Máquinas Eléctricas II - Facultad Regional Tucumán

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN
Departamento: Electrotecnia.
Asignatura: Maquinas Eléctricas II
Bloque: Tecnologías Aplicadas
Área: Máquinas Eléctricas
Horas/año: 144
Fundamentación de la materia dentro del plan de estudios
Atento al Perfil del Ingeniero Electricista graduado de la Universidad
Tecnológica Nacional (Ord. Nº 1026 del Honorable Consejo Superior), la
carrera de grado Ingeniería Eléctrica responde a la necesidad de formar
profesionales aptos para cumplir funciones técnicas o de gestión en las áreas
de Generación, Transmisión, Distribución y Utilización de la Energía Eléctrica.
Para impartir los contenidos de la asignatura MAQUINAS ELÉCTRICAS II en
base a lo expuesto existen dos posibles metodologías:
a) Utilizar el Método Clásico, fundamentalmente práctico fenomenológico, de
describir maquina a máquina y explicar su funcionamiento basado en las leyes
como nos hemos formado casi todos los ingenieros actuales.
b) Establecer un modelo general de máquina, estudiando los aspectos
comunes y deduciendo unas ecuaciones generales válidas para cualquier
máquina, para después aplicar este modelo y ecuaciones a cada tipo de
dispositivo en particular.
Sin querer dogmatizar en este punto, se considera el segundo método más
adecuado para la formación de ingenieros superiores, como los que se gradúan
en las universidades de los diferentes países.
Por el contrario, el primer método parece más apto para la formación de
técnicos de menor nivel técnico – científico.
El primer método, además de ser más casuístico y menos científico, tiene el
grave inconveniente de no dar la base necesaria para poder comprender las
publicaciones sobre aplicaciones de las maquinas eléctricas de las mejores
revistas mundiales ni los tratados más avanzados sobre la materia.
Por el contrario, el establecer un modelo general de máquina, además de ser
un método más acorde con la formación de un ingeniero y científico, tiene la
ventaja de ofrecer un estudio más simple y unificado que da la posibilidad de
obtener las bases suficientes para una posible ampliación y profundización en
los estudios de la materia en las modernas publicaciones y revistas.
Sin embargo, este método puede tener el grave inconveniente, sobre todo si el
tiempo disponible es insuficiente, de resultar demasiado teórico y poco práctico,
al quedarse reducido por falta de tiempo y deficiencias de metodología,
exclusivamente, a un planteamiento teórico con escasa conexión con la
realidad física de las maquinas.
Además, los libros publicados, aunque muchos de ellos excelentes, están
editados en idiomas extranjeros, por lo general en inglés, y resultan
excesivamente extensos y complejos para el tiempo que se dispone.
Se tratará entonces de sintetizar ambas metodologías, aprovechando las
ventajas y eliminando, o al menos aminorando, los inconvenientes y sobre
todo, adecuando lo más posible a las necesidades de los estudios que
actualmente se imparten en la disciplina.
Objetivos
 Dar conocimiento claro y sencillo del aspecto físico, principios básicos y
funcionamiento de las Maquinas Eléctricas rotativas.
 Simplificar su estudio tratando de establecer modelos comunes de
funcionamiento.
 Emplear la teoría matemática justa y necesaria, teniendo en cuenta que
el nivel de conocimientos será de alumnos del cuarto nivel de la carrera
Ingeniería Eléctrica, ya que se trata de formar universitarios con la
adecuada capacidad técnica y científica.
 Dar los conocimientos necesarios para comprender y asimilar la
literatura moderna en el campo de funcionamiento y aplicaciones de las
Maquinas Eléctricas rotativas.
 Realizar ejercicios que permitan conocer la realidad práctica de las
Maquinas, sentando las bases que permitan completar la formación con
un buen programa de prácticas de laboratorio.
Contenidos
Unidad 1: Generalidades Sobre Maquinas Eléctricas Rotativas
Maquinas Básicas y Sistemas de Referencia – Magnitudes Básicas: Corriente,
Flujo Magnético y Tensión.
Leyes Físicas Básicas: Fuerzas Electrodinámicas – Divergencia del Campo
Magnético – Ley de Ampere – Ley de Inducción – Tensiones de Rotación y de
Transformación.
Sistemas de Referencia: Sistema Generador y Sistema Consumidor.
Unidad 2: Bases De La Conversión Electromecánica De La Energia
Generalidades – Consideraciones Energéticas – Condiciones para que pueda
haber Conversión Electromecánica de la Energía.
Unidad 3: Formas Básicas De Las Maquinas Eléctricas Rotativas
Las Formas Básicas I y II: Maquinas con Entrehierro Constante y Maquinas con
Polos Salientes.
Forma Básica I: Maquinas de Anillos Rozantes – Ecuaciones de Tensión de la
Forma Básica I – Maquinas de Entrehierro Constante – Maquinas de Polos
Salientes.
Forma Básica II: Maquinas de Conmutador – Ecuaciones de Tensión de la
Forma Básica II.
Forma Básica III: Maquinas sin Arrollamiento Retórico.
Introducción a las Maquinas Clásicas: La Máquina Sincrónica – La Máquina
Asincrónica – La Máquina de Corriente Continua.
Unidad 4: Arrollamientos Para Maquinas Eléctricas Rotativas
Arrollamientos Polifásicos: Arrollamientos Polifásicos de una capa –
Arrollamientos Polifásicos de dos capas – Arrollamientos Polifásicos de q
fraccionario – Relaciones Importantes para Arrollamientos Polifásicos de una y
de dos capas – Arrollamientos Polifásicos de Jaula o en Cortocircuito.
Arrollamientos para Polos Salientes – Arrollamientos de Conmutador:
Generalidades – Arrollamientos Imbricados – Arrollamientos Ondulados
Unidad 5: Campos Magnéticos
Campo de Entrehierro o Campo Principal: Inducción en el Entrehierro de una
Maquina con Entrehierro Constante, debida a corriente que circula por una
bobina concentrada, alojada en ranuras.
Extensión del concepto de Excitación – Capa de Corriente.
Determinación de la Excitación y de la Inducción en el Entrehierro: Excitación
en el Entrehierro de una Maquina, debida a corriente en un arrollamiento
distribuido alojado en ranuras de un elemento con simetría de rotación –
Inducción en el Entrehierro de una Maquina debida a corriente en un
arrollamiento sobre polos salientes – Excitación e Inducción en el Entrehierro
debidas a corrientes que circulan por arrollamientos situados a ambos lados del
Entrehierro – Influencia de la saturación.
Excitación y Campo en el Entrehierro en función del tiempo: Campo Continuo –
Campo Alterno – Campo Giratorio Senoidal – Campo Giratorio No Senoidal –
Formación de Campos Giratorios a partir de Campos Alternos – Parámetros de
un Arrollamiento Trifásico y la Excitación en el Entrehierro – Campos en el
Entrehierro de una Maquina Trifásica en Servicio Estacionario Equilibrado.
Influencia de las Ranuras sobre el Campo del Entrehierro
Unidad 6: Tensiones Inducidas.
La Inducción de Tensiones por el Campo de Entrehierro: Flujo de Entrehierro
concatenado por una Bobina Concentrada – Tensión Inducida por el Flujo de
Entrehierro en una Bobina Concentrada – Flujo de Entrehierro concatenado por
un grupo de q Bobinas Concentradas alojadas en ranuras contiguas – Tensión
Inducida por el Flujo de Entrehierro en un grupo de q Bobinas Concentradas
alojadas en ranuras contiguas – Tensiones Inducidas en fases de
Arrollamientos de una y dos capas.
Inductividad Principal e Inductividad de Rotación de un Arrollamiento Polifásico
Influencia del sesgado sobre el acoplamiento entre estator y rotor.
La Inducción de Tensiones por Campos de Dispersión: La Inducción de
Tensiones por Campos de Dispersión en Arrollamientos Polifásicos –
Dispersión de Ranuras – Dispersión de cabezas de Bobinas.
Unidad 7: Modelo General De Maquina Eléctrica
Transformación de Arrollamientos Trifásicos en Bifásicos – Ecuaciones de
Maquinas de Entrehierro Constante: Sistema  -  - Sistema d – q
(Transformación de Park).
Ecuaciones de Maquinas con simetría circular en uno de los elementos
básicos y polos salientes en el otro: Sistema  -  - Sistema d – q
(Transformación de Park).
La ecuación de tensiones referida al lado del rotor – Potencia y Momento: La
Energía Almacenada en los Campos Magnéticos – El Momento Eléctrico y la
Potencia Mecánica.
La Maquina Trifásica y la Transformación al sistema dqo: La Transformación
del sistema abc al dqo.
Las tres Maquinas Clásicas como casos particulares del Modelo general de
Maquina Eléctrica: La Maquina de Corriente Continua – La Maquina Sincrónica
Trifásica – La Maquina Asincrónica Trifásica
Unidad 8: La Máquina Sincrónica
Servicio Estacionario Simétrico: Introducción.
La Maquina no saturada: Ecuaciones de Tensión de la Maquina de Polos
Salientes – Ecuaciones de tensión de la Maquina con Turbo Rotor – El
Diagrama de Fasores tomando como referencia la Tensión de Fase, o sistema
de referencia v – r (vatado – reactivo) – La Ecuación de Tensiones de la
Maquina Trifásica – Circuito Equivalente de la Maquina Sincrónica en Régimen
Estacionario Simétrico – Interpretación del Diagrama de Fasores – Diagrama
de Excitaciones – La Maquina en Paralelo con la Red – La Entrada en
Sincronismo – Servicio como Motor y como Generador – Servicio en los cuatro
cuadrantes (Balance de Energía) – Lugares Geométricos de la Corriente del
Inducido (Maquinas con Turbo Rotor y Maquinas con Polos salientes) – Limites
de Potencia – La Relación de Cortocircuito – Las Curvas V – El Momento
Eléctrico – La Estabilidad Estática – La Maquina en Servicio Individual ( La
Ecuación de tensiones – El Momento Eléctrico).
La Maquina Saturada: La Maquina en Vacío – La Maquina en Cortocircuito – La
Maquina en Carga – Determinación de la Excitación necesaria para un cierto
estado de carga – El Triángulo de Potier y la Característica Magnética
Devatada.
La Excitación de la Maquina Sincrónica: Los Sistemas de Excitación Clásicos –
Los Sistemas de Excitación Modernos – La Maquina Sincrónica Auto Excitada.
Unidad 9: La Máquina Asincrónica
La Maquina Asincrónica: Introducción – Importancia en el Campo de las
Maquinas Eléctricas – Campos de Aplicación – Descripción de Maquinas
Asincrónicas con Rotor Bobinado y Rotor Jaula.
Principio de Funcionamiento de la Maquina Asincrónica: Resbalamiento –
Distintas posibilidades de trabajo – Diagrama Fasorial – Diagrama Circular.
La Maquina Asincrónica como Motor: Arranque – Maquina Doble Jaula –
Regulación de Velocidad.
Otros Regímenes de Trabajo: La Maquina Asincrónica como Generador – La
Maquina Asincrónica como Freno – El Regulador de Inducción – La Maquina
Asincrónica Monofásica.
Cronograma estimado de clases (hs cátedra)
Semana
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
11
TEMA A DESARROLLAR:
Generalidades sobre Maquinas Eléctricas
Rotativas
Bases de la Conversión Electromecánica de la
Energía
Formas Básicas de las Maquinas Eléctricas
Rotativas
Demostración de las Bases de la Conversión
Electromecánica de la Energía
Arrollamientos para Maquinas Eléctricas
Rotativas
Arrollamientos para maquinas Eléctricas
Rotativas
Campos Magnéticos
Campos Magnéticos
Campos Magnéticos
Tensiones Inducidas
12
13
Tensiones Inducidas
Practica
6 hs
6 hs
6 hs
6 hs
6 hs
6 hs
6 Hs
6 hs
6 hs
6 hs
Arrollamientos y Campo Magnético
(I – II)
Tensiones Inducidas
Arrollamientos y Campo Magnético
(I – II)
Tensiones Inducidas
11
Teoría
6 hs
6 hs
6 hs
14
14
15
15
16
Tensiones Inducidas
Generalidades sobre Maquinas Eléctricas
Rotativas – Bases de la Conversión
Electromecánica de la Energía – Formas Básicas
de las Maquinas Eléctricas Rotativas –
Arrollamientos y Campo Magnético – Tensiones
Inducidas
Modelo General de Maquina Eléctrica
1º
Parcial
(3 Hs)
3 hs
Generalidades sobre Maquinas Eléctricas
Rotativas – Bases de la Conversión
Electromecánica de la Energía – Formas Básicas
de las Maquinas Eléctricas Rotativas –
Arrollamientos y Campo Magnético – Tensiones
Inducidas
Recup.
1º
Parcial
(3 Hs)
Modelo General de Maquina Eléctrica
6 hs
3 hs
17
Modelo General de Maquina Eléctrica
6 hs
18
Modelo de Maquina Generalizada
6 hs
19
Modelo General de Maquina Eléctrica
20
21
22
23
La Máquina Sincrónica (no saturada)
La Máquina Sincrónica (no saturada)
La Máquina Sincrónica (saturada)
La Máquina Sincrónica (saturada)
6 hs
24
25
6 hs
6 hs
6 hs
6 hs
Ensayos de la Máquina Sincrónica
6 hs
Ensayos de la Maquina Sincrónica
6 hs
26
27
28
La Máquina Asincrónica
La Máquina Asincrónica
6 hs
6 hs
6 hs
29
Ensayos de una Maquina Asincrónica
La Máquina Asincrónica
6 hs
Ensayos de una Maquina Asincrónica
6 hs
30
31
32
32
Modelo General de Maquina Eléctrica – La
2º
Máquina Sincrónica (no saturada) – La Máquina Parcial
Sincrónica (saturada) – La Maquina Asincrónica
(3 Hs)
3
Modelo General de Maquina Eléctrica – La
Máquina Sincrónica (no saturada) – La Máquina
Sincrónica (saturada) – La Máquina Asincrónica
Recup.
2º
Parcial
(3 Hs)
3
CARGA HORARIA ANUAL
128
Formación Experimental de Laboratorio
32
Resolución de Problemas a la Ingeniería
32
64
Metodología de Enseñanza
 La Actividad Curricular se basará esencialmente en el dictado de Clases
Teóricas y Clases Prácticas de Resolución de Problemas y de Formación
Experimental (Laboratorio).
 Las clases serán en todo momento del tipo participativas para una mejor
integración entre los docentes y los alumnos, favoreciendo de esta manera la
emisión y la recepción de los conocimientos.
 Los alumnos contarán con la bibliografía adecuada en existencia en la
Biblioteca Departamental o Central, documentación técnica respectiva
actualizada, guías de Trabajos Prácticos de Resolución de Problemas y de
Formación Experimental que serán facilitadas con antelación para su
comprensión previa, como así también el soporte informático requerido para
cada situación en particular.
 Las Clases Teóricas y Prácticas de Resolución de Problemas se desarrollaran
en el aula correspondiente al 4º nivel de la carrera respectiva.
 Las Clases de Formación Experimental se realizarán con Maquinas Eléctricas
Rotativas existentes en el Laboratorio (Área de Maquinas Eléctricas).
Metodología de Evaluación
En la Universidad Tecnológica Nacional las clases son presenciales y
obligatorias para los alumnos, por lo que se tiene un sistema de evaluación
caracterizado por dos elementos relacionados entre sí, Régimen de Promoción
y Formas de Evaluación.
En el caso de esta asignatura (Maquinas Eléctricas II) los requisitos que deben
satisfacer los alumnos para regularizar la asignatura, son:
 Régimen de Asistencia: 75% para Clases Teóricas- Prácticas y Laboratorios.
 Trabajos Prácticos: 100% de realización. Cualquiera sea la naturaleza del
Trabajo Práctico, Gabinete o de Laboratorio.
 Aprobación del Primer y Segundo Parcial o las Recuperaciones I y II según
lo que corresponda. La forma de evaluación es mediante Pruebas Escritas
individuales.
 Realizados los pasos anteriores el alumno cumple con el Régimen de
Regularización de la Asignatura, y está en condiciones de efectuar el
Examen Final para la Aprobación de la misma, es decir:
 El Examen Final consiste en una prueba de conocimientos sobre el
Programa Analítico de la Asignatura. Es Oral, individual y coloquial. La Nota
mínima de Aprobación es cuatro (4) y la máxima diez (10).
 Se puede Rendir el Examen Final para su aprobación hasta un máximo de
tres veces, a partir de lo cual y si no es aprobado, el alumno debe recusar la
Asignatura.
 El Examen Final indica la Aprobación de la Asignatura y habilita para la
inscripción y cursado de las correlativas inmediatas.
Recursos didácticos a utilizar como apoyo a la enseñanza
Instrumentos de Mediciones Eléctricas diversos y Maquinas Eléctricas
Rotativas en Laboratorio.
Soporte Informático
Departamento).
(Computadora
conectada
Bibliografía diversa, Documentación Técnica,
Publicaciones en Biblioteca Departamental.
a
la
Red
Revistas
Internet
Actualizadas
en
y
Recursos tecnológicos.
Se dispone de Notebook y proyector multimedial para presentaciones Power
Point, como también se hace uso del campus virtual de la universidad a través
del aula virtual.
Bibliografía
Garat, Ernesto – “Teoría de Maquinas Eléctricas Rotativas” Tomo I – Argentina
–
Universidad Nacional de Tucumán (Facultad de Ciencias Exactas y
Tecnología) – 2003
Fraile Mora, Jesús – “Maquinas Eléctricas” (5º Edición) – España – Mc Graw
Hill – 2003
Chapman, Stephen J. – “Maquinas Eléctricas” (3º Edición) – Colombia – Mc
Graw Hill – 2003
Fitzgerald, A. E. / Kingsley, Charles Jr. / Umans, Stephen D. – “Maquinas
Eléctricas” – México – Mc Graw Hill – 1992
Ellison, A. J. – “Conversión Electromecánica de la Energía” – Argentina –
Librería de las Naciones – 1969
Gotter, G. – “La Maquina Sincrónica” – Argentina – Universidad Nacional de
Tucumán (Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología) - 1962