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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN SUPERIOR

PROGRAMA SINTÉTICO CARRERA: Ingeniería Eléctrica ASIGNATURA: Diseño II: Máquinas Rotativas SEMESTRE: Noveno OBJETIVO GENERAL: El alumno diseñará máquinas rotativas y calculará los parámetros de funcionamiento, a fin de obtener motores de inducción, turbogeneradores e hidrogeneradores en óptimas condiciones y que cumplan con todos los requerimientos técnicos. Describirá el calentamiento y enfriamiento de las máquinas eléctricas rotativas. CONTENIDO SINTÉTICO: I. Introducción al Diseño de Máquinas Eléctricas Rotativas. II. Calentamiento y Enfriamiento de Máquinas Eléctricas Rotativas. III. Diseño del Motor de Inducción. IV. Diseño de Turbogeneradores. V. Diseño Hidrogeneradores. VI. Optimización. METODOLOGÍA: Desarrollo de proyectos de diseño de máquinas rotativas, bajo la supervisión y la guía del profesor. Exposición teórica por el profesor en cada clase, utilización de acetatos, discos de información, películas documentadas. Consulta bibliográfica de los temas propuestos y discusión de temas consultados. Realización de tareas y trabajos extraclase y prácticas en el laboratorio con distintas máquinas eléctricas y visita a plantas industriales. EVALUACIÓN Y ACREDITACIÓN: Tres exámenes departamentales, los cuales serán evaluados de 0 a 60% de la evaluación total, también se tomarán en cuenta los trabajos, tareas y proyectos de diseño asignados 20% de las calificaciones parciales. Para la evaluación del curso deberá aprobar tanto la parte teórica como la parte práctica (laboratorio). Las prácticas en el laboratorio 20 %. La calificación mínima aprobatoria es de 6.0. BIBLIOGRAFÍA: Cyril G. Veinott, Theory and Design of Small Induction Motors, Editorial McGraw-Hill, primera edición, Florida USA, 1959. 691 pp. Essam S. Hamdi. Design of Small Electrical Machines. Editorial Wiley, primera edición, England 1994. capítulos I y II. 856 pp, 974 pp. G. C. Jain, Design, Operation and Testing of Synchronous Machines, Editorial Asia Publishing House, primera edición, USA 1966. 820 pp. M. Ramamoorty Computer-Aided Design of Electrical Equipment, Editorial Ellis Horwood Limited, primera edición, Great Britain., 1988. 320 pp. Walker J. H., Large Synchronous Machines: Design, Manufacture and Operation, Editorial Oxford University Press, primera edición, USA 1981. 315 pp.



ESCUELA: Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - Zacatenco CARRERA: Ingeniero Electricista OPCIÓN: Diseño COORDINACIÓN: Academia Diseño de Máquinas DEPARTAMENTO: Académico de Ingeniería Eléctrica.

ASIGNATURA: Diseño de Máquinas Rotatorias SEMESTRE: Noveno CLAVE: CRÉDITOS: 9.0 VIGENTE: 2006 TIPO DE ASIGNATURA: Teórico-Práctica / optativa III MODALIDAD: Escolarizada

TIEMPOS ASIGNADOS

Horas/Semana/Teoría: 3.0 Horas/Semana/Práctica: 3.0 Horas/Semestre/Teoría: 54.0 Horas/Semestre/Práctica: 54.0 Horas/Totales: 108 Horas.

PROGRAMA ELABORADO O ACTUALIZADO POR: Academia de Diseño de Máquinas REVISADO POR: Subdirección académica APROBADO POR: Consejo Técnico Consultivo Escolar M. en C. Jesús Reyes García

AUTORIZADO POR: Comisión de Planes y Programas de Estudio del Consejo General Consultivo del IPN.



ASIGNATURA: Diseño II de Máquinas Rotatórias CLAVE: HOJA: 2 DE 11

FUNDAMENTACION DE LA ASIGNATURA

La actividad del diseño de máquinas eléctricas rotativas es de suma importancia en el desarrollo profesional del egresado, ya que, en la actualidad en nuestro país es sumamente común. Existen industrias que las manufacturan, las cuales requieren de ajustes en los diseños con los que ya cuentan. Gracias a esta asignatura el Ingeniero Electricista deberá proponer soluciones rápidas a costos mínimos. Existen casos donde tal vez no importe en gran medida tener un costo mínimo, sino que se tiene el interés en alguna característica técnica en específico, como es el caso de motores para aviones, máquinas en centrales generadoras, donde el peso que se requiere es el apropiado. Los métodos de diseño y optimización se combinan para lograrlo. Esta asignatura tiene como antecedentes Cálculo Diferencial e Integral, Fundamentos de Álgebra, Física Clásica, Cálculo Vectorial, Ecuaciones Diferenciales, Electricidad y Magnetismo, Variable Compleja y Transformada de Fourier, Probabilidad y Estadística, Ingeniería Mecánica I y II, Métodos Numéricos, Física Moderna, Análisis de Circuitos Eléctricos I, Conversión de la Energía I, Ciencia y Tecnología de Materiales Eléctricos y tiene como consecuentes Análisis de Circuitos Eléctricos III, Conversión de la Energía II y III, Equipo Eléctrico, Elementos del Control Eléctrico, Teoría General de Sistemas, Mediciones Eléctricas, Fuentes de Generación, Teoría del Control, Accionamiento y Controles Eléctricos, Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia, Líneas y Subestaciones Eléctricas, Protección de Sistemas Eléctricos I.

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA

El alumno diseñará máquinas rotativas y calculará los parámetros de funcionamiento, a fin de obtener motores de inducción, turbogeneradores e hidrogeneradores en óptimas condiciones y que cumplan con todos los requerimientos técnicos. Describirá el calentamiento y enfriamiento de las máquinas eléctricas rotativas.




No. UNIDAD : I NOMBRE: Introducción al Diseño de Máquinas Eléctricas Rotativas

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno explicará el concepto de diseño, así como los factores y limitantes que se debe tomar en cuenta al desarrollar un diseño eléctrico acorde a la tecnología disponible. Empleará las ecuaciones de salida, dimensiones principales y tendencias modernas, con el fin de buscar soluciones óptimas al diseño a realizar.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC

CLAVE BIBLIOGRÁFICA

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Definición de diseño

Factores que afectan el diseño

Ecuaciones de salida

Dimensiones principales

Tendencias modernas del diseño

Subtotal

0.5

1.0

1.0

1.0

0.5

4.0

0.5

1.0

1.0

1.0

0.5

4.0

1B y 7C.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Definición de diseño y las tendencias modernas. Presentación de los temas desarrollados en clase con la guía del profesor. Propuesta del diseño eléctrico a realizar. Ejemplos expuestos por el profesor y ejercicios desarrollados por los alumnos en clase y extraclase. El profesor realizará una serie de exposiciones haciendo uso de diversos medios audiovisuales a fin de ilustrar los programas a utilizar. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN El primer examen departamental abarcará las unidades I y II corresponde al 60 % Ejercicios realizados en clase y extraclase, así como la participación en actividades individuales y de equipo, propuesta de un proyecto de diseño, corresponderán al 20% de la calificación total. Realización de prácticas de la unidad II corresponderá el 20 %.




No. UNIDAD II NOMBRE: Calentamiento y Enfriamiento de Máquinas Eléctricas Rotativas

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD

El alumno explicará los fenómenos de generación y transferencia de calor en una máquina rotativa, calculará las pérdidas eléctricas, magnéticas y mecánicas de estas máquinas, así mismo explicará el sistema de sellado y enfriamiento de las mismas.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC


2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

Eficiencia.

Pérdidas mecánicas.

Pérdidas eléctricas.

Pérdidas magnéticas.

Modos de transferencia de calor.

Transferencia de calor en el entrehierro y superficie de

la máquina.

Elevación de temperatura.

Sistemas de sellado y enfriamiento de máquinas

eléctricas.

Mediciones de temperatura.

Subtotal

0.5

0.5

0.5

0.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

9.5

10.0

12.0

22.0

0.5

0.5

0.5

0.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

9.5

1B, 9C y 2B.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Análisis por parte del alumno de los modos de transferencia de calor cuando se tienen distintas pérdidas en la máquina eléctrica. Conceptos expuestos por el profesor y ejercicios desarrollados por el alumno. Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas. Realización de ejercicios extraclase. Avance del proyecto propuesto. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN El primer examen departamental abarcará las unidades I y II que corresponde al 60 %. Ejercicios realizados en clase y extraclase, así como la participación en actividades individuales y de equipo, avance del diseño, corresponderán al 20% de la calificación total. Realización de práctica corresponde el 20 %.




No. UNIDAD III NOMBRE: Diseño del Motor de Inducción

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno diseñará las dimensiones físicas principales del motor de inducción y calculará los parámetros fundamentales de funcionamiento. Diseñará los diferentes tipos de devanados en las máquinas eléctricas rotativas.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC


3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

Detalles de construcción del motor de inducción.

Carga eléctrica específica y densidad de flujo en el

entrehierro.

Número de polos, longitud de entrehierro y

dimensiones principales.

Diseño del núcleo del estator.

Diseño del devanado del estator.

Diseño del rotor de jaula de ardilla.

Cálculo del circuito equivalente.

Subtotal

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

10.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

10.5

1B, 4B y 2B.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Desarrollo de habilidades de análisis y diseño de los devanados de un motor de inducción por parte del alumno mediante el aprendizaje de conceptos, fórmulas y ejercicios. Ejemplos expuestos por el profesor y ejercicios desarrollados por el alumno para diseñar los devanados de un motor de inducción. Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas. Tareas y trabajos extraclase. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Ejercicios realizados en clase y extraclase, así como la participación en actividades individuales y de equipo corresponde el 20% de la calificación total incluyendo avance del proyecto. El segundo examen departamental abarcará las unidades III y IV que corresponde al 60% Realización de prácticas 20%.




No. UNIDAD IV NOMBRE: Diseño de Turbogeneradores

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno diseñará las dimensiones físicas principales de un turbogenerador y calculará los parámetros fundamentales de funcionamiento.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC


4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Dimensiones principales y coeficiente de salida.

Devanados de armadura integrales y tipo barra.

Campo magnético polar y circuito magnético general.

Excitación en vacío y flujos polares dispersos.

Reacción de armadura y cálculos de reactancia.

Excitación en carga y diagrama fasorial.

Devanado de campo y efecto de amortiguamiento.

Subtotal

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

10.5

6.0

6.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

13.5

2B y 3B.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Análisis y cálculo por parte del alumno de reactancia y coeficientes de salida. Ejemplos expuestos por el profesor y ejercicios desarrollados por el alumno. Descripción de las dimensiones principales, devanados de armadura, devanado de campo, definición de la excitación en vació y en carga de los turbogeneradores. Visita industrial a una planta termoeléctrica. Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas y tareas extraclase. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Ejercicios realizados en clase y extra-clase, así como la participación en actividades individuales y de equipo, avance del proyecto, corresponde el 20% de la calificación total. El segundo examen departamental abarcará las unidades III y IV que corresponde al 60%. Realización de prácticas corresponde al 20%.




No. UNIDAD V NOMBRE: Diseño de Hidrogeneradores

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno diseñará las dimensiones físicas principales de un hidrogenerador y calculará los parámetros fundamentales de funcionamiento.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC


5.1

5.2

5.3

5.4

5.5

5.6

5.7

Dimensiones principales y coeficiente de salida.

Devanados de armadura fraccionarios

Campo magnético polar y circuito magnético general.

Excitación en vacío y flujos de dispersión

Teoría de las dos reacciones y cálculos de reactancia.

Excitación en carga y diagrama fasorial.

Devanados del rotor.

Subtotal

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

10.5

6.0

6.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

13.5

2B y 5B.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Desarrollo de habilidades de análisis y diseño de un turbogenerador por parte del alumno. Ejemplos expuestos por el profesor y ejercicios desarrollados por el alumno para diseñar un turbogenerador. Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas. Tareas y trabajos extraclase. Visita industrial, a una planta hidroeléctrica. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Ejercicios realizados en clase y extra-clase, así como la participación en actividades individuales y de equipo, avance del proyecto, corresponde al 20% de la calificación total. El segundo examen departamental abarcará las unidades III y IV que corresponde el 60%. Realización de prácticas, 20%.




No. UNIDAD VI NOMBRE: Optimización

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD El alumno aplicará técnicas de optimización en el diseño de máquinas eléctricas rotativas desde el punto de vista técnico y económico. Así mismo desarrollará un programa para la aplicación de estas técnicas.

HORAS

No. TEMA

T E M A S

T P EC


6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

Aplicación de la computadora al diseño de máquinas.

Variables y restricciones.

Técnicas de optimización determinística.

Técnicas de optimización estocásticas.

Desarrollo de un programa para la optimización de un

motor de inducción.

Desarrollo de un programa para la optimización de un

alternador.

Subtotal

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

9.0

10.0

5.0

5.0

20.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

9.0

6B, 7C y 8C.

ESTRATEGIA DIDÁCTICA Participación en la búsqueda y desarrollo de rutinas de optimización aplicadas al diseño de motores de inducción por parte del alumno. Aplicación de la computadora para el diseño de maquinas y las técnicas de optimización Integración de equipos de trabajo para la realización de prácticas. Tareas y trabajos extraclase. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Ejercicios realizados en clase y extraclase, así como la participación en actividades individuales y de equipo, resultado final del proyecto, 20% de la calificación total. El tercer examen departamental abarcará las unidades V y VI, 60%. Realización de prácticas 20%.




RELACIÓN DE PRÁCTICAS

PRACT No.

NOMBRE DE LA PRÁCTICA UNIDAD DURACIÓN

LUGAR DE REALIZACIÓN

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Medición de eficiencia y pérdidas de un motor de inducción Prueba de temperatura de un motor de inducción. Medición de eficiencia y pérdidas de un generador síncrono. Prueba de temperatura de un generador síncrono. Visita a una planta termoeléctrica. Visita a una planta hidroeléctrica. Desarrollo de un programa de un programa de diseño de un motor de inducción. Desarrollo de un programa de un programa de diseño de un generador síncrono. Desarrollo de un programa de optimización para el diseño de un motor de inducción. Desarrollo de un programa de optimización para el diseño de un generador síncrono.

II II II II

IV

V

VI

VI

VI

VI

5.0

6.0

5.0

6.0

6.0

6.0

5.0

5.0

5.0

5.0

Las practicas 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9 y 10 se realizarán en

los Laboratorios de Pesados II.

Las practicas 5 y 6 se realizan en plantas

industriales.




PERÍODO

UNIDAD

PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 1º.

2º.

3º

I y II

III y IV

V y VI

El profesor realizará una evaluación de conocimientos al finalizar las unidades I y II, III y IV y V y VI, lo que implica realizar tres evaluaciones durante el semestre, el promedio de éstas representará el 60% de la calificación correspondiente a las evaluaciones más el 20% correspondiente a ejercicios realizados en clase y extra-clase, participación en actividades individuales y de equipo. La evaluación de las prácticas de laboratorio se hará promediando la calificación de las prácticas realizadas y reportadas, siendo necesario que el alumno cumpla con un mínimo del 80% de asistencias. La calificación final de esta asignatura será el promedio de las calificaciones obtenidas en la teoría y en la evaluación de prácticas y el proyecto de diseño con un mínimo del 20%

CLAVE B C BIBLIOGRAFÍA

1

2

3

X

X

X

Corrales Martín, Juan Cálculo Industrial de Máquinas Eléctricas. Tomo I y II, Editorial Marcombo, primera edición, Barcelona, 1982. 256 pp. Cyril G. Veinott, Theory and Design of Small Induction Motors, Editorial McGraw-Hill, primera edición, Florida, USA , 1959, 235 pp. Essam S. Hamdi. Design of Small Electrical Machines. Editorial Wiley, primera edición, England 1994. capítulos I y II. 856 pp, 974 pp.

4 X G. C. Jain, Design, Operation and Testing of Synchronous Machines, Editorial Asia Publishing House, primera edición. USA 1966. 350 pp.

5 X Garret N. Vanderplaats, Numerical Optimization Techniques for Engineering Design, Editorial McGraw-Hill, primera edición. USA, 1984. 130 pp.

6 X Jacek F. Gieras, Mitchell Wing, Permanet Magnet Motor Technology: Design and Application, Editorial Marcel Dekker Inc, primera edición, USA 1997. 422 pp.

7 X Yudiche Barbosa, David de Jesús Determinación Experimental de los Perfiles de Temperatura Utilizando un Motor de Inducción Trifásico de 5 HP, Tesis de Licenciatura, ESIME, IPN, 2002. 201 pp.

8 X M. Ramamoorty Computer-Aided Design of Electrical Equipment, Editorial Ellis Horwood Limited, primera edición. Great Britain. 1988. 320 pp.

9 X Walker J. H., Large Synchronous Machines: Design, Manufacture and Operation, Editorial Oxford University Press, primera edición, USA 1981. 315 pp.



PERFIL DOCENTE POR ASIGNATURA

1. DATOS GENERALES

ESCUELA: Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - Zacatenco

CARRERA: Ingeniería Eléctrica SEMESTRE Noveno

ÁREA: BÁSICAS C. INGENIERÍA D. INGENIERÍA C. SOC. y HUM.

ACADEMIA: Diseño de Máquinas ASIGNATURA: Diseño II de Máquinas Rotatórias

ESPECIALIDAD Y NIVEL ACADÉMICO REQUERIDO: Ingeniero Electricista con experiencia en Diseño de Máquinas Eléctricas

2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA: El alumno diseñará máquinas rotativas y calculará los parámetros de funcionamiento, a fin de obtener motores de inducción, turbogeneradores e hidrogeneradores en óptimas condiciones y que cumplan con todos los requerimientos técnicos. Describirá el calentamiento y enfriamiento de las máquinas eléctricas rotativas.

3. PERFIL DOCENTE:

CONOCIMIENTOS EXPERIENCIA

PROFESIONAL HABILIDADES ACTITUDES

Conocimientos amplios en la teoría electromagnética, en el diseño de máquinas eléctricas y en técnicas de optimización. Conceptos básicos de cálculo de varias variables y ecuaciones diferenciales.

En docencia y/o aplicaciones en Ingeniería Eléctrica.

Dominio del tema y habilidad para enseñar los conceptos básicos y aplicaciones del diseño de máquinas eléctricas.

Colaboración con profesores integrantes de la academia. Servir al instituto en la enseñanza y mostrar una actitud de tutor hacia los alumnos. Ser justo en las evaluaciones de los cursos atendidos como profesor. Utilizar los conocimientos adquiridos para el desarrollo tecnológico que requiere y demanda el país Responsabilidad y compromiso social.

ELABORÓ REVISÓ AUTORIZÓ

M. en C. Alfredo Reyes Rosario Ing. Guillermo Santillán G M. en C. Jesús Reyes García Presidente de Academia Subdirector Académico Director Esime-Zacatenco

FECHA: 2006

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