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Laboratorio N 9 Transformadores – Relés e Interruptores magnéticos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Página 1

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR

DE SAN MARCOS LABORATORIO DE

FÍSICA III“Transformadores – Relés e

Interruptores magnéticos”

Experiencia N° 9

Grupo: Martes (6pm- 8pm)

Atúncar Rojas, Rosmery Campos Rubina, Luis Costilla Albites, Roussel Díaz Dionisio, Álvaro Lévano Bermudez, Rocío Paez Luis, Jorge Portilla García, Lyn

Fecha de práctica: 11 de junio del 2013Fecha de entrega: 18 de Junio del 2013

LIMA – PERÚ


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INTRODUCCIÓN

Esta experiencia tiene como objetivo conocer sobre las propiedades y características de

los transformadores, relés e interruptores magnéticos; así como también su aplicación

práctica y cómo se comportan.

El trasformador es una máquina estática de bajas pérdidas y tiene un uso muy extendido

en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica.

Características como estas serán observadas en la práctica.


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MARCO TEORICO

TRANSFORMADORES

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir latensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La

potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sinpérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un

pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otrosfactores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un ciertonivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómenode la inducción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de materialconductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, peroaisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujomagnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricadobien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para

optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios ysecundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión,

respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso,puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Funcionamiento

Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, yaque si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a lavariación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de unflujo magnético variable en el núcleo de hierro.

Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza

electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundariodependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de latensión del devanado primario.

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía Ganzcrearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en

un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleoabierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:


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Donde: (Vs) es la tensión en el secundario y (Ns) es el número de espiras en el secundario,(Vp) y (Np) se corresponden al primario.

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra quehabía sido acuñada por Bláthy Ottó.

En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él leencomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso

comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

Tipos de transformadores

Según sus aplicaciones:

Transformador elevador/reductor de tensión

Un transformador con PCB, como refrigerante enplena calle.

Son empleados por empresas de generacióneléctrica en las subestaciones de la red detransporte de energía eléctrica, con el fin dedisminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la

resistencia de los conductores, conviene transportarla energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir

nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. La mayoría de losdispositivos electrónicos en hogares hacen uso de transformadores reductoresconectados a un circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de tensiónde corriente directa que necesitan. Este es el caso de las fuentes de poder de equipos deaudio, video y computación.

Transformadores variables

También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de

tensión de salida variable ajustable, dentro de dosvalores.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el

secundario, de manera que consigue una alimentacióno señal "flotante". Suele tener una relación 1:1 entre las

http://es.wikipedia.org/wiki/Policloruro_de_Bifenilohttp://es.wikipedia.org/wiki/Subestaci%C3%B3n_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador_de_onda_completahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_poderhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diapositiva14.PNGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformador_de_calle_a_PCV.JPGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diapositiva14.PNGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformador_de_calle_a_PCV.JPGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Diapositiva14.PNGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformador_de_calle_a_PCV.JPGhttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_poderhttp://es.wikipedia.org/wiki/Rectificador_de_onda_completahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joulehttp://es.wikipedia.org/wiki/Subestaci%C3%B3n_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Policloruro_de_Bifenilo


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tensiones del primario y secundario. Se utiliza

principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente conla tensión de red y también para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en

equipos de electromedicina y donde se necesitan tensiones flotantes.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesariaspara el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuitoprimario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éstese queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estosfusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador.

Transformador trifásico

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma deestrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entreellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasarde Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían.

Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en elprimario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundarioquedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de

la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladoresde tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corrienteeléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamentesu tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la

tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada,llamados fuente conmutada.

Transformador de frecuencia variableSon pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda deaudiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos

electrónicos para comunicaciones, medidas y control.

http://es.wikipedia.org/wiki/Electromedicinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fusiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutadahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_conmutadahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fusiblehttp://es.wikipedia.org/wiki/Electromedicina


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Transformador de grano orientado.

APLICACIONES

Transformadores para ensayos

Los transformadores para ensayos, usados para realizar pruebas de tensiones elevadas abaja frecuencia, han sido desarrollados para tensiones superiores, para hacer posible elestudio de aplicaciones de tensiones de transporte cada vez mayores. A menudo senecesitan tensiones de 1 500 000 o más volts. Se han construido unidades para 1000 KVrespecto a tierra, pero normalmente resulta más económico obtener tales tensiones

conectando dos o más unidades en «cascada» o en «cadena». Los transformadores paraensayo, normalmente están proyectados para aplicaciones de corta duración. Sinembargo, para aplicaciones especiales, puede requerirse una potencia de varios miles dekVA y el tiempo de aplicación puede ser continuo.

Transformador de corriente típico de laboratorio

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trafo.JPGhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trafo.JPG


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Transformador de corriente típico de laboratorio

Transformador trifásico de laboratorio

Transformador monofásico de laboratorio


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Transformador de distribución común de la ciudad

Transformadores de distribución empresa eléctrica

Autotransformador típico de laboratorio


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Transformador de potencia

Transformador trifásico interior


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1.- Transformador sin núcleo y con núcleo

Se estudiará la transmisión de energía en untransformador con y sin núcleo de hierro y seconocerá el efecto importante que tiene dicho

componente.

Monte el siguiente arreglo experimental.

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen delinstrumento.

Realice los siguientes ajustes:

Forma de la curva SINUS

Frecuencia en 500Hz

Amplitud 1:1 y 100%

Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara.

Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones.

Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como seindica, con el núcleo de hierro.

Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.

¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sinnúcleo?

Con el núcleo, la lámpara se enciende.

http://ln-vi:31/


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¿En el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión deenergía?

El núcleo de hierro procura un buen acoplamiento magnético entre el

devanado primario y el secundario.

La mayor parte de las líneas del campo magnético pasan por el interior del

núcleo de hierro.

Gracias al núcleo de hierro, el flujo magnético generado por el devanado

primario se conduce a través del secundario.

2.- RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Se aplicará una tensión alterna al transformador, se medirá con el voltímetro la amplitudde las tensiones primarias y secundarias y se calculará la relación de transformación.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes

ajustes:

Rango : 5V, DC

Display digital.

Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz).


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Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes

ajustes:

Rango : 2V, DC

Display digital.

Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice lossiguientes ajustes:


Frecuencia 50 Hz

Amplitud 1:1 y 25%

Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.


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Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:

Voltímetro A: tensión primaria V U PRIM

5.1

Voltímetro B: tensión secundaría V U SEC

5.0

Varíe el número de espiras del transformador 4001 n y 200

2 n . La animación STEP2

muestra la manera de hacerlo.

Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:

Voltímetro A: tensión primaria V U PRIM

78.1

Voltímetro B: tensión secundaria V U SEC

86.0

Calcule:

Tensión primaria/ tensión secundaria: 18.2SEC

PRIM

U

U

Espiras del primario/ espiras del secundario: 22

1

n

n

¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta? Las tensiones se comportan casi de igual manera que el número de espiras

correspondiente.

¿Por qué la razón de tensión de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la

relación entre el número de espiras de los devanados?

Porque el flujo magnético de dispersión hace que disminuya el flujo del derivado

secundario. Porque el núcleo desamable tiene un entrehierro muy grande, y esto hace que se

presente flujo de dispersión.


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3.- TRANSFORMADOR CON CARGA

Se aplicará una carga a un transformadory se medirá la tensión del secundariomientras se aumenta la carga. Los valores

medidos se anotarán en una tabla y serepresentarán gráficamente.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen.Realice los siguientes ajustes:

Rango: 5 V, DC Display digital


Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen.Realice los siguientes ajustes:

Rango: 2 V, DC

Display digital


Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice lossiguientes ajustes:


Frecuencia 50Hz

Amplitud 1:1 y 40%

http://ln-vi:61/http://ln-vi:31/http://ln-vi:62/


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Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.

Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En laanimación sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100 Los otros casos seobtienen conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100 . El valor 9999

representa el caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10 se obtiene

aproximadamente con la lámpara.

Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla:

R/[Ohm] U2/[V]

9999.00 1.11

200.00 1.11

100.00 1.00

50.00 0.92

10.00 0.80


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REPRESENTACION GRÁFICA U vs R

¿Cuál afirmación es correcta sobre un transformador es correcta?

La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.

CUESTIONARIO SOBRE EL TRANSFORMADOR

1. ¿En que se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? El devanado primario consume potencia.

2. ¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna?

Las tensiones primaria y secundaria se comportan de igual manera que el

correspondiente número de espirales de los devanados.

Las corrientes primaria y secundaria se comportan de manera inversa al

correspondiente número de espiras de los devanados.

3. Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas que presentan.

Calentamiento debido a las pérdidas.

Pérdidas en el hierro del núcleo debido a corrientes parásitos.

Perdidas en los devanados debido a la resistencia del alambre de cobre. Mal acoplamiento entre los devanados debido a la dispersión

4. En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión? La tensión del secundario disminuye.


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RELEES MAGNÉTICOS

En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su telégrafo de registro de señales,desarrollado con el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento en el quenació el relee. Su nombre se deriva del francés y al comienzo se utilizó en las

comunicaciones para la retransmisión de mensaje, de modo similar a las estaciones derelevos (celáis) propias de la época en que el correo era transportado por diligenciastiradas por caballos.

En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los relees electromecánicos estaríanpasados de moda. Pero en la realidad, hoy en día se fabrican más relees que nuncaantes.

El relee es, en principio, un conmutador que, con una corriente eléctrica de muy bajapotencia, acciona contactos conmutadores que

pueden conectar potencias mayores.

Los relees existen en muchas formas:

Estable o monoestable (regresan a laposición inicial)

Biestables, conocido también comoconmutador de control remoto.

Con diferentes cantidades de contactosde conmutación.

Relees temporizados (excitación o desexcitación con retardo)

Para diferentes tensiones de mando.

Para diferentes corrientes de conmutación.

Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra arrollada una bobina. Si alconectar el relee, la corriente circula por la bobina, se generan un flujo magnético, cuyaslíneas transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El circuito magnético secierra a través del hierro exterior y la armadura que se puede ver arriba. El campomagnético produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la armadura seencuentran los contactos de conmutación fijados con aislante. La armadura es móvil y lafuerza de atracción magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro.

Los contactos se accionan debido al movimiento de la armadura, el circuito eléctrico

principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera se puede construir uninterruptor o un conmutador.

Al suspenderse la corriente de excitación, en los relees monoestables, la fuerza de unresorte procura que el contacto retorne a su posición inicial.


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2.- CONECTAR EL RELEE

Sé aplicará una tensión al devanado de

excitación del relee. Con el contacto de

conmutación se encenderá una lámpara en elcircuito eléctrico principal. Monte el siguientearreglo experimental. Abra y cierre variasveces la última conexión y observe lo quesucede (también dentro del relee).

¿Qué sucede después de que el relee se conecta a la tensión de alimentación?

Responda detalladamente este proceso.

-El relé emite un sonido de “clic”.

-La lámpara se enciende.

-El inducido con los contactos se mueve


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Diodo de vía libre

El devanado de excitación de un relee representa una inductancia. Tras la carga

eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de tensión negativa.

El diodo de vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la corriente sigacirculando brevemente, disipando la energía electromagnética acumulada, sin que sepresente las puntas de tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de latensión al conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se complementaracon un diodo vía libre.

3.- PUNTA DE INDUCCIÓN

Se conectará y desconectará el relee y seobservará lo que sucede al desconectarlo. Acontinuación se repetirá el experimento con eldiodo de vía libre y se advertirá la diferencia.

Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y

cierre varias veces la conexión con la alimentaciónde tensión de 5V y observe el comportamiento de lalámpara fluorescente.

Nota: La lámpara se utilizará solamente como indicador de “alta tensión”. La lámpara se

enciende solo a aprox. 110V, por debajo de esta tensión permanece oscura.


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INTERRUPTOR DE LÁMINAS

Fundamento Teórico

Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercano,colocados dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentra cerca de uncampo magnético, los contactos adoptan polaridades distintas y se cierranabruptamente. De este modo se establece la conexión eléctrica entre ambos contactos.

Los interruptores de láminas se comportan de diferente manera, según sea el modo enque se acerca el imán al tubo

Arriba: Se encuentran presentes dos campos para dos puntos de conmutación. Enla mitad del tubo los contactos permanecen abiertos.

Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas sólotiene un punto de conmutación.


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EXPERIMENTO DE INTERRUPTOR DE LÁMINAS

Se observara el funcionamiento de un interruptor de

láminas. Para esto se montara un circuito eléctricocon una lámpara, que se encenderá y apagara pormedio de un interruptor de láminas cuando un

campo magnético actúe sobre el interruptor.

Monte el siguiente arreglo experimental.

Saque de su soporte los dos imanes permanentes.

Pase uno de los imanes cerca del interruptor deláminas y observe el comportamiento del interruptor

cuando se pasa el imán en diferentes posiciones,como se describe a continuación:

Vertical: polo norte hacia abajo

Vertical: polo sur hacia abajo

Horizontal: polo norte hacia la izquierda

Horizontal: polo sur hacia la izquierda

1. ¿Cuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con elexperimento y explique cada una detalladamente?

Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de

conmutación. Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de

conmutación.

2. ¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distanciasmayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente?

Es más sensible al acercar el imán horizontalmente


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CUESTIONARIO

¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de láminas(reed)?

Los reed switch son utilizados ampliamente en el mundo moderno como partesde circuitos eléctricos. Un uso muy extendido se puede encontrar en los

sensores de las puertas y ventanas de las alarmas antirrobo, el imán va unido ala puerta y el reed switch al marco.

En los sensores de velocidad de las bicicletas el imán está en uno de los radios

de la rueda, mientras que el reed switch va colocado en la horquilla.Algunos teclados de computadoras son diseñados colocando imanes en cada

una de las teclas y los reed switch en el fondo del placa, cuando una tecla espresionada el imán se acerca y activa sus reed switches.

Actualmente esta solución es obsoleta, usándose interuptores capacitivos quevarian la condición de un circuito resonante.

http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Bicicletahttp://es.wikipedia.org/wiki/Teclado_de_ordenadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Computadorashttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impresohttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_impresohttp://es.wikipedia.org/wiki/Computadorashttp://es.wikipedia.org/wiki/Teclado_de_ordenadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Bicicletahttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad


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CONCLUSIONES:

Pudimos deducir que los resultados numéricos teóricos no esta tan distantes de larealidad, sino que solo existen pequeñas diferencias producidas por ciertasperdidas que en muchas ocasiones no se tienen en cuenta a la hora de analizarlas respectivas respuestas puesto resultaría muy complicado tener en cuenta esaspérdidas, además se pudo aplicar la identificación de la polaridad de losdevanados del transformador, comprobando así los conceptos teóricos con la

práctica.

Se ha podido comprobar mediante la práctica que el relé puede ser muy útil enprocesos industriales, ya que por ejemplo en el caso de que se fuera la luz y unmotor o una máquina de alto consumo se quedase en marcha, con un sistema deenclavamiento al volver la luz no habría gasto en electricidad, y esto se notaríasustancialmente en los gastos energéticos.

También hemos podido ver como un relé puede funcionar como una especie deinterruptor, pero un poco más sofisticado, ya que un interruptor se actúa sobre elde forma manual; mientras que un relé cambia su estado por medio de un campomagnético, creado por la bobina alimentada.
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