Electrónica de Potencia II

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES
PROGRAMA SINTÉTICO
CARRERA:
ASIGNATURA:
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
Electrónica de Potencia II
SEMESTRE:
Noveno
OBJETIVO GENERAL:
El alumno diseñará y construirá diferentes circuitos convertidores modulados por ancho de pulso PWM,
Inversores resonantes, fuentes conmutadas y cicloconvertidores para control de motores de C.A. y C.D. así
como fuentes de poder No-Interrumpibles (UPS).
CONTENIDO SINTÉTICO:
I.- Introducción.
II.- Inversores con Técnicas de Modulación por Ancho de Pulso PWM.
III.- Inversores Resonantes.
IV.- Fuentes Conmutadas y Protección.
V.- Convertidores C.A.-C.A., control de Motores de C.A., C.D. y de Pasos.
VI.- Fuentes de Poder No-Interrumpibles (UPS).
METODOLOGÍA:
Diseño, construcción y prueba de los diferentes convertidores de potencia eléctrica, interpretación de los
resultados en el laboratorio para aplicaciones típicas.
Consulta y recopilación de información en la bibliografía propuesta y a través de medios impresos, discos
compactos ó Internet.
Trabajo en equipos de dos participantes y en equipos más numerosos para la realización de proyectos y/o
trabajos mediante simulación de circuitos con PC y comprobación experimental en el laboratorio.
EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN:
Aplicación de tres exámenes ordinarios en el que se evaluarán los conceptos teóricos.
Realización de prácticas de laboratorio y entrega de informes.
Búsqueda de información, exposiciones, proyectos, participaciones y tareas en diferentes medios: biblioteca,
Internet, manuales, discos compactos.
Realización de un proyecto individual y un proyecto grupal con circuitos enfocados a la electrónica de potencia.
Tareas y participaciones.
BIBLIOGRAFÍA:
1. Bose, B. K., Modern Power Electronics, Technology and Applications, EUA, 1992. Páginas 125-186.
2. Dewan and A. Straughen, Power Semicondutor Circuits, Wiley, Canadá, 1975, 516 págs.
3. Hart, W. Daniel, Electrónica de Potencia, Prentice Hall, EUA, 2001. Páginas 235-273.
4. Rashid Mohammad, Electrónica de Potencia Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones, Pearson/Prentice Hall,
México, 2004, 878 págs.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES
ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica Unidades Culhuacan y
Zacatenco.
CARRERA: Ingeniería en Comunicaciones y
Electrónica
OPCIÓN: Opción Electrónica
COORDINACIÓN:
DEPARTAMENTO: Ingeniería en
Comunicaciones y Electrónica
ASIGNATURA: Electrónica de potencia II
SEMESTRE: Noveno
CLAVE:
CLA 049
CRÉDITOS:
7.5
VIGENTE:
2006
TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-práctica
MODALIDAD: Escolarizada
TIEMPOS ASIGNADOS
HORAS/SEMANA/TEORÍA:
3.0
HORAS/SEMANA/PRÁCTICA:
1.5
H0RAS/SEMESTRE/TEORÍA:
54
HORAS/SEMESTRE/PRÁCTICA: 27
HORAS/TOTALES:
81
PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR:
Academias de Electrónica de ICE-ESIME Culhuacan y
Zacatenco
REVISADO POR: Subdirecciones Académicas de
ESIME Culhuacan y Zacatenco
APROBADO POR: C.T.C.E. de ESIME Culhuacan y
Zacatenco
M. en C. Ernesto Mercado Escutia
M. en C. Jesús Reyes García.
AUTORIZADO POR:
Comisión de Planes y Programas de Estudio del
Consejo General Consultivo del IPN
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DIRECCIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES
ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 2 DE 10
FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA
En la actualidad, la electrónica de potencia se aplica en el manejo, medición, protección, control y
transformación de la energía eléctrica en el transporte, la Industria, el comercio, servicios técnicos y en el uso
residencial.
En este curso se contempla el diseño, análisis, construcción y prueba de convertidores básicos que pueden
emplearse en todas las aplicaciones de los diferentes sectores de la sociedad antes citados, mediante la
utilización de dispositivos electrónicos de estado sólido.
El curso es fundamental en la formación de un Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica con la opción de
Electrónica ya que los conocimientos adquiridos le permitirán contar con las herramientas mínimas necesarias
para abordar y desarrollar temas avanzados de la ingeniería de Electrónica de Potencia.
La asignatura de Electrónica de Potencia II, tiene como prerrequisito las siguientes asignaturas: Electrónica de
Potencia I, Electrónica Digital, Electrónica Lineal, Dispositivos Electrónicos y Mediciones, dentro del plan de
estudios de la carrera de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica.
OBJETIVO GENERAL:
El alumno diseñará y construirá diferentes circuitos convertidores modulados por ancho de pulso PWM,
Inversores resonantes, fuentes conmutadas y cicloconvertidores para control de motores de C.A. y C.D. así
como fuentes de poder No-Interrumpibles (UPS).
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
No. UNIDAD: I
CLAVE: CLA 049
HOJA: 3 DE 10
NOMBRE: Introducción
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno explicará los conceptos sobre circuitos convertidores básicos de potencia eléctrica con
dispositivos electrónicos del estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
T
P
EC
2.0
1.1
Convertidores de energía eléctrica:
Convertidor C.A - C.D.. monofásico en ½ puente,
puente completo, no controlado, semi controlado
y controlado.
inversores C.D.-A.C.
Definición de un inversor Push Pull ,
convertidores C.A.-C.A., protección, dispositivos
modernos.
1.5
1.2
Protección de redes con Snubbers RC, varistores
y termistores como elementos de protección.
1.5
1.3
Fuentes conmutadas, ciclo convertidores y control
de motores de C.D. y motores a pasos.
1.5
1.4
Diferentes fuentes de corriente directa
tradicionales y fuentes alternas de energía,
generador termo-eléctrico, efecto Peltier, celda
solar fotovoltaica, generador magneto
hidrodinámico, generador de C.D., y alternador.
1.5
2.0
6.0
4.0
1C, 2B, 4B
Subtotal:
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Búsqueda de información de cada tema del programa por diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas,
aplicaciones), sesiones de preguntas y respuestas sobre las ventajas y desventajas de los convertidores vistos,
su protección así como los criterios de uso de fuentes conmutadas y descripción de las diferentes fuentes
alternas de energía.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El primer examen ordinario abarcará las unidades I y II con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de la unidad II con el 20%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado de las unidades I y II con el 40%.
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
No. UNIDAD: II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 4 DE 10
NOMBRE: Inversores con técnicas de Modulación por Ancho de Pulso PWM.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno diseñará inversores (convertidores D.C.-A.C.) con diferentes técnicas de modulación de ancho
de pulso PWM considerando la medición de sus parámetros de rendimiento, así mismo describirá técnicas
avanzadas de modulación.
No.
TEMA
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.4
2.5
2.6
HORAS
TEMAS
Convertidor C.D.-C.A. en configuración ½ puente
con carga resistiva y con carga fuertemente
inductiva y diodos de retroalimentación.
Determinación de la componente fundamental y
de sus armónicas secundarias
Ecuaciones del convertidor C.D.-C.A. para carga
mixta y determinación de sus parámetros de
rendimiento, ejercicio numérico en clase
Convertidor C.D.-C.A. en configuración puente
completo con carga resistiva y con carga
fuertemente inductiva y diodos de
retroalimentación.
Convertidores trifásicos, topología
configuraciones delta y estrella.
Técnicas de modulación por ancho de pulso
PWM, de varios pulsos UPWM, senoidal SPWM,
senoidal modificada MSPWM, índices de
modulación, determinación de armónicos.
Valores RMS, valores fundamentales RMS.
Inductores y trasformadores con componentes
magnéticas de alta frecuencia (uso de ferritas).
Subtotal:
T
3.0
P
EC
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B
1.5
3.0
1.5
2.0
7.5
1.5
1.5
2.0
3.0
3.0
2.0
15.0
10.5
6.0
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Formación de equipos de trabajo realización de búsqueda de información de cada tema del programa por
diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas, aplicaciones), cálculo y armado de circuitos moduladores por
ancho de pulso PWM usando transistores bipolares y transistores MOSFET de potencia como elementos de
salida, informe y conclusiones por escrito.
Discusión de los temas y comprobación de los circuitos en laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El primer examen ordinario abarcará las unidades I y II con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de la unidad II con el 40%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado en las unidades I y II con el 20%.
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 5 DE 10
No. UNIDAD: III NOMBRE: Inversores Resonantes
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno diseñará inversores resonantes de diferentes tipos a una frecuencia específica de salida .
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
3.1
Introducción sobre los inversores resonantes,
ventajas respecto a los PWMs, análisis de
pérdidas de potencia en la conmutación,
aplicaciones de potencia.
1.5
3.2
Topología básica de un inversor resonante,
acoplamiento óptico y magnético de excitación en
la etapa de potencia.
1.0
3.3
Parámetros de diseño del inversor resonante,
condición de subamortiguamiento, tipos de
inversores resonantes.
1.0
3.4
Ejercicio práctico en clase para diseñar la
práctica de laboratorio.
0.5
3.5
Frecuencia de resonancia, frecuencia del circuito
resonante y frecuencia de salida deseada de
diseño del inversor resonante, tipos de inversores
resonantes
Subtotal:
P
EC
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B
1.5
2.0
1.0
3.0
2.0
5.0
4.5
4.0
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Formación de equipos de trabajo realización de búsqueda de información de cada tema del programa por
diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas, aplicaciones), cálculo y armado de circuitos inversores
resonantes para una frecuencia específica con transistores bipolares y MOSFET de potencia, construcción de
bobinas para las aplicaciones requeridas, informe y conclusiones por escrito.
Discusión de los temas y comprobación de los circuitos en laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El segundo examen ordinario abarcará las unidades III y IV con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de las unidades con el 40%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado en las unidades con el 20%.
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 6 DE 10
No. UNIDAD: IV NOMBRE: Fuentes Conmutadas y Protección.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno diseñará fuentes conmutadas empleando elementos discretos y circuitos integrados, aplicando el
inductor con núcleo de ferrita, considerando los principios de operación de las fuentes continuas de C.D.
fijas o variables.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
P
EC
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
Principios básicos de operación de las fuentes
conmutadas.
Análisis, desarrollo y deducción de las
ecuaciones de
diseño
de una fuente
conmutada de subida
Análisis, desarrollo y deducción de las
ecuaciones de
diseño
de una fuente
conmutada de bajada.
Análisis, desarrollo y deducción de las
ecuaciones de
diseño
de una fuente
conmutada de inversión.
Fuentes Conmutadas aisladas con alimentación
a partir de la fuente de alimentación de corriente
alterna
Corrección del factor de potencia en fuentes
conmutadas
Análisis, desarrollo y deducción de las
ecuaciones de diseño de una fuente variable
Análisis, desarrollo y deducción de las
ecuaciones de diseño de una fuente fija de
voltaje.
Subtotal:
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
2.0
1.5
2.0
3.0
4.0
1.5
1.5
2.0
2.0
13
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Formación de equipos de trabajo realización de búsqueda de información de cada tema del programa por
diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas, aplicaciones), cálculo y armado de fuentes conmutadas
específica con transistores bipolares y MOSFET de potencia, cálculo y construcción de bobinas con núcleo de
ferrita para las aplicaciones requeridas, informe y conclusiones por escrito.
Discusión de los temas y comprobación de los circuitos en laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El segundo examen ordinario abarcará las unidades III y IV con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de las unidades con el 40%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado en las unidades con el 20%.
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
No. UNIDAD: V
CLAVE: CLA 049
HOJA: 7 DE 10
NOMBRE: Convertidores C.A.-C.A., control de motores de C.A., C.D. y de pasos.
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno diseñará convertidores C.A.-C.A. (ciclo convertidor o convertidor de frecuencia) con aplicación al
control de velocidad de motores de inducción de C.A., probará motores de C.D. y de pasos utilizando un
convertidor de C.D.-C.D. con la técnica de pulsadores.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
1.5
5.7
Principio básico de operación de los ciclo
convertidores dentro de la familia de los
convertidores C.A.-C.A.
Topología de un ciclo convertidor con TRIACs.
Topología básica con puentes de rectificadores
controlados de silicio (SCRs).
Ecuaciones básicas con diferentes ángulos de
conducción.
Aplicaciones típicas de los ciclo-convertidores y
electrónica de comando para una excitación con
optoacopladores-micocontrolador,
optoacopladores –CPU y opto acopladores –PC.
Principios de operación y ecuaciones de motores
de C.D.
Motores a pasos de dos, tres y n fases.
5.8
5.9
Freno regenerativo en motores de C.D.
Sistemas de arranque (Ignitores).
1.5
0.5
P
EC
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Subtotal
0.5
1.0
3.0
2.0
1.0
1.0
1.5
1.5
10.0
2.0
3.0
6.0
4.0
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Formación de equipos de trabajo realización de búsqueda de información de cada tema del programa por
diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas, aplicaciones), cálculo y armado de circuitos convertidores,
aplicación de microcontroladores y PCs optoacoplados a dispositivos de potencia para su aplicación en las
prácticas, conclusiones por escrito.
Discusión de los temas y comprobación de los circuitos en laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El tercer examen ordinario abarcará las unidades V y VI con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de las unidades con el 40%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado en las unidades con el 20%.
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 8 DE 10
No. UNIDAD VI NOMBRE: Fuentes de Poder No-interrumpibles (UPS).
OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD
El alumno diseñará y operará fuentes no-interrumpibles, empleando diferentes tipos y topologías, alimentada
por un acumulador automotriz.
No.
TEMA
HORAS
TEMAS
T
P
EC
1.5
1.0
CLAVE BIBLIOGRÁFICA
1C, 2B, 3C, 4B
6.1
Fuentes de poder no-interrumpibles conmutadas
2.0
6.2
Fuentes de poder no-interrumpibles resonantes
1.5
6.3
Fuentes de poder no-interrumpibles
bidireccionales
1.5
1.5
3.0
5.0
3.0
4.0
Subtotal:
ESTRATEGIA DIDÁCTICA
Formación de equipos de trabajo realización de búsqueda de información de cada tema del programa por
diferentes medios (bibliográfica, Internet, revistas, aplicaciones), cálculo y armado de circuitos de diferentes
configuraciones de UPS., aplicación de microcontroladores, dispositivos de potencia IGBT y HEXFET para su
aplicación en las prácticas, conclusiones por escrito.
Discusión de los temas y comprobación de los circuitos en laboratorio.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
El tercer examen ordinario abarcará las unidades V y VI con el 20%.
Las prácticas de laboratorio de las unidades con el 40%.
Tareas y participación en clase con el 20%.
Proyecto realizado en las unidades con el 20%.
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DIRECCIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES
ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 9 DE 10
RELACIÓN DE PRÁCTICAS
PRACT. No.
NOMBRE DE LA PRÁCTICA
UNIDAD
DURA
CIÓN
1
Diseño, construcción y prueba de un inversor
operando con técnicas de modulación de anchos
de pulso PWM, en configuración H
I, II
7.5
2
Diseño, construcción y prueba de un inversor
operando con técnicas de modulación de siete
anchos de pulsos uniformes UPWM en
configuración H
I, II
3.0
3
Diseño, construcción y prueba de un inversor
resonante serie controlado con dos dispositivos
electrónicos SCR(s)
III
4.5
4
Diseño, construcción y prueba de una fuente
conmutada de subida, de bajada y de inversión.
IV
3.0
5
Diseño, construcción y prueba de un ciclo
convertidor de 10, 20 y 30 Hz de frecuencias de
control, para alimentar a un motor de inducción de
AC.
V
6.0
6
Diseño, construcción y prueba de un control de
velocidad de motor de DC con la técnica de
pulsadores
VI
3.0
Subtotal:
27
LUGAR DE
REALIZACIÓN
Todas las prácticas se
realizarán en el
Laboratorio.
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SECRETARÍA ACADÉMICA
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ASIGNATURA: Electrónica de Potencia II
CLAVE: CLA 049
HOJA: 10 DE 10
PERÍODO
UNIDAD
1
I, II
2
III y IV
El contenido de estas unidades será evaluado en el segundo examen ordinario en la
parte teórico con el 20%, las practicas de laboratorio con el 40% , las tareas y
participación en clase con el 20% y un proyecto con el 20%.
3
V y VI
El contenido de estas unidades será evaluado en el tercer examen ordinario en la
parte teórico con el 20%, las practicas de laboratorio con el 40% , las tareas y
participación en clase con el 20% y un proyecto con el 20%.
CLAVE
B
1
2
4
El contenido de estas unidades será evaluado en el primer examen ordinario en la
parte teórico con el 20%, las practicas de laboratorio con el 40% , las tareas y
participación en clase con el 20% y un proyecto con el 20%.
C
BIBLIOGRAFÍA
X
Bose, B. K., Modern Power Electronics, Technology and Applications, EUA, 1992.
Páginas 125-186.
Dewan and A. Straughen, Power Semicondutor Circuits, Wiley, Canadá, 1975,
516 págs.
X
3
X
X
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Hart, W. Daniel, Electrónica de Potencia, Prentice Hall, EUA, 2001. Páginas 235273.
Rashid, Mohammad, Electrónica de Potencia Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones,
Pearson/Prentice Hall, México, 2004, 878 págs.
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DIRECCIÓN DE ESTUDIOS SUPERIORES
PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA
1. DATOS GENERALES
ESCUELA:
CARRERA:
ÁREA:
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
SEMESTRE
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
BÁSICAS
ACADEMIA:
C. INGENIERÍA
D. INGENIERÍA
C.S.H.
ASIGNATURA:
Electrónica
ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO
REQUERIDO:
Noveno
Electrónica de Potencia II
Licenciatura en Ingeniería Eléctrica, en Electrónica, en
Instrumentación, en Comunicaciones y Electrónica y ramas
afines
2.- OBJETIVO GENERAL:
El alumno diseñará y construirá diferentes circuitos convertidores modulados por ancho de pulso PWM,
Inversores resonantes, fuentes conmutadas y cicloconvertidores para control de motores de C.A. y C.D. así
como fuentes de poder No-Interrumpibles (UPS).
3.-PERFIL DOCENTE:
EXPERIENCIA
PROFESIONAL
CONOCIMIENTOS
Principios de operación,
funcionamiento y
aplicación de equipos
electrónicos, como son:
Multímetro digital
Multímetro analógico
Fuentes de alimentación
Generadores de señales
Osciloscopio de
propósito general.
En la docencia.
ACTITUDES
En el manejo de equipo de
laboratorio.
En la correcta
En el uso y aplicación
de equipos modernos
interpretación y uso de los
para laboratorios de
manuales de operación del
electrónica
equipo.
En la comunicación para
En el manejo de
transmitir ideas en forma
dispositivos modernos.
oral y escrita.
Capacidad de Análisis y
En el manejo de
Síntesis.
sistemas comerciales de Lograr motivar al alumno.
potencia
Manejo de materiales
didácticos.
ELABORÓ
Ing. Juan M. Morelos Castro
Ing. Miguel Arizmendi Herrera
PRESIDENTES DE ACADEMIA
HABILIDADES
REVISÓ
Ing. Rubén Juárez Barrientos
Ing. Guillermo Santillán Guevara
SUBDIRECTORES ACADÉMICOS
Tener vocación por la
docencia.
Honestidad.
Ejercicio de la crítica
fundamentada.
Respeto (buena relación
maestro-alumno).
Tolerancia
Ética.
Responsabilidad científica.
Espíritu de colaboración.
Superación docente y
profesional.
Buena presencia.
Compromiso social.
AUTORIZÓ
Ing. Ernesto Mercado Escutia
MC Jesús Reyes García
DIRECTORES DE LOS PLANTELES
FECHA: 12 de mayo del 2006