Circuitos electricos Jesus Fraile Mora pdf PDF

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Circuitos eléctricos Circuitos Eléctricos, se publica bajo el patrocinio de la editorial Pearson y está Fraile Mora adaptado a los nuevos planes de estudio que se están implantando en España en los últimos años, como consecuencia de la armonización de las enseñanzas universitarias españolas con el E...

Description

Fraile Mora

Circuitos Eléctricos, se publica bajo el patrocinio de la editorial Pearson y está adaptado a los nuevos planes de estudio que se están implantando en España en los últimos años, como consecuencia de la armonización de las enseñanzas universitarias españolas con el Espacio Europeo de Enseñanza Superior. Dirigido a estudiantes de Ingeniería, es el texto ideal para un curso de circuitos eléctricos, como preludio a una asignatura de Electrotecnia, materia que se incluye en la mayoría de las enseñanzas de las nuevas titulaciones de Grado, que se van estableciendo progresivamente en las diversas Escuelas Técnicas de Ingeniería Superior e Ingeniería Técnica en España.

Circuitos eléctricos

El libro se compone de cuatro grandes capítulos que abarcan todo el análisis clásico de los circuitos eléctricos: 1) Introducción, en la que se explican los circuitos de c.c; 2) Circuitos de c.a. sinusoidal; 3) Circuitos trifásicos, y 4) Régimen transitorio de los circuitos eléctricos. Se incorporan al final del texto dos apéndices, el primero se dedica a la historia de los circuitos eléctricos, y el segundo explica la transformada de Laplace como referencia para el estudio del régimen transitorio de los circuitos. A lo largo del texto se plantean gran cantidad de ejemplos de aplicación totalmente resueltos y, en cada lección, se incluyen de treinta a sesenta problemas propuestos, en los que únicamente se da la respuesta final, lo que supone un total de casi trescientos problemas que facilitan el autoaprendizaje del estudiante. El libro intercala con frecuencia anécdotas, comentarios prácticos y secciones de ampliación de conocimientos, que son puntos sugerentes de reflexión, que incentivan la lectura del texto. Asimismo, al final de cada capítulo, se han escrito las biografías de científicos e ingenieros, que contribuyeron con sus teorías al avance de estas disciplinas y a los que la humanidad les debe por ello respeto y gratitud.

ISBN: 978-84-8322-795-4

www.pearson.es

9 788483 227954

Circuitos eléctricos Jesús Fraile Mora

Circuitos eléctricos

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Circuitos eléctricos Jesús Fraile Mora Catedrático de Ingeniería Eléctrica Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid

Datos de catalogación bibliográfica Circuitos eléctricos Jesús Fraile Mora PEARSON EDUCACIÓN, S.A., Madrid, 2012 ISBN: 9788483227954 Materia: 621.3 Ingeniería eléctrica Formato: 195 × 250 mm

Páginas: 576

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Contenido

Acerca del autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Al estudiante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix xi xv

Capítulo 1. Introducción a la teoría de los circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Variables que intervienen en el estudio de los circuitos eléctricos. Convenio de signos . . 1.2.1. Corriente eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Potencial eléctrico. Tensión. Diferencia de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Potencia eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Elementos activos ideales. Fuentes o generadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Tipos de excitación y formas de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1. Clasificación de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2. Ondas periódicas: valores asociados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Elementos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1. Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2. Bobina. Inductancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.3. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Impedancia y admitancia operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Topología de redes: conceptos fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1. Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2. Propiedades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Lemas de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.1. Primer lema de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.2. Segundo lema de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.3. Elección de las ecuaciones independientes para la aplicación de los lemas de Kirchhoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.9. Elementos activos reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.10. Asociación y transformación de fuentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11. Asociación de elementos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.1. Conexión en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.2. Conexión en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.11.3. Equivalencia estrella-triángulo. Teorema de Kennelly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 3 4 5 7 9 12 12 13 15 16 21 23 28 30 30 32 32 33 34 36 41 43 48 49 50 52

vi

CONTENIDO

1.12. Análisis de circuitos por el método de las mallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12.1. Método de las mallas. Formulación general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12.2. Método de las mallas con generadores de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13. Análisis de circuitos por el método de los nudos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13.1. Formulación general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.13.2. Método de los nudos con generadores de tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.14. Principio de superposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.15. Teoremas de Thévenin y Norton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16. Otros teoremas de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16.1. Teorema de sustitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16.2. Teorema de reciprocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16.3. Teorema de Millman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16.4. Teorema de Tellegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.17. Cuadripolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.18. El amplificador operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19. Bobinas con acoplamiento magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19.1. Análisis de los flujos magnéticos en bobinas acopladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.19.2. Energía magnética almacenada con bobinas acopladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60 60 66 71 71 76 82 86 94 94 96 97 99 102 110 116 117 122 124 135 138

Capítulo 2. Circuitos de corriente alterna sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 2.1. 2.2. 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.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Onda sinusoidal: generación y valores asociados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Representación compleja de una magnitud sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Derivada e integral de una magnitud sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Respuesta sinusoidal de los elementos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impedancia y admitancia complejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis de circuitos en régimen permanente sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.2. Asociación de elementos pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3. Método de las corrientes de malla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.4. Método de las tensiones de nudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.5. Principio de superposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.6. Teoremas de Thévenin y Norton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potencia en un circuito eléctrico en régimen de corriente alterna sinusoidal . . . . . . . . . . . Potencia compleja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Factor de potencia: su importancia práctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Corrección del factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medida de la potencia en c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transferencia máxima de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resonancia en c.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los filtros eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuitos eléctricos con señales no sinusoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

142 144 149 155 156 161 165 168 168 175 177 179 183 187 193 202 209 213 223 228 231 237 241

CONTENIDO

vii

2.17.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17.2. Revisión matemática. Series de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17.3. Aplicaciones de las series de Fourier a los circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17.4. Circuitos eléctricos con tensión sinusoidal y corriente no sinusoidal . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241 242 247 251 256 275 277

Capítulo 3. Circuitos trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generación de tensiones trifásicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexión en estrella equilibrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexión en triángulo equilibrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cargas desequilibradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1. Cargas desequilibradas conectadas en estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2. Cargas desequilibradas conectadas en triángulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Potencia en sistemas trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Potencias en sistemas trifásicos equilibrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Corrección del factor de potencia en trifásica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Medida de la potencia en sistemas trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.2. Medida de la potencia en circuitos equilibrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9. Transporte de energía eléctrica: ventaja de los sistemas trifásicos frente a los monofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Componentes simétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.1. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.2. El operador trifásico «a» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.3. Componentes simétricas de fasores desequilibrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.4. Impedancias debidas a las corrientes de diferente secuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.5. Redes de secuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.6. Cálculo de faltas en sistemas de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biografías . . . . . . . . . . . . . . . . . ...