CONTENIDO

PARTE1. FUNDAMENTOS

UNIDADES, 3

1.0 Introducción, 3 1.1 Sistemas de unidades, 3 1.2 Acostumbrándose al SI, 4 1.3 Unidades base y derivadas del SI, 4 1.4 Definiciones de unidades base, 5 1.5 Definiciones de unidades derivadas, 5 1.6 Múltiplos y submúltiplos de unidades

del SI, 7 1.7 Unidades comúnmente utilizadas, 7 1.8 Tablas de conversión y su uso, 8 1.9 El sistema de medición por unidad, 9 1.10 Sistema por unidad con una base, 10 1.11 Sistema por unidad con dos bases, 11 Preguntas y problemas, 12

2 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y CIRCUITOS, 15

2.0 Introducción, 15 2.1 Flujo de corriente convencional y flujo de

corriente de electrones, 15 2.2 Diferencia entre fuentes y cargas, 16

2.3 2.4

2.5 2.6

2.7 2.8 2.9

2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15

2.16

2.17 2.1 8 2.19

2.20

xi

Notación de signos, 17 Notación de doble subíndice para voltajes, 17 Notación de signos para voltajes, 17 Gráfica de un voltaje de corriente alterna, 18 Corrientes positivas y negativas, 19 Voltaje sinusoidal, 19 Conversión de funciones cosenoidales en funciones senoidales, 20 Valor efectivo (o rms) de un voltaje de ca, 20 Representación fasorial, 21 Armónicos, 23 Energía en un inductor, 25 Energía en un capacitar, 25 Algunas ecuaciones útiles, 26 Electromagnetismo Intensidad de campo magnético H y densidad de flujo B, 27 Curva B-H de vacío, 27 Curva B-H de un material magnético, 27 Determinación de la permeabilidad relativa, 28 Ley de Faraday de inducción electromagnética, 29

XII CONTENIDO

2.21 Voltaje inducido en un conductor, 30 2.22 Fuerza de Lorentz en un conductor, 31 2.23 Dirección de la fuerza que actúa en un

conductor recto, 31 2.24 Densidad de flujo residual y fuerza

coercitiva, 32 2.25 Lazo de histéresis, 33 2.26 Pérdida por histéresis, 33 2.27 Pérdidas de histéresis provocadas por

rotación, 33 2.28 Corrientes parásitas, 34 2.29 Corrientes parásitas en un núcleo de hierro

estacionario, 35 2.30 Pérdidas por corrientes parásitas en un

núcleo rotatorio, 35 2.31 Corriente en un inductor, 36

Circuitos y ecuaciones 2.32 Ley del voltaje de Kirchhoff, 40 2.33 Ley del voltaje de Kirchhoff y notación

de doble subíndice, 40 2.34 Ley de las corrientes de Kirchhoff (KCL), 41 2.35 Corrientes, impedancias y voltajes

asociados, 41 2.36 Leyes de Kirchhoff y circuitos de ca, 43 2.37 Ley de voltajes de Kirchhoff (KVL) y

notación de signos, 43 2.38 Solución de circuitos de ca y de cd

con notación de signos, 44 2.39 Circuitos y notación hfbrida, 45 Preguntas y problemas, 46

3 FUNDAMENTOS DE MECÁNICA YCALOR, 50

3.0 Introducción, 50 3.1 Fuerza, 50 3.2 Momento de torsión o par, 51 3.3 Trabajo mecánico, 51 3.4 Potencia, 52 3.5 Potencia de un motor, 52 3.6 Transformación de energía, 53 3.7 Eficiencia de una máquina, 53 3.8 Energía cinética de movimiento lineal, 54 3.9 Energía cinética de rotación, momento,

de inercia, 54 3.10 Momento de torsión o par, inercia y

cambio de velocidad, 57 3.11 Velocidad de un sistema motor/carga, 57

3.12 Flujo de potencia en un sistema mecánicamente acoplado, 58

3. 13 Motor que impulsa una carga que tiene inercia, 58

3.14 Motores eléctricos que impulsan cargas en movimiento lineal, 59

3.15 Calor y temperatura, 60 3.16 Escalas de temperatura, 61 3.17 Calor requerido para elevar la temperatura

de un cuerpo, 61 3.18 Transmisión de calor, 62 3.19 Transferencia de calor por conducción, 62 3.20 Transferencia de calor por convección, 63 3.21 Cálculo de las pérdidas por convección, 63 3.22 Transferencia de calor por radiación, 64 3.23 Cálculo de pérdidas por radiación, 64 Preguntas y problemas, 65

PARTE 2. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y TRANSFORMADORES

4 GENERADORES DE CORRIENTE DIRECTA (CD), 71

4.0 Introducción, 71 4.1 Generación de voltaje de ca, 71 4.2 Generador de corriente directa, 72 4.3 Diferencia entre generadores de ca

y de cd, 73 4.4 Mejoramiento de la forma de onda, 73 4.5 Voltaje inducido, 75 4.6 Zonas neutras, 76 4.7 Valor del voltaje inducido, 76 4.8 Generador bajo carga: proceso de

conversión de energía, 77 4.9 Reacción de armadura, 77 4.1 O Cambio o ajuste de las escobillas para

mejorar la conmutación, 78 4.11 Polos conmutadores, 79 4.12 Generador con excitación

independiente, 79 4.13 Operación sin carga (o vacío) y curva

de saturación, 80 4.14 Generador en derivación (o shunt), 80 4.15 Control de voltaje de un generador en

derivación, 81 4.16 Circuito equivalente, 82

5

4.17

4.18 4.19 4.20 4.21 4.22

4.23 4.24

Generador con excitación independiente bajo carga, 82 Generador en derivación bajo carga, 83 Generador compuesto, 83 Generador compuesto diferencial, 84 Características de carga, 84 Especificaciones del generador, 84 Construcción de generadores de corriente directa Campo, 85 Armadura, 86

4.25 Conmutador y escobillas, 86 4.26 Detalles de un generador de varios

polos, 88 4.27 Proceso de conmutación ideal, 91 4.28 Proceso de conmutación práctico, 92 Preguntas y problemas, 94

MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA, 96

5.0 Introducción, 96

5.1 5.2 5.3

5.4 5.5

5.6

5.7

5.8 5.9

5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18

5.19 5.20

Fuerza contraelectromotriz (fcem), 96 Aceleración del motor, 97 Potencia y par o momento de torsión mecánicos, 98 Velocidad de rotación, 100 Control de velocidad por medio de la armadura, 101 Control de velocidad por medio del

campo, 102 Motor en derivación (shunt) bajo carga, 103 Motor en serie, 104 Control de la velocidad de un motor en serie, 105 Aplicaciones del motor en serie, 106 Motor compuesto, 106 Inversión de la dirección de rotación, 107 Arranque de un motor en derivación, 108 Arrancador de reóstato manual, 108 Frenado de un motor, 109 Frenado dinámico, 109 Frenado por inversión de rotación, 110 Frenado dinámico y consta~te de tiempo mecánica, 111 Reacción de la armadura, 113 Distorsión del flujo provocada por la reacción de la armadura, 113

6

7

CONTENIDO xiii

5.21 Polos conmutadores, 113 5.22 Devanado compensador, 114 5.23 Fundamentos del control de velocidad

variable, 114 5.24 Motores de imán permanente, 117 Preguntas y problemas, 118

EFICIENCIA Y CALENTAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS, 120

6.0 Introducción, 120 6.1 Pérdidas mecánicas, 120 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

6.7 6.8

6.9

Pérdidas eléctricas, 120 Pérdidas como una función de la carga, 123 Curva de eficiencia, 123 Aumento de la temperatura, 125 Expectativa de vida del equipo eléctrico, 126 Clasificación térmica de los aislantes, 126 Temperatura ambiente máxima y aumento de la temperatura del punto caliente, 127 Estimación del aumento de la temperatura mediante el método de resistencia, 129

6.10 Relación entre la velocidad y el tamaño de la máquina, 130

Preguntas y problemas, 131

POTENCIA ACTIVA, REACTIVA Y APARENTE, 134

7.0 Introducción, 134 7. 1 Potencia instantánea, 134 7 .2 Potencia activa o real, 136 7.3 Potencia reactiva, 137 7.4

7.5 7.6

7.7

7.8 7.9 7.10 7.11

7.12 7 .13

Definición de carga y fuente reactivas, 138 Capacitar y potencia reactiva, 139 Distinción entre potencia activa y potencia reactiva, 140 Cargas activa y reactiva combinadas: potencia aparente, 141 Relación entre P, Q y S, 141 Factor de potencia, 143 Triángulo de potencia, 144 Aspectos adicionales de fuentes y cargas, 144 Sistemas compuestos de varias cargas, 146 Potencia reactiva sin campos magnéticos, 148

Un' . .::í' ,.._ i 9 r l~I. F-.'l l ~

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xiv CONTENIDO

7.14 Solución de circuitos de ca con el método 9.5 Propiedades de las marcas de polaridad, 186 del triángulo de potencia, 148 9.6 Transformador ideal sin carga; relación

7.15 Potencia y notación vectorial, 151 de voltaje, 187 7.16 Reglas sobre fuentes y cargas (notación 9.7 Transformador ideal bajo carga; relación

de signos), 154 de corriente, 188 7.17 Reglas sobre fuentes y cargas (notación 9.8 Símbolo de circuito para un transformador

de doble subíndice), 154 ideal, 191 Preguntas y problemas, 155 9.9 Relación de impedancia, 191

9.10 Reflexion de las impedancias del 8 CIRCUITOS TRIFÁSICOS, 158 secundario al primario y viceversa, 192

8.0 Introducción, 158 Preguntas y problemas, 195

8.1 Sistemas polifásicos, 158 8.2 Generador monofásico, 159 10 TRANSFORMADORES PRÁCTICOS, 197

8.3 Salida de potencia de un generador 10.0 Introducción, 197 monofásico, 160 10. l Transformador ideal con núcleo

8.4 Generador bifásico, 160 imperfecto, 197 8.5 Salida de potencia de un generador 10.2 Transformador ideal con acoplamiento

bifásico, 161 débil , 199 8.6 Generador trifásico, 162 10.3 Reactancia de dispersión en el primario y 8.7 Salida de potencia de un generador el secundario, 200

trifásico, 162 10.4 Circuito equivalente de un transformador 8.8 Conexión en Y, 164 práctico, 202 8.9 Relaciones de voltaje, 165 10.5 Construcción de un transformador de 8.10 Conexión en delta, 167 potencia, 203 8.11 Potencia transmitida por una línea 10.6 Marcas de polaridad de terminales

trifásica, 168 estándar, 204 8.12 Potencia activa, reactiva y aparente 10.7 Pruebas de polaridad, 204

en circuitos trifásicos, 169 10.8 Tomas de transformador, 205 8.13 Resolución de circuitos trifásicos, 170 10.9 Pérdidas y capacidad de un 8.14 Cargas industriales, 171 transformador, 206 8.15 Secuencia de fase, 174 10.10 Curva de saturación sin carga 8.16 Determinación de la secuencia de fase, 175 o de vacío, 206 8.17 Medición de potencia en circuitos de ca, 176 10. 11 Métodos de enfriamiento, 207 8.18 Medición de potencia en circuitos 10.12 Simplificación del circuito equivalente, 209

trifásicos de tres conductores, 176 10.13 Regulación del voltaje, 211 8.19 Medición de potencia en circuitos 10.14 Medición de las impedancias de un

trifásicos de cuatro conductores, 177 transformador, 212 8.20 Varímetro, 177 10.15 Introducción del método de valores por 8.21 Una notable transformación de monofásico unidad, 215

a trifásico, 178 10.16 Impedancia de un transformador, 216 Preguntas y problemas, 180 10. 17 Impedancias por unidad típicas, 216

10.18 Transformadores en paralelo, 219

9 EL TRANSFORMADOR IDEAL, 183 Preguntas y problemas, 221

9.0 Introducción, 183 9.1 Voltaje inducido en una bobina, 183 11 TRANSFORMADORES ESPECIALES, 225

9.2 Voltaje apl icado y voltaje inducido, 184 11.0 Introducción, 225 9.3 Transformador elemental, 185 11.1 Transformador de distribución de voltaje 9.4 Polaridad de un transformador, 186 dual, 225

12

11.2 Autotransformador, 226 11.3 Transformador convencional conectado

como autotransformador, 228 11.4 Transformadores de voltaje

o de potencial, 230 11.5 Transformadores de corriente, 231 11 .6 Peligro al abrir el secundario de un

transformador de corriente, 233 11.7 Transformadores de corriente

toroidal, 234 11.8 Autotransformador variable, 235 11.9 Transformadores de alta impedancia, 236 11.1 O Transformadores de calentamiento

por inducción, 237 11.11 Transformadores de alta frecuencia, 238 Preguntas y problemas, 241

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS, 243

12.0 Introducción, 243 12.1 Propiedades básicas de los bancos de

transformadores trifásicos, 243 12.2 Conexión delta-delta, 244 12.3 Conexión delta-Y, 246 12.4 Conexión Y-delta, 247 12.5 Conexión Y-Y, 248 12.6 Conexión en delta abierta, 248 12.7 Transformadores trifásicos, 249 12.8 Autotransformador elevador y

reductor, 251 12.9 Principio de desplazamiento de fase, 253 12.10 Transformación trifásica a monofásica, 254 12.11 Transformador de desplazamiento

de fase, 256 12.12 Cálculos que implican transformadores

trifásicos, 258 12.13 Marcas de polaridad de transformadores

trifásicos, 260 Preguntas y problemas, 261

13 MÁQUINAS DE INDUCCIÓN TRIFÁSICAS, 263

13.0 Introducción, 263 13.1 Componentes principales, 263 13.2 Principio de operación, 264 13.3 El campo rotatorio, 265 13.4 Dirección de rotación, 270 13.5 Número de polos-velocidad síncrona, 271

CONTENIDO xv

13.6 Características de arranque de un motor de jaula de ardilla, 273

13.7 Aceleración del rotor-deslizamiento, 274 13.8 Motor bajo carga, 274 13.9 Deslizamiento y velocidad de

deslizamiento, 274 13.1 O Voltaje y frecuencia inducidos en el rotor, 275 13.11 Características de los motores de

inducción de jaula de ardilla, 276 13.12 Estimación de las corrientes en un motor

de inducción, 277 13.13 Flujo de potencia activa, 278 13.14 Par o momento de torsión contra curva

de velocidad, 281 13.15 Efecto de la resistencia del rotor, 282 13.16 Motor de rotor devanado, 284 13.17 Devanados trifásicos, 285 13.18 Motor seccionado, 288 13.19 Motor de inducción lineal, 289 13.20 Ondas viajeras, 291 13.21 Propiedades de un motor de inducción

lineal, 291 13.22 Levitación magnética, 293

Máquina de inducción doblemente alimentada

13.23 Motor de rotor devanado doblemente alimentado (relaciones de velocidad), 295

13.24 Motor de rotor devanado doblemente alimentado (relaciones de potencia a velocidad subsíncrona), 297

13.25 Motor de rotor doblemente alimentado (relaciones de potencia a velocidad supersíncrona), 300

13.26 Generador de rotor devanado doblemente alimentado, 300

Preguntas y problemas, 303

14 SELECCIÓN Y APLICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE INDUCCIÓN TRIFÁSICAS, 307

14.0 Introducción, 307 14. l Estandarización y clasificación de motores

de inducción, 307 14.2 Clasificación según el ambiente y métodos

de enfriamiento, 307 14.3 Clasificación de acuerdo con las

propiedades eléctricas y mecánicas, 309

XVI CONTENIDO

14.4 Selección de la velocidad del motor, 311 16 GENERADORES SÍNCRONOS, 343

14.5 Motores de dos velocidades, 311 16.0 Introducción, 343 14.6 Características del motor de inducción 16.1 Generadores síncronos comerciales, 343

bajo varias condiciones de carga, 313 16.2 Número de polos, 343 14.7 Arranque de un motor de inducción, 316 16.3 Características principales del estator, 344 14.8 Detención de un motor de inducción 16.4 Características principales del rotor, 348

mediante inversión del campo, 316 16.5 Excitación de campo y excitadores, 350 14.9 Frenado con corriente directa, 317 16.6 Excitación sin escobillas, 351 14.10 Condiciones anormales, 318 16.7 Factores que afectan el tamaño de los 14.11 Sobrecarga mecánica, 318 generadores síncronos, 352 14.12 Cambios del voltaje de línea, 318 16.8 Curva de saturación sin carga, 353

14.13 Cambio a una sola fase, 318 16.9 Reactancia síncrona -circuito equivalente

14.14 Variación de la frecuencia, 319 de un generador de ca, 354 14.15 Motor de inducción que opera como 16.10 Determinación del valor de Xs, 356

generador, 319 16.11 Impedancia base, Xs por unidad, 357

14.16 Curva característica completa de par 16.12 Relación de cortocircuito, 358 o momento de torsión-velocidad de 16.13 Generador síncrono bajo carga, 358 una máquina de inducción, 322 16.14 Curvas de regulación, 360

14.17 Características de un motor de inducción 16.15 Sincronización de un generador, 361

de rotor devanado, 323 16.16 Generador síncrono en un bus

14.18 Arranque de cargas de alta inercia, 323 infinito, 363

14.19 Impulsores de velocidad variable, 323 16.17 Bus infinito -efecto de la variación de la

14.20 Convertidor de frecuencia, 323 corriente de excitación, 363

Preguntas y problemas, 326 16.18 Bus infinito -efecto de la variación del par o momento de torsión mecánico, 363

15 CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR 16.19 Interpretación física del comportamiento

DE INDUCCIÓN, 330 del alternador, 365

15.0 Introducción, 330 16.20 Potencia activa suministrada por el

15.1 Motor de inducción de rotor generador, 366

devanado, 330 16.21 Control de potencia activa, 367

15.2 Relaciones de potencia, 333 16.22 Reactancia transitoria, 367

15.3 Diagrama fasorial del motor de 16.23 Transferencia de potencia entre dos

inducción, 334 fuentes, 369

15.4 Par o momento de torsión máximo y 16.24 Eficiencia, potencia y tamaño de máquinas

velocidad, 335 eléctricas, 370

15.5 Circuito equivalente de dos motores Preguntas y problemas, 372

prácticos, 335 MOTORES SÍNCRONOS, 377 15.6 Cálculo del par o momento de torsión 17

máximo, 336 17.0 Introducción, 377

15.7 Curva de par o momento de torsión- 17.l Construcción, 378

velocidad y otras características, 337 17.2 Arranque de un motor síncrono, 380

15.8 Propiedades de un generador 17.3 Par o momento de torsión de ajuste a

asíncrono, 338 sincronismo, 380

15.9 Pruebas para determinar el circuito 17.4 Motor bajo carga -descripción

equivalente, 339 general , 380

Preguntas y problemas, 341 17.5 Motor bajo carga -cálculos simples, 381

17.6 Potencia y par o momento de torsión, 384 17.7 Ángulos mecánicos y eléctricos, 385 17.8 Par o momento de torsión de

reluctancia, 386 17.9 Pérdidas y eficiencia de un motor

síncrono, 387 17.10 Excitación y potencia reactiva, 388 17.11 Tasa de factor de potencia, 389 17.12 Curvas V, 390 17.13 Frenado de motores síncronos, 391 17.14 El motor síncrono en comparación con el

motor de inducción, 393 17.15 Capacitar síncrono, 393 Preguntas y problemas, 396

18 MOTORES MONOFÁSICOS, 399

18.0 Introducción, 399 18.1 Construcción de un motor de inducción

monofásico, 399 18.2 Velocidad síncrona, 401 18.3 Característica de par o momento de

torsión-velocidad, 402 18.4 Principio de operación, 402 18.5 Par con el rotor bloqueado, 404 18.6 Resi stencia de un motor de fase

dividida, 404 18.7 Motor de arranque con capacitar, 406 18.8 Eficiencia y factor de potencia de motores

de inducción monofásicos, 407 18.9 Vibración de motores monofásicos, 409 18.10 Motor de funcionamiento con

capacitar, 410 18.11 Inversión de la dirección de rotación, 411 18.12 Motordepolossombreados , 411 18.13 Motor universal , 412 18.14 Motor de histéresis, 413 18.15 Motor de reluctancia síncrono, 415 18.16 Control sincro, 416

Circuito equivalente de un motor monofásico

18.17 Distribución de la fuerza magnetomotriz, 417

18.18 Fuerzas magnetomotrices rotatorias en un motor monofásico, 418

18.19 Deducción del diagrama de circuito de un motor monofásico, 419

Preguntas y problemas, 422

CONTENIDO xvii

19 MOTORES DE VELOCIDAD GRADUAL O DE PASOS, 425

19.0 Introducción, 425 19.1 Motor de pasos elemental , 425 19.2 Efecto de la inercia, 426 19.3 Efecto de una carga mecánica, 427 19.4 Par o momento de torsión frente a

corriente, 428 19.5 Velocidad de avance a pasos en el modo

de arranque-detención, 428 19.6 Velocidad uniforme, 429 19.7 Efecto de rampa, 430 19.8 Tipos de motores de pasos, 430 19.9 Devanados de motor y controles

asociados, 432 19.1 O Operación a alta velocidad, 435 19.11 Modificación de la constante de

tiempo, 436 19.12 Control de dos niveles, 436 19.13 Inestabilidad y resonancia, 442 19.14 Motores de pasos y controles lineales, 442 Preguntas y problemas, 442

PARTE 3. CONTROLES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS

20 FUNDAMENTOS DE CONTROL DE MOTORES INDUSTRIALES, 447

20.0 Introducción, 447 20.1 Dispositivos de control, 447 20.2 Contactos normalmente abiertos y

contactos normalmente cerrados, 451 20.3 Corriente de excitación de bobina

relevadora, 451 20.4 Diagramas de control, 453 20.5 Métodos de arranque, 454 20.6 Arrancadores manuales a través de la

línea, 455 20.7 Arrancadores magnéticos a través de

la línea, 456 20.8 Avance y paro gradual, 458 20.9 Inversión de la dirección de rotación, 459 20.10 Frenado por contracorriente, 461 20.11 Arranque con voltaje reducido, 462 20.12 Arranque con resistencia primaria, 462 20.13 Arranque con autotransformador, 466

XVlll CONTENIDO

20.14 Otros métodos de arranque, 468 21.19 Circuitos de potencia de tiristor 20.15 Interruptores de leva, 469 básicos, 504 20.16 Computadoras y controles, 470 21.20 Rectificador controlado que alimenta

Controles eléctricos a una carga pasiva (circuito l, 20.17 Fundamentos de controles eléctricos, 470 tabla 21D), 504 20.18 Curvas típicas de par o momento de 21.21 Rectificador controlado que alimenta a una

torsión-velocidad, 471 carga activa (circuito 2, tabla 21D), 505

20.19 Forma de la curva de par o momento 21.22 Inversor conmutado por línea (circuito 3,

de torsión-velocidad, 472 tabla 21D), 506

20.20 Curvas de corriente-velocidad, 474 21.23 Interruptor estático de ca (circuito 4,

20.21 Frenado regenerativo, 475 tabla 21D), 508

Preguntas y problemas, 476 21.24 Cicloconvertidor (circuito 5, tabla 21D), 509

21 ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE 21.25 Convertidor controlable de 6 pulsos

ELECTRÓNICA DE POTENCIA, 480 trifásico (circuito 6, tabla 21D), 510

21.0 Introducción, 480 21.26 Principio básico de operación, 511

21.1 Nivel de potencial, 480 21.27 Rectificador de 6 pulsos trifásico que

21.2 Voltaje a través de algunos elementos alimenta una carga activa, 512

21.28 Activación retrasada - modo de de circuito, 482

rectificador, 513 Diodos y circuitos con diodos

21.29 Activación retrasada -modo de 21.3 Diodo, 483

inversor, 515 21.4 Características principales de un 21.30 Intervalo de activación, 516

diodo, 484 21.31 Circuito equivalente de un convertidor, 517 21.5 Cargador de batería con resistor en 21.32 Corrientes en un convertidor de 6 pulsos

serie, 484 trifásico, 519 21.6 Cargador de batería con inductor en 21.33 Factor de potencia, 519

serie, 486 21.34 Traslape de conmutación, 522 21.7 Rectificador de puente monofásico, 488 21.35 Ángulo de extinción, 522 21.8 Filtros, 489 Convertidores de conmutación 21.9 Rectificador de diodo de tres pulsos de cd a cd

trifásico, 491 21.36 Interruptores de semiconductor, 523 21.10 Rectificador de 6 pulsos trifásico, 493 21.37 Convertidor conmutador de cd a cd, 525 21.11 Corriente de línea eficaz y corriente de 21.38 Conmutación rápida, 527

línea fundamental, 497 . 21.39 Transformación de impedancia, 530 21.12 Factor de potencia de distorsión, 498 21.40 Convertidor de cd a cd básico de dos 21.13 Factor de potencia de desplazamiento y cuadrantes, 530

factor de potencia total, 498 21.41 Convertidor electrónico de dos 21.14 Contenido armórúco y distorsión armórúca cuadrantes, 533

total (THD), 499 21.42 Convertidor de cd a cd en cuatro Los tiristores y circuitos cuadrantes, 534 con tiristores 21.43 Pérdidas por conmutación, 536

21.15 Tiristor, 500 Convertidores de conmutación 21.16 Principios de activación de de cd a ca

compuertas, 500 21.44 Convertidor de onda rectangular 21.17 Ganancia de potencia de un tiristor, 502 de cd a ca, 537 21.18 Interrupción de corriente y conmutación 21.45 Convertidor de cd a ca con modulación

forzada, 503 de ancho de pulso, 538

CONTENIDO xix

tencia de tiristor 21.46 Convertidor de onda seno de cd a ca, 54-0 23.l Ti pos de controles de ca, 589 21.47 Generación de una onda seno, 541 23.2 Control de motor síncrono que utiliza un

ntrolado que alimenta 21.48 Creación del tren de pulsos PWM, 542 enlace de cd a la fuente de corriente, 591 iva (circuito 1, 21.49 Convertidor trifásico de cd a ca, 544 23.3 Motor síncrono y cicloconvertidor, 594

21.50 El convertidor como generador 23.4 Control del voltaje y la frecuencia del ntrolado que alimenta a una universal, 549 cicloconvertidor, 594

ircuito 2, tabla 21D), 505 21.51 Conclusión, 550 23.5 Motor de inducción de jaula de ardilla utado por línea (circuito 3,

Preguntas y problemas, 550 con cicloconvertidor, 596 06 23.6 Motor de jaula de ardilla y controlador 'tico de ca (circuito 4,

22 CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES de voltaje estático, 603 08 DE CORRIENTE DIRECTA, 555 23.7 Motores de jaula de arranque suave, 604 dor (circuito 5,

22.0 Introducción, 555 Inversores autoconmutados 09

22.l Control de velocidad en el primer 23.8 Inversores autoconmutados para motores ontrolable de 6 pulsos

de jaula, 606 ito 6, tabla 21D), 510 cuadrante, 555

23.9 Convertidor de frecuencia . co de operación, 511 22.2 Control en dos cuadrantes -inversión

autoconmutado de fuente de corriente de 6 pulsos trifásico que de campo, 558 (onda rectangular), 607

carga activa, 512 22.3 Control en dos cuadrantes -inversión de 23.10 Convertidor de frecuencia

trasada - modo de la armadura, 559 autoconmutado de fuente de voltaje

513 22.4 Control en dos cuadrantes -dos (onda rectangular), 608

trasada - modo de convertidores, 559 23.11 Control de velocidad mediante recortador 22.5 Control en cuatro cuadrantes

de un motor de inducción de rotor activación, 516 -dos convertidores con corriente

devanado, 611 "valente de un convertidor, 517 circulando, 560 23.12 Recuperación de la potencia en un motor un convertidor de 6 pulsos 22.6 Control en dos cuadrantes con par o

de inducción de rotor devanado, 613 9 momento de torsión positivo, 563

Controles de modulación por ancho tencia, 519 22.7 Control en cuatro cuadrantes, 563

de pulso conmutación, 522 22.8 Convertidor de 6 pulsos con diodo

23.13 Revisión de la modulación por ancho de xtinción, 522 de funcionamiento libre, 565

pulso, 616 res de conmutación 22.9 Convertidor de semipuente, 570

23.14 Modulación por ancho de pulso y motores 22.10 Sistemas de tracción activados por cd, 572 de inducción, 618 s de semiconductor, 523 22.11 Control de un motor por medio de un Control de par o momento de torsión conmutador de cd a cd, 525 convertidor de conmutación de cd a cd, 574 y velocidad de motores de inducción

ón rápida, 527 22.12 Introducción a los motores de cd 23.15 Motor de cd y orientación del flujo, 618 ción de impedancia, 530 sin escobillas, 579 23.16 Velocidad de deslizamiento, orientación r de cd a cd básico de dos 22.13 Reemplazo del conmutador por

del flujo y par o momento de torsión, 619 • 530 interruptores inversores, 580

23.17 Características del control de velocidad r electrónico de dos 22.14 Motor síncrono como máquina de cd variable (modo de par o momento de

• 533 sin escobillas, 582 torsión constante), 621 r de cd a cd en cuatro 22.15 Motor síncrono estándar y máquina de cd 23.18 Características del control de velocidad

534 sin escobillas, 583 variable (modo de caballos de fuerza 'r conmutación, 536 22.16 Aplicación práctica de un motor de cd constantes), 624 ores de conmutación sin escobillas, 583 23.19 Característica de control de velocidad

Preguntas y problemas, 585 variable (modo de generador), 624 or de onda rectangular 23.20 Motor de inducción y su circuito

537 23 CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES equivalente, 625 or de cd a ca con modulación DE CORRIENTE ALTERNA, 589 23.21 Circuito equivalente de un motor de pulso, 538 23.0 Introducción, 589 práctico, 626

XX CONTENIDO

23.22 Volts por hertz de un motor práctico, 627 24.5 Ventaja de los sistemas 23.23 Control de velocidad y de par o interconectados, 669 24.35 Ejem

momento de torsión de motores 24.6 Condiciones durante una interrupción eólic~

de inducción, 628 de corriente, 671 Preguntas y p1

23.24 Frecuencias portadoras, 629 24.7 Relojes de frecuencia y eléctricos, 672

23.25 Control dinámico de motores de Plantas de generación hidroeléctricas 25 TRANSMISI<

inducción, 629 24.8 Potencia hidroeléctrica disponible, 672 ELÉCTRICA,

23.26 Principio del control vectorial del 24.9 Tipos de plantas hidroeléctricas, 673 25.0 Introd

flujo, 630 24.10 Composición de una planta 25. l Comp

23.27 Control de velocidad variable y tracción hidroeléctrica, 674 de dis1

eléctrica, 632 24.11 Instalaciones de almacenamiento y 25.2 Tipos .

23.28 Componentes principales, 635 bombeo, 676 25.3 Voltaj<

23.29 Modo de operación del convertidor Plantas de generación térmicas 25.4 Compc

trifásico, 636 24.12 Composición de una planta de generación de alto

23.30 Modo de operación del convertidor térmica, 678 25.5 Constr

monofásico, 638 24.13 Turbinas, 680 25.6 Líneas

23.31 Control par o de momento de torsión 24.14 Condensador, 680 25.7 Efecto

directo, 643 24.15 Torres de enfriamiento, 680 25.8 Con tan

23.32 Control del flujo y par o momento de 24.16 Bomba de alimentación de la caldera, 681 25.9 Rayos,

torsión por histéresis, 644 24.17 Diagrama de flujo de energía para una 25.10 Pararra.

23.33 Control de la velocidad, 644 planta de vapor, 681 25.11 Rayos~

23.34 Producción de un campo magnético en 24.18 Plantas térmicas y medio ambiente, 682 25.12 Nivel d

un motor bifásico, 644 Plantas de generación nucleares impulsi

23.35 Producción de un campo rotatorio, 647 24.19 Composición de un núcleo atómico; en inglé

23.36 Control del flujo magnético, 648 isótopos, 685 25.13 Conduc

23.37 Control de la velocidad de rotación, 650 24.20 La fuente de uranio, 685

o blinda 24.21 Energía liberada por fisión atómica, 686

23.38 Lógica de programación del procedimiento 24.22 Reacción en cadena, 686 25.14 Conexié

de conmutación, 650 24.23 Tipos de reactores nucleares, 687 25.15 Objetive

23.39 Deslizamiento instantáneo y producción 24.24 Ejemplo de un reactor de agua ligera, 688 de trans1

del par o momento de torsión, 652 24.25 Ejemplo de un reactor de agua 25.16 Circuito

23.40 Control de motores trifásicos, 653 pesada, 689 25.17 Valores e

23.41 Diagrama esquemático de un DTC, 655 24.26 Principio del reactor de alimentador 25.18 Simplifü

23.42 Conclusión, 656 rápido, 690 equivale:

Preguntas y problemas, 658 24.27 Fusión nuclear, 691 25.19 Regulaci

Plantas de generación eólicas transmisi

PARTE 4. SISTEMAS DE POTENCIA 24.28 Propiedades del viento, 691 de transn

ELÉCTRICA, GENERACIÓN, 24.29 Producción de la potencia eólica, 693 25.20 Línea res

TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN 24.30 Turbina eólica que impulsa un generador 25.21 Líneaind

de cd, 693 25.22 Líneaind

24.31 Turbina que impulsa un generador 25.23 Líneaind 24 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, 665 asíncrono a velocidad constante, 693 sistemas,

24.0 Introducción, 665 24.32 Turbina que impulsa un generador 25.24 Revisión,

24.1 Demanda de un sistema eléctrico, 665 asíncrono a velocidad variable, 694 25.25 Selección

24.2 Ubicación de la planta de generación, 667 24.33 Turbina que impulsa un generador de 25.26 Métodos 1

24.3 Tipos de plantas de generación, 667 inducción doblemente alimentado, 695 de potenc.

24.4 Control de equilibrio de potencia entre 24.34 Turbina que impulsa directamente un 25.27 Líneas de

generador y carga, 668 alternador de imán permanente, 696 25.28 Intercamt potencia,

CONTENIDO xxi

24.35 Ejemplos de plantas de generación 25.29 Ejemplo práctico de intercambio de eólicas, 697 potencia, 735

Preguntas y problemas, 700 Preguntas y problemas, 737

25 TRANSMISIÓN DE ENERGÍA 26 DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, 706 ELÉCTRICA, 740

25.0 Introducción, 706 26.0 Introducción, 740 25. l Componentes principales de un sistema Subestaciones

de distribución de potencia, 706 26. l Equipo de subestación, 740 25.2 Tipos de líneas de potencia, 707 26.2 Cortacircuitos, 740 25.3 Voltajes estándar, 709 26.3 Interruptores de aire, 744 25.4 Componentes de una línea de transmisión 26.4 Interruptores de desconexión, 744

de alto voltaje, 709 26.5 Interruptores de conexión a tierra, 744 25.5 Construcción de una línea, 710 26.6 Relevadores de protección contra 25.6 Líneas galopantes u oscilantes, 711 sobrevoltajes, 744 25.7 Efecto corona-interferencia de radio, 711 26.7 Reactores limitadores de corriente, 747 25.8 Contaminación, 711 26.8 Transformador con conexión 25.9 Rayos o descargas eléctricas, 712 a tierra, 748 25.10 Pararrayos en edificios, 713 26.9 Ejemplo de una subestación, 749 25.11 Rayos y líneas de transmisión, 713 26.10 Distribución a mediano voltaje, 751 25.12 Nivel de aislamiento contra voltajes

26.11 Distribución a bajo voltaje, 751 impulsivos básicos (BIL, por sus siglas

Protección de sistemas de distribución en inglés), 714

de mediano voltaje 25.13 Conductores de tierra (líneas de guarda

26.12 Coordinación de los dispositivos o blindaje), 715

25.14 Conexión a tierra de las torres, 715 protectores, 756

25.15 Objetivos fundamentales de una línea 26.13 Cortacircuitos de fusible, 757

de transmisión, 717 26.14 Restablecedores, 758

25.16 Circuito equivalente de una línea, 718 26.15 Seccionadores, 758

25.17 Valores de impedancia típicos, 718 26.16 Revisión de la protección de mediano

25.18 Simplificación del circuito voltaje, 759

equivalente, 720 Distribución de bajo voltaje

25.19 Regulación del voltaje y capacidad de 26.17 Sistema de distribución de BY, 759

transmisión de energía de las líneas 26.18 Conexión a tierra de instalaciones

de transmisión, 722 eléctricas, 761

25.20 Línea resistiva, 722 26.19 Choque eléctrico, 761

25.21 Línea inductiva, 723 26.20 Conexión a tierra de sistemas de 120 V

25.22 Línea inductiva compensada, 725 y 240 V/120 V, 762

25.23 Línea inductiva que conecta dos 26.21 Conexión a tierra del equipo, 763

sistemas, 727 26.22 Cortacircuito para falla de tierra, 765

25.24 Revisión de la transmisión de potencia, 728 26.23 Calentamiento rápido de un conductor:

25.25 Selección del voltaje de línea, 729 el factor / 2t, 766

25.26 Métodos para incrementar la capacidad 26.24 El rol de los fusibles, 767

de potencia, 731 26.25 Instalación eléctrica en edificios, 767

25.27 Líneas de extra alto voltaje, 731 26.26 Componentes principales de una

25.28 Intercambio de potencia entre centros de instalación eléctrica, 767 potencia, 734 Preguntas y problemas, 769

xxii CONTENIDO

27 EL COSTO DE LA ELECTRICIDAD, 771 Sistema de transmisión HVDC Light

27.0 Introducción, 771 28.20 Transporte de potencia eléctrica a lugares

27.l Tarifa basada en la energía, 772 remotos, 808

27.2 Tarifa basada en la demanda, 772 28.21 Componentes de un generador

27.3 Medidor de demanda, 772 estático, 808

27.4 Tarifa basada en el factor de potencia, 774 28.22 Generalidades del sistema de transmisión

27.5 Estructura tarifaría básica, 775 HVDC Light, 809

27.6 Controladores de demanda, 775 28.23 Control de potencia activa, 811

27.7 Corrección del factor de potencia, 779 28.24 Ejemplo de un sistema de transmisión

27.8 Medición de la energía eléctrica, HVDC Light, 812

el medidor de watts-hora, 782 Preguntas y problemas, 814

27.9 Operación del medidor de watt-horas, 783 CONTROLADORES DE TRANSMISIÓN Y 27.10 Lectura del medidor, 784 29

27.11 Medición de energía y potencia DISTRIBUCIÓN DE ESTADO SÓLIDO, 816

trifásicas, 785 29.0 Introducción, 816

Preguntas y problemas, 785 Controladores de flujo de potencia para transmisión

28 TRANSMISIÓN DE CORRIENTE 29.1 Capacitor en serie controlado por tiristor

DIRECTA, 788 (TCSC), 817 29.2 Control vernier, 819

28.0 Introducción, 788 29.3 Compensador síncrono estático, 821 28.l Características de la transmisión 29.4 Eliminación de los armónicos, 824

de cd, 788 29.5 Controlador de flujo de potencia unificado 28.2 Sistema de transmisión de cd básico, 789 (UPFC), 824 28.3 Relaciones de voltaje, corriente y 29.6 Cambiador de frecuencia estático, 828

potencia, 790 Productos de potencia para su 28.4 Fluctuaciones de potencia en una línea distribución a los consumidores

de cd, 793 29.7 Perturbaciones en sistemas de 28.5 Características típicas de rectificador distribución, 830

e inversor, 794 29.8 ¿Por qué convertidores PWM?, 832 28.6 Control de potencia, 795 29.9 Sistema de distribución, 833 28.7 Efecto de las fluctuaciones de voltaje, 796 29.10 Compensadores y análisis de 28.8 Línea de transmisión bipolar, 796 circuitos, 835 28.9 Inversión de potencia, 797 29.11 El compensador en derivación: principio 28.10 Componentes de una línea de transmisión de operación, 835

de cd, 797 29.12 El compensador en serie: principio de 28.11 Inductores y filtros de armónicos del lado operación, 841

de cd (convertidor de 6 pulsos), 798 29.13 Conclusión, 844 28.12 Transformadores convertidores, 798 Preguntas y problemas, 845 28.13 Fuente de potencia reactiva, 799 28.14 Filtros de armónicos en el lado de ca, 799 30 ARMÓNICOS, 847 28.15 Enlace de comunicaciones, 799 30.0 Introducción, 847 28.16 Electrodo de tierra, 799 30.1 Armónicos y diagramas fasoriales, 847 28.17 Ejemplo de una estación de convertidor 30.2 Valor eficaz de una onda

monopolar, 799 distorsionada, 848 28.18 Estación de convertidor tiristor, 800 30.3 Factor de cresta y distorsión armónica total 28.19 Instalaciones típicas, 802 (THD), 849

30.4 30.5

30.6 30.7 30.8 30.9

30.10

Armónicos y circuitos, 850 Factor de potencia de desplazamiento y factor de potencia total, 852 Cargas no lineales, 852 Generación de armónicos, 853 Corrección del factor de potencia, 855 Generación de potencia reactiva, 856 Efecto de los armónicos Corriente armónica en un capacitor, 857

30.11 Corrientes armónicas en un conductor, 858

30.12 Voltaje distorsionado y flujo en una bobina, 858

30.13 Corrientes armónicas en un sistema de distribución trifásico de 4 hilos, 860

30.14 Armónicos y resonancia, 861 30.15 Filtros para armónicos, 866 30.16 Armónicos en la red de suministro, 867 30.17 Transformadores y el factor K, 869

Análisis armónico 30.18 Procedimiento para analizar una onda

periódica, 871 Preguntas y problemas, 875

31 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES, 879

31.0 31.l 31.2 31.3 31.4

31.5 31.6 31.7 31.8

Introducción, 879 Capacidad de PLCs industriales, 879 Elementos de un sistema de control, 880 Ejemplos del uso de un PLC, 883 Unidad central de procesamiento (CPU), 886 Unidad de programación, 886 Módulos de E/S, 887 Estructura de los módulos de entrada, 887 Estructura de los módulos de salida, 888

31.9 31.10 31.11

31.12 31.13 31.14 31.15

CONTENIDO xxiii

Construcción modular de los PLCs, 889 Entradas y salidas remotas, 889 Circuitos de control convencional y circuitos de PLC, 892 Regla de seguridad, 895 Programación del PLC, 895 Lenguajes de programación, 895 Ventajas de los PLCs sobre los gabinetes de relevadores, 896 Moderni:zación de una industria

31.16 Aplicación industrial de los PLCs, 898 31.17 Planificación del cambio, 898 31.18 Conocimiento de los PLCs, 899 31.19 EnlacedelosPLCs, 901 31.20 Programación de los PLCs, 901 31.21 La empresa transparente, 903 Preguntas y problemas, 904

Referencias, 907

Apéndices, 913

Tablas de conversión, 913

Propiedades de materiales aislantes, 917

Propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de algunos conductores (y aisladores) comunes, 918

Propiedades de conductores de cobre redondos, 919

Respuestas a problemas, 921

Respuestas a problemas de aplicación industrial, 925

Índice, 927