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CONTENIDO
Prefacio
XXI
Capítulo 1 Introducción a los principios de las máquinas
1.1
1.2
Las máquinas eléctricas,
los transformadores
y la vida diaria
Nota referente a las unidades y notación
Notación
1.3 Movimientorotatorio,ley de Newtony relacionesde potencia
1.4
~
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Posición angular (8)
Velocidadangular (w)
Aceleración angular (a)
Par(r)
Ley de rotación de Newton
Trabajo (W)
Potencia (P)
El campomagnético
Producción de un campo magnético
Circuitos magnéticos
Comportamiento magnético de los materialesferromagnéticos
Pérdidas de energía en un núcleo ferromagnético
Ley de Faraday: voltaje inducido por un campo magnético variable
Producción de fuerza inducida en un alambre
Voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético
Ejemplo sencillo de una máquina lineal de corriente directa
Arranque de la máquina lineal de corriente directa
La máquina lineal de corriente directa como motor
La máquina lineal de corriente directa como generador
Problemas con el arranque en la máquina de corriente directa lineal
Potencias real, reactiva y aparente en los circuitos de corriente alterna
Formas alternativas de las ecuaciones de potencia
Potencia compleja
1
1
2
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3
3
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34
36
37
39
41
42
47
50
50
xi
xii
CONTENIDO
1.10
Capítulo
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
Las relaciones entre el ángulo de impedancia, el ángulo de la corriente
y la potencia
El triángulo de potencia
Resumen
51
51
53
Preguntas
Problemas
Bibliografía
54
55
64
Transformadores
65
Por qué son importantes los transformadores en la vida moderna
Tipos y construcción de transformadores
El transformador ideal
66
66
68
70
71
72
76
78
80
84
86
86
89
Potencia en el transformador ideal
Transformación de impedancia a través de un transformador
Análisis de circuitos que contienen transformadores ideales
Teoría de operación de los transformadores monofásicos reales
Relación de voltaje en el transformador
Corriente de magnetización en un transformador real
Relación de corriente en un transformador y la convención de puntos
El circuito equivalente de un transformador
Circuito equivalente exacto de un transformador real
Circuitos equivalentes aproximados de un transformador
Determinación de los valores de los componentes
en el modelo de transformador
Sistema de medidas por unidad
Regulación de voltaje y eficiencia en un transformador
Diagrama fasorial del transformador
Eficiencia del transformador
Tomas (taps) y regulación de voltaje en los transformadores
El autotransformador
Relaciones entre el voltaje y la corriente en un autotransformador
La ventaja del valor nominal de la potencia aparente de los autotransformadores
La impedancia interna de un autotransformador
Transformadores trifásicos
Conexiones de transformadores trifásicos
El sistema por unidad para los transformadores trifásicos
Transformación trifásica utilizando dos transformadores
La conexión 11abierta (o V-V)
La conexión ye abierta-delta abierta
La conexión Scott-T
La conexión T trifásica
Valores nominales y problemas relacionados con los transformadores
Valoresnominales de voltaje yfrecuencia de un transformador
El valor nominal de la potencia aparente de un transformador
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134
134
138
1
1
3
~
5
~
5
CONTENIDO
r
2.13
2.14
El problema de la corriente de irrupción
Placa de características del transformador
Transformadores para instrumentos
Resumen
Preguntas
Problemas
Bibliografía
Capítulo 3 Introducción a la electrónica de potencia
3.1 Componentes de electrónica de potencia
El diodo
El tiristor de dos hilos o diodo PNPN
El tiristor de tres hilos o SCR
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
El tiristor de interrupción por puerta
El DIAC
El TRIAC
El transistor de potencia
El transistor bipolar de puerta aislada
Comparación de potencia y velocidad de los componentes
de potencia electrónica
Circuitos rectificadores básicos
El rectificador de media onda
El rectificador de onda completa
El rectificador trifásico de media onda
El rectificador trifásico de onda completa
Filtrado de la salida del rectificador
Circuitos de pulso
Oscilador de relajación con un diodo PNPN
Sincronización de pulsos
Variaciones de voltaje mediante control de fase de ca
Control defase de ca para una carga de cd alimentada por unafuente
de ca
Control de ángulo defase de ca para una carga de ca
El efecto de las cargas inductivas en el control de ángulo defase
Control de potencia de cd a cd: recortadores
Conmutaciónforzada en los circuitos recortadores
Circuitos de conmutación con capacitor en serie
Circuitos de conmutación con capacitor en paralelo
Inversores
El rectificador
Inversores de conmutación externa
Inversores de autoconmutación
Inversor monofásico defuente de corriente
Inversor trifásico defuente de corriente
xiii
139
140
140
142
143
144
151
152
152
153
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158
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184
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188
189
191
193
193
194
195
195
197
xiv
CONTENIDO
3.7
3.8
3.9
Capítulo 4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
Inversor trifásico defuente de voltaje
Inversor de modulación de ancho de pulso
Cicloconvertidores
Conceptos básicos
Cicloconvertidor de corriente no circulante
Cicloconvertídor.de corriente circulante
Problemas de armónicas
Resumen
199
202
209
209
214
215
218
221
Preguntas
Problemas
Bibliografía
223
223
229
Principios básicos de las máquinas
de corriente alterna (ca)
230
Espira sencilla en un campo magnético uniforme
Voltajeinducido en una espira rotativa sencilla
Par inducido en una espira que porta corriente
Campo magnético giratorio
Demostración del concepto de campo magnético giratorio
Relación entre lafrecuencia eléctrica y la velocidad
de rotación del campo magnético
Inversión de la dirección de rotación del campo magnético
Fuerza magnetomotriz y distribución de flujo en máquinas de ca
Voltaje inducido en máquinas de ca
Voltaje inducido en la bobina de un estator bipolar
Voltaje inducido en un grupo de bobinas trifásico
Voltaje rms en un estator trifásico
Par inducido en una máquina de ca
Aislamiento del devanado en una máquina de ca
Flujo de potencia y pérdidas en máquinas de ca
Pérdidas en máquinas de ca
Diagrama deflujo de potencia
Regulación de voltaje y regulación de velocidad
Resumen
230
231
234
238
241
Preguntas
Problemas
265
265
266
Bibliografía
Capítulo 5 Generadores síncronos
5.1 Construcción de generadores síncronos
5.2 La velocidad de rotación de un generador síncrono
5.3
El voltaje interno generado por u~ generador síncrono
5.4 Circuito equivalente de un generaciorsíncrono
242
244
246
250
250
253
254
255
258
261
261
262
262
264
267
267
272
273
274
L
,..--
CONTENIDO
5.5
~
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
Diagrama fasorial de un generador síncrono
Potencia y par en los generadores síncronos
Medición de los parámetros del modelo de generador síncrono
Relación de cortocircuito
Generador síncrono que opera solo
Efecto de los cambios en la carga en un generador síncrono que opera solo
Ejemplos
Operación en paralelo de generadores de ca
Las condiciones requeridaspara operar en paralelo
Procedimiento general para conectar generadores en paralelo
Características de frecuencia-potencia y de voltaje-potencia reactiva
en un generador síncrono
Operación de generadores en paralelo con grandes sistemas de potencia
Operación de generadores en paralelo con otros generadores
del mismo tamaño
Transitorios (oscilaciones momentáneas) en los generadores síncronos
Estabilidad transitoria en los generadores síncronos
Transitorios en cortocircuito en generadores síncronos
Valores nominales en los generadores síncronos
Valoresnominales del voltaje, la velocidad y lafrecuencia
Valoresnominales de la potencia aparente y del factor de potencia
Curvas de capacidad de los generadores síncronos
Operación de corta duración y factor de servicio
Resumen
Preguntas
Problemas
Bibliografía
Capítulo 6 ~otoressíncronos
6.1
6.2
6.3
Principios básicos de la operación de los motores
Circuito equivalente de un motor síncrono
Motores síncronos desde la perspectiva del campo magnético
Operación de motor síncrono en estado estacionario
Curva característica par-velocidad de los motores síncronos
Efecto de los cambios de carga en los motores síncronos
Efecto de cambios en la corriente de campo en los motores síncronos
Los motores síncronos y la corrección del factor de potencia
Capacitor o condensador síncrono
Arranque de los motores síncronos
Arranque del motor por medio de la reducción de lafrecuencia eléctrica
Arranque del motor con un motor primario externo
Arranque del motor con devanados de amortiguamiento
Efecto de los devanados de amortiguación en la estabilidad
del motor
xv
279
280
283
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301
303
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326
326
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346
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350
351
355
360
363
364
366
367
367
371
l
xvi
CONTENIDO
6.4
6.5
6.6
Capítulo
7
7.1
7.2
Generadores síncronos y motores síncronos
Valores nominales en los motores síncronos
Resumen
371
372
373
Preguntas
Problemas
Bibliografía
374
374
379
Motores de inducción
380
Construcción de un motor de inducción
380
384
384
386
386
388
389
390
393
394
394
396
Conceptos básicos de los motores de inducción
Desarrollo del par inducido en un motor de inducción
Concepto de deslizamiento del rotar
Frecuencia eléctrica en el rotar
7.3 Circuito equivalente de un motor de inducción
Modelo de transformador de un motor de inducción
Modelo de circuito del rotar
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
Circuito equivalentefinal
Potencia y par en los motores de inducción
Pérdidas y diagrama de flujo de potencia
Potencia y par en un motor de inducción
Separación de las pérdidas en el cobre del rotar y la potencia convertida
en el circuito equivalente de un motor de inducción
Característica par-velocidad en los motores de inducción
Par inducido desde el punto de vistafísico
Deducción de la ecuación del par inducido en el motor de inducción
Comentarios sobre la curva par-velocidad del motor de inducción
Par máximo (par de desviación) en un motor de inducción
Variaciones en las características par-velocidad del motor de inducción
Control de las características del motor mediante el diseño
del rotar de jaula de ardilla
Diseños de rotores de barra profunda y de doblejaula
Clases de diseño de los motores de inducción
Tendencias en el diseño de motores de inducción
Arranque de los motores de inducción
Circuitos de arranque de los motores de inducción
Control de velocidad en los motores de inducción
Control de velocidad del motor de inducción mediante
el cambio de polos
Control de velocidad mediante el cambio en lafrecuencia de la línea
Control de velocidad mediante el cambio en el voltaje de línea
Control de velocidad mediante el cambio de la resistencia del rotar
Controladores de estado sólido para motores de inducción
Ajuste defrecuencia (velocidad)
Selección de patrones de voltaje y defrecuencia
398
401
401
405
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410
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CONTENIDO
371
372
373
374
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379
7.11
7.12
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8.1
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~26
~30
m
~34
8.5
8.6
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-36
-38
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43
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47
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Bibliografía
448
452
452
452
454
455
460
461
464
464
466
467
468
472
Fundamentos de máquinas
de corriente directa (cd)
473
Rampas de aceleración y desaceleración ajustables independientemente
Protección del motor
Detenninación de los parámetros del modelo del circuito
Prueba en vacío
Prueba de cd para determinar la resistencia del estator
Prueba de rotar bloqueado
El generador de inducción
Generador de inducción aislado
Aplicaciones de los generadores de inducción
Valores nominales de los motores de inducción
Resumen
Preguntas
Problemas
Capítulo 8
Espira giratoria sencilla entre caras polares curvas
El voltaje inducido en una espira giratoria
Obtención del voltaje de cd de una espira giratoria
El par inducido en la espira giratoria
Conmutación en una máquina de cd sencilla de cuatro espiras
Construcción del sistema de conmutación y del inducido en las máquinas
de cd
Bobinas del rotar
Conexiones a los segmentos del conmutador
Devanados imbricados
Devanado ondulado
Devanado de pata de rana
Problemas de conmutación en las máquinas reales
Reacción del inducido
VoltajesL di/dt
Soluciones a los problemas de conmutación
Ecuaciones de voltaje interno generado y par inducido en las máquinas
de cd reales
Construcción de las máquinas de cd
Construcción de los polos y de la estructura
Construcción del rotar o inducido
El conmutador y las escobillas
Aislamiento de los devanados
8.7
8.8
xvii
Flujo de potencia y pérdidas en las máquinas de cd
Pérdidas en las máquinas de cd
Diagrama deflujo de potencia
Resumen
473
475
478
480
485
490
490
492
493
497
501
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520
521
521
523
524
524
525
527
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xviii
CONTENIDO
Capítulo
9
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
9.10
9.11
9.12
9.13
Preguntas
Problemas
Bibliografía
527
527
530
Motores y generadores de corriente directa
533
Introducción a los motores de cd
Circuito equivalente en un motor de cd
Curva de magnetización de una máquina de cd
Motores de cd de excitación separada y en derivación
Característica de los terminales de un motor de cd en derivación
Análisis no lineal de un motor de cd en derivación
Control de velocidad en los motores de cd en derivación
Efecto de un circuito de campo abierto
Motor de cd de imán permanente
Motor de cd en serie
Par inducido en un motor de cd en serie
Característica de los terminales de un motor de cd en serie
Control de velocidad en los motores de cd en serie
Motor de cd compuesto
Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto acumulativo
Característica par-velocidad de un motor de cd compuesto diferencial
Análisis no lineal en motores de cd compuestos
Control de velocidad en un motor de cd compuesto acumulativo
Arrancadores para motores de cd
Problemas en el arranque de motores de cd
Circuitos de arranque de los motores de cd
El sistema Ward-Leonard y los controladores de velocidad en estado sólido
Sección del circuito de protección
Sección del circuito de arranque y paro
Sección de electrónica de alta potencia
Sección de electrónica de baja potencia
Cálculo de la eficiencia de un motor de cd
Introducción ,a los generadores de cd
Generador de excitación separada
Característica en los terminales de un generador de cd
de excitación separada
Control del voltaje en los terminales
Análisis no lineal de un generador de cd de excitación separada
Generador de cd en derivación
Incremento de voltaje en un generador en derivación
Característica de los terminales de un generador de cd
en derivación
533
535
536
538
539
543
547
558
559
562
562
563
567
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569
570
571
573
573
573
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582
589
589
590
590
592
594
596
Control de voltaje en un generador de cd en derivación
Análisis de los generadores de cd en derivación
596
597
598
602
603
605
606
606
L
r
CONTENIDO
9.14
Gel).erador de cd en serie
9.15
Característica de los terminales de un generado~ en serie
Generador de cd compuesto acumulativo
Característica de los terminales de un generador de cd
compuesto acumulativo
9.16
Control de voltaje en los generadores de cd compuestos acumulativos
Análisis de generadores de cd compuestos acumulativos
Generador de cd compuesto diferencial
9.17
Característica de los terminales de un generador de cd compuesto diferencial
Control de voltaje en los generadores de cd compuestos diferenciales
Análisis gráfico de un generador de cd compuesto diferencial
Resumen
Preguntas
Problemas
Bibliografía
Capítulo 10 Motores monofásicos y de uso especial
10.1 El motor universal
Aplicaciones de los motores universales
Control de velocidad en los motores universales
10.2 Introducción a los motores de inducción monofásicos
Teoría del doble campo giratorio de los motores
de inducción monofásicos
Teoría de campo cruzado de los motores de inducción monofásicos
10.3 Arranque de los motores de inducción monofásicos
Devanados de fase partida
Motores de arranque por capacitor
Motores de capacitor permanente dividido y motores
de capacitor de arranque-capacitor de marcha
Motores de polos sombreados
Comparación entre los motores de inducción monofásicos
10.4 Control de velocidad de un motor de inducción monofásico
10.5 Circuito modelo de un motor de inducción monofásico
Análisis del circuito con un circuito equivalente
de un motor de inducción monofásico
10.6 Otros tipos de motores
Motores de reluctancia
Motores de histéresis
10.7
Motores de avance paso a paso (motores a pasos)
Motores de cd sin escobillas
Resumen
Preguntas
Problemas
Bibliografía
xix
608
609
.611
612
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646
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665
665
666
670
674
677
678
679
680
xx
CONTENIDO
Apéndice A Circuitos trifásicos
A.I Generación de voltajes y corrientes trifásicas
A.2 Voltajes y corrientes en un circuito trifásico
A.3
A.4
A.S
A.6
Voltajesy corrientes en la conexión en ye (Y)
Voltajesy corrientes en la conexión en delta (,1)
Relaciones de potencia en los circuitos trifásicos
Ecuaciones de potencia trifásica que involucran cantidades defase
Ecuaciones de potencia trifásica que involucran cantidades de línea
Análisis de un sistema trifásico balanceado
Diagrarnas de una línea
Utilización del triángulo de potencia
Preguntas
Problemas
Bibliografía
Apéndice B Paso de bobina y devanados distribuidos
B.I Efecto del paso de bobina en las máquinas de ca
B.3
Apéndice C
C.I
C.2
Apéndice D
Índice
681
685
685
688
690
691
692
693
'700
701
703
704
706
707
Preguntas
Problemas
Bibliografía
707
708
709
712
716
718
721
722
724
725
725
726
Teoría de polos salientes de las máquinas síncronas
727
Desarrollo del circuito equivalente de un generador síncrono
con polos salientes
Ecuaciones de par y de potencia para las máquinas con polos salientes
Problemas
728
734
735
Tablas de constantes y factores de conversión
737
Paso de una bobina
B.2
681
El voltaje inducido de una bobina de paso fraccionado
Problemas con los armónicos y los devanados de paso fraccionado
Devanados distribuidos en las máquinas de ca
Factor de amplitud o de distribución
Voltajegenerado que incluye los efectos de distribución
Armónicos de diente o de ranura
Resumen
739
.