Manual de Asignatura de Electricidad y Electrónica Industrial

52 Pages·2011·0.78 MB·Spanish

Manual de Asignatura de Electricidad y Electrónica Industrial

INDICE
UNIDAD
SUBTEMAS
TEMÁTICA
1.- Electricidad 1.1 Introducción a la electricidad
Básica 1.2 Conceptos de Magnitudes Eléctricas
1.3 Circuito Eléctrico
1.4 Medición de Magnitudes Eléctricas
1.5 Conceptos básicos de las Leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz,
Faraday y Watts.
1.6 Aplicación de los conceptos básicos de Electricidad.
2.- Motores, 2.1 Motores de Corriente Directa y Alterna
transformadores y 2.2 Transformadores Monofásico y Trifásico
Aplicaciones 2.3 Reglamento de Obras e Instalaciones Eléctricas
(R.O.I.E.)
2.4 Elementos eléctricos de Control Industrial (Relevadores)
2.5 Aplicaciones
3.- Electrónica 3.1 Introducción a la electrónica industrial (Analógica y
Industrial Básica. Digital).
3.2 Elementos Básicos de electrónica analógica
3.2.1 Diodo
3.2.2 Diodo Emisor de Luz
3.2.3 Transistor
3.2.4 SCR
3.2.5 TRIAC
3.3 Elementos Básicos de Electrónica Digital
3.3.1 Compuertas Lógicas
3.3.2 Tablas de Verdad
3.3.3 Temporizadores
3.3.4 Contadores
3.3.5 Sumadores
3.4 Aplicación de los Conceptos Básicos de Electrónica
4.- Campo de 4.1 Sensores y Transductores Eléctricos
Aplicación de la 4.2 Dispositivos de Control Eléctrico y Electrónico
Electricidad y 4.3 Funcionamiento Básico del PLC
Electrónica
Industrial

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Manual de Asignatura de Electricidad y Electrónica Industrial

OBJETIVO GENERAL DEL CURSO

Comprender los elementos básicos de la electricidad y electrónica básica, como el
funcionamiento y aplicación de motores y transformadores así como su campo de aplicación en
la industria.

COMPETENCIAS PREVIAS

 Interpretación de diagramas eléctricos
 Conocimientos básicos de álgebra
 Principios básicos de electricidad

I ELECTRICIDAD BÁSICA

1.1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD

Las primeras noticias del descubrimiento de la electricidad se remontan al siglo VII a. C.
cuando Tales de Mileto (640-548 A. C.), descubrió que al frotar un trozo de ámbar (resina
fosilizada) con un paño, éste empezaba a atraer pequeñas partículas como hojas secas,
plumas e hilos de tejido. Tales de Mileto creyó que esto se producía debido a un "espíritu" que
se encontraba dentro del ámbar, al cual llamó elecktron y de ello se deriva la palabra
electricidad.

A pesar de estos primeros estudios, ni la civilización Griega en su apogeo, ni Roma en su
esplendor, ni el mundo feudal europeo contribuyeron de manera significativa a la comprensión
de la electricidad y del magnetismo, ni de la interactividad de ambos (llamado
electromagnetismo). Durante toda la edad media la ciencia cayó en una época oscura en la
cual las creencias religiosas "la amordazaron de pies y manos".

En los Estados Unidos, en 1752, aprovechando una tormenta, el científico Benjamín Franklin
elevó una cometa provista de una fina punta metálica y de un largo hilo de seda, a cuyo
extremo ató una llave. La punta metálica de la cometa consiguió captar la electricidad de la
atmósfera, la cual produjo varias chispas en la llave. Con este experimento Franklin llegó a
demostrar dos cosas: que la materia que compone el rayo es idéntica a la de la electricidad, y
que un conductor de forma aguda y de cierta longitud puede emplearse como descarga de
seguridad de las nubes tormentosas. Estas conclusiones le sirvieron para inventar el
pararrayos.

Volta investigó como producir electricidad por reacciones químicas y en el año 1800 inventó un
dispositivo conocido como la "Pila de Volta", que producía cargas eléctricas por una reacción
química originada en dos placas de zinc y cobre sumergidas en ácido sulfúrico. En honor a
Volta se denominó a la diferencia de potencial suficiente para producir una corriente eléctrica
como el "voltio". Siendo ésta, una de las magnitudes eléctricas más importantes. En la
siguiente sección se mencionan las magnitudes eléctricas faltantes.

1.2 CONCEPTOS DE MAGNITUDES ELÉCTRICAS

VOLTAJE

Si tenemos dos elementos conectados y uno de ellos tiene mayor carga negativa, decimos que
tiene mayor voltaje o potencial. Los electrones que tiene de más se desplazarán a través de un
conductor al elemento de menos potencial hasta que queden equilibrados. A la diferencia de
carga entre ambos potenciales se le conoce con el nombre de voltaje.
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En un circuito en serie, la diferencia de potencial o voltaje es igual a la suma de las diferencias
de potencial que crean todos los elementos del circuito. Esto es debido a que cada elemento
está colocado a continuación del otro.

Donde:
V es el voltaje total del circuito.
T
V es el voltaje del primer elemento
1
V es el voltaje del segundo elemento
2

En un circuito en paralelo, la diferencia de potencial o voltaje es igual en todas las ramas del
circuito. Todos los elementos están conectados directamente a los polos del generador, es
decir:

Los esquemas de circuitos en serie y en paralelo se muestran en la Figura 1 y 2
respectivamente.

INTENSIDAD DE CORRIENTE

La intensidad de corriente se define como la cantidad de carga “q” en culombios que pasa por
un conductor por unidad de tiempo “t” (en segundos).

En un circuito en serie, la intensidad de corriente es la misma en todo el circuito ya que
atraviesa todos los elementos.

Donde:
I es la intensidad de corriente total del circuito.
T
I es la intensidad de corriente del primer elemento
1
I es la intensidad de corriente del segundo elemento
2

En un circuito en paralelo, la intensidad total es igual a la suma de intensidades de cada una de
las ramas del circuito.

RESISTENCIA

La resistencia eléctrica es la mayor o menor capacidad que tiene un material para permitir el
paso de la corriente. Depende de su resistividad , su longitud L y de su grosor S.

La resistencia equivalente en un circuito en serie es igual a la suma algebraica de cada una de
las resistencias en serie del circuito.

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Donde:
R es la resistencia total del circuito.
T
R es la resistencia del primer elemento
1
R es la resistencia del segundo elemento
2

En un circuito en paralelo, el inverso de la resistencia equivalente es igual a la suma inversa
de cada una de las resistencias en paralelo del circuito.

1.3 CIRCUITO ELÉCTRICO

Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como
resistencias, inductores, capacitores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al
menos una trayectoria cerrada.

En un circuito en serie, una de las terminales de cada elemento se conecta con una de las
terminales de otro elemento de forma continua, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Circuito en serie de dos resistencias

En un circuito en paralelo, las terminales de un elemento se conectan en paralelo a las dos
terminales del siguiente elemento, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Circuito en paralelo de dos resistencias.

1.4 MEDICIÓN DE MAGNITUDES ELÉCTRICAS

Para medir el voltaje de un elemento en un circuito, el multímetro debe conectarse en
paralelo al elemento en el que se desea realizar la medición, como se muestra en la Figura 3.
Si el circuito es alimentado con una batería, la modalidad del multímetro debe estar en
Corriente Directa (V ) si, la alimentación es de corriente alterna, el multímetro debe estar en
cd
corriente Alterna (V ), también debe tenerse precaución en la selección del rango de medición.
ca

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Figura 3. Medición de voltaje en un elemento de un circuito.

La resistencia de un elemento de un circuito se mide en paralelo, al igual que el voltaje. Para
esta medición, se debe coloca la perilla del multímetro, en el símbolo  e indicar el rango de
medición de la resistencia, si es necesario.

En el caso de la medición de corriente, el multímetro debe colocarse en serie, es decir, el
circuito debe ser abierto y colocar una punta del multímetro en uno de los extremos donde se
abrió el circuito y la otra punta en el otro extremo, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Medición de corriente en un elemento de un circuito.

1.5 CONCEPTOS BÁSICOS DE LAS LEYES DE OHM, KIRCHHOFF, LENZ, FARADAY
Y WATTS

LEY DE OHM

La ley que relaciona las tres magnitudes eléctricas, es conocida como la Ley de Ohm y
establece que el voltaje es directamente proporcional al producto de la corriente por la
resistencia. Esto es:

Donde:
V es el voltaje del circuito o elemento de este.
I es la intensidad de corriente del circuito o elemento de este.
R es la resistencia del circuito o elemento de este.

Como se mencionó anteriormente, cuando se tiene un circuito en paralelo, el voltaje en cada
resistencia es exactamente el mismo. En cambio, la corriente es diferente para cada una de
las resistencias. Para obtener la corriente I que circula por el circuito, es necesario calcular la
resistencia equivalente R
eq

La resistencia equivalente de un circuito en paralelo, es menor que la resistencia de valor más
pequeño.

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Ejemplo 1.1
Para el circuito mostrado en la Figura 5, encontrar:
a) la corriente en cada resistor
b) la potencia en cada resistor,
c) la resistencia equivalente y
d) la potencia total entregada por la batería.

I1 I2 I3

Figura 5. Circuito de tres resistencias en paralelo

Solución
Las corrientes pueden calcularse despejándola de la ley de Ohm:

El cálculo de la resistencia equivalente es:

Por último, la potencia en cada resistencia, sabiendo que P=VI, se calcula de la siguiente
manera:

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Por último, la potencia total entregada es la suma de la potencia en cada resistor, es decir,
200w.

LEYES DE KIRCHHOF

Las leyes de Kirchhof se enuncian de acuerdo a las siguientes reglas:

1) La suma de las corrientes que entran en un nodo de un circuito es igual a la suma de
las corrientes que salen por el mismo nodo.

∑ ∑

Donde:
I son las corrientes de entrada en un nodo
ent
I l son las corrientes de salida de un nodo
sa

2) La suma de las diferencias de potencial a través de los elementos de un circuito de
lazo cerrado es igual a cero.

∑

Para la primera regla, la suma de corrientes que entran, son iguales a la suma de corrientes
que salen, se puede representar de acuerdo a la Figura 6.

I
2
I
1

I
3

Figura 6. La corriente que entra en un nodo de un circuito es igual a la suma de corrientes que salen de él.

El signo de la diferencia de potencial se define de acuerdo a los criterios de la Figura 7.

a b
a)

I

V=-IR

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a b
b)

I

V=IR


a b
c)

V=


a b
d)

V=-

Figura 7. Criterios para la determinación del signo de la diferencia de potencial, de acuerdo a: a) y b) flujo de corriente
y c) y d) posición de la batería.

Ejemplo 1.2

Encontrar la potencia entregada en cada una de las resistencias del diagrama de la Figura 8,
aplicando Leyes de Kirchhof.



I
R R
2 1



Figura 8. Diagrama esquemático de dos resistencias en serie con dos baterías.

Solución
Tomando en cuenta la segunda regla de Kirchhof ∑ , la ecuación con los valores
adecuados se expresa como:

Despejando I, tenemos:
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El signo negativo significa que se tomó la dirección opuesta de la corriente. Finalmente, la
potencia en cada resistencia es:

LEY DE LENZ- FARADAY

En torno 1830, Faraday en Inglaterra y J. Henry en U.S.A., descubrieron de forma
independiente, que un campo magnético induce una corriente en un conductor, siempre que el
campo magnético sea variable. La fuerza electromotriz inducida en un circuito, es directamente
proporcional a la rapidez con que varía el flujo magnético a través del circuito y sentido
contrario.

d

dt

Donde:
E es la fuerza electromotriz
es el flujo magnético y
t es el tiempo

LEY DE WATT
La potencia disipada por un elemento o componente eléctrica es directamente
proporcional al producto del voltaje por la corriente.

Donde:
V es el voltaje e
I es la corriente

La información de la primera unidad temática fue tomada de [1].

1.6 APLICACIÓN DELOS CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

Hoy en día, el hombre tiene una gran dependencia de la electricidad ya que su uso
favorece el funcionamiento de dispositivos electrónicos que facilitan y que forman parte de su
vida cotidiana. Entre las industrias de mayor aplicación encontramos: la industria papelera, la
industria harinera, la industria alimentaria, materiales eléctricos, plásticos y polímeros,
industrias textiles, telecomunicaciones, etc.

Es importante tener estos conocimientos ya que a nivel industrial tienen mucha aplicación.

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II MOTORES, TRANSFORMADORES Y APLICACIONES

Cuando una fuente eléctrica es conectada a un motor, decimos que éste convierte la
energía eléctrica en mecánica (ya que su eje gira).

Los motores pueden ser usados para posicionar un objeto en algún lugar deseado, también se
usan para la apertura y cierre de válvulas, para la variación de la velocidad de una bomba para
ajustar la razón de flujo de algún líquido, y para la variación de velocidad de un ventilador para
ajustar el flujo de aire. Solo por mencionar algunas aplicaciones [2].

2.1 MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA Y ALTERNA

La estructura general de un motor consiste en:

1. La carcasa o caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa.
2.
El inductor, llamado estator, cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de
un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado estatórico,
que es una parte fija y unida a la carcasa.

3. El inducido, llamado rotor cuando se trata de motores de corriente alterna, consta de un
apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado rotórico, que
constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.

En la Figura 9, se muestran las componentes principales de un motor:

Figura 9. Componentes de un motor.

Una de las principales clasificaciones de los motores es de acuerdo al uso en corriente directa
o alterna, las cuales se definen a continuación.

CORRIENTE DIRECTA

La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo
continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A
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