juan Carlos Martin Castillo Profesor de lnstalaciones Electrotecnicas
Electrotecnia
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© Jesus Gomez Colorado. Juan Carlos Martin Castillo.
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El modulo «ELECTROTECNIA» es transversal dentro del Cicio Formativo de Grado Me­ dio «Equipos e lnstalaciones Electrotecnicas». Tambien se encuentra incorporado en el currfculo de los Ciclos Formativos «lnstalacion y Mantenimiento Electromecanico y Conducci6n de Uneas», «Montaje y Mantenimiento de lnstalaciones de Frfo, Climatiza­ ci6n y Produccion de Calor» y «Mantenimiento Ferroviario».
Acorde con Ia legislac ion reguladora, Ia finalidad del modulo es sentar las bases teo­ rico-practicas para Ia comprension de los fen6menos y leyes que rigen el funcionamien­ to de los dispositivos electricos y electr6nicos.
Te presentamos este libro de texto que pretende, tanto en Ia parte de conocimientos como en Ia de actividades practicas, serv irte de base en el inicio de estudios tecnicos en el campo de Ia electricidad.
Las diez unidades didacticas se agrupan en cuatro bloques tematicos . El primero trata de los fundamentos basicos de Electrotecnia, es decir, las definiciones e interrela­ ciones sobre los fen6menos electricos fundamentales. El segundo trabaja el analisis de los ci rcui tos electricos, con el conjunto de metodos que permiten predecir su fun ciona­ miento. El tercero aborda el tema de las maquinas electricas, desde el punto de vista de sus principios de funcionamiento y sus ensayos y caracterfsticas basicas. El cuarto, en fin, pretende conseguir una formacion basica sobre los componentes y circu itos electro­ nicos con los que el electricista tiene una relacion mas directa.
Cada unidad didactica esta concebida como Unidad de Trabajo, es decir, se trata de obtener las capac idades buscadas a partir de actividades. Se han organizado de Ia siguiente manera:
AI principio de cada unidad didactica encuentras una introducci6n y un mapa con­ ceptual que, junto con el esquema de contenidos, te daran una idea de los principales aspectos y conceptos objeto de estudio. Asimismo Ia presencia de una serie de activida­ des iniciales sencillas pretenden introducirte en el tema, desarrollando elementos base que se van a neces itar en el.
Los contenidos te6ricos de Ia materia se desarrollan en apartados y subapartados apoyados con gran numero de figuras y esquemas, con Ia simbologfa y normativa actual. Muchas de estas figuras son verdaderas demostraciones graficas de puntos clave del texto. Estos contenidos deben analizarse como un elemento de trabajo mas.
Las actividades desarrolladas incluidas en los contenidos teoricos tienen como fina­ lidad Ia adquisicion de procedimientos de trabajo. Es decir, intentan conseguir que sepas como hacer las cosas.
Cada unidad didactica incluye actividades de ensenanza-aprendizaje, que te facili­ tan Ia aplicacion de los conocimientos adquiridos a casos practicos, y te serviran como prueba de autoevaluaci6n. Muchos de ellos deben desarrollarse en laboratorio, con lo que adquiriras de forma adecuada las capacidades previstas en el modulo.
Los autores.
Unidad didactica 1: Principios de. Electricidad .. . . . ... . 8
1 . Carga electricas. Portadores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. Aislantes, conductores y semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. Circulaci6n de cargas: corriente electrica . . . . . .. . .. . . . . ..... . ... .. ... . .. .
4. Mantenimiento de Ia corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Comportamiento de un aislante . ..... . ............... .. ............. .
6. Semiconductores extrinsecos . . ... . .. . ........ . ... . . ....... . .. . ..... .
Unidad didactica 2 : Principios de electromagnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1. Campo magnetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2. Campo magnetico de una corriente electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3. Circuitos magneticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4 . Fuerzas magneticas sabre corrientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5. Fuerzas electromotrices inducidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 6. Fuerzas electromotices autoinducidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Unidad didactica 3: El circuito electrico: magnitudes y medida . . . . . . . . . . 88
1. Circuito electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2. Evoluci6n de tensiones y corrientes con el tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3. Funciones sinusoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
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4. Oposici6n a Ia corriente en un circuito electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5 . Medida de magnitudes electricas basicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6. Medici6n de valores instantaneos. El osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
BLOQUE TEMATICO 11~ Circuitos electricos
Unidad didactica 4: Analisis de circuitos electricos 134
1. El circuito RLC serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2. Simplificaci6n de circuitos serie y paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 7 3. Leyes de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4 . Metoda de las mallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5. Metodos auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Unidad didactica 5: Sistemas trifasicos. Potencia y energia . . . . . . . . . . . . . 180
1. Sistemas trifasicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 2. Potencia de un receptor electrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 3. Medida de potencia y energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
BLOQUE TEMATICO III: Maquinas electricas
Unidad didactica 6: Transformadores y convertidores estaticos
1. Transformaci6n de Ia energia electrica ................................ .
2. Fundamento del transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Unidad didactica 7: Maquinas rotativas de corriente continua . .......... 272
1. Transformaciones electromecimicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 2. Aspectos constructivos de las maquinas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5 3. Fundamentos de Ia maquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 4. Disposici6n constructiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 5. Magnitudes fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 6. Reacci6n de inducido y conmutaci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 7. Funcionamiento como generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 8. Funcionamiento como motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Unidad didactica 8: Maquinas rotativas sincronas ...... ... ........... 314
1 . Fundamento del alternador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 2. Disposici6n constructiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 3. Funcionamiento como alternador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 4. Acoplamiento en paralelo de alternadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 5. Funcionamiento de Ia maquina sincrona como motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Unidad didactica 9: Maquinas asincronas .... ........ ....... ........ 350
1. Dis posicion constructiva de Ia maquina asincrona trifasica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 52 2. Principia de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 3. Caracteristicas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 4. Diagrama de drculo simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 5. Influencias exteriores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 6. Sistemas de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 7. Sistemas de frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 3 8. Motores monofasicos de inducci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4 9. Motores de co lector 376
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Unidad didactica 10: Componentes y circuitos electronicos 3 80
1. El transistor bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 2 . Multivibradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 3. Fuentes de alimentaci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 4. El amplificador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 5 . Circuito integrado 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 6. Optoelectr6nica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
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Principios de Electricidad
Bloque tematico I
La electricidad es una propiedad natural de Ia materia, que, ade­ cuadamente aprovechada, permite transformar, transportar y util izar Ia energfa. Es causa de fenomenos naturales, como el rayo. Su nombre proviene del utilizado en griego para designar el ambar. En este material natural (resina fosil) fueron observa­ dos en Ia antiguedad efectos de…