SEMANA 07 2015.pdf

06/09/2015

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SENATI SEMESTRE IV DUAL

Imponiendo Calidad

Procesos de Automatizacin- CARLOS MAYHUA

ZONAL: JUNIN PASCO HUANCAVELICA

2015.I

MAQUINAS SINCRONAS


Imponiendo Calidad


MQUINAS

ELCTRICAS

SNCRONAS

Carlos Mayhua Bernardo

Ing. Electrica


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n de

polos

rpm

50 Hz

rpm

60 Hz n de

polos

rpm

50 Hz

rpm

60 Hz

2 3000 3600 16 375 450

4 1500 1800 18 333 400

6 1000 1200 20 300 360

8 750 900 22 272 327

10 600 720 24 250 300

12 500 600 26 231 277

14 428 540 28 214 257

60 fn

p

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MQUINA SNCRONA DE CAMPO FIJO

De forma semejante a las mquinas de corriente continua, el

devanado de campo es excitado por una fuente CC. El devanado de

armadura colocado en el rotor es llevado a anillos colectores, por

donde se tiene la salida en tensin alterna, si la mquina funcione

como generador o la entrada en corriente alterna si la mquina

funcione como motor.


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Anel coletor

Escova estacionria


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Anis coletores


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Suponga que la espira gira en el interior del campo magntico B, con velocidad constante . Si es el ngulo entre la normal al plan de la espira y las lneas de campo magntico, entonces el flujo magntico a travs de la espira cualquier tiempo t es:

La fuerza electromotriz inducida en la bobina es:

BAcos BAcos t

indd

e N t NBA sen tdt


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MQUINA SNCRONA DE CAMPO MVIL

En esta mquina el devanado de campo es colocado en el

rotor y el devanado de armadura es colocado en el estator. En

esta mquina, el devanado de campo es alimentado por una

fuente CC a travs de dos anillos colectores y a la armadura

es conectada a la carga o la fuente polifsica CA.

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Excitatriz: Pequeo generador CA montado en el mismo eje del generador principal cuyo objetivo es alimentar el devanado de campo de la mquina principal. La excitatriz es un generador cuyo el devanado de campo es fijo y la armadura es mvil.

FRECUENCIA DE LAS MQUINAS SNCRONAS La fem generada en el devanado de armadura estacionaria cambia de direccin cada media revolucin del rotor de dos polos. Una revolucin completa producir un ciclo completo de la onda de tensin senoidal generada.

f= frecuencia em Hz

P= nmero de polos

N= velocidade de rotao em rpm

PNf

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Ventajas de la utilizacin de armadura estacionaria y campo girante La mayor parte de los generadores de energa en corriente alterna utilizan armadura estacionaria y campo girante. a) Reactancia de la armadura reducida: La armadura estacionaria presenta una

reluctancia reducida al flujo. Esto ocurre debido a seccin transversal de hierro mayor. La reluctancia reducida tambin reduce la cantidad de flujo disperso producido por la armadura.

b) En grandes estatores polifsicos el devanado de la armadura es ms complejo que el devanado de campo. Las varias bobinas e interligaes entre las fases pueden ser construidas ms fcilmente en una estructura estacionaria rgida que en un rotor.

c) Mejora del aislamiento: ES ms fcil aislar un miembro estacionario que un rotativo. Una vez que el rotor est aterrizado, aislar el campo CC de baja tensin es ms fcil que aislar una armadura rotativa de alta tensin.


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Ventajas de la utilizacin de armadura estacionaria y campo girante A. Nmero necesario de anillos colectores aislados: B. Para el caso de una armadura rotativa, seran necesarios tres anillos colectores para un

generador trifsico.

C.- Habra problemas en el momento de transferir altas tensiones, por ejemplo 13200 V/fase en altas corrientes de los anillos colectores de la armadura para las escovas estacionarias en contacto con estos anillos. A. . Aislar del eje los anillos coletores es un problema. B. Slo dos anillos coletores son necesarios para excitar el enrolamento de campo a una

tensin comparativamente baja. C. y) Peso e inercia del rotor reducidos: El enrolamento de campo construido en el rotor es

ms que el enrolamento de la armadura.


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MQUINAS PRIMARIAS El accionamiento de los generadores trifsicos de corriente alterna (alternadores) puede ser hecho de varias formas: turbina a vapor, motor la diesel, turbina hidrulica, turbina a gas. Con base en ese aspecto, existen dos tipos de rotor es: a) Rotores de polos no salientes o cilndricos: utilizados en alternadores de alta velocidad. Ms

pequea cantidad de polos. Ellos poseen una pequea circunferencia cuando comparados a los rotores de polos salientes. Poseen gran largura axial.

b) Rotores de polos salientes: Empleados en alternadores de velocidad media o baja. En el caso de una turbina hidrulica, los alternadores requieren una gran cantidad de polos. Poseen pequea largura axial, pero con armadura del estator de grande circunferencia.


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ALGUNOS ROTORES

ROTOR DE PLOS SALIENTES ROTOR DE PLOS CILNDRICOS

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ALGUNOS ROTORES

ROTOR DE PLOS SALIENTES ROTOR DE PLOS CILNDRICOS


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Polos salientes Polos lisos

Rotor polos salientes (inductor) Devanados del estator (inducido)


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En aquellas turbinas hidrulicas que giran a baja velocidad (entre 50 y 300 rpm), se

requiere de un gran nmero de polos en el rotor.

Mquina de polos salientes

NNN

S

S

Sentido de lascorrientes por

el rotor


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L 10 m

D 1 m Turbina

Vapor o gas

Estator

Entrehierro

Devanado del Estator

Rotor

Devanado del Rotor

N

S

Estas mquinas son de alta

velocidad: 3600 rpm para 2 polos, y,

1800 rpm para 4 polos.

Los conductores se enfran con

hidrgeno o con agua.

Generan sobre los 2000 MVA

Mquina polos lisos (rotor cilndrico)

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CONEXION DE ESTATOR (TRIFSICA)


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PUNTOS PRICIPALES

A. La mquina gira en una velocidad constante en rgimen

permanente.

B. Al contrario da mquina de induccin, o campo girante del

air gap (entrehierro) y o rotor giran en la misma velocidad,

denominada de velocidad sncrona.

C. Mquinas sncronas son usadas principalmente como

generadores de energa elctrica. En este caso son

llamados de generadores sncronos o alternadores.


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D. Generador sncrono es principal equipamiento de

conversin de energa no sistema de potencia tranva

mundial.

E. Como muchas mquinas rotativas, la mquina sncrona

puede como generador o como motor.

F. Los motores sncrono son utilizados en grandes estaciones

de bombeo a indstria, motores sncronos son muchos

utilizados donde la velocidad constante es deseada.


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G. La mquina sncrona es tipo doblemente excitada.

H. Una caracterstica del motor sncrono es que l puede

operar con factor de potencia variable, en avance o en

retraso. Esto puede ser hecho a partir del ajuste del valor

da corriente de campo.


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I. Para o motor sncrono, os polos del rotor son excitados por

una fuente CC y el enrollamiento del estator es conectado

a una fuente de CA. El flujo resultante en el air gap es

resultante de los flujos debido las corrientes del rotor y del

estator.

J. Una mquina sncrona sin carga es denominada de

capacitor sncrono. Puede ser usada en lneas de

transmisin para regulacin de tensin de lnea.


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GENERADORES SNCRONOS

(ALTERNADORES)

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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA SNCRONA


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Principio de funcionamiento

Se basa en la ley de Faraday. Para crear tensin inducida en el devanado inducido o de armadura (estator), se debe crear un campo magntico en el inductor o rotor.

El campo magntico en el rotor se crea mediante la circulacin de una corriente continua ingresada en la mquina a travs de anillos rozantes y escobillas (corriente de excitacin).

El rotor gira por la mquina motriz acoplada al eje. El giro del campo magntico del rotor inducir una f.e.m. o tensin en el devanado inducido o de

armadura (estator) que al estar conectada una carga, producir la circulacin de una corriente alterna

fluyendo a travs de l.

La corriente alterna del estator, por el Teorema de Ferraris, crea un campo magntico giratorio a igual velocidad del rotor.


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Fotografas mquinas sncronas


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fi

rm mecT

oT

MOTOR

PRIMO

elecPmecP

CARGA

I

fE


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f wE 4,44fN K

Tensin interna generada a tensin inducida en el estator por fase

es dada por:

Suponiendo el enrollamiento de campo en el rotor (algo comn)

siendo alimentado por corriente continua. El rotor es accionado por

una mquina primaria (que puede ser una turbina hidrulica, motor a diesel) y un campo magntico girante es el entrehierro. (Vaco de aire ).

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Este campo es denominado de campo de excitacin por qu

es producido por la corriente de campo.

En los enrolamentos del estator desfasados de 120 grados en

el espacio sern producidas tres tensiones de misma

amplitud, sin embargo desfasadas de 120 grados entre s.

Ellas son denominadas de tensin de excitacin.


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CURVA DE MAGNETIZACIN

Ef

If


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CIRCUITO EQUIVALENTE

La tensin interna generada producida en una fase del

generador no es que siempre aparece en las terminales del

generador.

La tensin de salida solamente es igual la tensin interna

generada en la condicin sin carga.

La plantilla a travs del circuito equivalente debe ser capaz de

reproducir esa diferencia.


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Existe un gran nmero de factores que causa esa diferencia:

A. El resto del campo magntico en el air gap por la corriente

fluyendo en el estator llamada de reaccin de armadura;

B. La inductancia propia de las bobinas de armadura;

C. La resistencia de las bobinas de la armadura;


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A. El efecto de la forma del rotor de polos salientes.

OBS: Inicialmente abordaremos el desempeo en rgimen

permanente de la mquina sncrona de polos cilndricos. Un

abordaje diferente se hace necesaria para el caso de la

mquina sncrona con rotor del tipo saliente. Ese tipo de rotor

presenta air gap no uniforme.

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El principal efecto que ocurre en la mquina sncrona es

denominado de reaccin de armadura.

EXPLICACION:

Cuando un generador es accionado por una mquina

primaria, una tensin Ef. es inducida en los enrollamientos del

estator. Si una carga es conectada en las terminales del

generador, una corriente fluye. Pero, corrientes trifsicas

fluyendo producirn su propio campo magntico en la

mquina.


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El campo magntico del estator distorsiona el campo

magntico inicial del rotor, cambiando la tensin de fase

resultante.

Entonces el flujo resultante en el air gap es la resultante de los

flujos producidos por la corriente del rotor If y por la corriente

del estator Iba.


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DIAGRAMA FASORIAL

Ff

f

Ef

Ia

Fa a

r

Fr


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Ateno as nomenclaturas:

La fuerza magnetomotriz producida por el enrollamiento de campo es Ff

(debido If ) y el flujo f producida Ff son representados al largo de la misma recta.

La tensin inducida Ef se atrasa en relacin al flujo f por 90 lo. Asumiendo que la corriente del estator Iba se atrasa en relacin la

tensin interna por un ngulo . . La fuerza magneto motriz Fa debido a la corriente de armadura Iba, y el flujo la producido por Fa en la misma direccin de la corriente Iba.


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Modelo de circuito equivalente

La corriente If en el enrollamiento de campo produce un flujo f en el air gap. La corriente Iba

en el enrollamiento de armadura produce el flujo a. Parte de este flujo, . La corriente If en el

enrollamiento de campo produce un flujo f en el air gap. La corriente Iba en el enrollamiento

de armadura produce el flujo a. Parte de este flujo,

La mayor parte del flujo a, denominado aire, flujo de reaccin de armadura enlaza

tambin el enrolamiento de campo siendo establecido en el air gap.


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Sistemas de excitacin

Sistema de excitacin con dnamo excitatriz

Sistema de excitacin electrnico

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El voltaje generado (fem eficaz) esta dado por la expresin:

En dnde:

m = es el flujo mximo en la mquina (funcin de I

e)

f = es la frecuencia elctrica

Kc = es una constante constructiva de la mquina sincrnica

La forma de onda de la expresin anterior no es completamente senoidal lo que significa la

presencia de armnicos.

Estos armnicos se reducen por la distribucin y acortamiento de bobinas.

fKE

fNKKKE

mc

madf

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Funcionamiento en vaco SENATI SEMESTRE IV DUAL Imponiendo Calidad


La caracterstica de funcionamiento en vacio es la curva Eo = f (I

e) que expresa la fem en

bornes en funci{on de la corriente excitacin.

Determinacin de la curva en forma experimental.

La relacin entre el voltaje generado y la corriente de excitacin Ie se conoce como

caracterstica de saturacin del generador:

Ie (amperios)

Eo (voltios)

Funcionamiento en vaco

Saturacin del

ncleo


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Funcionamiento con carga

Cuando una corriente circula por el inducido, el flujo ya no esta engendrado solo

por el inductor , sino que a la accin de ste se le superpone el flujo creado por el

inducido. Este fenmeno se denomina reaccin del inducido.

Con la corriente del inducido se produce:

- una cada de tensin en el inducido

- a la vez se produce una fmm que reacciona con la del inductor modificando el flujo del

entrehierro de la mquina.

1. La cada de tensin en el circuito se produce en la resistencia y la inductancia de

dispersin del inducido (estator).

2. La reaccin del inducido depende de la magnitud y de la fase de la corriente.


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Carga resistiva: la reaccin del inducido es transversal y se suma en cuadratura a la fmm

inducida.

Carga inductiva: la reaccin del inducido es desmagnetizante (se opone al inductor).

Carga capacitiva: la reaccin del inducido es magnetizante (se suma al inductor).

Reaccin del inducido


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Reaccin del inducido

R

R

R


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Funcionamiento con carga

Corriente de excitacin constante y carga variable Voltaje en la carga constante y carga variable

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Mquina con rotor cilndrico Flujos dispersin devanado inducido

Se debe considerar la reactancia del inducido que se debe al flujo de dispersin del estator que no

interacciona con el flujo del rotor. Este flujo se desarrolla en las cabezas de las bobinas y dentro de

las ranuras donde se sita el devanado.

Este flujo de dispersin permite definir el coeficiente de autoinduccin L.

donde: X = L 2 f


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Mquina con rotor cilndrico Flujos dispersin devanado inducido

El flujo de dispersin que esta en fase con la corriente de excitacin I produce una cada de

tensin (adelantada 90 con respecto a I)

E = + j X I

El flujo de reaccin del inducido (p)esta en fase con la corriente de excitacin I produce una cada de tensin Ep (esta retrasada 90 con respecto a I)

Ep = - j X

p I

En la Figura de la siguiente lmina, se consigue sustituir el tringulo rayado de fmm por otro

tringulo semejante de fem por la proporcionalidad entre magnitudes consecuencia de considerar

un circuito magntico lineal.


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Mquina con rotor cilndrico Circuito equivalente

Xs =

X + Xp (reactancia sncrona)

Zs =

R +

j X

s (impedancia sncrona

)

Eo = fem en vaco, (V)

V = voltaje en bornes de mquina sncrona (V)

R = resistencia del inducido por fase (ohm)

Xs = reactancia sncrona por fase (ohm)

X = reactancia de dispersin por fase (ohm)

Xp = reactancia de reaccin del inducido (ohm)

I = intensidad de corriente (A)

Er = fem resultante sin reaccin del inducido (V)


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Caractersticas de la carga

Eo

Eo

Eo


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Prueba de vaco:

Prueba de cortocircuito:

VE

I

0

0

Prueba de vaco y cortocircuito

corto

s

cortoscortos

I

EZ

IZIjXRE

V

0

0 )(

0

Velocidad nominal de sincronismo

Voltaje nominal (Vn)

Corriente de excitacin para producir Vn

Velocidad nominal de sincronismo

Voltaje nominal igual cero (Vn=0)

Corriente de excitacin para producir 130% de In

El valor de la R se puede medir con ohmetro


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Prueba de vaco y cortocircuito

Zs vara debido a saturacin de la mquina

Para excitaciones pequeas la Zs es constante

fO

OdsaturadaZ

eO

OdnosaturadaZ

s

s

')(

')(

Zs es constante para excitaciones pequeas, la

caracterstica de vaco coincide con la recta del entrehierro, dando lugar a la Z

s no saturada

En la prctica la mquina trabaja en el codo de la curva de vaco.

Zs para fines prcticos se acostumbra tomar el valor

saturado

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Mquinas polos salientes. Regulacin tensin

Caractersticas:

Entrehierro variable , mayor en eje de cuadratura o transversal (regin media entre polos o

lnea interpolar).

La reaccin del inducido se descompone en dos: fmm de reaccin de eje directo o

longitudinal y fmm de reaccin en eje cuadratura o transversal.


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Existen tres fmm Fe; Fd; y, Fq que al considerar la teora lineal de la mquina puede asumir

que son flujos independientes que crea a su vez fem inducida.

E

pd = - j X

pd Id

; E pq

= - j Xpq

Iq

; I = Id + I

q

E pd = fem de reaccin del inducido eje directo

E pq = fem de reaccin del inducido eje cuadratura

Considerando la fem producida por la reactancia de dispersin.

E

= + j X I


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qqddo

qsq

dsd

pqsq

pdsd

qpqdpdo

qpqdpdo

qd

qpqpq

dpdpd

IjXIjXVE

XX

XX

XXX

XXX

IXXjIXXjVE

IjXIjXIjXRIVE

III

IjXE

IjXE

)()(

;

; Epd y Epq = fem reaccin del inducido de eje directo y eje cuadratura

Xd y Xq pueden ser determinadas

prcticamente mediante pruebas de

deslizamiento.


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dqdqd

odqdqo

dqddo

IXXsenIXXbd

OdEIXXjIjXVE

IIjXIjXVE

)(*)(

;)(

)(


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Una forma prctica de comparar el comportamiento de la tensin generada por dos mquinas sincrnicas, es a travs de la comparacin del factor denominado regulacin de voltaje (VR). El VR de un generador sncrono para una determinada carga, factor de potencia, y, velocidad nominal, se define como: En donde: Vfl = es la tensin a la salida del generador a full carga Enl = (equivalente a Ef) es la tensin en los bornes sin carga (tensin interna), a velocidad nominal, cuando se

quita la carga sin necesidad de cambiar el campo actual. En los generadores con factor de potencia rezagados, el VR es altamente positivo. Para factores de potencia medios, VR es positivo, y, para factores de potencia altos, el VR es negativo.

%100

fl

flnl

V

VEVR

Regulacin del voltaje SENATI SEMESTRE IV DUAL Imponiendo Calidad


LEY FARADAY

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La ley de induccin electromagntica de Faraday (o

simplemente ley de Faraday) establece que el voltaje inducido

en un circuito cerrado es directamente proporcional a la

rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magntico que

atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde


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VELOCIDAD SINCRONA


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Se llama velocidad sncrona o velocidad del sincronismo a la

velocidad de giro de un motor cuando esta es igual a la

velocidad del campo magntico del estator. La velocidad

sncrona es constante y depende de la frecuencia de la tensin

de la red elctrica a la que est conectado el motor y del

nmero de pares de polos del motor. Como en el caso de los

motores trifsicos, la velocidad sncrona de todos los motores

de induccin monofsicos, esta dada por la ecuaci


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Donde: ns= Velocidad sncrona dada en r.p.m. (revoluciones por minuto). = Frecuencia de la fuente en Hz (Hertz) p= Numero de polo


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FRECUENCIA

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Frecuencia es una magnitud que mide el nmero de repeticiones por

unidad de tiempo de cualquier fenmeno o suceso peridico.


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MATEMATICA APLICADA


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