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ITM. Gil Tobón. Muñoz Marín. Protecciones eléctricas.

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Relés térmicos y Fusibles, como elementos de protección Gil Tobón, Jesid Arturo Muñoz Marín, Mauricio Andres Instituto Tecnológico Metropolitano ITM Institución Universitaria

Resumen—Un sistema de protección bien concebido, es vital para asegurar que la instalación eléctrica opere dentro de los requerimientos y parámetros previstos, para brindarles seguridad a los equipos, protegiendo una inversión de capital que casi siempre es grande. Las protecciones eléctricas, permiten aislar las fallas tan rápido como sea posible para minimizar los daños. Ante la ocurrencia de una falla o de una condición anormal, el sistema de protección debe ser capaz de detectar el problema inmediatamente y aislar las secciones afectadas. La protección debe ser lo suficientemente sensible para que opere con rapidez. En este paper se presenta en forma general el relé térmico como protección contra sobrecarga y el fusible como instrumento de protección contra cortocircuito.

Índice de Términos— Fusible, relé térmico Sobrecarga, cortocircuito.

I.INTRODUCCIÓN

Todos los circuitos tanto alimentadores, circuitos ramales, acometidas, o bien sea cables y equipos de una instalación eléctrica industrial deben protegerse inexcusablemente, contra los defectos perjudiciales de las sobrecargas y los cortocircuitos. Esta protección se realizara mediante dispositivos que sean capaces de producir la desconexión del circuito que presenta la falla, en un tiempo apropiado, cuando la intensidad sea mayor a la nominal y esta se prolongue por un largo tiempo.

exceder demasiado de el ( de 1.1In a 3In), aparte no se producen de forma instantánea, permitiendo el circuito adaptarse a los cambios. No son por lo tanto demasiado perjudiciales, siempre que su duración no perita que se alcance temperaturas inadmisibles en los aislantes de los circuitos. Es más, para una correcta utilización de las instalaciones y maquinas es bueno que los dispositivos de seguridad permitan en cierto modo y durante un tiempo determinado, estas sobrecargas, evitándose así desconexiones indebidas que perjudicarían el normal funcionamiento del arranque de los motores, por ejemplo. Esto implica que el dispositivo de protección contra sobrecargas sea inteligente, es decir que permita el paso de intensidades bajas durante un cierto tiempo y, en cambio, con intensidades peligrosas actué con rapidez. a estos dispositivos se les denomina de tiempo-dependiente o característica térmica inversa. Ya que a mayor temperatura (mayor intensidad) el tiempo de disparo decrece. Normalmente el dispositivo mide el calentamiento indirectamente mediante el control de la intensidad que recorre el circuito. Un ejemplo de este tipo de dispositivitos es el relé térmico. [ 1 ] A.

Definición

Son dispositivos que reaccionan ante sobreintensidades a causa de una sobrecarga ligeramente superiores a la nominal, asegurando una desconexión en un tiempo lo suficientemente corto para no perjudicar ni a la red ni a los receptores asociados con él. En la figura 1, se muestra un relé térmico LR3D3361 DE 55-70ª-CLASE 10A.

Los dispositivos capaces de cumplir esta función son: protecciones contra sobrecargas (relés térmicos) y protecciones contra cortocircuitos (fusibles).

II. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCCION CONTRA SOBRECCARGAS (RELE TERMICO) Se entiende que un circuito está afectado por una sobre carga cuando los valores de sus intensidades alcanzan valores más elevados que las correspondientes a su valor nominal, pero sin Figura 1. Rele térmico LR3D3361 DE 55-70ª-CLASE 10A schneider-electric 

Tomado de: http:// http://www.ops-ecat.schneider-electric.com/ecatalogue

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Figura 2. Despiece Rele térmico LR2-D tripolar

B.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del relé térmico se basa en la deformación de ciertos materiales (bimetales) que bajo el efecto del calor. Cuando alcanzan una temperatura determinada, acciona el sistema de de contactos del relé, lo que permite gobernar la maniobra del sistema arrancador. Los relés térmicos por ejemplo los tripolares poseen tres biláminas compuestas cada una por dos metales con coeficientes de dilatación muy diferentes unidos mediante laminación y rodeadas de un bobinado de calentamiento figura 2. Cada bobinado de calentamiento está conectado en serie a una fase del motor. La corriente absorbida por el motor calienta los bobinados, haciendo que las biláminas se deformen en mayor o menor grado según la intensidad de dicha corriente. La deformación de las biláminas provoca a su vez el movimiento giratorio de una leva o de un árbol unido al dispositivo de disparo. Si la corriente absorbida por el receptor supera el valor de reglaje del relé, las biláminas se deformarán lo bastante como para que la pieza a la que están unidas las partes móviles de los contactos se libere del tope de sujeción. Este movimiento causa la apertura brusca del contacto del relé intercalado en el circuito de la bobina del contactor y el cierre del contacto de señalización. El rearme no será posible hasta que se enfríen las biláminas. [ 2 ]

Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

C. Compensación de la temperatura ambiente La curvatura que adoptan las biláminas no sólo se debe al calentamiento que provoca la corriente que circula en las fases, sino también a los cambios de la temperatura ambiente. Este factor ambiental se corrige con una bilámina de compensación sensible únicamente a los cambios de la temperatura ambiente y que está montada en oposición a las biláminas principales. Cuando no hay corriente, la curvatura de las biláminas se debe a la temperatura ambiente. Esta curvatura se corrige con la de la bilámina de compensación, de forma tal que los cambios de la temperatura ambiente no afecten a la posición del tope de sujeción. Por lo tanto, la curvatura causada por la corriente es la única que puede mover el tope provocando el disparo. Los relés térmicos compensados son insensibles a los cambios de la temperatura ambiente, normalmente comprendidos entre –40 °C y + 60 °C.

Figura 3. Principio de compensación de la temperatura ambiente para un relé térmico. Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

D.

Reglaje

Los relés se regulan con un pulsador que modifica el recorrido angular que efectúa el extremo de la bilámina de compensación para liberarse del dispositivo de sujeción que mantiene el relé en posición armada. La rueda graduada en amperios permite regular el relé con mucha precisión. La corriente límite de disparo está comprendida entre 1,05 y 1,20 veces el valor indicado.

Figura 4. Rueda graduada para reglaje en rele térmico LR2D3561 DE 55-70A-CLASE 20 schneider-electric Tomado de: http:// http://www.opsecat.schneider-electric.com/ecatalogue

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E.

3 -

Relés de clase 10: Válidos para todas las aplicaciones corrientes con una duración de arranque inferior a 10 segundos.

-

Relés de clase 20: Admiten arranques de hasta 20 segundos de duración.

-

Relés de clase 30: Para arranques con un máximo de 30 segundos de duración.

Detección de una pérdida de fase

Este dispositivo provoca el disparo del relé en caso de ausencia de corriente en una fase (funcionamiento monofásico). Lo componen dos regletas que se mueven solidariamente con las biláminas. La bilámina correspondiente a la fase no alimentada no se deforma y bloquea el movimiento de una de las dos regletas, provocando el disparo.

En la figura 6, podemos observar, los diferentes tipos de disparo de un rele térmico según su clase.

Los receptores alimentados en corriente monofásica o continua se pueden proteger instalando en serie dos biláminas que permiten utilizar relés sensibles a una pérdida de fase. Para este tipo de aplicaciones, también existen relés no sensibles a una pérdida de fase

Figura 5. Principio de detección de una perdida de fase para un relé térmico. Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

F. Clases de disparo Los relés térmicos se utilizan para proteger los motores de las sobrecargas, pero durante la fase de arranque deben permitir que pase la sobrecarga temporal que provoca el pico de corriente, y activarse únicamente si dicho pico, es decir la duración del arranque, resulta excesivamente larga. La duración del arranque normal del motor es distinta para cada aplicación; puede ser de tan sólo unos segundos (arranque en vacío, bajo par resistente de la máquina arrastrada, etc.) o de varias decenas de segundos (máquina arrastrada con mucha inercia), por lo que es necesario contar con relés adaptados a la duración de arranque.

Figura 6. Curvas de disparo de los relés térmicos. Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

G.

Modos de rearme

El relé de protección se puede adaptar fácilmente a las diversas condiciones de explotación eligiendo el modo de rearme Manual o Auto (dispositivo de selección situado en la parte frontal del relé, figura 7), que permite tres procedimientos de rearranque:

La norma IEC 947-4-1-1 responde a esta necesidad definiendo tres tipos de disparo para los relés de protección térmica:

Figura 7. Boton de rearme en un rele térmico LR3D332 DE 2332A-CLASE 10A schneiderelectric Tomado de: http:// http://www.opsecat.schneider-electric.com/ecatalogue

Tabla. I. Tiempo de disparo según la norma IEC 947-4-1-1 para un relé térmico. Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

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-

En los automatismos complejos, el rearranque requiere la presencia de un operario por motivos de índole técnica y de seguridad: rearme Auto, Figura

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8a. También se recomienda este tipo de esquema para los equipos de difícil acceso. -

las máquinas simples que pueden funcionar sin control especial y consideradas no peligrosas (bombas, climatizadores, etc.) se pueden rearrancar automáticamente cuando se enfrían las biláminas: rearme Auto. Figura 8b.

-

Por motivos de seguridad, las operaciones de rearme del relé en funcionamiento local y de arranque de la máquina debe realizarlas obligatoriamente el personal cualificado. Figura 8c

Figura 9. Asociación del relé térmico con el

Figura 8. Rearme de los relés térmicos.

Tomado de: http://www.electrosector.com/wp-content/ftp/descargas/rele.pdf

Tomado de: http://www.schneider-electric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf

H.

III. DISPOSITIVOS PARA LA PROTECCCION CONTRA CORTOCIRCUITOS (FUSIBLE)

Asociación con un contactor

El relé térmico por sí solo, no puede realizar la desconexión de los equipos al momento de que se presente una sobrecarga, para esto debe trabajar en combinación con un contactor. Figura 9. De manera que el contacto de apertura del relé debe Conectarse en serie dentro del circuito de la bobina del contactor que controla la puesta bajo tensión del receptor.

Un cortocircuito es el contacto directo de dos puntos con potenciales eléctricos distintos: -

En corriente alterna: contacto entre fases, entre fase y neutro o entre fases y masa conductora, en corriente continua: contacto entre los dos polos o entre la masa y el polo aislado.

Las causas pueden ser varias: cables rotos, flojos o pelados, presencia de cuerpos metálicos extraños, depósitos conductores (polvo, humedad, etc.), filtraciones de agua o de otros líquidos conductores, deterioro del receptor o error de cableado durante la puesta en marcha o durante una manipulación. El cortocircuito desencadena un brutal aumento de corriente que en milésimas de segundo puede alcanzar un valor cien veces superior al valor de la corriente de empleo. Dicha corriente genera efectos electrodinámicos y térmicos que pueden dañar gravemente el equipo, los cables y los juegos de barras situados aguas arriba del punto de cortocircuito. Por lo tanto, es preciso que los dispositivos de protección detecten el fallo e interrumpan el circuito rápidamente, a ser posible antes de que la corriente alcance su valor máximo. Dichos dispositivos pueden ser los fusibles, que interrumpen el circuito al fundirse, por lo que deben ser sustituidos,

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5 Tomado de: http://www1.cooperbussmann.com/pdf/d391e103-9042-41f0-b58d-23c7ad50da1d.pdf

A.

Definición

-

Los fusibles son el sistema más antiguo de protección contra fallos eléctricos. Estos dispositivos han perdurado a través del tiempo gracias a unas innegables ventajas: -

Cartucho fusible: comprende el elemento o elementos fusibles, que es necesario sustituir por otro nuevo después del funcionamiento del cortocircuito y antes de que este sea puesto de nuevo en servicio.

Son de construcción rápida y sencilla. Tienen un bajo coste. Son muy rápidos (hasta 5 ms) Dispone de valores de ruptura muy altos (hasta 100KA)

Presentan no obstante, algún inconveniente: -

Cada defecto provoca la ruptura o destrucción del fusible, y por lo tanto, debe sustituirse el componente. Es difícil su calibración temporal, siendo prácticamente imposible obtener respuestas precisas con ellos.

El fusible es un aparato de conexión que tiene como misión el abrir el circuito en el que esta instalado, por fusión de uno varios elementos destinados y diseñados para este fin, cortando la corriente cuando excede de un determinado valor preestablecido. [ 3 ] B.

a Figura 11.

b

c

a. Fusible cilindrico b. Fusible con contacto de rosca. c. Fusible con contacto de cuchillas.

Tomado de: http://www1.cooperbussmann.com/pdf/d391e103-9042-41f0-b58d-23c7ad50da1d.pdf

Partes de un fusible

Un fusible convencional consta de: -

Base portafusiles: es la parte fija provista de bornes destinados a ser conectados a la red y que comprende todos los elementos que aseguran su aislamiento.

C.

Clasificación de los fusibles corta circuitos

Fusibles “distribución” tipo gG (1): Protegen a la vez contra los cortocircuitos y contra las sobrecargas a los circuitos con picos de corriente poco elevados (ejemplo: circuitos resistivos). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga. Fusibles “motor” tipo aM: Protegen contra los cortocircuitos a los circuitos sometidos a picos de corriente elevados (picos magnetizantes en la puesta bajo tensión de los primarios de transformadores o electroimanes, picos de arranque de motores asíncronos, etc.). Las características de fusión de los fusibles aM “dejan pasar” las sobreintensidades, pero no ofrecen ninguna protección contra las sobrecargas. En caso de que también sea necesario este tipo de protección, debe emplearse otro dispositivo (por ejemplo, un relé térmico). Normalmente deben tener un calibre inmediatamente superior a la corriente del circuito protegido a plena carga Dispositivo de protección contra funcionamiento monofásico (dpfm): Se puede instalar en un portafusibles multipolar o en un seccionador portafusibles. Requiere fusibles con percutor (o indicadores de fusión).

Figura 10. Bases portafusibles marca Bussman

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Se trata de un dispositivo mecánico que se acciona mediante el percutor liberado cuando se funde un fusible. Controla la apertura de un contacto conectado en serie con la bobina del contactor. De este modo, queda garantizada la caída del contactor, es decir, la desconexión del receptor, incluso si sólo se funde un fusible. También está disponible un contacto de cierre suplementario para señalizar el fallo a distancia. D.

Funcionamiento

El funcionamiento del fusible es sencillo; cuando una intensidad dentro de los valores nominales pasa por el filamento del fusible, el hilo del filamento evacuara el exceso de calor producido por el paso de la intensidad sin problemas. Cuando la intensidad llegue a valores superiores a su valor nominal, no se podrá evacuar este calor, produciéndose la fusión del hilo del fusible (Tiempo de prearco, que depende de la intensidad del circuito). En este punto el fenómeno es ya irreversible, pero la corriente no cesa de forma inmediata, si no que se prolonga durante un tiempo al que se denomina Tiempo de arco, este tiempo es directamente proporcional a la tensión del circuito. El tiempo total es la suma de los dos anteriores, siendo el tiempo que tarda en desaparecer completamente la corriente. Figura 12. Ejemplo de curva característica de un fusible Tomado de: Harper Enríquez, guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas

E. Curva de protección del fusible Las características de un fusible varían de acuerdo al material usado. El tiempo y la intensidad mínima de fusión del fusible dependen del ambiente y de la intensidad de la corriente en el instante anterior a la sobrecarga o cortocircuito. [ 4 ]

IV.

EJEMPLO DE COORDINACIÓN DE PROTECCIONES Para ilustrar con un ejemplo real sobre el cálculo de protecciones, tales como relés térmicos y fusibles, se tomara el alimentador A3, figura 12, de una instalación eléctrica industrial perteneciente a la empresa Forjas Bolívar S.A.S

La curva característica de un fusible está formada por las siguientes partes, figura 11: -

Curva de tiempo mínimo de fusión: Es la relación de la corriente con el tiempo mínimo al cual se funde el fusible.

-

Curva de tiempo máximo de fusión: Se obtiene adicionando un margen de tolerancia en corriente, a la curva de tiempo mínimo de fusión.

Este alimentador, suministra conexión a los ramales CR9, CR10, CR11, CR12. Los cuales tienen instalados los motores M10, M11, M12, M13, respectivamente.

Figura 12. Alimentador A3, instalación eléctrica empresa Forjas Bolívar S.A.S

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7 B.

Selección protección contra cortocircuito

Tomando como base la tabla 430.152 de la norma 2050, tabla IV. y los factores de servicio de los motores conectados al alimentador A3 Las especificaciones de este circuito alimentador, se muestran en la tabla II. Nº Motor M10 A3

M11 M12 M13

P SNCR (hp) (KVA)

VcR Sistema (V)

15

15,49

220

3φ

10

10,97

220

3φ

10 1

10,97 1,17

220 220

3φ 3φ

IN (A)

IA1 (A)

40,6 5 28,7 9 28,7 9 3,06

101,28

Tabla. II. Características de funcionamiento motores asociados al alimentador A3.

A.

Tabla. IV Tabla 430-152 NTC2050. Intensidad máxima admisible o de disparo de los dispositivos de protección de los circuitos derivados de motores contra cortocircuito y faltas a tierra.

La corriente de cortocircuito, dado que los motores M10,M11, M12 y M13 son de rotor bobinado y que se va a utilizar fusibles sin retardo, la corriente de cortocircuito para cada motor está dada por la siguiente expresión:

Corriente de protección

La Ip (corriente de protección), para cada circuito ramal esta 1

dado por la expresión:

Nº Motor

M10 A3

M11 M12 M13

IN (A) 40,6 5 28,7 9 28,7 9 3,06

IP (A) 50,81

Motor M10 M11 M12 M13

Cap. Cond Cond. Fases (A) THHN/THWN 3N° 6 AWG

75

35,99 3N° 10 AWG

40

35,99 3N° 10 AWG 3,82 3N° 14 AWG

40 25

Tabla. III. Corriente de protección motores asociados al alimentador A3.

Basados en la Ip seleccionamos el relé térmico para cada motor. Motor M10: Escogemos relé térmico MOELLER ZB6540...57 A – Class 10. Motor M11-M12: Escogemos relé térmico MOELLER ZB150- 35...50 A – Class 10 Motor M13: Escogemos relé térmico MOELLER ZB122.4...4 A – Class 10.

1 Según norma NTC 2050. para motores > 1 HP y de servicio continuo, sección 430-32a.

IN (A) 40,65 28,79 28,79 3,06

Icc (A) 60,98 43,19 43,19 4,59

Tabla. VI. Corriente de cortocircuito motores asociados al alimentador A3.

De manera que basados en la Icc de cada motor, seleccionamos el fusible. Motor M10: Escogemos Z-DIII/SE-63A/DZ

un

fusible

MOELLER

Motor M11-M12: Escogemos un fusible MOELLER Z-DIII/SE-40A/DZ. En este caso el fusible debería ser de 50 A, pero como el conductor de estos motores es 3N° 10 AWG, su resistencia máxima es de 40 A. por esta razón se escoge la protección para 40A. Motor M13: Escogemos Z-DIII/SE-6A/DZ C.

un

fusible

MOELLER

Selección de la protección del alimentador

La Ipp (corriente de protección), Del alimentador esta dado por la expresión: Ipp = Ip (motorgrande) + ∑In(otrosmotores )

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Ipp = 63 A + 28.79 A + 28.79 A + 3.89 A Ipp = 124.47 A De manera que el fusible adecuado para el alimentador A3 es MOELLER Z-DIII/SE-125A/DZ. D. Curvas de disparo Motor M10

Grafica 2. Curva de disparo relé térmico ZB150- 35...50 A – Class 10 y fusible MOELLER Z-DIII/SE-50A/DZ. Grafica realizada en "Moeller Curve Select" V1.05

Motor M13.

Grafica1. Curva de disparo relé térmico MOELLER ZB65- 40...57 A – Class 10 y fusible MOELLER Z-DIII/SE-63A/DZ. Grafica realizada en "Moeller Curve Select" V1.05

En la grafica 1. Podemos observar que para el motor M10, si se presentara un fallo por sobrecarga por encima de la corriente de reglaje del relé (Ir =50.81 A), el relé térmico se dispararía, en un tiempo determinado según el valor de la intensidad presentada.

Motor M11-12 Grafica 3. Curva de disparo relé térmico MOELLER ZB12- 2.4...4 A – Class 10 y fusible MOELLER Z-DIII/SE-6A/DZ. Grafica realizada en "Moeller Curve Select" V1.05

En la grafica 2. Podemos observar que para el motor M11 y M12, si se presentara un fallo por sobrecarga por encima de la Derivado del curso de Instalaciones Eléctricas Industriales II. 2013

ITM. Gil Tobón. Muñoz Marín. Protecciones eléctricas. corriente de reglaje del relé (Ir =35.99 A), el relé térmico se dispararía, en un tiempo determinado según el valor de la intensidad presentada. Del mismo modo en la grafica 3. Podemos observar que para el motor M13, si se presentara un fallo por sobrecarga por encima de la corriente de reglaje del relé (Ir =3.8 A), el relé térmico se dispararía, en un tiempo determinado según el valor de la intensidad presentada. V.

OBSERVACIONES

Toda Instalación eléctrica Industrial debe cumplir con varios requisitos indispensables para prestar un servicio con niveles altos de calidad y seguridad. Esto en parte se cumple mediante la aplicación de normas y procedimientos muy precisos durante las etapas de planeamiento, diseño, construcción y operación. Dichos sistemas quedarán expuestos a fallas cuyas causas son múltiples, que además de provocar daños severos son muchas veces impredecibles, por lo que es necesario proporcionarle a dichos sistemas los esquemas de protección adecuados de acuerdo a la dinámica de funcionamiento de la instalación eléctrica industrial. Estos equipos de protección deben estar debidamente calibrados con el fin de minimizar los efectos de las fallas, los tiempos de interrupción y mejorar la continuidad del servicio.

9

edición ed. Barcelona, España: UPC, 2003.

[ 4 ] Harper enriquez, guia practica para el calculo de instalaciones electricas, Editorial Limusa, Mexico, 2004

AUTORES Jesid Arturo Gil Tobón. Estudiante Ing. Electromecánica X semestre, Instituto Tecnológico Metropolitano ITM (Institución Universitaria). Tecnólogo Mecánico. Institución Universitaria Pascual Bravo (2003). Mauricio Andrés Muñoz Marín. Estudiante Ing. Electromecánica X semestre, Instituto Tecnológico Metropolitano ITM (Institución Universitaria). Tecnólogo Electromecánico. Instituto Tecnológico Metropolitano ITM (Institución Universitaria). (2009). Tecnólogo mecánico. Institución Universitaria. Pascual Bravo (2003).

El objetivo fundamental de las Protección eléctricas es evitar o limitar las consecuencias destructivas o peligrosas de las sobrecorrientes (Debido a sobrecargas, cortocircuitos, y fallas de aislamiento), además estas protecciones separar el circuito defectuoso del resto de la instalación. Como regla general, hay que tener en cuanta siempre que debe instalarse un dispositivo de protección contra las corrientes de sobrecarga y cortocircuito para todos los conductores de fase de un circuito eléctrico. Si la desconexión de una sola fase puede causar daños, como por ejemplo en el caso de los motores trifásicos, se recomienda utilizar dispositivos de protección multipolares.

VI.

TRABAJOS CITADOS

[ 1 ] Ramón M Mujal Rosas, Tanología Eléctrica, Segunda edición ed. Barcelona, España: UPC, 2003 [2] schneider-electric. (2013, Mayo) Telesquemario. Tecnologías de Control Industrial. [Online]. http://www.schneiderelectric.com.co/documents/soporte/telesquemario.pdf [ 3 ] Ramón M Mujal Rosas, Tanología Eléctrica, Segunda

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