TABLERO DE DISTRIBUCIÓN Todo lo indicado en los tableros principales, referido a los tableros que van después del general, repartidos por zonas, llamados también secUnd.arios. DISPOSITIVOS DE MANIOBRA Y PROTECCIÓN Descripción Los dispositivos de maniobra y protección, son los que deberán ser instalados en los tableros y que sirven para efectuar el control, protección contra sobrecorrientes y fallas a tierra de los circuitos eléctricos y/o de señales débiles. Extensión de trabajo Esta partida considera el suministro de los dispositivos, accesorios, cableado y la mano de obra de instalación. Unidad de medida Descripción Unidad de medida • DISPOSITIVOS UNIPOLARES Unidad (Und.) • DISPOSITIVOS BIPOLARES Unidad (Und.) • DISPOSITIVOS TRIPOLARES Unidad (Und.) • DISPOSITIVOS TETRAPOLARES Unidad (Und.) Forma de medición Se computarán por cantidad de unidades comprendiendo todos los trabajos necesa-rios para su completa instalación, pudiendo agruparse en subpartidas diferentes, de acuerdo a sus tipos y características.

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INSTALACION DE PARARRAYOS

Lecturas seleccionadas

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

Glosario

Extensión de Trabajo Esta partida comprende el suministro e instalación del Pararrayo o Captor de Rayos, la columna o barras metálicas de sostén, el sistema de fijación de ésta aRecordatorio las estructuras de la edificación, el sistema de puesta a tierra, uniones, conexiones, soldaduras, conductor de bajada, agregadas y accesorias. También comprende las pruebas previas a la puesta en servicio. Unidad de Medida Unidad (Und.). Forma de medición Se tomara en cuenta el estudio previo para su implementación, el suministro e instalación del sistema de pararrayos, las pruebas previas a la puesta en servicio. INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Extensión de Trabajo Esta partida comprende el suministro de materiales, accesorios y la mano de obra de instalación del sistema de puesta a tierra. El sistema de puesta a tierra consta de pozo de puesta a tierra o sistema de malla, uniones, conexiones, soldaduras, accesorios necesarios y el conductor de puesta a tierra desde el electrodo hasta la barra de puesta a tierra del tablero general, este último incluye también los ductos necesarios. También comprende las pruebas previas a la puesta en servicio y la medición de la resistividad del terreno y la resistencia de puesta a tierra. Unidad de Medida Pozo puesta a tierra (Und.). Sistema de Malla de puesta a tierra (Und.). Forma de medición El cómputo de pozos de puesta a tierra vertical se efectuará por la cantidad de pozos ejecutados. En caso de Sistema de Malla a Tierra, el metrado se efectuará en global por la cantidad total de pozos de la malla y de la longitud de conductores empleados. ARTEFACTOS Descripción Se refiere al suministro y colocación de todo tipo de artefactos a la salida correspondiente sea de iluminación, de señales, etc., incluyendo materiales y obras nece-sarias para la debida conexión a la caja de salida y las pruebas respectivas para el funcionamiento del artefacto. LÁMPARAS Extensión de trabajo Comprende el suministro y colocación de la base y el elemento de iluminación, accesorios y todo lo necesario para el funcionamiento de la lámpara. Unidad de medida Unidad (Und.). Forma de medición El cómputo de lámparas se efectuará por cantidad de unidades y por cada tipo, indicando las características más notorias. REFLECTORES Todo lo indicado en LÁMPARAS, aplicado a reflectores que son artefactos de luz dirigida. EQUIPOS ELECTRICOS Y MECANICOS Descripción Se incluye suministro, transporte, colocación y conexiones de todos los equipos

Anotaciones

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

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Glosario

Bibliografía

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Anotaciones

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

requeridos, de acuerdo con los planos y especificaciones. En la unidad o en la suma global de los diferentes equipos se incluyen todos los trabajos y materiales necesa-rios para su instalación hasta dejarlos en funcionamiento. BOMBA PARA AGUA La unidad de medida es cada unidad en particular para aplicarle una suma global por el equipo suministrado, instalado y en funcionamiento. En casos especiales se agrupan unidades iguales en tipo y dificultad de colocación.

Diagrama

Objetivos

Inicio

TAREA ACADÉMICA N.°2 Desarrollo deDiagrama contenidos

Actividades

Autoevaluación

Lecturas Desarrollo seleccionadas de contenidos

Glosario Actividades

Bibliografía Autoevaluación

Lecturas Recordatorio seleccionadas

Glosario Anotaciones

Objetivos Inicio puede consultarla en su aula virtual. Esta actividad

GLOSARIO DE LA UNIDAD IV

Recordatorio

Bibliografía

Caldeo inductivo.- dispositivo de electronica de potencia la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje. Anotaciones

Celda CMOS.- Es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Además es un semiconductor complementario de oxido metálico. Chip.- Es un circuto integrado que consiste en una pastilla pequeña de material semiconductor de algunos milimetros cuadrados de área, sobre la cual se fabrican circuitos electrónicos. Estos se encapsulan en plastico o cerámico. El enapsulado poseen pines metalicos para su conexión de acuerdo al tipo de chip. Cluster.- Conglomerado de computadoras construidos mediante hardawares similares y se comportan como si fuese una unica computadora. Una red de computadoras unidad mediante una red de lata velocidad. Dimmers.- Regulador que sirve para regular la energía en uno o varios focos con el fin de variar la intensidad de la luz que emiten. Diodo.- es un componente electrónico de dos terminales que permite las circu-lación de la corriente electrónica, a través de él en un solo sentido. Funciones boolenas.- Es una función cuyo dominio son las palabras conformadas por los valores binarios 0 y 1 (falso y verdadero). Megawatt (MW).- Unidad de potencia, representa 1 000 000 watt. Matriz programable.- es un conjunto de elementos de cualquier naturaleza aunque son número ordenados en filas columnas. Además incorporan una matriz lógica generica que puede programarse de forma que el dispositivo realice las funciones que se desee. Paneles fotovoltaicos.- son paneles solares que sirven para la producción de energía eléctria, aartir de la luz que incide sobre ellos. Tacognerador.- Es un generador electrico que da un voltaje de salida proporcional a la velocidad de giro. Esta aoplado al eje de un motor, forma parte de lazo de realimentaión de un control de velocidad. Transistor.- Es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Además su tamaño guarda relación con la potencia que es capaz de manejar. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador y rectificador. Tiristor.- es un componenete electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna ara producir una conmutación. Son dispositivos unidireccionales por que solamente transmiten la corriente en una sola dirección. Unifliar. – Es una representación gráfica de una instaklación electrica o parte de ella. El cual se refiere a conexiones entre diferentes dispositivos eléctricos.

Desarrollo UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA de contenidos Objetivos

Inicio

Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA DE LA UNIDAD IV

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

Valentín, L. J. (2012). Introducción a los circuitos eléctricos industriales. España: Editorial Donostiarra Sa. Anotaciones

Wakerly, J. (2001). Diseño digital: principios y prácticas. México: Pearson Edu-cación. Théodore, W.(2007). Máquinas eléctricas y sistemas de potencia. México: Pear-son Educación. Tamayo P. R. (2011). Potencial de las energías renovables en el Perú. Lima – Perú: Ministerio de Energía y Minas.

Objetivos

Inicio

Actividades

Autoevaluación

Glosario

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD IV

1. Indique cuál de las siguientes formas de generar electricidad no corresponde al Bibliografía aprovechamiento es energía renovables. a) hidroeléctrica

Anotaciones

INGENIERÍA ELÉCTRICA Actividades Autoevaluación MANUAL AUTOFORMATIVO

b) solar c) eólico d) undimotriz. e) diesel 2. Indica la ciudad donde hay mayor potencial de aprovechamiento de energía eólica: a) Lima b) Ica c) Tacna d) Puno e) Marcona 3. Los campos promisorios para el aprovechamiento de energía geotérmica son: a) Lima, Huaraz, Ica Amazonas b) Toda la selva. c) Tumbes, Lambayeque, La libertad y Piura. d) Arequipa, Moquegua, Tacna y Puno e) Cerro de Paso, Junin, Ayacucho y Huancavelica. 4. En la lógica cableada se realizan controles, utilizando: a) Tiristores. b) Transistores. c) PAL d) Contactores e) PROM.

Bibliografía

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Actividades

Autoevaluación

Glosario

Bibliografía

UNIDAD IV : TÓPICOS DE INGENIERIA ELÉCTRICA

5. La arquitectura interna que consiste en términos AND programables que alimentan términos OR fijos, corresponde a un: Anotaciones

a) PROM b) GAL c) PAL d) PLA e) FPGA 6. Para regular la velocidad de giro de un motor se puede: a) aumentado la carga sobre el motor b) conectándolo a mayor voltaje c) interponer entre la batería y el motor una resistencia variable d) Es conectándolo en cortocircuito. e) Utilizando transistores entre el motor y la batería. 7. Un método para aumentar la velocidad de giro de un motor asíncrono es: a) cambiando el número de asincronismo. b) aumentando la frecuencia de alimentación que llega al estator, c) Variando el número de polos del estator. d) Reduciendo la frecuencia de alimentación. e) Conectarlo en cortocircuito. 8. El METRADO se realiza con el objetivo de: a) Metrificar los procesos. b) Cuantificar los trabajos a realizar y así calcular el costo de los mismos. c) Medir cuantos metros lineales tiene una construcción. d) Medir el número de trabajadores. e) Calcular los costos de producción. 9. Una PARTIDA es: a) Es un conjunto de trabajos agrupados de acuerdo a determinados crite-rios, con el fin de hacer su medición, programación, evaluación y costos. b) Metrificar los procesos. c) Medir cuantos metros lineales tiene una construcción. d) Medir el número de trabajadores. e) Calcular los costos. 10. En el marco de referencia de un expediente técnico se indican: a) Los hechos más importantes como el origen del proyecto. b) Las referencias del proyecto. c) Las referencias de las empresas d) La referencias bibliográficas e) Los costos de referencias del proyecto.

Desarrollo de contenidos

Actividades

Autoevaluación

Lecturas seleccionadas

Glosario

Bibliografía

Recordatorio

INGENIERÍA ELÉCTRICA Desarrollo Actividades Autoevaluación ANEXO de contenidos MANUAL AUTOFORMATIVO

Lecturas seleccionadas

Glosario

Recordatorio

Anotaciones

anexo: CLAVES DE LAS AUTOEVALUACIONES Anotaciones

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD I

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD II

1.-

10.

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD III

AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD IV

10.

Bibliografía

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