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7/31/2019 labMaquinasTransformador

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MQUINAS ELCTRICAS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAEl Transformador Monofsico Facultad de Ingeniera Mecnica

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Ao del Centenario de Machu Picchu para el Mundo

INFORME DEL LABORATORIO N2

EXPERIENCIA: EL TRANSFORMADOR MONOFASICO

INTEGRANTES:

Tuestas Torres Renzo Boris 20090238FArauco Canchumuni Kevin 20087511GVilca Huere Ronald 20061032D

PROFESOR: Ing. Emilio Marcelo Barreto.

SECCIN :

F

2011


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NDICEOBJETIVOS 3

FUNDAMENTO TEORICO 4-9

EQUIPOS Y MATERIALES 10

PROCEDIMIENTO 11-12

CUESTIONARIO 13

CONCLUSIONES 21

RECOMENDACIONES 22

BIBLIOGRAFA 23


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1. OBJETIVOS

Determinar los parmetros del circuito equivalente de un transformador

monofsico para la operacin a frecuencia y tensin nominal.

Pronosticar el comportamiento del transformador bajo carga, utilizando elcircuito equivalente.

Determinacin de las caractersticas de regulacin.


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2. FUNDAMENTO TEORICO

2.1. TRANSFORMADOR MONOFASICO:Se denomina transformador a una mquina elctrica que permite aumentar o disminuirla tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia.La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sinprdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las mquinas reales presentan unpequeo porcentaje de prdidas, dependiendo de su diseo, tamao, etc.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenmeno de la induccinelectromagntica y estn constituidos, en su forma ms simple, por dos bobinasdevanadas sobre un ncleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas odevanados se denominan primarios y secundarios segn correspondan a la entrada osalida del sistema en cuestin, respectivamente.

2.1.1 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR:

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variacionesde intensidad y sentido de la corriente alterna crearn un campo magntico variabledependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magntico variableoriginar, por induccin electromagntica, la aparicin de una fuerza electromotriz enlos extremos del devanado secundario.

La relacin entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanadoprimario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, esdirectamente proporcional al nmero de espiras de los devanados primario (Np) ysecundario (Ns) .
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromotrizhttp://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuenciahttp://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromotrizhttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctrica


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La razn de la transformacin (m) del voltaje entre el bobinado primario y el bobinadosecundario depende de los nmeros de vueltas que tenga cada uno. Si el nmero devueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habr el triple detensin.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energa elctrica: al poderefectuar el transporte a altas tensiones y pequeas intensidades, se disminuyen lasprdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

As, si el nmero de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el delprimario, al aplicar una tensin alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen23.000 voltios en el secundario (una relacin 100 veces superior, como lo es larelacin de espiras). A la relacin entre el nmero de vueltas o espiras del primario ylas del secundario se le llama relacin de vueltas del transformador o relacin detransformacin.

Ahora bien, como la potencia de la elctrica aplicada en el primario, en caso de untransformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de lafuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en elcaso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del

secundario ser de solo 0,1 amperios (una centsima parte).

2.2. AUTOTRANSFORMADOR:

Un autotransformador es una mquina elctrica, de construccin y caractersticassimilares a las de un transformador, pero que a diferencia de ste, slo posee un nico

devanado alrededor del ncleo.Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexin elctrica, llamadostomas. La fuente de tensin y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que
http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_transporte_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amperiohttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Transformadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)http://es.wikipedia.org/wiki/Transformadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Amperiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_transporte_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica


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una toma (la del extremo del devanado) es una conexin comn a ambos circuitoselctricos(fuente y carga).

Cada toma corresponde a un voltaje diferente de la fuente (o de la carga, dependiendodel caso).

En un autotransformador, la porcin comn (llamada por ello "devanado comn") deldevanado nico acta como parte tanto del devanado "primario" como del"secundario". La porcin restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie"y es la que proporciona la diferencia de voltaje entre ambos circuitos, mediante laadicin en serie (de all su nombre) con el voltaje del devanado comn.

2.2.1 FUNCIONAMIENTO DEL AUTOTRANSFORMADOR:Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados enel principio de campos magnticos variantes en el tiempo, por lo que tampoco puedenser utilizados en circuitos de corriente continua.

La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformadorocurre a travs de dos fenmenos: el acoplamiento magntico (como en untransformador comn) y la conexin galvnica entre los dos circuitos (a travs de latoma comn). Por esta razn, un autotransformador resulta en un aparato mscompacto (y a menudo ms econmico) que un transformador de la misma potencia yvoltajes nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidadde transferir potencia al ser conectado como autotransformador.

La relacin de transformacin de un autotransformador es la relacin entre el nmerode vueltas del devanado completo (serie ms comn) y el nmero de vueltas deldevanado comn. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puedeobtener un voltaje de salida (en el devanado "comn") igual a la mitad del de la fuente(o viceversa). Dependiendo de la aplicacin, la porcin del devanado que se utilizaslo para el circuito de alta tensin se puede fabricar con alambre de menor calibre(puesto que requiere menos corriente) que la porcin del devanado comn a amboscircuitos; de esta manera la maquina resultante es an ms econmica.
http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faradayhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Conducci%C3%B3n_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electromagn%C3%A9ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Faradayhttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico


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2.3. ENSAYO DE VACIO:

Consiste en aplicar una tensin nominal V1 en cualquiera de los enrollados deltransformador, con el otro enrollado abierto, se le aplica al lado 1 voltaje y frecuencianominal, registrndose las lecturas de la potencia de entrada en vaco P0 y la corriente

en vaco I1.Es este caso los nicos parmetros que son considerados en la prueba de vaci sonRm y jXm, la impedancia de dispersin, R1 +jX1, no afecta a los datos de prueba.Usualmente, la tensin nominal se aplica al enrollado de baja tensin.

La figura 1, muestra el circuito de prueba utilizado.

Figura 1: Circuito Equivalente para la condicin en Vaco

Nuestros parmetros nos quedan:

Es vlido mencionar que Im se calcula con la ecuacin:

A continuacin se muestra el esquema a usar en la experiencia.

220 V.V

60 Hz

A

V

W

110/220


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2.4. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO:Esta prueba se realiza a voltaje reducido, hasta que circule una corriente nominal por

el circuito.

En este caso no se toma la rama de magnetizacin, esto es debido a que solo se

requiere un pequeo voltaje para obtener las corrientes nominales en los embobinados

debido a que dicha impedancias son limitadas por la impedancia de dispersin de los

embobinados, por lo tanto la densidad de flujo en el ncleo ser pequea en la prueba

de cortocircuito, las prdidas en el ncleo y la corriente de magnetizacin ser todava

ms pequea.

La tensin reducida Vcc, llamada frecuentemente tensin de impedancia, se soluciona

para que la corriente de cortocircuito Icc no ocasione dao en los enrollamientos. Se

escoge usualmente Icc como la corriente de plena carga (nominal).

Usualmente esta prueba se hace por el lado de alto voltaje (para que la corriente sea

ms pequea).

Figura 2: Circuito equivalente para la condicin de cortocircuito

La potencia del cortocircuito es la prdida total en el cobre del transformador. Debido

al efecto pelicular, Pcc puede ser mayor que las perdidas hmicas en el cobre.


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De la figura 2, obtenemos lo siguiente:

Zeq, Xeq y Req son conocidas por impedancia equivalente, reactancia equivalente y

resistencia equivalente, respectivamente.

Si V1 = V2, podemos decir que:

Deber notarse nuevamente que los parmetros estn en funcin del enrollamiento en

el que se toman las lecturas de los instrumentos.

Ya que la resistencia equivalente Req es la suma de R1 y R'2 se deduce que:

A continuacin se muestra el esquema a usar en la experiencia.

220 V.V

60 Hz

A

A

W

220/110


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3. EQUIPO A UTILIZAR EN LA EXPERIENCIA:

1 Autotransformador variable de 1.3KVA, 220-10A. 1 Transformador monofsico de 1KVA, 220/110V. 1 Voltmetro A.C. 0-150-300V (H-B).

1Ohmnimetro (ELOHM) o su fuente.

1 frecuencmetro (220V, 55-65Hz).

2 Ampermetros de A.C. 6-15A.

1 Vatmetro de 120W.

1Resistencia variable 0-10, 220V.


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4. PROCEDIMIENTO:

4.1. ENSAYO EN VACIO:

Disponer el circuito siguiente:

220 V.V

60 Hz

A

V

W

110/220

Armar el circuito de la figura adjunta, ajustando el autotransformador, variar la tensin

hasta que el voltmetro indique el valor nominal (110 v).

Mediante el mismo proceso, reducir la tensin desde 120% de la tensin nominal

hasta cero voltios y registrar las lecturas de corriente, tensin y potencia.


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4.2. ENSAYO EN CORTOCIRCUITO:

Disponer el circuito siguiente:

220 V.V

60 Hz

A

A

W

220/110

Utilizando el esquema de la figura adjunta, a partir de cero voltios aumentar

gradualmente la tensin hasta lograr la corriente nominal en el lado de 220v.

Registrar las lecturas de tensin, corriente y las perdidas en carga dadas por el

vatmetro.

Cambiar la corriente primaria en etapas desde 120% hasta 10% de la corriente

nominal y registrar las lecturas de los instrumentos.

4.2. ENSAYO CON CARGA:

Con el circuito anterior des-energizado, conectar a la salida la resistencia de carga.

Excitar el transformador a la tensin y frecuencias nominales.

Ajustar el valor de la resistencia de carga para obtener magnitudes de 25, 50, 75 y

100% de la intensidad nominal secundaria, registrando la tensin secundaria y las

lecturas de los dems instrumentos.

Desconectar la carga y medir la tensin del primario para los valores anotados en las

diferentes condiciones de cargas fijadas anteriormente.


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5. CUESTIONARIO

5.1 La relacin de los valores tomados en las experiencias efectuadas.

La relacin de datos obtenidos:

El ensayo de vaco:

Ventr. Io (A) Po (W) Vsal. cos (%) a

1 131,7000 0,4960 20,0000 221,7000 30,6170 1,68337

2 120,0000 0,4160 13,3333 201,9000 26,7093 1,68250

3 108,0000 0,2080 12,6666 181,9000 56,3862 1,68426

4 96,0000 0,1690 6,6666 161,7000 41,0910 1,68438

5 84,1000 0,1420 4,5000 141,6000 37,6815 1,68371

6 72,0000 0,1210 3,3333 121,1000 38,2610 1,68194

7 59,9000 0,1050 1,6666 100,9000 26,4981 1,68447

8 48,0200 0,0900 0,6666 80,9000 15,4241 1,68471

9 36,0300 0,0760 0,0013 60,7000 0,0475 1,68471

Ensayo de Cortocircuito:

Vcc Icc Pcc Is cos (%)

1 18.5000 4.9100 76.0000 8.1000 83.6682

2 15.8000 3.9000 55.0000 6.6000 89.2567

3 13.0000 3.2000 35.0000 5.5000 84.1346

4 9.4500 2.2500 17.5000 3.8000 82.3045

5 7.8000 1.8700 10.0000 3.1000 68.5589

6 5.8000 1.3200 5.0000 2.3000 65.3083

7 4.2000 1.0700 2.5000 1.6000 55.6297

8 3.5000 0.8100 0.0001 1.5000 0.0035

Ensayo con carga:

Vp I (A) Vs P (W) Acarga Vsincarga

1 216 4.3 106.3 235 8.9 115.4

2 215.5 4.05 108 470 7.45 114.6

3 216.5 3.5 109 730 6.4 115.2


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Del ensayo de vaco trazar las curvas de fdp cos (%), potencia consumida P0 (W) y

corriente en vaco I0 (A) como funciones de la tensin de alimentacin, asimismo graficar

la curva relacin de transformacin.

01020304050607080

0 25 50 75 100 125 150

cos

V

V vs. cos (%)

05

1015

202530

0 25 50 75 100 125 150

Wo

V

Wo vs. V


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Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida

Pcc (W), la tensin de impedancia Vcc y el factor de potencia de cortocircuito cos (%)

como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A).

00.05

0.10.15

0.20.25

0.30.35

0.4

0 25 50 75 100 125 150

Ao

V

Ao vs. V

2030405060708090

100110

0 1 2 3 4 5 6

cos

Icc

cos vs. Icc


16/24


Pg. 16

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6

Po

Icc

Po vs. Icc


17/24


Pg. 17

2

2

2

121

2

2

1N

CC

2

1N

1CC12

1N

CC1

2,9

82

9,2

17,3Xeq

2,9

82Req

IP

IVXeq

IPReq

Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exactodel transformador para condiciones nominales.

De la prueba de vaco:

De donde obtenemos:

g1 = 0.0015165

b1 = 0.0019264

De la prueba de cortocircuito:

De donde obtenemos:

Req1 = 1.13157 Xeq1 = 1.53035

Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del transformador,

es decir Va vs. Ia.

0

5

1015

20

0 2 4 6

Vcc

Icc

Vcc vs. Icc

2

2

2

121

2

2

1N

0

2

1N

0

12

1N

0

1

101

17,8

110

0,26

b101

17,6

g

V

P

V

Ib

V

Pg


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Hallamos el circuito equivalente aproximado referido al lado de baja tensin:

V1=220 V

X1 R1 X2' R2'

V2

I1

Entonces el diagrama del transformador ser:

V1 / a

I2n * Req2I2n

V2n

I2n * Xeq2

Con los datos del ensayo con carga a fdp = 1, graficar la curva Va vs. Ia y compararlo

con el grafico encontrado en 4.5. explicar las diferencias.


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Pg. 19

En el ensayo de vaco, se concluye que a menor voltaje aplicado menores son las perdidas en

los devanados, debido a que tambin circulan corrientes pequeas. De igual forma ocurre en

el ensayo de cortocircuito.

Para las diversas cargas determinar la cada de tensin interna u en % segn la

expresin:

Vo2 V2 u (%)

115.4 106.3 7.8856

114.6 108 5.7592

115.2 109 5.3819

Calcular la regulacin de tensin para carga nominal con cos = 0.8 capacitivo.

Asimismo calcular la eficiencia:

01234567

89

10

0 2 4 6 8 10

Va

Ia

Va vs. Ia

100%02

202

V

VV

CPPCosIVCosIV

LNN

ANAN

75022


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Clculo de la regulacin de tensin:

Se sabe que la regulacin de tensin est determinada por la siguiente frmula normalizada:

El transformador utilizado es una de 220/127v, 1KVA, por lo cual

Para el clculo de (impedancia equivalente aproximando) nos vamos a apoyar de losvalores calculados en la pregunta 4, entonces:

Cambiando el circuito al lado de la baja tensin:

( )

(

)(

)

Carga Inductiva

Entonces:

Carga Capacitiva

Entonces:


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Pg. 21

Clculo de la Eficiencia:

La eficiencia de un transformador es la relacin entre la cantidad de energa que entrega el

transformador entre la cantidad de energa que consume el transformador.

Para valores nominales obtuvimos:

Comparar las prdidas en el cobre con las prdidas de la carga () dada por laexpresin:

Evaluando para:

Se obtiene:


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Pg. 22

Luego las prdidas en la carga en condiciones nominales son:

Se observa gran diferencia entre los valores del ensayo en cortocircuito y el ensayo con carga,

esto se debe a que el ncleo de hierro tambin disipa energa (genera prdidas por histeresis y

por corrientes parasitas).

6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

La relacin de transformacin se mantiene constante y no tiene tendencia a

cambiar pues el voltaje inducido depende del flujo magntico y este de la corriente.

Pero aunque se sature el flujo magntico este va a ser el mismo para ambas

bobinas y por tanto el voltaje inducido va a ser el mismo.

Podemos apreciar que nuestro transformador en corto circuito presenta un factorde potencia muy cercano a 1. Lo que nos dice que el efecto resistivo es mayor que

el reactivo.

La prueba con carga permite determinar la cada de tensin en el secundario

debida a la carga adicional, para determinar la regulacin y hacer las

compensaciones del caso, de tal forma que el transformador siempre entregue el

mismo voltaje.

La eficiencia de un transformador es la relacin entre la cantidad de energa que

entrega el transformador (energa til) entre la cantidad de energa que se le

entrega al transformador (incluyendo las prdidas) es alta trabajando con valores

nominales, los cuales aseguran la mxima transferencia de energa.

La resistencia y la reactancia son mucho mayores a la resistencia y lareactancia por ello podemos despreciarlos de los clculos de en el ensayo envaco.


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En el transformador utilizado, cuando se llega a las condiciones nominales en el

voltaje de entrada, no se obtiene la corriente Nominal, existe una mnima diferencia

del valor obtenido experimental con el de la placa, o el terico. Uno de los motivos

se debe al desgaste del transformador, lo cual tambin hace que aumente la

potencia de perdidas.

La Regulacin disminuye en condiciones menores a las nominales, y aumenta

cuando se exige a condiciones mayores.

La prueba de vaco se usa como control de calidad para verificar las prdidas en el

hierro; ms no para determinar parmetros.

En el ensayo de vaco, se concluye que a menor voltaje aplicado menores son las

prdidas en los devanados, debido a que tambin circulan corrientes pequeas.

De forma analoga ocurre en el ensayo de cortocircuito.

7. RECOMENDACIONES:

La prueba de cortocircuito verifica y mide las perdidas por efecto Joule en los

devanados; es recomendable hacer la prueba por el lado de alta tensin, y hacerlo

despus de un tiempo de uso ya que as se sabr que tan desgastados estn

estos.

Debemos notar que la mxima eficiencia a plena carga se consigue cuando las

perdidas en el hierro sea igual a las prdidas en el cobre.

Estas prdidas en el cobre se debe a las verdaderas perdidas por efecto Joule en

los devanados y a las perdidas adicionales por corrientes parsitas que aparecen

dentro de los devanados. Como el transformador es de alta eficiencia; por lo general no se suele anotar la

eficiencia como dato de placa, seria bueno hacerlo. Durante la expreriencia de laboratorio pudimos observar que cuadno se usan altas

corrientes en el ensayo de cortocircuito se puede malograr el equipo, (olia a


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quemado), por eso seria mejor trabajar con corrientes bajas (dentro del rango

conveniente).

8. BIBLIOGRAFA

Agustn Gutirrez Paucar Anlisis De Maquinas Elctricas

Jesus Fraile Mora Mquinas Elctricas

Stephen J. Chapman Mquinas Elctricas

Apuntes de clases de mquina elctricas del Ing. Franco.

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