CURSO: MÁQUINAS ELÉCTRICAS TRADUCCIÓN:ELECTRIC MACHINES SIGLA: IEE2213 CRÉDITOS: 10 MÓDULOS: 03 CARÁCTER: MÍNIMO MAJOR TIPO: CÁTEDRA CALIFICACIÓN: ESTÁNDAR PALABRAS CLAVE:MÁQUINA ELÉCTRICA, TRANSFORMADOR, CIRCUITOS MAGNÉTICOS, ELECTROMAGNETISMO, MOTOR ELÉCTRICO, INDUCCIÓN, SÍNCRONO, ACCIONAMIENTOS NIVEL FORMATIVO: PREGRADO I. INTRODUCCIÓN Este curso trata sobre máquinas eléctricas, las cuales son dispositivos que transforman energía utilizando el campo magnético. Las máquinas eléctricas se pueden clasificar en convertidores electromagnéticos (transformadores) y electromecánicos (actuadores, motores y generadores). El curso aborda la teórica, conceptos y principios de funcionamiento de éstos, pasando por un análisis de sus características, control y aplicaciones en la industria, minería y tracción eléctrica. II. OBJETIVO Comprender la teoría y principios básicos de las máquinas eléctricas, poseer un conocimiento profundo y transversal de los distintos tipos de máquinas y sus características, enfocándose principalmente en la conversión electromecánica (motor y generador), campos magnéticos rotatorios, sistemas trifásicos y controles básicos de torque y velocidad. Finalmente aplicar, analizar y evaluar la teoría y principios de estas máquinas para su diseño y correcta aplicación. II. COMPETENCIAS E INDICADORES DE DESEMPEÑO A continuación se describen las principales competencias del curso en conjunto con sus índices de desempeño: - Comprender los conceptos y principios de la conversión de energía electromagnética (conocer y describir los términos, unidades, parámetros y variables involucradas; explicar los conceptos fundamentales y principios de funcionamiento de las máquinas). - Identificar los tipos de máquinas eléctricas presentes en la industria, minería y otras aplicaciones como tracción (conocer las características básicas de cada tipo de máquina; comprender su funcionamiento y posible aplicación; y distinguir sus diferencias y variantes). - Evaluar el tipo de máquina y control idóneos para determinadas aplicaciones (comprender los requerimientos básicos de la aplicación; analizar los tipos de máquinas y controles que satisfacen las necesidades; y decidir cual es el tipo de máquina y control más adecuado). Aplicar, analizar y evaluar los distintos tipos de máquinas en aplicaciones simuladas (comprender y aplicar software especializados como Matlab/Simulink R y PSIMR a máquinas eléctricas; construir un diagrama de bloques para simular una máquina en una determinada aplicación; evaluar y analizar los resultados obtenidos en las simulaciones). - Diseñar máquinas eléctricas básicas (comprender las variables, parámetros y principio básico de funcionamiento; analizar y evaluar cada etapa del dise~no y las simplificaciones en los cálculos; y elegir los materiales adecuados e implementarlos de forma adecuada). - Capacidad para reconocer responsabilidades éticas y profesionales en situaciones de ingeniería y hacer juicios informados, que deben considerar el impacto de las soluciones de ingeniería en contextos globales, económicos, ambientales y sociales. III. CONTENIDOS 1. Introducción y Motivación: Historia, corriente continua y alterna, sistemas trifásicos, características clasificación, aplicaciones y ventajas generales de las máquinas eléctricas. 2. Electromagnetismo (repaso): Conceptos; flujo y campo magnético; ecuaciones de Maxwell; materiales magnéticos; histéresis y armónicos; circuitos magnéticos; inductancia, flujo mutuo y de fuga; y pérdidas de energía en sistemas magnéticos(histéresis y corrientes de parásitas). 3. Transformadores (profundización): Principio de funcionamiento del transformador ideal; operación en régimen sinusoidal y ecuación de diseño; polaridad; transformador real y circuito equivalente; pruebas en c.a y c.c; regulación de voltaje; pérdidas, eficiencia, aislación y refrigeración; conexión en paralelo y serie; autotransformador y tomas (taps); corriente de excitación y armónicos generados; transformadores de medida; transformadores trifásicos (características, conexiones, diagrama fasorial y armónicos); Características constructivas y transporte. 4. Energía y conversión electromecánica: Energía y coenegía; balances de energía; conversión electromecánica de energía; fuerzas y torques electromecánicos. 5. Máquinas y Campos Magnéticos Rotatorios (CMR): Máquina básica de reluctancia, máquina de doble excitación; máquina cilíndrica; distribución sinusoidal de la fuerza magnetomotriz; campo magnético rotatorio (CMR); pares de polos; condición de torque medio; introducción a las principales máquinas (Síncrona, Inducción y de Corriente Continua). 6. Máquina Síncrona: Características y clasificación; aplicaciones; circuito equivalente y diagrama fasorial; Potencia activa, reactiva y torque; Operación en red aislada y barra infinita; regulación de voltaje; diagrama de potencia PQ; diagrama de operación; curva v; determinación experimental de parámetros (pruebas en c.a y c.c. y prueba de deslizamiento). 7. Máquina de Inducción (máquina Asíncrona): Características y aplicaciones; principio de funcionamiento, desplazamiento y clasificación; circuito equivalente, potencia mecánica; circuito equivalente aproximado; torque electromagnético;corriente y resistencia rotórica; prueba de vacío y rotor bloqueado; modelo dinámico y variables de estado; balance de potencias y eficiencia; Tipos de jaula de ardilla (Norma NEMA y características); métodos de arranque y control de velocidad. 8. Máquina de Corriente Continua (CC ó DC): Características y aplicaciones; principio de funcionamiento y operación; tipos de bobinados reales; reacción de armadura y compensación (escobillas con grado variable, devanados compensadores e interpolos); clasificación (excitación separada, shunt, serie y compound); circuitos equivalentes y torque electromagnético; operación como generador; control de partida y velocidad. 9. Máquinas Monofásicas: Clasificación, el motor universal, el motor de repulsión y el motor de inducción, configuraciones y métodos de partida, características tipicas y aplicaciones. 10. Accionamientos:Clasificación de conversores (chopper buck, boost, buck-boost, buckboost regenerativo), puente H, rectificadores tiristorizados, el cicloconversor, el inversor convencional fuente de voltaje, el inversor convencional fuente de corriente, ejemplo de aplicaciones en generadores y motores, controles muy básicos de conversores y máquinas. IV. METODOLOGÍA El curso se basa en clases expositivas donde el profesor presentará la teoría, conceptos, principios, aplicaciones y características de las máquinas eléctricas. Se realizan 9 ayudantías, una cada tema central visto en el curso, donde se refuerzan los conceptos y se resolverán problemas de desarrollo. El resto de las ayudantías son utilizadas para talleres y reforzamiento. V. EVALUACIONES Las evaluaciones constan de 3 interrogaciones, 3 a 4 tareas y un proyecto aplicado durante el semestre. VI. BIBLIOGRAFÍA El curso no tiene bibliografía mínima, pero se sugieren los libros 1-2 para todos los capítulos del curso y el libro 3 para el último capítulo. 1. Electric Machinery by A. E. Fitzgerald, Jr.,Charles Kingsley, Stephen Umans, and A. E. Fitzgerald, McGraw-Hill Education; 7th Edition (January 28, 2013). 2. Máquinas Eléctricas, Jesus Fraile Mora, McGraw-Hill; 6ta Edición (2008) 3. Power Electronics: Converters, Applications, and Design by Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins, Wiley; 3rd Edition (October 10, 2002) PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE ESCUELA DE MEDICINA / ABRIL 2021