Monografias | Prácticas de Laboratorio de Electricidad de Ingeniería Industrial la Unidad Profesional interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas

Objetivo:

1. Que el alumno conozca los niveles de energía eléctrica que existen desde la generación hasta los que se utilizan en este curso.
2. Que el alumno se familiaricen con los aparatos de medición y precauciones al utilizarlos.

Lista de materiales y equipo.
& Un osciloscopio & Un wattmetro
& Un generador de señales & Un multimetro
& Un amperímetro & Un modulo LEEI-1001
& Un amperímetro de gancho & Un modulo LEEI-1002
& Un volmetro & Mesa de trabajo

Teoría de la Práctica 1
La producción de grandes cantidades de energía eléctrica, ha sido posible gracias a la utilización de la máquinas generadoras que basan su funcionamiento en los fenómenos electromagnético.
Los circuitos domésticos representan una aplicación práctica, en nuestro mundo de aparatos eléctricos es útil entender los requerimientos y limitaciones de potencia de sistemas eléctricos convencionales y las medidas de seguridad que deben tomarse para evitar accidentes.

En un instalación convencional la compañía brinda el servicio eléctrico distribuye la potencia eléctrico a hogares individuales con un par de línea de potencia. Cada usuario se conecta en paralelo es esta línea, como se puede observar en el siguiente circuito doméstico, la diferencia de potencial entre los alambres es de 120 Voltios, El voltaje se alterna al mismo tiempo con una de los alambre conectado a tierra, y el potencial del otro alambre, "vivo", oscila respecto a la tierra. Para el presente análisis, suponemos un voltaje constante (corriente continua)

Un medidor y un interruptor de circuito se conectan en serie con uno de los alambres que entran a la casa. El alambre y el interruptor de circuito se seleccionan cuidadosamente para satisfacer las necesidades de corriente de ese circuito.
El estudio de los circuitos eléctricos es fundamental en la enseñanza de la Ingeniería Eléctrica. Los conocimientos que se adquieren son muy útiles en campos como la electrotecnia aplicada, sistemas de potencia y control, electrónica, computadores, telecomunicaciones, etc. También se pueden emplear en otros campos de la ingeniería aparentemente distintos, mediante las analogías eléctricas.

Se supone posee conceptos sobre carga eléctrica, potencial eléctrico, corriente eléctrica, potencia, energía, enlaces de flujo, y que conoce las leyes básicas de la física aplicadas a la electricidad, por lo que no se van a enumerar, ya que las habrá manejado en cursos anteriores de física.

Energía eléctrica:
La energía eléctrica, base del gran desarrollo alcanzado por la industria en nuestros tiempos, se produce en centrales hidráulicas, térmica y nucleares, situadas en determinados lugares geográficos. Debe, por tanto ser transportada a los centros de consumo valiéndose de líneas eléctricas, pero éstas suponen siempre una pérdida de energía, sobre todo a gran distancia, debida al calentamiento originado por el paso de la corriente, a la limitada eficacia de los aisladores, a los empalmes y contactos defectuosos, y a los efectos de la intemperie. Para paliar en lo posible estos inconvenientes, se recurre a la elevación de la tensión, que puede alcanzar los 380 000 voltios y diminuye de este modo la resistencia del conductor. Es necesario por este motivo instalar en los centros de distribución transformadores que reduzcan el voltaje al nivel adecuado para el alumbrado, la industrias, etc.

Planta hidroeléctrica:
El funcionamiento de la centrales hidroeléctricas o hidráulicos se basa en el aprovechamiento de la energía cinética proporcionada por el agua que, al caer sobre los alabes de una turbina, da a ésta última un movimiento mecánico de rotación que se transmite a un generador eléctrico.

Presas: Cuando se quiere embalsar el agua de un río se recurre a la construcción de una presa o represa, constituida generalmente por un muro de fábrica que detiene el curso del agua y provoca la formación de lago artifical, utilizado para la producción de fuerza electromotriz o para otras finalidades distintas como la regulación del río, la protección contra crecidas, el regadío, etc.

La planta hidroeléctrica: utiliza la fuerza de ríos, cascadas y artificialmente mediante presas

La Generación y Distribución de electricidad, son un conjunto de instalaciones que se utilizan para transformar otros tipos de energía en electricidad y transportarla hasta los lugares donde se consume. La generación y transporte de energía en forma de electricidad tiene importantes ventajas económicas debido al coste por unidad generada. Las instalaciones eléctricas también permiten utilizar la energía hidroeléctrica a mucha distancia del lugar donde se genera. Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje con transformadores. De esta manera, cada parte del sistema puede funcionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales: la central eléctrica, los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte, las líneas de transporte, las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de distribución, las líneas de distribución y los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los consumidores.

Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias líneas de conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.

Subestación: es el conjunto de elementos que nos permiten controlar, medir y transformar la energía eléctrica.

Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala produce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales.

Transformador: Es una máquina estática, constituida de dos circuitos llamados primario y secundario, los cuales no esta conectados físicamente, sino acoplados magnéticamente, existen 3 tipos: elevador (El número de vueltas del secundario es mayor que el primario), reductor (El número de vueltas del secundario es menor que el primario), relación uno a uno ó compensador (El número de vuletas es igual para el primario y secundario)

Circuito eléctrico.
Un circuito eléctrico está constituido por cualquier conjunto de elementos a través de los cuales pueden circular cargas eléctricas. Existirá pues, un conjunto de dispositivos eléctricos (por ejemplo fuentes, resistencias ,inductancias, capacidades, transformadores, transistores, etc) interconectados entre sí. De momento consideraremos, un elemento eléctrico con dos terminales A y B de forma que pueda interconectarse con otros elementos. Existen elementos más complicados que poseen más de dos terminales, y que pueden también interconectarse con otros. De momento nos centraremos en los de dos terminales. Más adelante definiremos los diversos elementos eléctricos y estableceremos el modelo matemático que caracteriza su funcionamiento. Ejemplos de circuitos eléctricos son: una red de distribución de energía eléctrica, un receptor de televisión, el circuito de encendido de un automóvil, una estufa eléctrica, etc.

Sistema de unidades.
A lo largo del curso se empleará el sistema de unidades internacional (SI) que corresponde al sistema MKSA racionalizado.
Magnitudes y unidades fundamentales.
Magnitud Unidad Abreviatura
Longitud Metro m
Tiempo Segundo s
Intensidad Luminosa Candela cd
Magnitudes y unidades derivadas.

Energia: Capacidad de un sistema para realizar un trabajo. La medida de la energía consumida es la misma que la del trabajo efectuado. Existen varias formas de energia : mecánica, cinética, potencial, calórica, eléctrica, atómica, magnética, quimica, nuclear, etc.

Corriente Eléctrica  
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ù), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación V = I × R, donde V es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos.

Intensidad de corriente, es la magnitud fundamental del Sistema Internacional de unidades que representa la carga que circula por unidad de tiempo a través de una sección determinada de un conductor. Su símbolo es I, y se mide en amperios (A).

Si la corriente es continua, la intensidad es la misma en cualquier instante y en todos los puntos del circuito (supuesto sin derivaciones). Si la corriente es variable, como en la corriente alterna o en una oscilación eléctrica, la intensidad varía simultáneamente con el tiempo y la posición.

Para medir la intensidad de la corriente se utiliza el amperímetro. Éste se instala siempre en un circuito de manera que por él circule toda la corriente, es decir, en serie.

Resistencia, es la propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ù. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de esta unidad, mho.

La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

Amperímetro
La corriente es una de las cantidades más importante que uno quisiera medir en un circuito eléctrico. Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide corriente. La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a que éste debe conectarse a la corriente, como se muestra en la siguiente figura:

Los alambres debe cortarse para realizar las conexiones en el amperímetro. Cuando use éste instrumento para medir corriente continuas, asegúrese de conectarlo de modo que la corriente entre en la terminal positiva del instrumento y salga en la terminal negativa. Idealmente, un amperímetro debe tener resistencia cero de manera que no altere la corriente que se va a medir. En el circuito indicado, esta condición requiere que la resistencia del amperímetro sea pequeña con R1 + R2. Puesto que cualquier amperímetro tiene siempre alguna resistencia, su presencia en el circuito reduce ligeramente la corriente respecto de su valor cuando el amperímetro no está presente.

Voltímetro
Un dispositivo que mide diferencias de potencial recibe el nombre de voltímetro. La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en el circuito puede medirse uniendo simplemente la terminales del voltímetro entre estos puntos sin romper el circuito, como se muestra en la figura.

La diferencia de potencial en el resistor R2 se mide conectando el voltímetro en paralelo con R2. También en este caso, es necesario observar la polaridad del instrumento. La terminal positiva del voltímetro debe conectarse en el extremo de resistor al potencial más alto, y la terminal negativa al extremo del potencial más bajo del resistor. Un voltímetro ideal tiene resistencia infinita de manera que no circula corriente a través de él. Como se ve en la figura esta condición requiere que el voltímetro tenga un resistencia que es muy grande en relación con R2. En la práctica, si no se cumple esta condición, debe hacerse una corrección respecto de la resistencia conocida del voltímetro.

Osciloscopio
El osciloscopio es el principal instrumento de laboratorio para medir y observar fenómenos eléctrico. Es especialmente importante para los estudiantes de ingeniería eléctrica que intente trabajar en áreas que incluyen a la electrónica. El simulador de osciloscopio reproduce el comportamiento y apariencia de un osciloscopio. El simulador ofrece dos modos de operación. En el modo tutorial, se puede marcar un componente con el cursor para ver un mensaje que describa cómo opera dicho componente. En el segundo modo de operación, el modo experimental, usted puede elegir diferentes señales de entrada y observar la señal como apariencia en un pantalla de osciloscopio.

Mesa de Trabajo de la UPIICSA de Laboratorios Pesados
Cuenta con cable de alimentación trifásico, el cual se conecta el contacto que se encuentra en el piso. Este contacto puede energizarse por medio de un interruptor termo magnético que se encuentra en el tablero de la parte lateral del aula. La energía eléctrica que recibe la mesa se distribuye de dos maneras.

1. Voltaje monofásico: de 127 volts que se encuentra presente en los contactos monofásicos polarizados de la parte inferior.
2. Voltaje trifásico: Este puede interrumpirse o activarse al operar algunos de los dos interruptores que se encuentran en la parte central del tablero. Siguiendo las trayectorias indicadas en el tablero se notará que se tienen 3 interruptores termo magnéticos en ambos lados de la mesa, cada uno de los cuales accionaran a su vez sobre cada una de las fases. La presencia de estos voltajes es indicada por la lamparita de color blanco colocada en cada trayectoria. Los contactos trifásicos del tablero recibirán así voltajes de línea de 220 volts de valor fijo. Los botones marcados con las letras A, B, C y N tendrán la presencia de voltaje trifásico que puede tomar diferentes valores. El nivel del voltaje de línea en estos botones es indicado por el voltímetro de tipo industrial al que se encuentra ahí conectado.

La variación del voltaje en los botones antes mencionados se logra por utilización de un auto transformador trifásico variable localizado en el interior de la mesa.

Cuestionario de la Práctica

1. Defina los siguientes parámetros: Voltaje, corriente, resistencia, potencial eléctrico:

• Diferencia de potencial. Debido a la fuerza de su campo eléctrico, una carga eléctrica tiene la capacidad de efectuar un trabajo a través de otra carga por atracción o repulsión. La capacidad de una carga para realizar trabajo se llama potencial. Cuando 2 cargas no son iguales, debe haber entre ellas una diferencia de potencial. La mayor de las diferencias de potencial entre todas las cargas del campo electrostático recibe el nombre de fuerza electromotriz (fem). La unidad básica de la diferencia de potencial el es Volt (V). El símbolo de la diferencia de potencial es V e indica la capacidad de efectuar un trabajo para que los electrones se muevan. Como se usa el volt como unidad, la diferencia de potencial también se llama voltaje.
• Corriente. El movimiento o flujo de electrones se denomina corriente. Para producirla, los electrones deben moverse por efecto de una diferencia de potencial. La corriente se representa con el símbolo I. La unidad básica de medida es el ampere (A). Un ampere de corriente se define como el movimiento de un coloumb que pasa por cualquier punto de un conductor durante 1 segundo.
• Resistencia. Es la oposición al flujo de corriente. Para aumentar la resistencia en un circuito, se usan componentes eléctricos llamados resistores (resistencias). Un resistor es un objeto cuya resistencia al paso de la corriente tiene un valor específico conocido. La resistencia se mide en ohms y en ocasiones se representa con el símbolo R. Un ohm se define como la cantidad de resistencia que limita la corriente en un conductor a 1 ampere cuando el voltaje aplicado al conductor es de 1 volt.
• Potencia eléctrica. Potencia usada en cualquier parte de un circuito es igual a la corriente I en esa parte multiplicada por el voltaje V dividida entre los extremos de esa parte del circuito. Su fórmula es: P = VI

1. Mencione las partes de un generador elemental.

• Armadura o rotor el cual gira por una fuerza mecánica externa. El voltaje que se genera en la armadura se conecta a un circuito externo. El voltaje que se genera en la armadura se conecta a un circuito externo, es decir, la armadura del generador suministra corriente a un circuito externo.
• Conmutador convierte corriente alterna que fluye en su armadura en corriente continua en sus terminales. El conmutador consiste en segmentos de cobre, de los cuales hay un par por cada bobina de la armadura. Cada segmento del conmutador está aislado de los demás con mica. Los segmentos están montados sobre el eje de la armadura y aislados de éste y del hierro de la armadura. En el bastidor de la máquina, se montan escobillas estacionarias de manera que hagan contacto con segmentos opuestos del conmutador.
• Escobillas son conectores de grafito estacionarios que se montan con un resorte para que resbalen o rocen el conmutador en el eje o flecha de la armadura. De esta manera, las escobillas proporcionan la conexión entre las bobinas de la armadura y la carga externa.
• Devanado del campo Este electroimán produce el flujo que corta la armadura. La corriente que produce el campo puede provenir de una fuente externa llamada excitatriz o de la salida de su propia armadura.

• Monofásico 127 V
• Bifásico 220 V
• Trifásico 440 V

1. ¿Por medio de qué elementos está protegida la mesa de trabajo?

• Botones electromagnéticos.- Estos interruptores son monofásicos y en el momento que se tenga una sobrecarga en la mesa de trabajo se botan de su estado de accionamiento e interrumpen todo paso de energía.
• Botón cabeza de hongo.- Tiene el mismo funcionamiento que el anterior, con la diferencia de que este es accionado manualmente cuando uno se percate de una sobrecarga.

Un foco eléctrico consume 1.0 A al operar en un circuito de cc de 420 V ¿Cuál es su resistencia?

El primer paso en la solución del problema de circuitos es trazar un diagrama esquemático del circuito en cuestión, marcando cada una de sus partes e indicando los valores conocidos.

Como se conocen V e I, usamos la ecuación de la ley de Ohm para encontrar el valor de R siendo:

Conclusión de la Práctica 1
Dentro de esta practica hemos conocido los diferentes dispositivos con los que contamos dentro del laboratorio de electricidad, ya sea como los instrumentos de medición, tablero de trabajo y los tableros de dispositivos pasivos.

Se mostró los diferentes cantidades de energía con los que contamos dentro del laboratorio. Con esto se conoció las medidas de precaución que se tiene en la mesa de trabajo.

Otro aspecto que conocimos en esta practica de introducción del laboratorio es la forma en que se utilizan los diferentes instrumentos de medición como son: voltímetro, amperímetro, wattmetro y multimetro. Dimos un pequeño reconocimiento de las diferentes formas en que se genera la energía eléctrica , su forma de transporte y las subestaciones que apoyan para su traslado de un lugar a otro.

Práctica 2: El Osciloscopio
Objetivo de la practica:

• Que el alumno conozca y utilice correctamente el osciloscopio para la medición de señales eléctricas.
• Que el alumno conozca las posibles aplicaciones de este instrumento para la solucion de problemas.
• Que el alumno realice la medición de señales eléctricas, interprete resultados y calcule los valores RMS.

Lista de material y equipo:

• Un osciloscopio
• Una sonda para el osciloscopio
• Un generador de señales
• Un cable de alimentación para el osciloscopio
• Dos cables para conexiones

Teoría de la Práctica 2
Osciloscopio, Es un instrumento electrónico que registra los cambios de tensión producidos en circuitos eléctricos y electrónicos y los muestra en forma gráfica en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Los osciloscopios se utilizan en la industria y en los laboratorios para comprobar y ajustar el equipamiento electrónico y para seguir las rápidas variaciones de las señales eléctricas, ya que son capaces de detectar variaciones de millonésimas de segundo. Unos conversores especiales conectados al osciloscopio pueden transformar vibraciones mecánicas, ondas sonoras y otras formas de movimiento oscilatorio en impulsos eléctricos observables en la pantalla del tubo de rayos catódicos.

Rayos catódicos, electrones de alta velocidad emitidos por el electrodo negativo de un tubo de vacío al ser atravesado por una corriente eléctrica. Los rayos catódicos se generaron por primera vez utilizando el tubo de Crookes, invento del físico británico William

Crookes. En 1895, mientras trabajaba en investigación, el físico alemán Wilhelm Roentgen descubrió casualmente que los rayos catódicos que golpeaban una placa metálica generaban rayos X. Los rayos catódicos pueden ser desviados y enfocados por campos magnéticos o eléctricos. Estas propiedades se utilizan en el microscopio electrónico, en el osciloscopio de rayos catódicos y en el tubo de imagen de los receptores de televisión.

La ventaja principal del osciloscopio consiste en que proporciona una grafica de la forma de la onda que se mide. La mayoría de los osciloscopios usan la desviación electrostática. El rayo proyectado desde el lanzador de electrones es desviado vertical u horizontalmente por pares de placas verticales y horizontales. Aunque el osciloscopio se utiliza de preferencia en mediciones de voltajes entre puntos máximos, otras de sus posibilidades son las mediciones de frecuencia, tiempos, inclinaciones de honda y ángulos de fase y respuesta de frecuencia.

Para calibrar un osciloscopio con un calibrador interno, la pantalla se calibra mediante el ajuste de una figura fija con un voltaje de 1 volt entre picos.

Para la localización de fallas en un osciloscopio, normalmente se utilizan tres probadores básicos auxiliares.

• El probador de baja capacitancia por lo general se utiliza para medir circuitos de alta frecuencia o alta impedancia . mediante la aplicación de este probador se reduce el efecto de bajo potencial, lo cual aumenta la ezactitud de medicion.
• El probador de desmodulacion de pruebas o radio frecuencias (rf) frecuente mente se usa para medir señales de radio frecuencia cuando la señal debe detectarse antes de que aparezca en la pantalla.
• El probador divisor de voltaje se utiliza para reducir el voltaje que desea, la relacion reductor de voltaje es de 10:1 o 100:

Calibración interna del osciloscopio

Señal ambiente

Voltaje monofásico

Vef = (440/2)(0.707)=155.54V

Onda senoidal

Onda cuadrada

Onda triangular

Cuestionario de la Práctica 2

Periodo T = (N° de cuadros horizontales)(Base de tiempo time / div)

11.- En un circuito se obtuvieron las siguientes lecturas de una onda senoidal:

• 7 cuadros verticales
• 8 cuadros horizontales
• volts / div : 200 mV.
• Time / div: 0.5 ms.
• Atenuador de la sonda: 10

Obtener:

• Valor máximo o valor pico.
• Valor pico a pico.
• Valor eficaz.
• Periodo.
• Frecuencia.

Solución
Vpp = (N° de cuadros verticales)(sensibilidad volts / div)(atenuación)
Vpp = (7)(200X10-3)(10) = 14 volts.
Vmáx = Vpp/2 = 14/2 = 7 volts.
Vef = (Vmáx)(0.707) = (7)(0.707) = 4.949 volts.
Vmed= (Vmáx)(0.637) = (7)(0.637) = 4.459 volts.
Periodo T = (N° de cuadros horizontales)(Base de tiempo time / div)
Periodo T =(8)(0.5X10-3) = 0.004 seg.
F = 1/T = 1/0.004 = 250 Hz.

Conclusión de la Práctica 2
Dentro de la realización de está practica se pudo conocer el funcionamiento que se le tiene que dar al osciloscopio, y los diferentes beneficios que esto significa. Pudimos dar un reconocimiento físico del osciloscopio, esto es, que reconocimos y conocimos los diferentes controles con que esté cuenta para su utilización, como son : el fotos de enfoque, el time / div, volt / div, etc., esto con la finalidad de conocer como se mide los distintos parámetros de una onda como su valor eficaz, valor medio, periodo, frecuencia, valor máximo y valor pico a pico.

Todos esto valores son perfectamente calculados con el osciloscopio, tanto para una onda senoidal, como para una no senoidal, claro utilizando las formulas adecuadas que dentro de la practica fueron especificadas y conocidas.

Por otra parte en la tabla de resultados pusimos el valor de 1 para la atenuación de la onda, ya que la sonda tenia este valor de 1 cuando la empezamos a utilizar y por tanto seguimos con este valor respetándolo para los cálculos.

Práctica 3: Análisis de Circuitos RC y RL
En la práctica, los inductores y capacitores tienen gran utilización, ambos constituyen la base de la mayor parte de circuitos eléctrico en su gran variedad de aplicaciones. Debido a la importancia que caracteriza a estos elementos de circuito, se hace necesario analizar cuidadosamente su comportamiento al ser introducidos en circuitos experimentales con el objeto de que el (o los) parámetros (s) que nos describe el comportamiento de un inductor o bien un capacitor, sean entendidos plenamente y una vez habiendo logrado esto se podrán aplicar estos conceptos en forma general al efectuar análisis experimentales.

Un capacitor tiene la propiedad de almacenar energía en virtud del campo electrostático que se establece entre sus placas al serle aplicada una tensión eléctrica, llamándosele a esto "proceso de carga del condensador". Cuando el voltaje aplicado entre las placas de condensador tiende a ser cero, este tiende a descargarse, es decir, devuelve la energía que almacena y posteriormente la devuelve; esto es distinto de lo que sucede en un resistor, el cual no almacena energía sino que la disipa al transformarla en calor (efecto joule); cuando una corriente fluye a través de un inductor (bobina), se establece un campo magnético el cual contiene energía.

Cuando la corriente se incrementa, la energía contenida en el campo también se incrementa cuando la corriente disminuye, la energía contenida disminuye; y cae a cero cuando la corriente es cero. La situación es análoga a la de un capacitor, excepto que en un capacitor es el voltaje quien determina la cantidad de energía almacenada, mientras en el inductor es la corriente.

En un circuito de Corriente Alterna, en el cual se encuentre presente un inductor, o bien capacitor, existirá un parámetro resistivo (x), el cual tenderá a oponerse al flujo de la corriente y en consecuencia genera una resistencia adicional a la propia del elemento, es decir, la determina con un ohmetro. En este caso es necesario investigar si existe una dependencia entre el parámetro resistivo (x) y los parámetros de inductancia (L), capacidad (C) y frecuencia (f) de la corriente del circuito. Si los resultados de la investigación efectuada muestran que la X, L, C y f están relacionadas entre si, entonces debe procederse a presentarlo formalmente.

"en donde omega es la frecuencia angular que es dos veces pi por la frecuencia"

Formulario:

donde:

= frecuencia angular

Corriente Eléctrica  
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente.

Intensidad de corriente, es la magnitud fundamental del Sistema Internacional de unidades que representa la carga que circula por unidad de tiempo a través de una sección determinada de un conductor. Su símbolo es I, y se mide en amperios (A).
Si la corriente es continua, la intensidad es la misma en cualquier instante y en todos los puntos del circuito (supuesto sin derivaciones). Si la corriente es variable, como en la corriente alterna o en una oscilación eléctrica, la intensidad varía simultáneamente con el tiempo y la posición.

Resistencia, es la propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ù. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de esta unidad, mho.

La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

Desarrollo: Se realiza lo que se indica en el manual, y se comprobó el voltaje de salida de los circuitos los resultado fueron los siguientes

Cuestionario Práctica #3

• Corriente, Potencia real, Potencia aparente, Potencia reactiva, Factor de potencia
• Dibuje el triangulo de potencias

Circuito R-L

Igualando ambas ecuaciones

VI=V²7Z entonces I=V/Z= (220 Volts)/(30∟60°)= 7.333∟60°

S=VI=(220v)(7.3333)=1613.33VAS

P= VIcos θ

P=(220v)(7.333Amp) cos 60°

P=806.66w

Q=VIsen θ=(220v)(7.333Amp)cos 60°=1397.12VARS

fp= cos θ=cos 60°=0.5

fp=P/S=806.666w/1613033w=0.5

P= VIcos θ=806.66w

θ Q=VIsen θ=1397.12VARS

S=VI=1613VAS en atrazo

1. Si el monto de la facturacion era de $20 000.00 con la penalizacion, cuanto sera el pago que tiene que realizarsea la compañía de luz.

   Con los datos anteriores y con el monto de facturación así como el f.p especificado de 0.9 tenemos:

   Cargo por bajo f.p = ((f.p. especificado/f.p. medido)-1)(monto de facturación)

   =((0.9/0.5)-1)(20000)=$16000.00

   pago a la compañía de luz = $16 000.00+$20 000.00=$36 000.00

2. Con los valores anteriores corrija el factor de potencia a 0.9, mencionando el valor de los capacitores que hay que conectar al sistema. Dibuje el triángulo de potencias resultante.

f.p=0.9

θ=cos-Ήf.p.=26°

S´=P/ cos θ=(806.66w)/(cos∟26°)=896.28 w

Q´=S´ sen θ=(896.28w)(sen 26°)=392.9 VARS

Qc=Q-Q´=1397.12-392.9=1004.22VARS

P= VIcos θ

Θ=26° Q΄=392.9 VARS

Q=1397.12VARS de atraso

S=1613VAS Qc=1004.22VARS

Conclusión de la Práctica 4
Dentro de esta practica conocimos el valor de la potencia y la importancia de conocer el valor del factor de potencia, ya que estos datos influyen en la economía de la industria que contenga un valor muy bajo.

Analizando lo valores obtenidos y la teoría sabemos que el factor de potencia debe de estar alrededor de 0.9 por lo cual si tenemos un valor menor a este mencionado encontraremos un monto del pago en la electricidad mayor, lo cual no nos conviene.

Práctica 5: cargas trifásicas conectada en delta o estrella
Objetivos de la practica
1.- Que el alumno analice las características de una carga en estrella para establecer las ventajas y desventajas de este tipo de conexión.
2.- Que el alumno analice las características de una carga en delta y compare las ventajas en relación a la conexión estrella.

Lista De Material Y Equipo
Un modulo UPIICSA LEE-1001
Un amperímetro
Un voltmetro
Nueve cables para conexiones

Teoría de la Práctica 5

• Generador conectado en Y (estrella).

Si se conectan juntas las terminales A’, B’ y C’ se dice que el sistema es un generador trifásico conectado en Y y el punto en que se conectan todas las terminales recibe el nombre de punto neutro.

Si un conductor no se conecta desde ese punto a la carga, el sistema se denomina generador trifásico de tres hilos o conductores conectados en Y. Si se conecta el neutro, se tratará de un generador trifásico de cuatro hilos o conductores, conectado en Y.
Puesto que A, B, y C corresponden ahora al punto neutro N, las fases de tensión se pueden definir como VAN, VBN, VCN o voltaje de fase. Los tres conductores conectados de A, B y C a la carga se llaman líneas. Para el sistema conectado en Y debe resultar evidente, que la corriente de la línea es igual a la corriente de fase (IA = IFA, IB = IFB, IC = IFC).

ILINEA = IFASE

La tensión que existe en las líneas se denomina tensión de línea VL. O bien, VAB, VBC, VCA.

A partir del diagrama fasorial se encuentra el resultado que:

La magnitud de la tensión de línea de un generador conectado en Y es 3 veces la tensión de fase, es decir:

La secuencia de fases en conexión Y es el orden en que pasan los fasores que representan las tensiones de fase de un punto fijo del diagrama fasorial si se hacen girar los fasores en sentido contrario al de las manecillas del reloj.

Sin embargo, puesto que el punto fijo se puede escoger en cualquier lugar sobre el diagrama fasorial, la secuencia se escribir también como BCA, o CAB.

La secuencia de fase se puede describir también en términos de las tensiones de líneas. Al trazar las tensiones de líneas en un diagrama fasorial, podemos determinar la secuencia de fase haciendo girar nuevamente los fasores en la dirección contraria a las manecillas del reloj.

• Generador conectado en Delta.

Si las bobinas de un generador se conectan A con C’, B con A’ y C a B’ a este sistema se le denomina generador trifásico de C.A. de tres conductores conectados en delta.

Debido a que solo existe un tipo de tensión en vez de dos como ocurre con Y, la tensión de línea es igual a la tensión de fase VL = VF.

Por otro lado, la corriente de línea para el sistema conectado en delta no es igual a la corriente de fase IF. La relación entre las dos se puede encontrar aplicando la Ley De Corrientes de Kirchhoff en uno de los nodos y resolviendo para la corriente de línea en términos de las corrientes de fase.; o sea, en el nodo A:

IAB = IA + ICA o IA = IAB - ICA

El diagrama fasorial muestra la relación entre corrientes de línea IA, IB E IC y las corrientes de fase IAB, IBC, ICA.

A partir del análisis del diagrama fasorial se puede establecer que la corriente de la linea es igual a veces la corriente de fase, es decir:

Aún cuando las tensiones de línea y de fase de un sistema conectado el delta son iguales, es práctica común o establecida describir la secuencia de fase en términos de las tensiones de línea. El método empleado es el mismo que se describió para las tensiones de línea del generador conectado en Y.

• Generador conectado en Y con una carga conectada en Delta.

Las cargas cnectadas a fuentes trifásicas son de dos tipos: delta y Y.

La carga conectada en Y se fija a un generador conectado en Y, y el sistema se representa simbólicamente por medio de Y-Y.

Para una carga balanceada;

ZA = ZB = ZC
Entonces:

IN = 0

Para una carga balanceada, el ángulo de fase debe ser también el mismo para cada impedancia.

En la práctica si una fábrica tiene sólo cargas trifásicas balanceadas la falta del neutro no tendrá efectos, puesto que el sistema estará siempre balanceado; por esto, el costo será menor, puesto que se reducirá el número de conductores requeridos. No obstante, la iluminación y la mayoría de los otros equipos eléctricos utilizarán sólo una de las tensiones de fase e incluso, si se dañan las cargas para que estén balanceadas, nunca habrá un equilibrio continuo perfecto, puesto que las luces y otros equipos eléctricos se encenderán y apagarán , alterando el equilibrio.

Por tanto, el neutro es necesario para llevar la corriente resultante a parte de la carga y de regreso al generador conectado en Y.

La magnitud de la corriente en cada fase será igual para una carga balanceada y desigual para un a carga desbalanceada.

• Sistema Delta - Y

No hay conexión de hilo neutro para el sistema Y-delta. Cualquier alteración en la impedancia en una fase que produzca un sistema desbalanceado, hará variar las corrientes de linea y de fase.

La tensión en casa fase de la carga es igual a la tensión de la línea del generador para una carga balanceada, es decir:

VL = VF

Cálculo y Resultados de la Práctica 5

MEDICIONES DE VOLTAJE Y CORRIENTE DE ESTRELLA BALANCEADA

MEDICIONES DE VOLTAJE Y CORRIENTE DE ESTRELLA DESBALANCEADA

MEDICIONES DE VOLTAJE Y CORRIENTE DE DELTA BALANCEADA

MEDICIONES DE VOLTAJE Y CORRIENTE DE DELTA DESBALANCEADA

Cuestionario de la Práctica 5

1.- ¿Por cuantos grados están defasadas las bobinas de un generador trifasico?

Por 120°

2.- Dibuje el diagrama vectorial de una secuencia positiva y de una secuencia negativa de fases?

Secuencia de fases ABC, voltajes de fase.

A punto fijo P

Secuencia de fases ABC, voltajes de fase.

3.- ¿Cómo podemos invertir el giro de un motor trifasico?

Cambiando 2 dp las tres fases

4.- Mencione y dibuje las dos formas en que podemos conectar un motor trifasico.

Delta y estrella.

A

C´¨A´B´

5.- Indique ¿Cuál es la relación de tensiones en una conexión así como la de corrientes?

Estrella Ilin = I final V lin=√3 I fin

Delta V lin=V fin I lin= √3 I fin

6.- Si un sistema electrico de conexión estrella 3F-4H se alimenta entre fases de 220v y cada una de sus fases tiene una impedancia de 5∟30° ¿Cuál es el valor de la corriente en el neutro si el sistema tiene una secuencia positiva ABC?

Es cero ya que esta equilibrado.

7.- Dibuje el diagrama fasorial de tensiones de la pregunta anterior tomando como referencia VAB=220∟0°.Representando voltajes de linea y voltajes de fase.

8.- Mencione la relación tanto de voltajes como de corrientes en una conexión delta.

Ve=Vf

I l=√3 I f

Conclusión de la Práctica 5
De acuerdo con lo visto en la practica la conexión estrella y la conexión delta son estas las mas utilizadas en la industria ya que proporcionan una buena eficiencia en los circuitos eléctricos y así el aprovechamiento de estas es el máximo.

Lo importante de esto es que para cada circuito eléctrico, la mejor conexión puede ser tanto la estrella como la delta , sin embargo de acuerdo a las necesidades de cada empresa se tendría que estudiar cual de estas seria la mejor opción.

Práctica 6: Subestaciones Eléctricas
Las instalaciones eléctricas tienen seis elementos principales: la central eléctrica, los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada a las altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte, las líneas de transporte, las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las líneas de distribución, las líneas de distribución y los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los consumidores.

Subestación: es el conjunto de elementos que nos permiten controlar, medir y transformar la energía eléctrica.

Se considera que es el conjunto de elementos integrados que transforman, distribuyen, controlan y miden la energía eléctrica proveniente de las plantas generadoras, líneas de transmisión, o de líneas de distribución.

En función de su diseño son las encargadas en interconectar líneas de transmisión de distintas centrales generadoras, transformar de distintas centrales generadoras, transformar los niveles de voltajes para su transmisión o consumo.
Las subestaciones eléctricas por su tipo de servicio se clasifican en:
Subestaciones elevadoras.
Subestaciones reductoras.
Subestaciones compensadoras.
Subestaciones de maniobra o switcheo.
Subestación principal de sistemas de distribución.
Subestaciones de distribución.
Subestaciones rectificadoras.
Subestaciones inversoras.

A su vez se clasifican en :
Subestaciones de tipo intemperie. Se construyen en terrenos expuestos a la intemperie y requieren de un diseño y equipo especial capaz de soportar condiciones atmosféricas y climáticas adversas.
Esta subestación por lo regular es usada por industriales, las cuales se alimentan con media tensión (23 kV), para después, reducir esa tensión a los valores requeridos pagando menos por el servicio.
Subestaciones de tipo interior. En este tipo de subestaciones, el equipo y diseño están adaptados para operar en lugares protegidos contra inclemencias del tiempo.

Por su construcción:
Subestaciones convencionales. En estas, el equipo a instalar se coloca en una estructura metálica, se aíslan tan sólo por una malla de alambre, es decir, no va en gabinetes. Pueden construirse para servicio interior y exterior.

Este tipo de arreglo se tiene en los siguientes tipos de subestación:
Subestaciones elevadoras.
Subestaciones reductoras.
Subestaciones principales de sistemas de distribución.
Los elementos principales de la subestación eléctrica convencional son:
Interruptor automático.
Seccionadores.
Conmutadores de puesta a tierra.
Transformadores de corriente.
Transformadores de potencial o transformadores de voltaje de capacitor.
Capacitores de acoplamiento.
Filtros de línea.
Apartarrayos.
Transformadores de potencia.
Reactores en derivación.
Reactores limitadores de corriente.
Barras y aisladores de estación.
Sistemas de puesta a tierra.
Capacitores.

Son grandes dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte de electricidad y en pequeñas unidades electrónicas. Los transformadores de potencia industriales y domésticos, que operan a la frecuencia de la red eléctrica, pueden ser monofásicos o trifásicos y están diseñados para trabajar con voltajes y corrientes elevados. Para que el transporte de energía resulte rentable es necesario que en la planta productora de electricidad un transformador eleve los voltajes, reduciendo con ello la intensidad. Las pérdidas ocasionadas por la línea de alta tensión son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente por la resistencia del conductor. Por tanto, para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia se utilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En el extremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentando la intensidad, y adaptan la corriente a los niveles requeridos por las industrias y las viviendas, normalmente alrededor de los 240 voltios. Los transformadores de potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos entre las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que hace necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores de potencia convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un circuito de refrigeración que contiene aceite u otra sustancia. El aceite circula por el transformador y disipa el calor mediante radiadores exteriores.

Apartarayos, es un dispositivo formado por una o más barras metálicas terminadas en punta y unidas entre sí y con la tierra, o con el agua, mediante conductores metálicos, y que se coloca sobre los edificios o los buques para preservarlos de los efectos del rayo.
El rayo se debe a un desequilibrio eléctrico entre nubes, o entre la tierra y las nubes. Si la base de la nube está cargada negativamente, atrae cargas positivas de la tierra que está debajo. La diferencia de potencial aumenta hasta que tiene lugar una repentina descarga, el rayo, que neutraliza de nuevo las cargas en la nube y la tierra.

Condensador, es un dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. La botella de Leyden es un condensador simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

Fusible se define como el dispositivo de seguridad utilizado para proteger un circuito eléctrico de un exceso de corriente. Su componente esencial es, habitualmente, un hilo o una banda de metal que se derrite a una determinada temperatura. El fusible está diseñado para que la banda de metal pueda colocarse fácilmente en el circuito eléctrico. Si la corriente del circuito excede un valor predeterminado, el metal fusible se derrite y se rompe o abre el circuito. Los dispositivos utilizados para detonar explosivos también se llaman fusibles.

Un fusible cilíndrico está formado por una banda de metal fusible encerrada en un cilindro de cerámica o de fibra. Unos bornes de metal ajustados a los extremos del fusible hacen contacto con la banda de metal. Este tipo de fusible se coloca en un circuito eléctrico de modo que la corriente fluya a través de la banda metálica para que el circuito se complete. Si se da un exceso de corriente en el circuito, la conexión de metal se calienta hasta su punto de fusión y se rompe. Esto abre el circuito, detiene el paso de la corriente y, de ese modo, protege al circuito.

Subestaciones compactas. También llamadas unitarias. En estas subestaciones el equipo se encuentra protegido por un gabinete y el espacio necesario es muy reducido, pueden construirse para servicio interior o exterior.

Los elementos principales de la subestación eléctrica compacta son:
Acometida.
Equipo de medición.
Cuchilla de prueba y paso.
Apartarrayos.
Fusibles de potencia.
Interruptor de operación con carga.
Sección de acoplamiento.
Transformador.
Interruptor general.
Interruptores derivados.
Transformador, dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas

Elementos secundarios de la subestación.
Cables de energía.
Cables de control.
Alumbrado.
Estructura.
Herrajes.
Equipo contra incendio.
Equipo contra filtrado de aceite.
Sistemas de tierras.
Carrier.
Intercomunicación.
Trincheras, conducto, drenaje.
Cercas.

Cable eléctrico, es un medio compuesto por uno o más conductores eléctricos, cubiertos por un aislante y, en ocasiones, por un revestimiento o vaina protectora, utilizado para transmitir energía eléctrica o los impulsos de un sistema de comunicaciones eléctrico.
Para la transmisión de energía eléctrica en los circuitos de alta tensión se utilizan cables de tres alambres revestidos de plomo y rellenados con aceite bajo presión. Las líneas de distribución secundarias suelen utilizar cables aislados de un solo conductor. En el cableado eléctrico residencial se emplea el cable B-X. Este tipo de cable contiene dos conductores aislados, rodeados de capas de aislante adicionales cubiertas con una banda metálica enrollada helicoidalmente para su protección. El cable de encendido utilizado para transportar corriente de alta tensión a las bujías de un motor de combustión interna es un cable monoconductor. Está cubierto de tela impregnada en laca para aislarlo.

El objetivo a cumplir por una subestación es determinante en su ubicación física. Para esto, las subestaciones de transmisión están ubicadas alejadas de los centros urbanos, esto facilita, el acceso de líneas de alta tensión y la localización de terrenos lo suficientemente grandes para albergar en forma segura los delicados equipo para el manejo de alta tensión.

Por otra parte las subestaciones de distribución deben construirse en función del crecimiento de la carga, es decir, deben estas ubicadas en los centros de carga de áreas urbanizadas para, de esta forma, asegurar la calidad y continuidad del servicio al usuario.
Las subestaciones de distribución son alimentadas desde las subestaciones de transmisión con líneas o cables de potencia a la tensión de 230 ó 115 kV, es lógico suponer que esta tensión no debe considerarse como de transmisión ni distribución para esta condición intermedia, se desarrolla el concepto de subtransmisión.
Los niveles de tensión para su aplicación e interpretación se consideran conforme lo indican las tarifas para la venta de energía eléctrica en su sección de aspectos generales, siendo:
Baja tensión en el servicio que se suministra en niveles de tensión menores o iguales a 1 kV.
Media tensión en el servicio que se suministra en niveles de tensión mayores a 1 kV, pero para menores o iguales a 35 kV.
Alta tensión a nivel subtransmisión en el servicio que se suministra en niveles de tensión mayor a 35 kV, para menores a 220 kV.
Alta tensión a nivel transmisión es el servicio que se suministra en niveles de tensión iguales o mayores a 220 kV.

Transformador de subestación tipo distribución.
Equipo ideal en subestaciones de tipo interior, para reducción de la tensión de distribución primaria en 3 hilos a tensiones de utilización en 4 hilos, para alumbrado y cargas trifásicas o monofásicas industriales, ligeros o comerciales; diseñado de acuerdo con normas nacionales, así como con normas internacionales.

Características generales
Capacidades: 112.5; 150; 225; 300; 500; 750; 1000; 1500; 2000 kVA
Tipo de enfriamiento: OA
N º de fases: 3
Frecuencia: 60 Hz
Voltaje de AT: 4160; 13200; 23000; 34500 V
Conexión AT: Delta
Voltaje de BT: 220Y/127, 440Y/254 V
Conexión BT: Estrella
Altura de operación: 2300 m.s.n.m
Líquido refrigerante: 65 ºC sobre un ambiente máximo de 40 ºC y promedio de
30 ºC en un periodo de 24 horas.

En toda instalación industrial o comercial el uso de la energía es indispensable. La continuidad de servicio y calidad de la energía consumida por los diferentes equipos, así como la requerida  para la iluminación,  son necesarias para lograr mayor productividad.
Con el fin de lograr una mejor regulación en las tensiones de utilización, la Cía. de Luz y Fuerza del centro y la Comisión Federal de Electricidad suministran la energía eléctrica en voltajes de clase 15kV, 25kV y 34.5 kV, requiriéndose, por lo tanto, de una subestación eléctrica.

El sistema energético de Argentina está compuesto por las redes de conductos y de energía eléctrica. Entre las redes de conductos se distinguen los gasoductos, los oleoductos y los poliductos, que conectan las áreas productivas de la Patagonia, Cuyo y Noroeste con los grandes centros de consumo o de industrialización derivada. Las redes de energía eléctrica se integran en el sistema interconectado nacional, los sistemas regionales y las estaciones de transformación, y ponen igualmente en contacto las centrales eléctricas con las grandes áreas de consumo. Están compuestas por líneas de transmisión, equipamientos de generación y subestaciones de transformación. Las principales líneas conectan el sistema hidroeléctrico del río Limay (Neuquén-Río Negro) con Buenos Aires, Bahía Blanca y La Plata. También destacan las líneas de Yaciretá (Argentina-Paraguay) y de Salto Grande (Argentina-Uruguay) con Rosario y el Gran Buenos Aires. La energía eléctrica instalada es estimada en 14.000 megavatios.

Práctica 7: Transformadores
Características del transformador ideal.
El transformador básico consiste de dos bobinas eléctricamente aisladas y enrolladas sobre un núcleo común. La energía eléctrica se transfiere de una bobina a otra por medio del acoplamiento magnético. La bobina que recibe la energía de la fuente de ca se llama el (devanado) primario. La que proporciona energía a una carga de ca se llama (devanado) secundario. El núcleo de los transformadores que se usan a frecuencias altas de hacen de hierro pulverizado y cerámica o bien de materiales no magnéticos. Algunas bobinas se arrollan sencillamente sobre formas huecas no magnéticas, de manera que el material del núcleo sea en realidad el aire.

Si se supone que un transformador opera en condiciones ideales, la transferencia de la energía de un voltaje al otro no va acompañada por pérdidas.

Relación de voltaje.
COEFICIENTE DE ACOPLAMIENTO entre dos bobinas se determina por la razón

donde f m representa la porción de flujo del primario que enlaza al secundario, el coeficiente de acoplamiento entre dos bobinas no puede ser nunca mayor que 1.

INDUCTANCIA MUTUA :

RAZÓN O RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN Y POTENCIA

Np = Número de vueltas del primario

Ns = Número de vueltas del secundario

Si a < 1, el transformador se denomina ELEVADOR

Si a > 1, el transformador se denomina REDUCTOR

Si a = 1, el trasformador se denomina RELACIÓN UNO A UNO

El cociente VP / VS se llama relación de voltaje (RV). El cociente NP / NS se denomina relación de vueltas (RN). Al sustituir estas cantidades en la ecuación anterior, obtenemos la fórmula equivalente

RV = RN

Una relación de voltaje de 1:4 significa que por cada volt del primario del transformador, en el secundario hay 4V. Cuando el voltaje del secundario es mayor que el voltaje del primario, al transformador se le llama elevador. Una relación de voltaje 4:1 significa que por cada 4V del primario, en el secundario hay sólo 1V. Cuando el voltaje del secundario es menor que el del primario. Al transformador se le llama reductor.

Eficiencia

La eficiencia de un transformador es igual al cociente de la salida de potencia en el secundario dividida entre la entrada de potencia al devanado primario. Un transformador ideal tiene una eficiencia del 100% porque entrega toda la energía que recibe. A causa de pérdidas en el núcleo y en el cobre, la eficiencia del mejor transformador real es menor al 100%. Expresado con una ecuación,

Matemáticamente se expresa como el cociente de la diferencia entre voltaje secundario en vacío (sin carga) menos el voltaje secundario por 100 para expresarlo en porcentaje:

EFICIENCIA:

en la cual

Ef = eficiencia.

PS = salida de potencia del secundario en W.

PP = entrada de potencia al primario en W.

Características nominales de transformadores
La capacidad de los transformadores se especifica en kilovoltamperes. Como la potencia en un circuito de ca depende del factor de potencia de la carga y de la corriente que pasa por la carga, la especificación de potencia de salida en kilowatts requiere además el valor del factor de potencia.

Relación de impedancias
Un circuito transfiere la máxima cantidad de potencia a otros cuando las impedancias de los dos circuitos son iguales o están acopladas. Si los dos circuitos tienen impedancias diferentes, se puede usar un transformador para acoplar las impedancias entre los dos circuitos. Al construir los devanados del transformador de manera que tengan determinada relación de vueltas, el transformador puede satisfacer cualquier requisito de acoplamiento de impedancias. La relación de vueltas determina la relación correcta con la relación cociente de impedancias de los devanados del primario y del secundario. Esta relación está expresada por medio de la ecuación

Extrayendo la raíz cuadrada a ambos miembros, obtenemos

en la que

NP = número de vueltas del primario.

NS = número de vueltas del secundario.

Autotransformador
El autotransformador es un tipo especial de transformador de potencia que consiste de un solo devanado. Conectando derivaciones en diferentes puntos a lo largo del devanado se pueden obtener diferentes voltajes. El autotransformador tiene un solo devanado entre las terminales A y C. El devanado tiene una derivación de la que sale un alambre como la terminal B. El devanado AC es el primario y el devanado BC es el secundario. La simplicidad del autotransformador lo hace económico y compacto. Sin embargo, no proporciona aislamiento eléctrico entre los circuitos del primario y del secundario.

Pérdidas y eficiencia del transformador
Los transformadores reales tienen pérdidas en el cobre y en el núcleo. Las pérdidas en el cobre es la potencia perdida en los devanados del primario y del secundario debido a la resistencia óhmica de los devanados. Las pérdidas en el cobre, en watts, se obtienen con la fórmula

Pérdida en el cobre =

en la que

IP = corriente en el primario en A.

IS = corriente en el secundario en A.

Las pérdida en el núcleo son causadas por histéresis y por las corrientes parásitas. Las pérdidas por histéresis son la energía que se pierde al invertir el campo magnético en el núcleo conforme la corriente alterna magnetizadora aumenta y disminuye e invierte su dirección. Las pérdidas por corrientes parásitas son producidas por la circulación de corrientes inducidas en el material del núcleo.

Las pérdidas en el cobre de ambos devanados puede medirse por medio de un wattímetro. El wattímetro se coloca en el circuito primario del transformador cortocircuitando el secundario. Posteriormente se aumenta el voltaje aplicando al primario hasta que en el secundario en corto circule la corriente nominal a plena carga; en ese momento el wattímetro indicará las perdidas totales en el cobre. Las pérdidas en el núcleo también pueden obtenerse con un wattímetro en el circuito del primario, aplicando el voltaje nominal al primario con el circuito del secundario abierto.

La eficiencia de un transformador real se expresa como sigue:
Condición sin carga o en vacío
Si el devanado secundario de un transformador se deja en circuito abierto, la corriente en el primario es muy baja y se identifica como corriente sin carga o corriente en vacío. La corriente sin carga produce el flujo magnético y mantiene las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas en el núcleo. Por consiguiente, la corriente sin carga IE consta de dos componentes: la componente de la corriente de magnetización IM y la componente de pérdida en el núcleo IH. La corriente magnetizadora IM se atrasa 90º al voltaje aplicado al primario VP, mientras que la componente de las pérdidas en el núcleo IH siempre está en fase con VP. Además el voltaje aplicado al primario VP y el voltaje inducido al secundario VS se encuentran 180º fura de fase. Como en la práctica IH es pequeña comparada con IM, la corriente de magnetización IM es casi igual a la corriente total sin carga IE. Ésta también recibe el nombre de corriente de excitación.

Polaridad de la bobina
El símbolo del transformador no da ninguna indicación sobre la fase del voltaje en el secundario, puesto que la fase de éste depende en realidad de la dirección del devanado sobre el núcleo. A fin de resolver este problema, se usan puntos de polaridad para indicar la fase de las señales del primario y del secundario. Los voltaje están en fase, o bien 180º fuera de fase con respecto al voltaje del primario.

TRANSFORMADOR REDUCTOR SIN CARGA

TRANSFORMADOR REDUCTOR CON CARGA

Tabla de mediciones de un transformador reductor

TRANSFORMADOR ELEVADOR SIN CARGA

DIAGRAMA ELÉCTRICO

TRANSFORMADOR ELEVADOR CON CARGA

Tabla de mediciones de un transformador elevador

TRANSFORMADOR 1 : 1 SIN CARGA

TRANSFORMADOR RELACIÓN 1:1 CON CARGA

Tabla de mediciones de un transformador elevador

Cuestionario de la Práctica 7

1. Defina qué es un transformador.

   Un transformador es una maquina con una muy alta eficiencia, lo que la hace indispensable en muchas aplicaciones.

   Un transformador de potencia, recibe potencia eléctrica a un voltaje de C.A. y proporciona energía eléctrica con un voltaje de C.A. que puede ser mayor o menor. Puede utilizarse también para aislar eléctricamente un circuito a otro, quizás con la misma entrada y salida de voltaje.

2. ¿ De que material esta echo el núcleo del transformador y cual son sus características?

   El núcleo constituye un circuito magnético que transfiere energía de un circuito a otro y su función principal es la de conducir el flujo activo. Esta sujeto por el herraje o bastidor, se construye de laminaciones de acero al cilicio (4%) y sus gruesos son del orden 0.3 mm con un aislante de 0.2 mm y este núcleo sirve para incrementar el coeficiente de acoplamiento entre las bobinas.

3. Prácticamente, no hay un transformador ideal (libre de perdidas), menciones las perdidas que hay en un transformador.

En cualquier transformador practico, la potencia en el secundario es inferior a la potencia del primario. Esto se debe a las perdidas que existen en todo transformador dentro de las perdidas más significativas se tienen:

• Perdidas por corriente de Heddy. El acero que forma el núcleo del transformador es por si mismo un conductor y cuando lleva un magnético alterno, actúa como una vuelta cerrada de una bobina.
• Perdidas en el cobre. Estas se producen en los conductores de los devanados primario y secundario. La corriente al pasar por cualquier resistencia que tengan estos arrollamientos producen calor, para cada enrollamiento el valor es proporcional a I²R. A mayor carga habrá mayor perdida en el cobre.
• Histeresis. Cuando el núcleo de hierro de un transformador esta en estado no magnético, sus dominios no tienen ninguna ordenación particular. Si se aplica a sus dominios una fuerza magnetizante, giran hasta tomar una posición alineada con la fuerza magnetizante.

4. Como se obtiene la relación de transformación.

   La razón o relación Np es representada habitualmente por la letra a, es decir:

   a = Np / Ns

5. La relación de transformación presenta tres casos, mencione el tipo de transformador, según el valor de dicha relación de transformación.

• Si a es menor que 1 el transformador se denomina elevador.
• Si a es mayor que 1 el transformador se denomina reductor.
• Si a es igual a 1 entonces es un transformador de relación uno a uno compensador o aislador.

6. Mencione las características de cada uno de los tipos de transformador de la pregunta anterior.

Conclusión de la Práctica 7
Se conocieron las partes principales y el principio de funcionamiento de los transformadores, así como tipos de transformadores para la aplicación industrial.
En la práctica también se comprobó la relación de espiras existentes en un transformador con base en la medición de sus correspondientes voltajes y corrientes.

Se pudo comprobar que un transformador reductor reduce el voltaje, esto es que el secundario es menor que el primario, sin embargo en el transformador sin carga la corriente fue mayor en el primario que en el secundario y en el transformador con carga la corriente fue mayor en el secundario con respecto al primario.
Ahora en el caso de los transformadores elevadores se comprobó que aumenta el voltaje, esto es que el voltaje en el secundario es mayor que en el primario. Y con respecto a la corriente, a diferencia de el transformador reductor, la corriente es mayor en el primario con respecto al secundario en el caso del transformador elevador con o sin carga.

Y finalmente se determino la eficiencia de los transformadores. En el transformador reductor hubo una pérdida de energía del 25% pero en el transformador elevador no hubo pérdidas sino ganancia de energía, ésta fue del 108% lo cual contradice a la teoría, la cual indica que un transformador real tiene una eficiencia menor a 100%.

Práctica 8: Circuitos Básicos de Rectificación
OBJETIVOS.

• Que el alumno conozca las partes principales y operación de los circuitos básicos de rectificación.
• Que el alumno compruebe el fenómeno de rectificación al realizar mediciones con el osciloscopio en los circuitos básicos.
• Que el alumno analice y compruebe que un circuito de filtrado alisa el voltaje de salida hacia la carga.

LISTA DE MATERIAL Y EQUIPO

• Un modulo U.P.I.I.C.S.A LEE-1002
• Dos amperímetros
• Dos voltmetros
• Una línea ( cable de alimentación calvija-banana)
• Un osciloscopio
• Una sonda para el osciloscopio
• Un cable de alimentación para el osciloscopio
• Doce cables para conexiones

Los diodos entran dentro del grupo de los semiconductores. Este componente se caracteriza por tener polaridad, es decir, tiene diferenciados sus terminales como ánodo y cátodo. El diodo solamente conduce cuando está correctamente polarizado y a partir de una tensión determinada; 0,6 V si el diodo es de Germanio y 0.2 V si está fabricado de Silicio. La polaridad del diodo hay que respetarla, y aunque en muchos circuitos la polaridad del diodo es colocado al revés, con el cátodo al positivo y el ánodo al negativo, no se le debe dar la vuelta ya que está haciendo la función de protección contra un posible error de conexión en la alimentación.

Un diodo lo reconoceremos como un componente normalmente pequeño, también los hay para altas potencias y de diferentes tamaños, con la particularidad de que tiene una banda o anillo en uno de sus extremos; normalmente el color del anillo es notablemente diferente al del cuerpo del componente, es decir, si el diodo es negro el anillo suele ser blanco, si es rojo, el anillo lo encontraremos en blanco, en negro, en amarillo, etc.

Esta banda de color o anillo nos indica el terminal que corresponde al cátodo (negativo).
Existen gran variedad y tipos de diodos, los cuales tienen características bastante diferentes. Así encontramos, diodos rectificadores, diodos para pequeña señal, reguladores de tensión o zéner, emisores de luz o llamados también led, de capacidad variable, y algún tipo más, pero que utilizan en aplicaciones especiales.

Los diodos rectificadores son de unión (PN), y consiste en cuerpos semiconductores de los tipos P y N en íntimo contacto. La unión puede obtenerse durante el proceso de disolución (unión por crecimiento) o mediante un sistema de disolución y recristalización (unión por aleación).
El semiconductor tipo N puede obtenerse al añadir átomos de impurezas al semiconductor que penetran en la estructura cristalina pero que tienen un exceso de electrones externos no encadenados a la estructura. El flujo de corriente es conducido por el exceso de electrones cargados negativamente que circulan a través del cristal hacia el terminal cargado positivamente.

Y el semiconductor tipo P puede obtenerse al añadir átomos de impureza que no tienen suficiente número de electrones externos para llenar todos los encadenamientos de cristal. Los espacios por llenar se denominan "poros" y tienen las características de cargas positivas.
Al aplicar una tensión, los "poros" circulan hacia el terminal del cristal cargado negativamente.

Rectificación
Proceso que convierte una corriente eléctrica alterna —que circula alternativamente en un sentido u otro de un circuito— en una corriente continua, que sólo fluye en un sentido. Para ello se inserta en el circuito un dispositivo conocido como rectificador, que sólo permite que pase corriente en un sentido, bloqueando la corriente en el otro.

La rectificación se lleva a cabo en todos los rangos de potencia eléctrica, desde milésimas de vatio en la detección de señales de radio de amplitud modulada hasta miles de kilovatios en el funcionamiento de maquinaria pesada eléctrica. Los primeros rectificadores comerciales convertían corriente alterna en continua para alimentar motores eléctricos y se llamaban conmutadores mecánicos. En la actualidad, la mayor parte de la rectificación se lleva a cabo mediante dispositivos electrónicos, como combinaciones de diodos, tubo de vacío y rectificadores de arco de mercurio.

La mayoría de los rectificadores mecánicos están formados por un conmutador giratorio sincronizado con la corriente, dispuesto de forma que sólo conduzca la corriente en un sentido. Pueden diseñarse y fabricarse rectificadores mecánicos que manejan corrientes intensas (hasta miles de amperios) con tensiones de varios miles de voltios; estos rectificadores todavía se utilizan en la maquinaria eléctrica pesada.

Los rectificadores electrónicos conducen corriente sólo en un sentido mediante el movimiento de cargas eléctricas dentro del dispositivo. Pueden soportar corrientes de hasta 500 amperios y tensiones de hasta 1.000 voltios, por lo que pueden competir con los rectificadores mecánicos en muchas aplicaciones de potencia. En las aplicaciones de baja tensión, como en los equipos electrónicos, se emplean casi exclusivamente rectificadores de tubo de vacío o de semiconductores.

Este tipo de circuito permite aprovechar al máximo la señal sinusoidal de entrada, puesto que presenta en la carga un nivel de tensión de igual polaridad para ambos semiciclos, esto es, salen dos semiciclos positivos o dos semiciclos negativos, lo cual se traduce en un nivel promedio de la señal de valor mayor que el circuito rectificador de media onda.
Existen dos tipos de rectificadores de onda completa. Si la salida se toma a través del secundario del transformador, entonces pueden ser :

Un motor eléctrico se compone básicamente de dos partes el estator del motor, consiste en un armazón, en cuyo interior se instala firmemente un núcleo laminado dotado de ranuras. En esta se coloca un devanado formado por varios grupos de bobinas. El Rotor puede ser de dos tipos: jaula de ardilla y rotor devanado.

El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída.

Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico.

2.- Mencione los tipos de motor de inducción.

Los motores eléctricos pueden ser de corriente directa, alterna y de corriente directa y alterna.

A los motores de corriente alterna se les conoce también como motores de inducción. A los motores que operan con energía eléctrica directa se dice que son lo motores monofásicos y los motores que trabajan con corriente alterna – directa como síncronos.

Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no puede utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio.

El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono.

Los motores de repulsión-inducción se denominan así debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estátor, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción.

3.- Dibuje el diagrama unifilar de la conexión de un motor eléctrico.

4.- Mencione los circuitos necesarios para el arranque de un motor eléctrico.

A la parte de una instalación eléctrica que corresponde a un motor, se llama circuito derivado del motor. A la parte de una instalación eléctrica que está antes de cualquier circuito derivado, se le conoce circuito alimentador.

5.- Dibuje el diagrama de control de dos hilos de un motor trifásico.

Diagrama Unifilar De Dos Hilos

6.- dibuje el diagrama de control a tres hilos de un motor trifásico.

7.- Que ventaja tiene el control a tres hilos con respecto al de dos hilos.

En el caso de que el motor se encuentre trabajando y la corriente se interrumpa, al tener control a 3 hilos aunque vuelva la corriente, el motor no seguirá trabajando hasta que sea reactivado por el operario, lo cual reduce las probabilidades de que se suscite un accidente. En cambio cuando se conecta a 2 hilos pasa todo lo contrario el motor una vez que se reinstale la corriente arrancara. Un problema con los motores monofásicos, es que precisan de un sistema para arrancar. En el caso en la sección anterior, puede notarse que los polos no giran uniformemente, sino que su magnitud varía alternadamente a lo largo del eje principal. Por lo anterior, existen motores con arranque con condensador, motores con resistencias de arranque, motores de polos sombreados, etc.

8.- Dibuje el diagrama de control reversible de un motor trifásico.

10.- ¿Porqué arrancamos el motor es estrella y después lo pasamos a una conexión delta?

Se aumenta la potencia al arranque en el motor, para que después de un tiempo predeterminado se regule la potencia de trabajo que realizará el motor. Por otro lado, la única razón para utilizar un motor monofásico tipo jaula de ardilla en lugar de uno trifásico será porque la fuente de tensión a utilizar sea también monofásica. Esto sucede en aplicaciones de baja potencia. Es poco común encontrar motores monofásicos de mas de 3 kW. . Su característica principal es que el rotor se aloja un conjunto de bobinas que además se pueden conectar al exterior a través de anillos rozantes. Colocando resistencias variables en serie a los bobinados del rotor se consigue suavizar las corrientes de arranque. De la misma manera, gracias a un conjunto de resistencias conectadas a los bobinados del rotor, se consigue regular la velocidad del eje. La diferencia con el motor de rotor bobinado consiste en que el rotor esta formado por un grupo de barras de aluminio o de cobre en formas similar al de una jaula de ardilla. Siempre que sea necesario utilizar un motor eléctrico, se debe procurar seleccionar un motor asíncronico tipo jaula de ardilla y si es trifásico mejor.

Conclusión de la Práctica 9

Los motores eléctricos son máquinas utilizadas en transformar energía eléctrica en mecánica. Son los motores utilizados en la industria, pues combinan las ventajas del uso de la energía eléctrica (bajo, costo, facilidad de transporte, limpieza y simplicidad de la puesta en marcha, etc) con una construcción relativamente simple, costo reducido y buena adaptación a los mas diversos tipos de carga.

Durante el desarrollo de la práctica aprendí que el motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad constante. Como curiosidad vale la pena mencionar que el motor síncrono, al igual que el motor de corriente directa, precisa de un campo magnético que posibilite la transformación de enegía eléctrica recibida por su correspondiente armadura en energía mecánica. 

Si se realizara a nivel industrial una encuesta de consumo de la energía eléctrica utilizada en alimentar motores, se vería que casi la totalidad del consumo estaría dedicado a los motores asíncronicos. Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente directa o del motor síncronico.

Una fuente de corriente alterna (trifásica o monofásica) alimenta a un estator. La corriente en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.

El Motor Asincrónico de Rotor Bobinado Se utiliza en aquellos casos en los que la transmisión de potencia es demasiado elevada (a partir de 200 kW) y es necesario reducir las corrientes de arranque. También se utiliza en aquellos casos en los que se desea regular la velocidad del eje. Un detalle interesante es que la velocidad del eje nunca podrá ser superior que la velocidad correspondiente si el motor fuera síncrono. El Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla: Finalmente aquí llegamos al motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento. Un problema con los motores monofásicos, es que precisan de un sistema para arrancar. En el caso en la sección anterior, puede notarse que los polos no giran uniformemente, sino que su magnitud varía alternadamente a lo largo del eje principal. Por lo anterior, existen motores con arranque con condensador, motores con resistencias de arranque, motores de polos sombreados, etc.

Una aplicaciones en la industria tenemos por ejemplo los motores de muy alto deslizamiento para unidades de bombeo de petróleo. El motor de muy alto deslizamiento está específicamente diseñado para impulsar unidades de bombeo de petróleo tipo balancín por varilla de succión. Este es un motor asíncrono trifásico de rotor bobinado; sus características eléctricas y mecánicas son diseñadas para tener un óptimo comportamiento, libre de fallas, en el duro trabajo de los campos petroleros.

Práctica 10: compuertas lógicas

Objetivo

• Al término de la unidad el alumno conocerá las características básicas de las compuertas electrónicas básicas y su operación en circuitos de control industrial.

Material y equipo utilizado

• Compuertas lógicas (AND, NAND, OR, NOR).

Un computador digital, como su nombre lo indica, es un sistema digital que realiza diversas operaciones de cómputo. La palabra Digital implica que la información que se representa en el computador por medio de variables que toman un número limitado de valores discretos o cuantiados. Estos valores son procesados internamente por componentes que pueden mantener un número limitado de estados discretos. Los dígitos decimales por ejemplo, proporcionan 10 valores discretos ( 0 .. 9 ). Como sabemos en la práctica, los computadores funcionan más confiablemente si sólo utilizan dos estados equiprobables. Debido al hecho que los componentes electrónicos atienden a dos estados ( encendido / apagado) y que la lógica humana tiende a ser binaria ( esto es, cierto o falsa, si o no) se utiliza el sistema binario y se dice que son binarias.

Los computadores digitales utilizan el sistema de números binarios, que tiene dos dígitos 0 y 1. Un dígito binario se denomina un bit. ' La información está representada en los computadores digitales en grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos.

La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan un a variable binaria igual a 1 o 0.

Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de 3 [volts 1 para representar el binario "I" y 0.5 [volts 1 para el binario "0". La siguiente ilustración muestra un ejemplo de una señal binaria.

Como se muestra en la figura, cada valor binario tiene una desviación aceptable del valor nominal. La región intermedia entre las dos regiones permitidas se cruza solamente durante la transición de estado.  Los terminales de entrada de un circuito digital aceptan señales binarias dentro de las tolerancias permitidas y los circuitos responden en los terminales de salida con señales binarias que caen dentro de las tolerancias permitidas.

La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. Es utilizada para escribir, en forma algebraica o tabular. La manipulación y. procesamiento de información binaria. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógicos que se denominan

Compuertas.

Las compuertas son bloques del hardware que producen señales del binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadores digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entradas - salida de las variables binarias para cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una tabla de verdad.

A continuación se detallan los nombres, símbolos, gráficos, funciones algebraicas, y tablas de verdad de ocho compuertas.

Compuerta AND:  Cada compuerta tiene una o dos variables de entrada designadas por A y B y una salida binaria designada por x. La compuerta AND produce la unión lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0. Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1 . El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*). Podemos utilizar o un punto entre las variables o concatenar las variables sin ningún símbolo de operación entre ellas. Las compuertas AND pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

 Compuerta OR:  La compuerta OR produce la función OR inclusiva, esto es, la salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+), similar a la operación de aritmética de suma. Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta NOT (Inversor): El circuito inversor invierte el sentido lógico de una señal binaria. Produce el NOT,. o función complemento. El símbolo algebraico utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de la variable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa. El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un complemento lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.

 Compuerta Separador: Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza i volt para el binario 1 producirá una salida de 3 volt cuando la entrada es 3 volt. Sin embargo, la corriente suministrada en la entrada es mucho más pequeña que la corriente producida en la salida. De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.

Compuerta NAND: Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico que consiste en un símbolo gráfico AND seguido por un pequeño círculo. La designación NAND se deriva de la abreviación NOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que Es la función AND la que se ha invertido.

Compuerta NOR:   La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza un símbolo gráfico OR seguido de un círculo pequeño. Tanto las compuertas NAND como la NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de las funciones AND u OR, respectivamente.

Compuerta OR exclusivo (XOR): La compuerta OR exclusiva tiene un símbolo gráfico similar a la compuerta OR excepto por una línea adicional curva en el lado de la entrada. La salida de esta compuerta es 1 si cada entrada es 1 pero excluye la combinación cuando las dos entradas son 1. La función OR exclusivo tiene su propio símbolo gráfico o puede expresarse en términos de operaciones complementarias AND, OR .

Compuerta NOR exclusivo (XOR): El NOR exclusivo como se indica por el círculo pequeño en el símbolo gráfico. La salida de ésta compuerta es 1 solamente si ambas entradas son tienen el mismo valor binario. Nosotros nos referiremos a la función NOR exclusivo como la función de equivalencia. Puesto que las funciones OR exclusivo y funciones de equivalencia no son siempre el complemento la una de la otra. Un nombre más adecuado para la operación OR exclusivo sería el de una función impar; esto es, la salida es 1 si un número impar de entrada es 1. Así en una función OR (impar) exclusiva de tres entradas, la salida es 1 si solamente la entrada es 1 o si todas las entradas son 1. La función de equivalencia es una función par; esto es, su salida es 1 si un número par de entradas es 0. Para una función de equivalencia de tres entradas, la salida es 1 si ninguna de las entradas son 0 ( todas las entradas son 1) o si dos de las entradas son 0 ( una entrada es 1 Una investigación cuidadosa revelará que el OR exclusivo y las funciones de equivalencia son el complemento la una de la otra cuando las compuertas tienen un número par de entradas, pero las dos funciones son iguales cuando el número de entradas es impar. Estas dos compuertas están comúnmente disponibles con dos entradas y solamente en forma rara se encuentran con tres o más entradas. 

El teorema De Morgan es muy importante al tratar compuertas NOR y NAND. Expresa que una compuerta NOR que realiza la función (x + y)' es equivalente a la expresión función xy' . Similarmente, una función NAND puede ser expresada bien sea por (xy)' o por x' + y' por esta razón, las compuertas NOR y NAND tienen dos símbolos gráficos distintos como se muestra en la figura:

En vez de representar una compuerta NOR por el símbolo gráfico OR seguido por un círculo, nosotros podemos representarla por un símbolo gráfico AND precedido por círculos en todas las entradas. El inversor AND para la compuerta NOR proviene M teorema De Morgan y de la convención de que los círculos pequeños denotan complementación. Similarmente la compuerta NAND también posee dos símbolos gráficos.

Para ver cómo se utiliza la manipulación del álgebra Booleana para simplificar circuitos digitales considere el diagrama lógico de la siguiente figura. La salida de la primera compuerta NAND es, por el teorema De Morgan, (AB)' = A' + B'  La salida del circuito es la operación NAND de este término y B' .

X = [( A' + B ) * B' ] '

Utilizando el teorema De Morgan dos veces, obtenemos:

Note que el teorema De Morgan ha sido aplicado tres veces   ( para demostrar su utilización) pero podría ser aplicado solamente una vez de la siguiente manera:

La expresión para x puede simplificarse por aplicación de relaciones mencionadas anteriormente

    = A + B

El resultado final produce una función OR y puede ser implementado con una sola compuerta OR como se muestra en la figura parte (b). Uno Puede demostrar que dos circuitos producen relaciones binarias idénticas Entrada - Salida simplemente obteniendo la tabla de verdad para cada uno de ellos.

Los circuitos lógicos forman la base de los sistemas de cómputo digital de manera que para apreciar su funcionamiento es necesario entender algunos conceptos en álgebra booleana y lógica digital, es posible representar cualquier algoritmo ó circuito electrónico de cómputo utilizando un sistema de ecuaciones booleanas. La llamamos álgebra booleana en honor de George Boole, un matemático inglés quién fue poco comprendido en su época, su descubrimiento del "álgebra lógica" tuvo poco uso práctico en 1847 cuando fue introducida. El material relacionado con el álgebra booleana es de particular interés para quienes desean diseñar circuitos ó escribir software para control electrónico.

Álgebra Booleana

El álgebra booleana es un sistema matemático deductivo centrado en los valores cero y uno (falso y verdadero). Un operador binario " º " definido en éste juego de valores acepta un par de entradas y produce un solo valor booleano, por ejemplo, el operador booleano AND acepta dos entradas booleanas y produce una sola salida booleana.

Para cualquier sistema algebraico existen una serie de postulados iniciales, de aquí se pueden deducir reglas adicionales, teoremas y otras propiedades del sistema, el álgebra booleana a menudo emplea los siguientes postulados:

• Cerrado. El sistema booleano se considera cerrado con respecto a un operador binario si para cada par de valores booleanos se produce un solo resultado booleano.
• Conmutativo. Se dice que un operador binario " º " es conmutativo si A º B = B º A para todos los posibles valores de A y B.
• Asociativo. Se dice que un operador binario " º " es asociativo si (A º B) º C = A º (B º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.
• Distributivo. Dos operadores binarios " º " y " % " son distributivos si A º (B % C) = (A º B) % (A º C) para todos los valores booleanos A, B, y C.
• Identidad. Un valor booleano I se dice que es un elemento de identidad con respecto a un operador binario " º " si A º I = A.
• Inverso. Un valor booleano I es un elemento inverso con respecto a un operador booleano " º " si A º I = B, y B es diferente de A, es decir, B es el valor opuesto de A.

Para nuestros propósitos basaremos el álgebra booleana en el siguiente juego de operadores y valores:

- Los dos posibles valores en el sistema booleano son cero y uno, a menudo llamaremos a éstos valores respectivamente como falso y verdadero.
- El símbolo ·  representa la operación lógica AND. Cuando se utilizen nombres de variables de una sola letra se eliminará el símbolo ·,  por lo tanto AB representa la operación lógica AND entre las variables A y B, a ésto también le llamamos el producto entre A y B.

- El símbolo "+" representa la operación lógica OR, decimos que A+B es la operación lógica OR entre A y B, también llamada la suma de A y B.

- El complemento lógico, negación ó NOT es un operador unitario, en éste texto utilizaremos el símbolo " ' " para denotar la negación lógica, por ejemplo, A' denota la operación lógica NOT de A.

- Si varios operadores diferentes aparecen en una sola expresión booleana, el resultado de la expresión depende de la procedencia de los operadores, la cual es de mayor a menor, paréntesis, operador lógico NOT, operador lógico AND y operador lógico OR. Tanto el operador lógico AND como el OR son asociativos por la izquierda. Si dos operadores con la misma procedencia están adyacentes, entonces se evalúan de izquierda a derecha. El operador lógico NOT es asociativo por la derecha.

Utilizaremos además los siguientes postulados:

• P1 El álgebra booleana es cerrada bajo las operaciones AND, OR y NOT
• P2 El elemento de identidad con respecto a ·  es uno y con respecto a +  es cero. No existe elemento de identidad para el operador NOT
• P3 Los operadores ·   y + son conmutativos.
• P4 ·   y + son distributivos uno con respecto al otro, esto es, A·(B+C) = (A·B)+(A·C) y A+(B·C) = (A+B)·(A+C).
• P5 Para cada valor A existe un valor A' tal que A·A' = 0 y A+A' = 1. Éste valor es el complemento lógico de A.
• P6 ·   y + son ambos asociativos, ésto es, (AB)C = A(BC) y (A+B)+C = A+(B+C).

Es posible probar todos los teoremas del álgebra booleana utilizando éstos postulados, además es buena idea familiarizarse con algunos de los teoremas más importantes de los cuales podemos mencionar los siguientes:

• Teorema 1: A + A = A
• Teorema 2: A · A = A
• Teorema 3: A + 0 = A
• Teorema 4: A · 1 = A
• Teorema 5: A · 0 = 0
• Teorema 6: A + 1 = 1
• Teorema 7: (A + B)' = A' · B'
• Teorema 8: (A · B)' = A' + B'
• Teorema 9: A + A · B = A
• Teorema 10: A · (A + B) = A
• Teorema 11: A + A'B = A + B
• Teorema 12: A' · (A + B') = A'B'
• Teorema 13: AB + AB' = A
• Teorema 14: (A' + B') · (A' + B) = A'
• Teorema 15: A + A' = 1
• Teorema 16: A · A' = 0

Los teoremas siete y ocho son conocidos como Teoremas de DeMorgan en honor al matemático que los descubrió

Álgebra booleana y circuitos electrónicos

La relación que existe entre la lógica booleana y los sistemas de cómputo es fuerte, de hecho se da una relación uno a uno entre las funciones booleanas y los circuitos electrónicos de compuertas digitales. Para cada función booleana es posible diseñar un circuito electrónico y viceversa, como las funciones booleanas solo requieren de los operadores AND, OR y NOT podemos construir nuestros circuitos utilizando exclusivamente éstos operadores utilizando las compuertas lógicas homónimas:

Para probar que podemos construir cualquier función booleana utilizando sólo compuertas NAND, necesitamos demostrar cómo construir un inversor (NOT), una compuerta AND y una compuerta OR a partir de una compuerta NAND, ya que como se dijo, es posible implementar cualquier función booleana utilizando sólo los operadores booleanos AND, OR y NOT. Para construir un inversor simplemente conectamos juntas las dos entradas de una compuerta NAND. Una vez que tenemos un inversor, construir una compuerta AND es fácil, sólo invertimos la salida de una compuerta NAND, después de todo, NOT ( NOT (A AND B)) es equivalente a A AND B. Por supuesto, se requieren dos compuertas NAND para construir una sola compuerta AND, nadie ha dicho que los circuitos implementados sólo utilizando compuertas NAND sean lo óptimo, solo se ha dicho que es posible hacerlo. La otra compuerta que necesitamos sintetizar es la compuerta lógica OR, ésto es sencillo si utilizamos los teoremas de DeMorgan, que en síntesis se logra en tres pasos, primero se reemplazan todos los "·" por "+" después se invierte cada literal y por último se niega la totalidad de la expresión:

A OR B

A AND B.......................Primer paso para aplicar el teorema de DeMorgan

A' AND B'.....................Segundo paso para aplicar el teorema de DeMorgan

(A' AND B')'..................Tercer paso para aplicar el teorema de DeMorgan

(A' AND B')' = A' NAND B'.....Definición de OR utilizando NAND

Gráficamente podemos representar las operaciones ejecutadas de la siguiente manera:

Si nos preguntamos la necesidad de construir diferentes compuertas de la manera descrita, bien hay dos buenas razones, la primera es que las compuertas NAND son las más económicas y en segundo lugar es preferible construir circuitos complejos utilizando los mismos bloques básicos. Observe que es posible construir cualquier circuito lógico utilizando sólo compuertas de tipo NOR (NOR = NOT(A OR B)). La correspondencia entre la lógica NAND y la NOR es ortogonal entre la correspondencia de sus formas canónicas. Mientras que la lógica NOR es útil en muchos circuitos, la mayoría de los diseñadores utilizan lógica NAND.

Conclusión de la Práctica 10

Se conocieron las características básicas de las compuertas electrónicas básicas (OR, NAND, AND, NOR) y su operación en circuitos de control industrial, ésto, mediante un tablero que contenía las compuertas básicas e indicadores luminosos.

Práctica 11: Diseño de un Sumador Medio y Completo

La figura muestra la tabla de verdad que muestra las tres entradas A, B y Cin y dos salidas S y Cout. Hay ocho casos posibles para las tres entradas y en cada caso los valores de salidas son los enlistados.

El sumador total (FA) debe sumar estos bits para producir una suma S de 0 y un corrimiento Cout de 1.

Puesto que hay dos salidas, diseñaremos los circuitos para cada salida en forma individual, comenzando con la salida S será 1: utilizando el método de la suma de productos, podemos escribir la expresión para S como. __ _ _ __

S=ABCin+ABCIN+ABCin+ABC

Ahora podemos simplificar esta expresión factorizándola. Desafortunadote, ninguno de los términos _de la expresión té dos variables en común con alguno de los otros términos. Sin embargo, A puede factorizarse en los primeros términos y A en los dos últimos:

_ _ _ __

S=A(BCin+BCin)+A(BCn+BCin)

El primer termino entre los paréntesis debe reconocerse como la combinación OR-exclusiva de B y Cin, lo cual puede escribir como sigue.

S=A(B+Cin) + A(B+Cin)

Y se puede escribir como sigue

S=A*X+A*X=A+X

Que simplemente el EX-OR de A y X al sustituir la expresión para X se tiene:

S=A+[B+Cin]

consideremos ahora la salida Cout en la tabla de verdad de la figura_

Cout=Bcin + ACin +AB

Las expresiones tanto de S como de Cout se pueden llevar a cabo en la figura anterior

Simplificación con el mapa K

Simplificamos las expresiones de S y Cout utilizando métodos algebraicos. El método del mapa K para la salida S. Este mapa no tiene adyacentes, de manera que no hay ni pares ni cuádruples para repetir. De este modo, la expresión para S no se puede simplificar mediante el uso del mapa K. Esto destaca una limitación de este método en comparación con el algebraico.

El mapa K para la salida Cout se presenta en la figura. Los tres pares que se repiten producirán la misma expresión que obtuvo por el método algebraico.

Mapa K par S

__ _ _ __

S=ABCin+ABCIN+ABCin+ABC

Mapa K para Cout

Cout=Bcin + ACin +AB

El sumador medio opera con las tres entradas para producir una salida con suma y acarreo. En algunos casos se necesita un circuito que sumara solo dos bits de entrada a fin de producir una salida con suma y un corrimiento. Un ejemplo seria la adición de la posición del SLB de dos números binarios donde no hay corrimiento que deba sumarse. Se puede diseñar un circuito lógico especial para que tome dos bits de entrada A y B y para producir la suma S y el corrimiento Cout. A este circuito se le denomina sumador medio (HA). Su operación es semejante a la de un FA, excepto que este solo opera con dos bits.

Sumador paralelo completo con registros.

Sumador En Paralelo Con Circuitos Integrados

La figura muestra el símbolo lógico del sumador paralelo 7483 de 4 bits. Las entradas en este circuito integrado son dos números de 4 bits A3A2A1A0 y B3B2B1B0 y el corrimiento, Co a la posición del LSB. Las salidas son los bits de la suma S3S2S1S0 y el corrimiento C4 LSB.

EL SUMADOR BCD

Si dos grupos de código BCD representados por A3A2A1A0 y B3B2B1B0 respectivamente, se aplican a un sumador paralelo de 4 bits.

A3A2A1A0-grupo de código BCD

+B3B2B1B0 -grupo de código BCD

--------------

S4S3S2S1S0-suma binaria directa

S4 es en realidad C4 el corrimiento que sale del MSB.

Las salidas de la suma S4S3S2S1S0 pueden variar de 00000 a 10010 (cuando ambos grupos de código BCD sean 1001=9).

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Anexo: Serie de Fourier en Forma Compleja (Demostrada por Iván Escalona)

Calculo de Cn:

lo que queda demostrado.