Electricidad Industrial

Administrativo(Diurno)Dagmar Pearce Poffan

PHD (c) –Ingeniero

dpearcep@hotmail.com -Chat dagmar.pearce@gmail.com - Contacto alumnosuisek@gmail.com - Trabajos

Cel: 74797039

Comunicación Lu. a Dom.

Catedrás Solemnes: 1-Unid 1-4 30% 13 de mayo 2-Unid 5-7 30% 24 de junio

Controles de Lectura 20% 8 Ab-29 Ab-27 May -10 Ju

Exposición Parcial Tópicos Unidades 10%Exposición Sistema Eléctrico 10% Examen Final Todas las Unidades 15 de JulioExamen Extra Todas las Unidades 29 de Julio

Administrativo(Vespertino)Dagmar Pearce Poffan

PHD (c) –Ingeniero

dpearcep@hotmail.com -Chat dagmar.pearce@gmail.com - Contacto alumnosuisek@gmail.com - Trabajos

Cel: 74797039

Comunicación Lu. a Dom.

Catedrás Solemnes: 1-Unid 1-4 30% 21 o 19 de mayo 2-Unid 5-7 30% 2 de Julio

Controles de Lectura 20% 8 Ab-29 Ab-27 May -10 Ju

Exposición Parcial Tópicos Unidades 10%Exposición Sistema Eléctrico 10% Examen Final Todas las Unidades 23 o 16 de JulioExamen Extra Todas las Unidades 30 de Julio

UnidadesTemáticaUnidad 1 - Introducción a los Circuitos EléctricosUnidad 2 - Análisis de Circuitos EléctricosUnidad 3 - Análisis TransitorioUnidad 4 - Análisis en estado estableUnidad 5 - Potencia EléctricaUnidad 6 - Circuitos PolifásicosUnidad 7- Redes Acopladas y Procesos Eléctricos

IndustrialesUnidad 8 - Exposiciones Parciales de Tópicos de

Unidades.Unidad 9 - Exposición Sistema Eléctrico ChilenoControles de Lectura o Trabajos

-Alonso; Finn. "Física ". Cap. 27. Addison-Wesley Iberoamericana.

-Edminister. “Circuitos eléctricos”. Cap. 8, 9 y 30. McGraw-Hill

-Fraile Mora. “Electromagnetismo y circuitos eléctricos”. E.T.S.I.T. Madrid.

-Gettys; Keller; Skove. "Física clásica y moderna". Cap. 31 McGraw-Hill.

-Halliday; Resnick. "Fundamentos de física". Cap. 39. CECSA.

-Roller; Blum. "Física". Cap. 39. Reverté.

-Serway. "Física". Cap. 33. McGraw-Hill.

-Tipler. "Física". Cap. 30. Reverté

-Alonso; Finn. "Física ". Cap. 24. Addison-Wesley Iberoamericana.

-Gettys; Keller; Skove. "Física clásica y moderna". Cap. 24 y 25. McGraw-Hill.

-Halliday; Resnick. "Fundamentos de física". Cap. 31 y 31. CECSA.

-Roller; Blum. "Física". Cap. 31, 32 y 33. Reverté.

-Serway. "Física". Cap. 27 y 28. McGraw-Hill.

-Tipler. "Física". Cap. 22 y 23. Reverté.

Bibliografía

   

 

-Edminister. “Circuitos eléctricos”. Cap. 8, 9 y 30. McGraw-Hill

Fraile Mora. “Electromagnetismo y circuitos eléctricos”. E.T.S.I.T. Madrid.

-Hayt, Kemmerly. “Análisis de circuitos en ingeniería”. Cap. 2 y 3.

Malvino. “Principios de electrónica”. Cap.1. McGraw-Hill.

O´Malley. “Análisis de circuitos básicos”. McGraw-Hill.

-Roller; Blum. "Física". Cap. 32. Reverté.

- Sánchez, Martínez, Miralles. “Problemas de Física”. Cap. 10 y 11. Chefer..

-Fuentes Abiertas-Internet, Biblioteca, etc

Bibliografía

ProgramaUnidad 1: Introducción a los Circuitos Eléctricos • -Presentación del curso y revisión de aspectos administrativos

tales como objetivos, metodología, formas de evaluación, uso del laboratorio. - Definir el ámbito de estudio y la visión que se dará en la asignatura. - Destacar la importancia y propiedades de la electricidad industrial insertos en la empresa.

• -Revisar las principales áreas de aplicación de la electricidad como generador de energía en diferentes procesos de la industria.

• -Revisión de definiciones de resistencia, inductancia, condensador. - Fuentes de voltaje ideales y reales, fuentes de corriente ideales y reales. Elementos activos y pasivos de un circuito eléctrico.

• -Revisión definiciones de semi- conductores y superconductores, conductividad y resistividad.

• -Revisión de las leyes que rigen en los circuitos eléctricos y que han sido previamente pasadas en cursos previos, como por ejemplo circuitos serie y paralelo, ley de Ohm., leyes de Kirchhoff. Definición de unidades de corriente, voltaje, energía y potencia eléctrica. Desarrollo de ejemplos numéricos

Unidad 2 : Análisis de Circuitos Eléctricos

• -Definición de convenciones para la corriente y el voltaje.• - Definición de circuitos serie. Definición de circuitos en paralelo. Definición de

mallas. • -Uso Leyes de voltaje y corriente de Kirchhoff. • -Definición de impedancia, admitancia, conductancia y reactancia.

Generalización de las mallas serie. Generalización mallas paralelo, mallas serie- paralelo.

• -Conexión de fuentes de corriente y voltaje en circuitos serie y paralelo. • --Mediciones de voltaje y corriente mediante multímetros. Concepto de tierra.

Concepto de corto circuito. Concepto de circuito abierto. • -Elementos de seguridad en el manejo de la electricidad • -Divisor de tensión. Divisor de corriente. • -Método de corrientes de malla.. Método de tensiones de nudo • -Teorema de Thevenin, Teorema de Norton comparación de ambos métodos. • -Teorema de la Superposición. • -Circuitos estrella y triángulo, conversiones.• -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad

Unidad 3: Análisis Transitorio • -Circuitos de primer orden, condiciones de borde, solución

homogénea, solución particular, solución completa, circuitos RC..• -Propiedades de los condensadores.• -Circuitos RL, propiedades de las bobinas, tiempos de respuesta • -Circuitos de segundo orden, parámetros importantes y

clasificación de los tipos de solución para circuitos RLC, serie y paralelo.

• -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad.Unidad 4: Análisis en Estado Estable • -Obtener la solución de los circuitos de primer orden la forma RL,

caracterizando sus condiciones de borde. • -Obtener la solución de los circuitos de primer orden la forma RC,

caracterizando sus condiciones de borde. • -Resumir y sintetizar las características permanentes de un

circuito de primer y segundo orden. • -Régimen permanente de circuitos de segundo orden. Ejemplos.• -Régimen sinusoidal permanente. Ejemplos• -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad.

Unidad 5 : Potencia Eléctrica

• -Circuitos capacitivos e inductivos, factor de potencia, definición, cálculo y mejora del factor de potencia.

• -Triángulo de potencias. Señales eléctricas. • -Valor medio. Valor efectivo. • -Cálculo de requerimientos de potencia en circuitos reales. • -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad.

Unidad 6: Circuitos Polifásicos • -Fundamentos de los circuitos polifásicos. Secuencia de fases. • -Generador y carga conectada en Y. Cargas balanceadas y desbalanceadas. • -Generador y carga conectada en delta. Combinaciones delta – estrella. • -Potencia eléctrica en sistemas trifásicos. • -Sistemas de Medición de potencia en sistemas trifásicos.• -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad.

Unidad 7: Redes Acopladas y Procesos Eléctricos Industriales.

• -Concepto y aplicación de auto inductancia e inductancia mutua. Cálculo con redes acopladas magnéticamente.

• -Fundamentos y funciones de los transformadores. Transformadores con núcleo de hierro. • -Modelo general del transformador.• -Proceso de Producción Energía Eléctrica• -Maquinaria Eléctrica.• -Seguridad Eléctrica Industrial.• -Ejercicios de todos los tópicos de la Unidad

Unidad 8: Sistema Eléctrico Chileno

• Presente Unidad será realizado por un Trabajo de Investigación de los Alumnos del curso• -La industria de la energía eléctrica chilena. La generación, la transmisión y la distribución. • -Bases de la legislación eléctrica. Fundamentos de la tarifación eléctrica vigente. • -Principales tipos de clientes en distribución. Conceptos y parámetros básicos. • -Ejemplos de cálculo de costos de distribución, transmisión y generación.

Esquema General

Sistema Eléctrico-Generación/Cliente

CAMPO MAGNÉTICO

1. EL CAMPO MAGNETOSTÁTICO

RESUMEN

• CAMPO MAGNÉTICO• FUERZA DE LORENTZ. MOVIMEINTO DE

PARTÍCULAS EN UN CAMPO MAGNÉTICO• FUERZAS ENTRE CORRIENTES. • MOMENTO DIPOLAR• EFECTO HALL• IMANACIÓN: VECTOR H Y SUSCEPTIBILIDAD

Campo Magnético

• Hace ~ 2500 años – Material encntrado en Magnesia (Turquía) que atrae piezas de hierro.

• S. XIII – Los imanes tienen dos polos No hay monopolos magnéticos– La tierra es un iman

• Norte ~Sur magnético

• Sur~ Norte magnético

– Se pueden orientar agujas ( brújula)

• 1819 Primera relación entre carga en movimiento y magnetismo ( Oersted)

• Al mover un imán en una bobina se produce una corriente ( Faraday- Henry)

• Unidad : el Tesla [T]Tierra ~1E-4 T

Imán fuerte 0.1-0.5 T

Electroimán 1-2 T

Fuerza de Lorentz• Movimiento de partículas

en un campo magnético B FUERZA DE LORENTZ

• Dirección de la fuerza ortogonal al plano formado por B y v.

BvqFm

F, v y B son vectores ortogonales

B y v paralelos

B y v ortogonales

B y v formando un ángulo

• Trayectoria curva en campos B constantes

• Aplicaciones– Ciclotrón: acelerador de partículas– Magnetrón : hormo microondas– Espectrómetro de masas– Tubo de rayos catódicos.

R

mvqvB

2

m

qBRv

m

qB

R

vw

Fuerza magnética = fuerza centrípeta

Frecuencia de ciclotrón

Velocidad constante

Campo que entra XCampo que sale

Espectrómetro de masas

• Zona 1: Campos E y B ortogonales. Selector de velocidades Fe=Fm

• Zona 2: Campo B Trayectoria curva Fe=Fc

• Radio dependiente de la masa

B

Ev

R

vmqB

2

3

2

qB

EmR

Fuerza sobre un conductor• Por un conductor circulan

cargas en movimiento.

• Fuerza sobre el conductor– Sobre un segmento recto de

longitud l

– Sobre un segmento infinitesimal

AvnqI

BlIF

BldIFd

B es constante en dl

Momento magnético• Fuerza y momento magnético sobre una

espira

0'' FFFFFtotal

Bm

AIm

Momento de fuerzas no nulo

Momento magnético de la espira

m

m

m

jBIA ˆ

0

Efecto Hall

• Conductor plano situado en un campo magnético perpendicular

• Se produce una redistribución de carga hasta que se equilibran fuerza eléctrica y magnética se crea una diferencia de potencial Campo eléctrico de Hall.

BdvdEV dHH

Imanación, vector H y susceptibilidad

• Magnetización: momento magnético del medio por unidad de volumen.

• Vector H

mnM

n número de dipolos por unidad de volumen

B

H

Permeabilidad del medio

HM m

Susceptibilidad del medio

)(0 MHB

Reseña Histórica

Introducción a los Modelos de Agua

Fundamentos de Corriente Continua y Componentes

Corriente Alterna y Componentes

Fundamentos de Electricidad y Electrónica

CONTENIDO

Evolución del conocimiento de la electricidad

Reseña Histórica

640-546 A.C. 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Charles Coulomb K. F. GaussB. Franklin G.S. Ohm G. R. Kirchhoff A. M. Ampère M. Faraday J. K. Maxwell

Fuente : IEEE, Gross, Endesa

Reseña Histórica (II)

Fuente : IEEE, Gross, Endesa

Reseña Histórica (III)

Fuente : IEEE, Gross, Endesa

Reseña Histórica (IV)

Fuente : IEEE, Gross, Endesa

Reseña Histórica (V)

Fuente : IEEE, Gross, Endesa

Reseña Histórica (VI)

Los primeros interruptores de potencia, para niveles de voltaje alto y corrientes bajas, se desarrollaron a principios de este siglo (1902). Estos sistemas se basaban en tubos al vacío, así como tubos de descarga de gases (gases nobles y vapor de mercurio como Thyratron, Excitron, Ignitron) para niveles de corriente mayores. En 1914 se desarrollaron interruptores controlables y en 1922 se establecieron las bases de los circuitos utilizados en la actualidad.

1930 ´80

Arco de Mercurio

1982

Tecn.Tubos

´40 ´50 ´60 ´70

principio de semicon-ductor

invencióndel

transistor

´39 ´47

DiodoSi

´54

TiristorSCR

´57

TiristorGTO

´61

Triac

´63

Tecn. enc.Plásticos,microestr.

TiristorInd. est.

´75

MOSFET

´76

Tiristordisp. luz

´78

GTO

´82

Desarrollo de la Electrónica de Potencia

Reseña Histórica (VII)

Carga eléctrica

• Electrostática = estudio de las cargas eléctricas en reposo

• Unidad de carga = el electrón – e= 1.602177x 10-19 C

++ --

repulsión

+-

atracción

Constituyentes de la materiaPartícula Masa (kg) Carga (C)

electrón 9.1x 10-31 -1.6x 10-19

protón 1.67x 10-27 +1.6x 10-19

neutrón 1.67x 10-27 0

Z = número electrones = número protonesA = número protones + neutrones

Elemento

Isótopo

Un átomo tiene el mismo número de electrones que de protones es neutro ; Ión positivo : le faltan electrones

Ión negativo: tiene electrones añadidos

0 ep qZqZQ

ee qnQ

ELECTRÓN

ee qnQ

-+

--

-

+++

Conservación de la carga

• La carga ni se crea ni se destruye se tranfiere– Entre átomos– Entre moléculas– Entre cuerpos

La suma de todas las cargas de un sistema cerrado es constante

Carga por inducción

Bolaneutra

Bolacargadanegativa

lanaVarilla deplástico

Electroscopio.Al acercar una bolita cargada las láminas adquieren carga y se separan.

Bola y varilla se repelenIgual carga

Conductores y aislantes

• Aislantes : materiales en los que la carga eléctrica no se puede mover libremente.

• Madera, plástico, roca …

• Conductores: los electrones tienen libertad de movimiento.

• Metales, ..

• Semiconductores: se pueden comportar como conductores o como aislantes.

Ley de Coulomb. Fenomenología

• La fuerza entre cargas puntuales está dirigida a lo largo de la línea que las une.

• La fuerza varía inversamente proporcional con el cuadrado de la distancia que los separa y es proporcional al producto de las cargas.

• La fuerza es repulsiva si las cargas son del mismo signo y atractiva si son de signo diferente.

q1

q2

r1

r2

r12

F12

F21

F12 + F21 = 0

r1 - r2 = r12

Ley de Coulomb. Fórmula

• Fuerza ejercida por q1 sobre q2

• kconstante de Coulomb

0 Permitividad del vacío

q1

q2

r1

r2

r12

F12

F21

F12 + F21 = 0

r1 - r2 = r12

12212

2112 r̂

r

qqkF

2291099.8 CNmk

04

1

k

22120 1085.8 NmC

Ley de Coulomb. Sistema de cargas• Principio de superposición de fuerzas: La fuerza neta

ejercida sobre una carga es la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercidas sobre dicha carga por cada una de las cargas del sistema.

Cargas discretas

i

ii

i

iiTotal r

r

qqkFF

30 dqr

r

qkFdFTotal

30

Distribución continua de carga

Campo eléctrico• La fuerza eléctrica supone una acción a distancia.• Ejemplo: carga A y carga B

• La carga A causa una modificación de las propiedades del espacio en torno a ella.

• La carga (prueba) B percibe esta modificación y experimenta una fuerza

• Consideremos que B puede estar en cualquier punto y tener cualquier valor

• La fuerza es ejercida sobre la carga prueba por el campo

• La fuerza eléctrica sobre un cuerpo cargado es ejercida por el campo eléctrico creado por otros cuerpos cargados

)(3 AB

AB

BAAB rr

rr

qqkF

)(3 A

A

AA rr

rr

qkqF

AA EqF

Campo eléctrico cargas puntuales• Carga positiva =

fuente• Carga negativa =

sumidero

-+

rr

qkrE

3

)( rr

qkrE

3

)(

RadialesProporcionales a la cargaInversamente proporcionales al cuadrado de la distancia

Campo eléctrico. Sistema de cargas• Principio de superposición de campos: El campo neto creado por un sistema de cargas es la suma vectorial de los campos creados por cada una de las cargas del sistema.

Cargas discretas

i

ii

i

iiTotal r

r

qkEE

3 dq

r

rkEdETotal

3

Distribución continua de carga

Campo creado por un dipolo

• Dipolo = carga positiva y carga negativa de igual valor (q) situadas a una distancia muy pequeña ( l = 2a ).

• Campo total = suma de campos

• Aproximación r>> l

- +-a a

rr-a

r+a

)()( 33 arar

qkar

ar

qkE

lqp

Momento dipolar - +l

p

r

r

r

rp

r

kE

)(

33

- +p

y

kE

3

2

pz

kE

3

pz

kE

3

py

kE

3

2

X

Z

Y

px

kE

3

px

kE

3

Líneas de campo eléctrico

• Campo = deformación del espacio causada por un cuerpo cargado.

• Se puede representar mediante líneas.• El vector campo en un punto es tangente

a la línea de campo Dos líneas de campo nunca pueden cruzarse.

• La densidad de líneas es proporcional a la intensidad del campo eléctrico.

• A grandes distancias las líneas son las de una carga puntual.

Líneas de campo en esferas y planos

Esfera con carganegativa Plano positivo

Simetría esférica Simetría planar

Dos cargas positivas

Carga positiva y carga negativaDipolo eléctrico

Líneas de campo para dipolos

Teorema de Gauss. Enunciados

• 1. La dirección del flujo del campo eléctrico a través de una superficie depende del signo neto de la carga encerrada.

• 2. Las cargas fuera de la superficie no generan flujo de campo eléctrico neto a través de la superficie.

• 3. El flujo de campo eléctrico es directamente proporcional a la cantidad neta de carga dentro de la superficie pero independiente del tamaño de ésta ( = Si S1 encierra a S2 por ambas pasa el mismo flujo).

Cálculo del flujo de un campo

• Analogía con un campo de velocidades en un fluido.

• Volumen que atraviesa la superficie A en un tiempo dt

• Flujo ~ Volumen por unidad de tiempo

dtAvAdtvV cos

A

Acos

vdt

Avdt

dV

Una superficie se caracteriza con unvector perpendicular a la misma y demódulo su área.

Flujo del vector campo eléctrico

Superficie Gaussiana

Flujo infinitesimalE es constante enla superficie dA

AdEd

Flujo totalSe debe sumar (= integrar) a toda lasuperficie.

AdE

Unidades

2mC

N

dA

dA

dA

Ley de Gauss

• El flujo del vector campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga encerrada en su interior dividida por la permitividad del medio.

• La superficie gaussiana no es una superficie real ( es matemática).

• La ley de Gauss simplifica los cálculos de campo eléctrico en casos de gran simetría.

0encQ

AdE

Cálculos con ley de Gauss• Carga puntual

Simetría esférica

+

dA

r )4)(( 2rrEAdE

0encQ

AdE

rr

QrE ˆ

4)(

20

Cálculos con ley de Gauss

• Conductor infinito con densidad lineal de carga .

• Plano infinito con densidad superficial de carga .

)2(2 lREAE

E

E E

E E

E

00

lQenc r

RRE ˆ

2)(

0

+ +

++ +

++ +

+

EE

A1

A3A2

)2(31 AEAEAE

00

AQenc ixE ˆ

2)(

0

Conductores en equilibrio

• En un conductor existen cargas con libertad de movimiento.

• Una carga eléctrica es capaz de moverse al aplicar un campo.

• Si el campo se produce una redistribución de cargas en el interior hasta la situación de “equilibrio electrostático”.

E = 0

E = 0

Carga y campo en un conductor en equilibrio electrostático

• El campo interior es nulo Las cargas se sitúan en la superficie.

• Campo superficial• Componente normal

• Componente tangencial

E = 0

0

nE

0tE Si no fuera nula existiría desplazamiento superficial de cargas

Conductor en un campo eléctrico

• El campo interior siempre es nulo.

• Deforma las líneas de campo exterior.

• Se produce una redistribución de carga en la superficie debido a la fuerza eléctrica.

Trabajo de la fuerza eléctrica

rdrFrdrFWCC

21

)()(Para una fuerza conservativa el trabajo realizado para ir de un punto a a un punto b no depende del camino recorrido. Sólo depende del punto inicial a y del final b. Podemos asignar una función a cada punto del espacio -> La energía potencial.

)( abFC UUW ¡Unidades de trabajo!J=N·m

La fuerza eléctrica es una fuerza conservativa

Función energía potencial

Se puede generalizar el trabajo en 3D

donde el gradiente se puede expresar en coordenadas

kz

Uj

y

U

x

UrU ˆˆˆ)(

)()( fi

r

r

FC rUrUUrdFWf

i

)(rUF

ˆ1ˆ1ˆ)(

U

senr

U

rr

r

UrU

Polares

Cartesianas

Potencial eléctrico• La fuerza eléctrica se puede expresar en

función del campo eléctrico.

• Por ser conservativa

• Potencial eléctrico

• Campo eléctrico = gradiente del potencial eléctrico

• Unidades : el Voltio

)()( rEqrF

)(rUF

q

UV Energía potencial

Carga

)(rVE

CJVV /

Se puede elegir el origen de potencial

Superficies equipotenciales

• El potencial es constante en todos sus puntos.

• El vector gradientees ortogonal a S.

• El gradiente va de menores a mayores valores de V.

1U

ctezyxV ),,(

V0

V1

V2

VN

0|||| ii VVrVrE

El gradiente y r||

son ortogonales

ij

ij

VV

VVrVrE

0)(

Vectores campo eléctrico

Superficies equipotenciales ( ejemplos)

Campo producido por un dipolo

Campo producido por una carga puntual

Campo producido por un hilo infinito

Superficie equipotencial

Campo eléctrico