Download Tema I INTRODUCCION A LA MAQUINA ELECTRICA
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pROGRAMA DOCENTE DE ELECTROTECNIA XERAL Curso 2001/2002 Código da materia Nome da materia Tipo materia Alumnos novos Alumnos totais Créditos aula/grupo (A) Créditos laboratorio/grupo (L) Créditos prácticas/grupo (P) Número grupos Aula Número grupos Laboratorio Número grupos Prácticas Anual/Cuatrimestral Departamento Área de coñecemento 3041004450 Electrotecnia xeral Obrigatoria 39 89 7,5 1,5 0 1 3 0 Anual Enxeñería Eléctrica Enxeñería Eléctrica 1 PROFESOR QUE IMPARTE A MATERIA: Nome: Antonio Quicler Costas Código: 1743 Créditos: 7,5 A+1,5 L Lugar de tutorías: E.T.S.E.I. – Despacho 140 Horario: martes de 11 a 14 MÉTODO DOCENTE: A docencia de teoría e problemas desenvolverase na aula utilizando basicamente a pizarra e o proxector de transparencias. A docencia de laboratorio terá lugar no laboratorio de electrotecnia, realizando prácticas de montaxes e comprobación de circuitos eléctricos. SISTEMA DE VALIDACIÓN: Número de probas parciais: 2 Tipo de Avaliacións: Avaliación da docencia de Aulas: Necesidade de aprobar as probas escritas Valorarase a participación nas clases. Avaliación da docencia de Laboratorios: Traballos complementarios de prácticas obrigatorios Valorarase a participación nas prácticas. Criterios de valoración: Criterios de valoración das probas: Especificaránse en cada proba. 2 CONTIDO DO TEMARIO TEMA I: INTRODUCCION, AXIOMAS E ELEMENTOS DE CIRCUITOS Lección 1.- Unidades.- Referencias de polaridad.- Circuito eléctrico.- Axiomas de Kirchhoff.- Problemas fundamentais na teoría de circuitos. Lección 2.- Elementos e a súa clasificación.- Resistencia: Definición, representación e modelo matemático.- Fontes independentes de tensión e intensidade: Definicións, representacións e modelos matemáticos.- Fontes dependentes de tensión e intensidade. Lección 3.- Condensador: Definición, representación e modelo matemático.- Bobina: Definición, representación e modelo matemático. Bobinas acopladas magnéticamente: Definiciones.- Ecuacións de fluxos. Inductancias propias e mutuas. Representacións e modelos matemáticos. Transformador ideal.Circuitos magnéticos.- Relacións de Tensión.- Relacións de Intensidade. Lección 4.- Potencia e enerxía: Conceptos e definicións.- Potencia e enerxía en elementos ideais: resistencias, condensadores, bobinas, bobinas acopladas, transformadores e fontes. Potencia e enerxía en fontes reais. Lección 5.- Asociacións dos elementos dun circuito. Concepto de impedancia e admitancia operacional.Asociacións paralelo e serie de: resistencias, condensadores e bobinas.- Divisores de tensión.- Divisores de intensidade. Lección 6.- Transformación estrela e triángulo.- Conversión de fontes reais.- Modificación xeométrica de circuitos. TEMA II: METODOS DE ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS. Lección 7.- Topoloxía de circuitos: Definicións e representacións dos circuitos.- Número e elección das ecuacións independentes circulares e nodais. Ramas activas: ramas normalizadas e rama activa xeneralizada. Lección 8.- Análisis mediante ecuacións circulares: Formas matriciais. Impedancias operacionais. Escritura directa das ecuacións correspondentes ó análisis por mallas: circuitos sen acoplamentos e circuitos con acoplamentos. Lección 9.- Análisis mediante ecuacións nodais: Concepto de tensión de corte e formas matriciais. Admitancias operacionais. Escritura directa das ecuacións correspondentes ó análisis por nudos: circuitos sen acoplamientos e circuitos con acoplamentos. TEMA III: CIRCUITOS EN REXIMEN ESTACIONARIO SENOIDAL. Lección 10.- Determinación do réximen estacionario senoidal polo método simbólico.- Modelos dos elementos pasivos básicos ante variables senoidais.- Concepto de impedancias e admitancias complexas.Circuitos básicos de corrente alterna: Serie e Paralelo.- Diagramas fasoriais de tensión e intensidade.Impedancias e admitancias de entrada ós dipolos pasivos. Lección 11.- Potencia e enerxía no réximen estacionario senoidal. Potencias instantánea, media e activa nos elementos básicos.- Potencia e enerxía nos dipolos.- Potencia aparente e reactiva.- Potencia complexa.- Diagrama fasorial de potencias.- Teorema de Boucherot.- O factor de potencia e a súa importancia nos sistemas eléctricos.- Corrección do factor de potencia: Casos simples.- Medida da potencia: Vatímetros e Varímetros. Lección 12.- Técnicas xenerales de análisis de circuitos en réximen estacionario senoidal.- Teoremas fundamentais en réximen estacionario senoidal. TEMA IV: SISTEMAS TRIFÁSICOS. Lección 13.- Introducción.- Fontes e cargas nos sistemas trifásicos.- Secuencia de fase.- Tensións e intensidades nos sistemas trifásicos.- Teorema xeneralizado de Thevenin e Norton.- Conversión de fontes ideais e reais trifásicas.- Conversión de cargas trifásicas. Lección 14.- Análisis de circuitos trifásicos equilibrados: Reducción a un circuito monofásico. Potencias e a súa medida. Diagramas fasoriais. Compensación do factor de potencia. Lección 15.- Análisis de circuitos trifásicos desequilibrados: Estrela - Triángulo. Diagramas fasoriais. 3 PRACTICAS DE LABORATORIO Realizaranse as seguientes prácticas de laboratorio: TEMA I: ELECTROMETRÍA E INSTRUMENTACIÓN BÁSICAS. Aplicacións do galvanómetro como: amperímetro, voltímetro e ohmímetro. Poente de Wheatstone. Características e aplicacións do osciloscopio. TEMA II: ELEMENTOS DE CIRCUITOS. Determinación das características de: xeneradores de tensión, condensadores, bobinas e bobinas con acoplamientos magnéticos. TEMA III: CIRCUITOS EN RÉXIMEN ESTACIONARIO SENOIDAL. Comportamiento das bobinas e condensadores en CA Teorema da máxima transferencia de potencia Adaptación de impedancias mediante transformadores Medidas das potencias activas e reactivas Contadores monofásicos de enerxía Compensación de energía reactiva TEMA IV: SISTEMAS TRIFÁSICOS. Determinación da secuencia de fase Medidas das potencias activas e reactivas Contadores trifásicos de enerxía 4 BIBLIOGRAFÍA Teoría de Circuitos, V.M. Parra, J. Ortega, A. Pastor e A. Pérez-Coyto. Asdo: Antonio Quicler Costas 5 ELECTROTECNIA XERAL (4º CURSO DE MECÁNICA) PROGRAMA RESUMIDO TEMA I: INTRODUCCION, AXIOMAS E ELEMENTOS DE CIRCUITOS TEMA II: ELEMENTOS DE CIRCUITOS TEMA III: CIRCUITOS EN RÉXIMEN ESTACIONARIO SENOIDAL. TEMA IV: SISTEMAS TRIFÁSICOS Asdo: Antonio Quicler Costas 6 PROGRAMA DE ELECTROTECNIA XERAL (2º Cuatrimestre) MAQUINAS ELECTRICAS 4º CURSO DE ENXEÑERIA INDUSTRIAL ESPECIALIDADE DE MECANICA ---- Curso Académico 2001-02 ---- Fdo: Xose M. López Fernández MAQUINAS ELECTRICAS 304100445 4º CURSO DE ENXEÑERIA INDUSTRIAL INTENSIFICACION MECANICA CURSO 2001/02 7 Asignatura: ELECTROTECNIA XERAL - Máquinas Eléctricas Profesor: Dr. Xose M. López Fernández Despacho: 247 – Departamento de Enxeñería Eléctrica E-mail: xmlopez@uvigo.es Docencia: Tel: 986 812177 Clases teóricas + Prácticas de laboratorio PROGRAMA TEMA I: INTRODUCCION A LA MAQUINA ELECTRICA TEMA II: TRANSFORMADORES TEMA III: GENERALIDADES SOBRE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS TEMA IV: MAQUINA ASINCRONA. REGIMEN EQUILIBRADO TEMA V: MAQUINA SINCRONA TEMA VI: MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA TEMA VII: MAQUINA UNIVERSAL OBJETIVOS Dar una visión de los principios básicos: Constructivos Funcionamiento de las máquinas eléctricas clásicas. 8 ESTRUCTURA DE LA MATERIA (Parte A) TEMA I: INTRODUCCION A LA MAQUINA ELECTRICA TEMA II: TRANSFORMADORES (Parte B) TEMA III: GENERALIDADES SOBRE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS TEMA IV: MAQUINA ASINCRONA. REGIMEN EQUILIBRADO TEMA V: MAQUINA SINCRONA TEMA VI: MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA TEMA VII: MAQUINA UNIVERSAL CONTENIDO TEORICO DE LA MATERIA Tema I INTRODUCCION A LA MAQUINA ELECTRICA LECCION I.1 Fundamentos electromagnéticos y electromecánicos Antecedentes. Desarrollo histórico del electromagnetismo. Líneas de Fuerza. Campo electromagnético. Postulados fundamentales en M.E. Campos cuasi-estacionários. Principios fundamentales del electromagnetismo. Existencia y obtención de un campo magnético. Principio de transformación electromagnética. Acción transformadora. Principio de conversión electromecánica. Acción generador. Acción motor. Materiales magnéticos. Ferromagnetismo. Presencia del entrehierro. El concepto de circuito equivalente. Semejanzas y diferencias entre circuito magnético y circuito eléctrico. LECCION I.2 Consideraciones previas sobre las máquinas eléctricas Constitución física general de la máquina eléctrica. Tipos de alimentación. Flujo de dispersión. Pérdidas. Pérdidas fijas. Pérdidas variables. Balance de potencias. Rendimiento. Variación del rendimiento con la carga. Calentamiento. Campo de temperaturas. Temperatura de régimen. Refrigeración. Potencia nominal. Tipos de aislantes. Regímenes de servicio. Formas constructivas y protección mecánica. Normas. Recopilación de normas sobre máquinas eléctricas. 9 Placa de características. Tema II TRANSFORMADORES LECCION II.1 Introducción a los transformadores Definición de transformador. Elementos básicos del transformador. Relaciones fundamentales del transformador ideal. Funcionamiento en vacío del transformador ideal. Funcionamiento en carga del transformador ideal. Importancia y localización del transformador. Aspectos constructivos del transformador. Refrigeración. Tipos de refrigeración. Accesorios. Relé de gas o Buchholz. Pasatapas. Clasificación de los transformadores. Designaciones y símbolos del transformador. Placa de características del transformador. Potencia nominal de un transformador. Estructura de un transformador trifásico. LECCION II.2 Transformador monofás ico de potencia Comportamiento real del transformador monofásico en vacío. - Deformación de la corriente de excitación. - Bobina de reactancia. Resistencia de devanado. Comportamiento real del transformador monofásico en carga. Diagrama vectorial del transformador. Circuito equivalente (C.E.) del transformador monofásico. Obtención de los parámetros del C.E. Ensayos. Ensayo de vacío. Ensayo de C.C. Tensiones relativas. Corriente de cortocircuito de fallo. Caída de tensión interna en un transformador. Regulación. Influencia del f.d.p. en la caída de tensión interna. Tensión secundaria constante. Tomas de regulación. Pérdidas en un transformador. Rendimiento de un transformador. Corriente de conexión de un transformador. Problemas: Conocidos los valores de los ensayos de un transformador monofásico, obtener: Parámetros del circuito equivalente reducidos al primario. Corriente de cortocircuito de falta. Caídas de tensión relativas para una carga y un f.d.p. dados. Regulación para un determinado índice de carga y con un determinado f.d.p. Tensión secundaria en los casos anteriores. Rendimiento con diferentes índices de carga y f.d.p. Potencia de máximo rendimiento y rendimiento máximo para distintos f.d.p. Comparar y discutir analítica y gráficamente los resultados. LECCION II.3 Transformador trifásico. Régimen equilibrado Justificación de los transformador trifásico. Banco trifásico. Núcleo trifásico. Banco trifásico de tres columnas. Banco trifásico de cinco columnas. Asimetrías del núcleo magnético. Elección de un núcleo trifásico frente al banco trifásico. Tipos de conexiones. Ensayos del transformador trifásico. Ensayo de vacío. Ensayo de cortocircuito. Indice horario. 10 Relación de transformación. Circuito equivalente. Armónicos en las corrientes de vacío y el flujo. Configuraciones. Ventajas e inconvenientes de las conexiones más utilizadas. Acoplamiento en paralelo de transformadores y condiciones necesarias. Problemas: Dado el esquema de conexión de las bornas de un transformador trifásico, y conocida su potencia y la relación de tensiones compuestas, así como los valores de ensayo de vacío y cortocircuito, obtener: Parámetros del circuito equivalente aproximado del transformador reducido al primario. Tipo de configuración e índice horario. Regulación y rendimiento para distintos índices de carga y con distintos f.d.p. Acoplando en paralelo otro transformador para alimentar una carga que demande potencia superior a la de un solo transformador, determinar potencias aparentes, activas así como el reparto de cargas de cada transformador. Comparar y discutir analítica y gráficamente los resultados. Obtener índices horarios a partir de conexiones de los devanados del transformador y viceversa. LECCION II.4 Autotransformador Constitución del Autotransformador. Ventajas e inconvenientes de los autotransformadores. Estudio comparativo del autotransformador con el transformador. Autotransformador trifásico. LECCION II.5 Transformador de medi da y protección Transformador de Tensión. Funcionamiento del transformador de tensión. Error de relación y error de fase. Clases de precisión. Transformador de Intensidad. Funcionamiento del transformador de intensidad. Error de relación y error de fase. Clases de precisión. Tema III GENERALIDADES DE MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS LECCION III.1 Máquina rotativa (MR). Aspectos constructivos Formas geométricas básicas de las máquinas eléctricas rotativas. Estampado de la chapa. Ranuras. Dientes. Polos magnéticos. Línea neutra. Paso polar. Colector . Colector de delgas. Colector de anillos. Devanados. Lado activo del devanado. Devanado concentrado de paso diametral. Devanado concentrado de paso acortado. Devanado distribuido concentrico/excentrico de paso diametral. Devanado distribuido concentrico/excentrico de paso acortado. Devanado abierto. Devanado cerrado. Devanado ondulado. Devanado imbricado. LECCION III.2 FMM en el entrehierro y FEM induci da en la MR Campo magnético en el entrehierro. Campo magnético fijo. Alimentación con C.C / C.A. - Devanado concentrado de paso diametral. - Devanado distribuido de paso diametral. - Devanado distribuido de paso acortado. Campo magnético pulsante. - Campo magnético con devanado trifásico. Campo giratorio. Teorema de Ferraris. Teorema de Leblanc. 11 FEM inducida en un devanado de una máquina eléctrica. Factores que afectan a la FEM inducida en un devanado. Armónicos de FEM. Origen y eliminación de los armónicos. Clasificación y análisis cualitativo de las máquinas clásicas. Tema IV MAQUINA ASINCRONA. REGIMEN EQUI LIBRADO LECCION IV.1 La Máquina así ncrona o de inducci ón trifásica Justificación de la utilización de la máquina asíncrona Constitución física de la máquina de inducción. Aspectos constructivos. Rotor en jaula de ardilla. Rotor devanado o bobinado. Principio de funcionamiento de la máquina asíncrona. Conexiones estatóricas. Concepto de deslizamiento. Frecuencia rotórica. Relación de transformación: tensión; intensidad; impedancias. Reducción del rotor al estator. Circuito equivalente (CE) de la máquina de inducción. Resistencia de carga. Obtención de los parámetros del C.E. Ensayos. LECCION IV.2 Comportamiento de la máquina así ncrona trifásica Balance de potencias en el motor de inducción. - Pérdidas. - Potencia electromagnética. - Potencia mecánica interna. - Potencia útil. Rendimiento. Par interno. Par útil. Característica par-velocidad: Característica natural. Modos de funcionamiento de la máquina asíncrona: motor; generador; freno. Diagrama del círculo - Planteamiento y deducción del diagrama del círculo - Lugares geométricos de magnitudes importantes - Elección de escalas. Problemas: Conociendo los datos necesarios de un motor de inducción trifásico de rotor devanado, así como los valores de los ensayos de vacío y de rotor bloqueado, obtener mediante el circuito equivalente: El tipo de conexión estatórica. Los parámetros del circuito equivalente. Corriente de arranque del motor, corriente de alimentación, potencia útil en CV, par mecánico, rendimiento, velocidad para diferentes deslizamientos. Par máximo. Resistencia adicional necesaria para disponer del par máximo en el arranque. Comparar y discutir analítica y gráficamente los resultados. Lo mismo pero mediante el diagrama del círculo, considerando además el caso generador. Comparar y discutir analítica y gráficamente los resultados. LECCION IV.3 Accionamiento del motor asíncrono trifásico Proceso de arranque del motor de inducción. - Par de aceleración. - Tiempo de arranque. - Pérdidas en régimen dinámico. Precauciones a tener en cuenta en el proceso de arranque. Arranque del motor asíncrono trifásico. - Arranque de los motores en jaula de ardilla. - Arranque de los motores de rotor bobinado. Ventajas e inconvenientes de cada uno de los métodos de arranque. Motores de doble jaula de ardilla. Regulación de velocidad del motor asíncrono. Ventajas e inconvenientes de los distintos métodos de variación de velocidad. 12 LECCION IV.4 Motor de inducción monofásico Constitución física y principio de funcionamiento del motor de inducción monofásico. Estudio comparativo con el motor trifásico. Circuito equivalente. Métodos de arranque y características de funcionamiento del motor de inducción monofas. Tema V MAQUINA SINCRONA LECCION V.1 Máquina síncrona Aspectos constructivos de la máquina síncrona.Colector de anillos. Principio de funcionamiento. Inductor; Inducido. Modos de funcionamiento. Sistemas de excitación en alternadores. Regulador de velocidad: Estatismo. Análisis lineal del funcionamiento un alternador. Circuito equivalente. Funcionamiento en vacío. Funcionamiento en carga. Reacción de inducido. Dependencia de la reacción de inducido con la carga. Tema VI MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA LECCION VI.1 Máquina de C.C. Importancia histórica de la máquina de corriente continua. Aspectos constructivos de la máquina de corriente continua: Colector de delgas. Principios de funcionamiento. Análisis lineal de la máquina de C.C. Circuito equivalente. Magnitudes fundamentales: FEM y Par. Modos de funcionamiento. El fenómeno de la conmutación. Reacción de inducido. Características de funcionamiento del motor de C.C. - Excitación independiente. - Autoexcitación. - Regulación de velocidad. Tema VII MAQUINA UNIVERSAL LECCION VII.1 Máquina universal Aspectos constructivos del motor universal. Principio de funcionamiento del motor universal. Característica de funcionamiento. El fenómeno de la conmutación. Semejanzas del motor universal con el motor de C.C. Aplicaciones del motor universal. PRACTICAS DE LABORATORIO 1º Prácticas (1º parcial): TRANSFORMADORES 2º Prácticas: MAQUINAS ROTATIVAS 13 Antes de la nota final de Junio, se debe presentar una memoria por práctica de cada grupo de prácticas. En la memoria se indicarán el montaje eléctrico, se describirá el desarrollo de la misma y se mostrarán los resultados. PACTICAS DE CAMPO Se trata de una visita de estudios a la empresa: EFASEC Empresa Fabril de Máquinas Eléctricas O Porto Transformadores Motores eléctricos CRITERIOS DE EVALUACION Exámenes parciales (Teoría + Problemas). En nuestro caso coincidentes con la estructura de la materia de la siguiente forma: Exámenes 1º Parcial ( Abril) 2º Final ( Junio) (recuperación 1º Parcial) CONTENIDO (Parte A) Teoría Problemas (Parte B) Teoría Problemas PUNTUACION 6 /10 4/ 10 6 /10 4 /10 Cada parte tienen un peso de (6 / 10) y (4 / 10) respectivamente. Un parcial estará superado, cuando se supere tanto la parte de TEORIA (más o igual de 3/10 ) , como la de PROBLEMAS (más o igual de 2/10). La nota final será la suma de ambas partes: TEORIA + PROBLEMAS . Los parciales aprobados se conservarán durante las dos primeras convocatorias consecutivas correspondientes a un curso académico (Convocatoria de Xuño/Setembro). Las prácticas de laboratorio serán obligatorias para aprobar la asignatura. TUTORIAS Martes: 10:00 – 12:00 Miercoles: 9:15 – 11:00 14 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS (*) Transformadores de Potencia, de Medida y de Protección. Enrique Ras Editorial Marcombo (*) Curso Moderno de Máquinas Eléctricas Rotativas Manuel Cortés Cherta Editores Técnicos Asociados (*) Máquinas Eléctricas Jesús Fraile Mora Segunda Edición, Diciembre 1993 Servicio de Publicaciones Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Colección Escuelas Máquinas Eléctricas Stephen J. Chapman McGraw-Hill Maquinas Eléctricas. Funcionamiento en régimen permanente Juan Suarez Creo y Blanca N. Miranda Blanco Tórculo Edicións 15