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I. INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN.
En la mayoría de los sistemas de generación de corriente eléctrica del mundo son sistemas de corriente alterna trifásicos, por lo que es necesario entoncesconocer la forma como los transformadores se utilizan en ella. Por razones de importancia en la sociedad, por razones de tipo económico, de espacio en las instalaciones y confiabilidad en los l os equipos, se puede decir, que en general, es preferida la solución del uso de transformadores trifásicos en las instalaciones eléctricas.
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II. OBJETIVOS.
Aprender a conectar transformadores transformadores en Delta-Delta Delta-Delta y Estrella-Estrella. Estrella-Estrella. Comprender las relaciones de corriente y voltaje de las conexiones Delta-Delta y Estrella-Estrella Estrella-Estrella de transformadores monofásicos. Estudiar la la conexión conexión Delta-Delta en transformadores transformadores trifásicos. Establecer las principales ventajas y desventajas desventaj as de las conexiones Delta-Delta y Estrella-Estrella. Dar a conocer las principales aplicaciones de las conexiones Delta-Delta y EstrellaEstrella.
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III. FUNDAMENTO TEÓRICO.
CONSTITUCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS. Los transformadores para circuitos trifásicos pueden construirse de dos maneras. Estas son: a. Tomando tres transformadores monofásicos y conectándolos en un grupo trifásico.
Para el análisis de su circuito equivalente se debe representar cada uno de los transformadores monofásicos que componen un banco trifásico (Conjunto de los tres transformadores monofásicos) por un circuito equivalente; entonces se podrá utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes deducidos para el caso de los monofásicos.
Figura 1 Transformador Trifásico: 3 Transformadores Monofásicos.
Los valores de los elementos de los circuitos equivalentes se pueden obtenerse a partir de los datos de diseño o por las pruebas en circuito abier to o en cortocircuito tomados a uno u otro lado del transformador, y estos valores se pueden emplear, sin modificación, o en el circuito equivalente de la figura 2ª o en el circuito equivalente de la figura 2b.
Figura 2 Transformador Trifásico: Modelos Equivalentes.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS b. Haciendo un transformador trifásico que consiste en tres juegos de devanados enrollados sobre un núcleo común.
Figura 3 Transformador Trifásico: Tres devanados.
A Cada columna del transformador trifásico se la puede considerar como un transformador monofásico. Así, cuando en un banco o un transformador trifásico funciona con cargas equilibradas, todos los transformadores monofásicos del banco o todas las columnas del transformador están igualmente cargados y con ello solo tendríamos con estudiar solo uno de ellos mediante su circuito equivalente.
FORMAS DEL NUCLEO Si la transformación se hace mediante un transformador trifásico, con un núcleo común, podemos ver que la columna central de la figura 4 está recorrida por un flujo F que, en cada instante, es la suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º.
Figura 4 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
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El flujo F será pues siempre nulo. En consecuencia, se puede suprimir la columna central figura 5.
Figura 5 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
Como esta disposición en la figura 5se hace difícil para su construcción, los transformadores se construyen con las tres columnas en un mismo plano figura 6.
Figura 6 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
Esta disposición crea cierta asimetría en los flujos y por lo tanto en las corrientes en vació.
Figura 7 Forma del Nucleó: Diagrama a bloques.
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Como sabemos esto se aplicaría para que en un transformador trifásico cada columna está formada por un transformador monofásico, entonces toda la teoría para los transformadores monofásicos es válida para los trifásicos, teniendo en cuenta que las magnitudes que allí aparecen hace referencia ahora a los valores por fase.
Figura 8 Forma del Nucleó: Diagrama real.
La diferencia de un transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo acorazado, esta en que en un transformador trifásico de tipo acorazado las tensiones están menos distorsionadas en las salidas de las fases. Lo cual hace mejor al transformador trifásico de tipo acorazado.
Figura 8 Transformador Trifásico Acorazado.
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS FORMAS DE LOS DEVANADOS
Como sabemos un transformador trifásico está constituido por tres transformadores, que se encuentran separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y secundarios de cualquiera de ellos pueden tener diferentes formas en los devanados, así que se pueden conectarse en estrella o en delta, dando lugar a un total de cuatro posibilidades de conexión en el transformador trifásico: Estrella-estrella, delta-estrella, estrella/zig-zag, estrella-delta, delta-delta.
Cuando los devanados primario y secundario de un transformador trifásico tienen conexiones distintas, la relación entre las dos tensiones de vacío (sin carga) en las terminales, no es igual a la relación entre las espiras de una fase primaria y secundaria. Para relacionar las tensiones y/o corrientes primarias con las secundarias se debe indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de Alta tensión y el de Baja tensión. La selección de la combinación de las conexiones depende de consideraciones económicas y de las exigencias que impone la operación. Por ejemplo, en las redes de distribución que usan tres fases con neutro, es necesario el uso de devanados secundarios en estrella, ya que éstos tienen un punto accesible para el neutro.
CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
: Conex ión Delta-Delta
Este tipo de conexión tiene la desventaja de no disponer de ningún neutro, ni en el primario ni en el secundario. Otra desventaja es el aislamiento eléctrico que resulta más caro que otro de conexión (estrella), para las mismas especificaciones técnicas. En este tipo de conexión las tensiones de entrada y salida se encuentran en fase.Este sistema de conexión es utilizado en sistemas trifásicos donde la tensión no es muy elevada. La principal ventaja de este modo de conexión es que aunque las cargas no estén bien equilibradas las tensiones mantienen un buen equilibrio. Los voltajes primarios de línea y de fase son iguales:
Las tensiones secundarias cumplen la siguiente relación:
La relación entre tensiones de fase es:
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La relación entre los voltajes de línea es:
Gráfica Explicativa:
Figura 9 Grafica Explicativa: Conexión Delta-Delta.
Conex ión Delta-estrella:
Con una conexión de este tipo se consigue un adelanto de fase de 30 ° de las tensiones de salida respecto a las tensiones de entrada. La principal ventaja de este tipo de conexión es que se reduce considerablemente el gasto económico en el aislamiento interno del transformador. Sin embargo, la desventaja del desfase de 30° puede ser negativa, pues la conexión en paralelo con otra fuente de energía es imposible, por otro lado, en el caso de que este banco de transformadores tenga que alimentar a un grupo de cargas aisladas no representaría ningún inconveniente el desfase. Asimismo, podemos apreciar en la figura 10 que el secundario tiene un neutro. Este tipo de conexión se utiliza en aplicaciones de elevación de tensiones. Los voltajes de línea y de fase son iguales en el primario y en el secundario:
Los voltajes de línea de primario y secundario guardan la si guiente relación:
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Gráfica Explicativa:
Figura 10 Grafica Explicativa: Conexión Delta-Estrella.
Conex ión Estrella-delta:
Con este tipo de conexión la corriente en el devanado de las bobinas secundarias es de un 58% de la corriente carga. Las distorsiones de las tensiones de salida no resultan tan severas como en una conexiónestrellaestrella. También tenemos que señalar que existe un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y de salida de 30 °. Este tipo de conexión se puede utilizar en aplicaciones de reducción. Los voltajes primarios de línea y de fase cumplen la relación:
Las tensiones secundarias de línea y fase son iguales:
La relación de tensiones de fase es:
La relación entre los voltajes de línea del primario y secundario es:
Gráfica Explicativa:
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Figura 11 Grafica Explicativa: Conexión Estrella-Delta.
Conex ión Estrella-estrella:
Con este tipo de conexión se tienen dos neutros, uno en las bobinas primarias y otro en las bobinas secundarias. El problema surge cuando no se conectan estos neutros a la masa o tierra, porque las señales u ondas senoidales salen por el secundario distorsionadas. Solamente no es necesario conectar los neutros a tierra cuando el sistema trifásico esta muy equilibrado. Asimismo, debemos indicar que no hay un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y las tensiones de salida. Los voltajes de línea se relacionan con los voltajes de fase según las expresiones:
Los voltajes de línea de primario y secundario guardan la si guiente relación:
Gráfica Explicativa:
Figura 12 Grafica Explicativa: Conexión Estrella-Estrella.
Un caso particularmente especial es la conexión Delta - Abierta
Conex ión Delta-abierta:
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Figura 13 Grafica Explicativa: Conexión Delta - abierta.
La nomenclatura a1a2-b1b2-c1c2 me indica que la parte izquierda representa el secundario del transformador (en una conexión Delta o Triángulo en el secundario) y la parte derecha representa un conjunto de cargas con impedancia Z que hemos colocado en este caso en configuración también Delta o Triángulo. Ya que es una conexión Dd, mas a la izquierda del secundario del transformador que se ha indicado líneas arriba está ubicado el primario del transformador que no se dibujó por razones de espacio. En este caso la tensión entre los puntos a1(c2) y b2(c1) sigue siendo la misma que la que se tendría si no se hubiese quitado el bobinado c1c2. Es decir, si con todo el sistema completo, la tensión de línea V c1c2 era U, luego, con el sistema sin el arrollamiento c1c2 la tensión de línea sigue siendo U. La explicación de esto reside en el hecho que se tiene que realizar una suma vectorial de voltajes para obtener el voltaje final resultante entre los puntos requeridos. En la figura 14 vemos tres vectores correspondientes al voltaje en cada fase que tienen un punto común y están separados 120º. Si tuviéramos el sistema completo al realizar la suma de voltajes en todo el triángulo obtendríamos 0.
Figura 14 Grafica Fasorial: Conexión Delta - abierta.
Y si realizamos una suma vectorial desde a1 hasta b2 se obtendrá el mismo voltaje que en un sistema sin el bobinado c1c2. El siguiente dibujo representa a dos transformadores monofásicos conectados entre si en la manera denominada triángulo abierto o delta abierta.
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Figura 15 Conecion Delta-abierta
BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS. Los bancos de transformadores monofásicos son utilizados en sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de un transformador trifásico. Por ejemplo, en el transporte a largas distancias de la energía eléctrica. Asimismo, el banco de transformadores monofásicos también sirve para poder cambiar el número de fases del sistema, es decir, un sistema trifásico lo podemos convertir en un sistema bifásico, de 6 fases, de doce fases, etc. Por lo que respecta a las bobinas primarias y secundarias, las podemos conectar de varias formas, teniendo cuatro posibles casos: Y/Y, Y/Δ, Δ/Y, Δ/Δ. Es decir, podemos conectar las bobinas primarias en estrella o en triángulo al igual que las bobinas secundarias. Dependiendo como lo hagamos tendremos unas características técnicas u otras. De esta forma, la relación de las tensiones de entrada y de salida no solamente dependerá de la relación de vueltas (espiras) de las bobinas primarias y secundarias, sino que también dependerá de cómo estén conectadas las bobinas primarias y las bobinas secundarias. Al tratar del transformador trifásico suponemos que sus devanados, tanto de alta como de baja tensión, se hallan conectados en estrella. Según la aplicación a que se destine un transformador, deben considerarse las posibilidades de establecer otras conexiones distintas, las cuales ofrecen sobre todo especial interés desde el punto de vista del acoplamiento en paralelo con otros transformadores. Las combinaciones básicas que han de ser tenidas en cuenta por lo que se refiere a sus particularidades para los acoplamientos en paralelo, forman esencialmente cuatro grupos. Cada grupo se caracteriza en particular por el desfase que el método de conexión introduce entre la f.e.m. primaria y las homólogas secundarias.
Nº
Grupo
0
Dd0
Símbolo Primario Secundario
Conexionado Primario Secundario
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS Yy0 Dz0
Dy5 5
Yd5 Yz5
Dd6 6
Yy6 Dz6
Dy11
11
Yd11
Yz11
En la tabla se detallan los grupos de conexiones normalizados para transformadores de potencia trifásicos. Debe tenerse en cuenta que el esquema de conexionado es válido solamente en el caso que los devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento.
Además podremos decir las siguientes características de los transformadores trifásicos:
En bajas capacidades los transformadores trifásicos son más pesados. El costo de los transformadores trifásicos siempre es más bajo (solo el 10% en bajas capacidades pero en altas capacidades llega a ser hasta el 25% menos en comparación con los transformadores monofásicos). Por estas razones la industria ha preferido usar los transformadores trifásicos ya que esta opción implica un ahorro significativo que conlleva a minimizar los costos de producción.
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IV. EQUIPO Y MATERIALES.
Autotransformador trifásico
3 Transformadores monofásicos
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2 Multímetros digitales
Vatímetro monofásico
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Banco de focos
Motor trifásico
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V. PROCEDIMIENTO. Realizar el ensayo de polaridad para cada transformador, de esta forma se puede identificar los puntos homólogos (igual polaridad relativa) para luego realizar las conexiones directa e inversa en el ensayo de laboratorio. Este proceso se realiza mediante la aplicación del voltaje nominal por el devanado de A.T y la lectura de voltaje obtenida con el multímetro luego de conectar uno de los bornes del primario con el del secundario, de la forma que se muestra a continuación:
La lectura viene dada por la medición entre los puntos 1 y 2´, para el ejemplo de la figura, la lectura debe ser 93V.
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VI. CÁLCULOS Y RESULTADOS. A) Polaridad Directa: Conexión Dd
Carga: Banco de focos
VRS VST VTR
222 V 223 V 224.5 V
IR IS IT
1.48 A 1.4 A 1.39
Empleando el circuito monofásico equivalente:
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√
Se verifica que es cercano al valor experimental.
B) Polaridad Directa: Conexión Dd
Carga: Banco de condensadores y motor trifásico
VRS VST VTR
222 V 223 V 224.5 V
IR IS IT (Entrada)
1.48 A 1.4 A 1.39 A
IR IS IT
0.48 A 0.48 A 0.47 A
(Rama C)
Empleando el circuito monofásico equivalente:
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√
Se verifica que el valor de la corriente calculada matemáticamente es cercano al valor experimental. Calculando la potencia reactiva del capacitor:
√ √
C) Polaridad Directa: Conexión Yy
Carga: Banco de focos VRS 167.9 V VST 167.5 V VTR 167.1 V
IR IS IT
1.02 A 1.1 A 1.13
Empleando el circuito monofásico equivalente:
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√
Se verifica que el valor de la corriente calculada matemáticamente es cercano al valor experimental.
D) Polaridad Directa: Conexión Yy
Carga: Banco de condensadores y motor trifásico VRS 224.8 V IR VST 224.2 V IS VTR 223.9 V IT (Entrada)
3.83 A
IR
2.7 A
3.76 A 3.68 A
IS IT
2.74 A 3.1 A
(Rama C)
Empleando el circuito equivalente por fase:
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√
La corriente calculada prácticamente es semejante a la corriente obtenida experimentalmente, dicha corriente es la que circula por la rama del capacitor. Calculando la potencia reactiva del capacitor:
√ √ √ √
E) Polaridad Inversa: Conexión Dd Carga: Banco de focos
En la conexión Delta-Delta inversa no se manifiesta cambio alguno en los parámetros calculados como la corriente o voltaje, más que todo se vería un cambio de fase en cada corriente y voltaje.
F) Polaridad Inversa: Conexión Dd Carga: Banco de condensadores y motor trifásico
Se manifiesta un cambio en el sentido de giro del motor, en el caso de la conexión directa el sentido de giro fue horario mientras que al cambiar la conexión a inversa, el giro fue antihorario.
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VII. CUESTIONARIO.
1.
¿Qué tipos de conexiones existen? ¿Para qué sirven? CONEXIÓN Yd
CONEXIÓN Dd
Existen cuatro posibilidades de conexión: Desfase de 30º (Yd1). Desfase de 150º (Yd5). Desfase de -30º (Yd11). Desfase de -150º (Yd7).
Existen cuatro formas de conexión: Desfase de 30º (Dy1). Desfase de 150º (Dy5). Desfase de -30º (Dy11). Desfase de -150º (Dy7).
De estos grupos de conexión, el más utilizado en la práctica es el Yd5 y el Yd11. El empleo más frecuente y eficaz de este tipo de conexión es en los transformadores reductores para centrales, estaciones transformadoras y finales de línea conectando en estrella el lado de alta tensión y en triángulo el lado de baja tensión.
De estos grupos de conexión se utilizan en la práctica el Dy5 y el Dy11. Este sistema de conexión es el más utilizado en los transformadores elevadores de principio de línea, es decir en los transformadores de central.
En lo que se refiere al funcionamiento con cargas desequilibradas, el desequilibrio de cargas secundarias, se transmite al primario en forma compensada para cada fase.
Como se puede disponer de neutro en el secundario, es posible aplicar este sistema de conexión a transformadores de distribución para alimentación de redes de media y baja tensión con cuatro conductores.
Las conexiones utilizadas en la práctica están normalizadas en grupos de conexión. El grupo de conexión caracteriza las conexiones de los dos arrollamientos y el desfase entre las fuerzas electromotrices correspondientes a ambos arrollamientos. Cada grupo se identifica con una cifra o índice de conexión que multiplicada por 30º, da como resultado el desfase en retraso, que existe entre las tensiones del mismo género (simples o compuestas) del secundario respecto al primario del transformador en cuestión.
2.
¿A qué es debido el ruido que genera un transformador? El zumbido que con mayor o menor intensidad emiten los transformadores no es de origen eléctrico, aunque está inducido por el campo magnético que atraviesa el núcleo del transformador al pasar corriente. Más bien se debe a un fenómeno conocido como magnetostricción, que consiste en el alargamiento y contracción de las chapas metálicas magnéticas que forman el núcleo del transformador. La magnetostricción es responsable de que las chapas vibren y generen ondas sonoras que se propagan por el medio circundante. Si el transformador está sumergido, la vibración se propaga por el fluido dieléctrico desde las chapas hasta la carcasa exterior o cuba, que es la que al vibrar ocasiona el ruido. En el caso de los transformadores secos, el zumbido producido por las chapas se trasmite directamente al exterior a través del aire.
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3.
¿Se pueden obtener diferentes relaciones de transformación con un transformador trifásico? Y con un monofásico? Explícalo. Si, Dependiendo como se coloca la conexión de alimentación en la entrada del transformador y también como se coloca la conexión en la carga después del tranformador.
4.
Que requisitos deben cumplir los transformadores monofásico para formar la conexión trifásica? Tener la misma relación de transformación. Tener la misma potencia. Al momento de instalar verificar la polaridad de los transformadores.
5.
¿Por qué existe una asimetría en las corrientes de vacío? Conexión del transformador estrella-estrella La corriente que circula en vacío por las columnas del transformador no es simétrica debido a la diferencia de las longitudes de las columnas del transformador. La de segunda fase será menos debido a que posee menor reluctancia y por ello se requiere de menor corriente de magnetización.
6.
Si formamos un transformador trifásico a partir de tres transformadores monofásicos iguales y lo alimentamos con un sistema trifásico equilibrado de secuencia directa, ¿obtendremos a la salida siempre un sistema equilibrado de tensiones de secuencia directa? Si dado que los transformadores poseen las mismas características podemos afirmar que a la salida de estos transformadores el sistema será equilibrado y de tensiones en secuencia directa
7.
Indique las ventajas y desventajas de los bancos monofásicos en conexión trifásica respecto a los transformadores trifásicos
Por lo que para su utilización en estos sistemas, se pueden considerar dos configuraciones, la primera consiste en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico, es decir, tres transformadores por separados, unidos mediante algún tipo de conexión cuya conexión está hecha internamente dentro del banco de transformadores monofásicos, esta configuración presenta la desventaja de ser más caro que utilizar un solo transformador trifásico, y tiene como ventaja que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada individualmente si es que presenta algún daño. Enumera algunas de las normas de seguridad a tener en cuenta en los ensayos de transformadores.
Botas de seguridad: La gran mayoría de daños a los pies se deben a la caída de objetos pesados. Es fácil conseguir zapatos de seguridad que protejan en contra de esa clase de riesgo. Esa clase de zapatos pueden conseguirse en tamaños, formas, y estilos, que a la vez se adaptan bien a diferentes pies, y además tienen buen aspecto. Para el caso de soldadura en tubos de escapes deben ser:
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Con puntera protectora: se usan para proteger los dedos de la caída de grandes pesos y evitar algún tipo de lesión en ellos. Las puntas son normalmente elaboradas de acero. De fundición: es un botín diseñado con ligas elásticas a sus lados para evitar la entrada de chispas o rociados de metal fundido. Los guantes: Por la aparente vulnerabilidad de los dedos, manos y brazos, con frecuencia se deben usar equipos protectores, tales equipos como el guante y de acuerdo a sus materiales sus diversas adaptaciones hace que tengan un amplio uso de acuerdo a las consideraciones correspondientes a su aplicación. Además del largo para proteger el antebrazo y brazo del obrero. En este caso se recomiendan: •
• Los guantes elaborados en goma, debido a su capacidad aislante a la corriente. La vestimenta debe ser de Asbesto y de Lana: entre los más comunes son las polainas, los delantales, además de chaquetas y pantalones que generalmente, lo usan los fundidores, soldadores, al trabajar con altas tensiones. La ropa de trabajo debería ajustar bien; no deben tener partes flexibles que cuelguen o cordones sueltos ni bolsillos, y si los hay debieran ser pocos y tan pequeños como sea posible. Casco de seguridad Schuberth para electricistas. Casco sin ventilación que proporciona aislamiento eléctrico hasta 1000V.Arnés textil con seis puntos de suspensión.
8.
¿Qué tipo de pérdidas se producen en un transformador?
Perdidas en el hierro Las corrientes parasitas
9.
¿Cuáles son las pérdidas que se producen en el circuito eléctrico?
Son las pérdidas que aparecen debido a las conexiones que se hacen a la salida o entrada del transformador, como por ejemplo tenemos las pérdidas por efecto JOULE: Este efecto fue definido de la siguiente manera: “El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente”. Matemáticamente se expresa como
10.
El ensayo de vacío nos proporciona las pérdidas en el circuito
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS Con el ensayo de vacío obtenemos las pérdidas de histéresis y de corrientes parasitas Foucault. Las cuales actúan en el núcleo del transformador
11.
¿Cómo se llama el aparato de medida que nos da la resistencia de aislamiento?
Es el ohmímetro con el cual podemos calcular la resistencia de los cables que cierran el circuito eléctrico.
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