Sistemas de Energía en Telecomunicaciones Parte V

Universidad Don Bosco UDB SET111 UNIDAD III, Guion 1, Parte2

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UNIDAD III. TIPOS DE SERVICO DE ALIMENTACION A CORRIENTE ALTERNA.

3.10 Requerimientos de la Red Pública.

Como lo hicimos antes con los sistemas de Corriente Directa, tenemos que hacer algo equivalente con los

requerimientos asociados a una red de Corriente Alterna, también conocida como Red de Distribución.

Principalmente se considerarán los siguientes aspectos para definir completamente de una red pública:

- Clase de Tensión

- Tolerancias de la tensión alterna y frecuencia de la red

- Forma de onda y factor de Distorsión Armónica de la tensión alterna de la red

- Fallas la red de la red

3.11 Clase de Tensión.

Los rectificadores para corrientes nominales de hasta aproximadamente 25 A se construyen en general

monofásico, esto es a 220 V y 50 ó 60 Hz y los de 25 hasta 1000 A, trifásicos, esto es, a 380 V y 50 ó 60 Hz. Los

equipos podrán ser adaptados a Tensiones o Frecuencias de red que difieran de estos valores señalados, pero eso

depende particularmente de cada mercado.

Existe también una nomenclatura para la denominación de los bornes de los Rectificadores y las indicaciones de

las tensiones entre éstos. En los sistemas de alimentación de equipos de Telecomunicaciones con “Puesta a

Tierra” funcional y de protección, el conductor de protección PE no se conecta al rectificador, tal y como se verá

en la siguiente figura.

Figura 3.12 Denominaciones de los conductores y valores de tensión.

Las tensiones de línea L1, L2 y L3 de la tensión trifásica están desfasadas entre sí 120° eléctricos. La tensión

entre dos líneas es de 380 V de Corriente Alterna y se denomina “Tensión de Línea”. La tensión entre una Línea y

el Neutro es de 220 V y se denomina tensión de fase.


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Note que estas especificaciones se refieren a las normas DIN 57160, 41750 y DIN 40110 por lo que en

el desarrollo de esta discusión iremos adecuando a nuestra legislación y estandarización.

3.12 Sistemas Monofásicos y Trifásicos.

El concepto de ángulo de fase aplica a voltajes en sistemas multifase, como en el caso Servicio eléctrico

Trifásico y al servicio Monofásico también. En el Sistema Trifásico el voltaje tiene exactamente 120°

eléctricos de diferencia de fase, y los voltajes entre dos terminales de un servicio con Transformador

monofásico tienen 180° eléctricos de diferencia entre fases.

La potencia eléctrica entregada a través de un Transformador de Servicio o banco de transformadores

localizados muy cercanos al sistema que alimentarán. Un transformador simple tiene un devanado

primario y un devanado secundario. La transformación de voltaje depende de la razón de vueltas N y M

entre el devanado primario y el devanado secundario. Por ejemplo si 7200 V son aplicados al devanado

primario de un transformador (es un nivel muy común de Distribución de Voltaje), el voltaje en el

secundario será 7200 entre la razón de vueltas entre devanados. Por ejemplo si la razón “N/M=30”, el

voltaje en el secundario será 7200/30=240 volts. En este tipo de transformador de servicio, el devanado

secundario tiene un “tap central”, así que la razón sobre cada medio devanado efectivo es de 60:1 y el

voltaje desde el “central tap” hacia cada extremo, es de 120 V (ver figura)

Figura 3.13 Relación de Transformación de un solo Transformador de Servicio

Los niveles de voltaje usados en los sistemas de distribución moderno varían desde los 12.700 V a los

34.500 V entre línea - línea. Estos niveles de voltaje son clasificados como voltajes “medios”. Los

voltajes entre línea - neutro típicos de 7200 y 14400 V tienen unos voltajes de línea - línea de 12470 y

24940 V respectivamente. Obviamente existen otros sistemas de Distribución de voltaje antiguos, por

ejemplo el de 2400 V y 4800 V. Para el caso de los transformadores de Servicio Monofásico su sistema

es conocido como “step-down” y los Sistemas Trifásicos inclusive pueden usar un solo transformador

de servicio trifásico con 3 devanados integrados; o alternativamente dos o tres transformadores

individuales, dependiendo de la configuración.

Por supuesto, los voltajes de servicio en los devanados secundarios del transformador se puede medir

entre línea - neutro y entre línea - línea. Típicamente en Servicios monofásico, hay dos líneas (L1 y L2)

y un Neutro (en total 3 conductores/hilos) y los voltajes tienen 180° eléctricos de desfase. Los más

corrientes y comunes voltajes de línea - línea son a 240 V y entre línea - neutro a 120 V. Entonces


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típicamente verá una nomenclatura “120/240 V” que indica que el voltaje de servicio es para un Servicio

Monofásico.

La relación general entre voltaje de línea - línea (L-L) y el voltaje entre línea - neutro (L-N) para un

servicio monofásico es:

La ventaja de un Servicio eléctrico Trifásico está en la eficiencia de Generación y Distribución de

grandes cantidades de Potencia en comparación con el Sistema monofásico. Sin embargo, la mayoría

de Cargas de Corriente Alterna en Telecomunicaciones son monofásicas y son conectadas entre línea -

neutro o entre línea - línea. Para mantener un balance adecuado de cargas, las cargas individuales son

conectadas repartidas tan uniformemente como sea posible a través del Sistema Trifásico.

Figura 3.14 Sistema Monofásico a 120 y 240 V

El uso de sistemas Trifásicos en conexión Estrella o Delta, depende del tipo global de predominancia

de carga que se conectará, esto es si las cargas son mayormente “Luz”o carga de tipo inductivo o de

“Fuerza”. Por ejemplo un sistema trifásico de cuatro hilos en conexión Delta combina las características

de un servicio monofásico para servir cargas línea - neutro, como sería el caso de la iluminación con

características de Servicio Trifásico para servir cargas trifásicas, tales como motores y sistema

rectificadores grandes. En este caso las cargas línea neutro son conectadas entre L1 – N y L2-N, y las

cargas línea - línea son conectadas entre L1 - L2, L2 - L3 y L1- y L3.

La ventaja de un sistema trifásico de cuatro hilos Delta, es que es fácil que teniendo un sistema

monofásico, sea actualizada a un sistema trifásico, simplemente agregando un nuevo o dos nuevos

transformadores monofásicos y de hecho los transformadores que se agregan casi siempre son más

pequeños que el transformador monofásico original, proveyendo algún ahorro en costos en la instalación

eléctrica. Las desventajas son inherentes al desbalance de carga sobre las líneas de distribución

primaria y los problemas de potencial y daño debido a ciertos tipos de falla eléctrica. Adicionalmente

observe que para el voltaje entre L1-N y L2-N, el voltaje es de 120 V, pero para L3-N el voltaje de 208 V

(vea la figura 3.15)


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Figura 3.15 Sistema de Alimentación Alterna en Conexión Delta con 4 conductores.

Con un servicio trifásico con conexión en Estrella (el tipo más común de servicio trifásico) también tiene

tres líneas (L1, L2, L3) y un Neutro, lo cual hace un total de cuatro hilos. Los voltajes tienen una relación

de desfase de 120° eléctricos y hay dos servicio de voltaje comunes con dos 208 V línea - línea y 120 V

línea - neutro y 480 V línea-línea y 277 V línea-neutro (este último típicamente se encuentra en

grandes instalaciones).Las nomenclaturas usadas para indicar estos servicios de voltaje son “208Y/120”

y “480Y/277”, respectivamente. La relación general entre línea-línea y línea-neutro para un sistema

trifásico en conexión Estrella es:

Refiérase a la Figura 3.16 en donde se describe un sistema trifásico en conexión estrella.


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Figura 3.16 Sistema Trifásico de 4 conductores 120/208 ó 277/480

El alambrado en circuitos de Corriente Alterna tiene características eléctricas muy diferentes en

comparación con el alambrado en circuitos de Corriente Directa a causa de dos efectos, el primero

conocido como Efecto “Skin o Piel” y el segundo conocido como “Proximity o de cercanía” y otros

efectos inductivos y capacitivos que tienen que ver con la naturaleza de la Corriente Alterna. El efecto

Skin es la tendencia de las corrientes alternas a fluir muy cercanas a la superficie de un conductor,

con una densidad de corriente muy alta en el centro del mismo. El efecto Proximity es la interacción de

los campos magnéticos alternantes de conductores que están muy próximos. Ambos efectos

incrementan la resistencia de los conductores a frecuencia de potencia, es decir 60 Hz y es más

notorio en calibre de alambres grandes (mayores a 250 Kcmil).

3.13 Tolerancias de la Tensión Alterna y Frecuencia de la red

Según las normas VDE los rectificadores no deben de salir de servicio si la tensión alterna de entrada

varían lentamente entre el 90% y el 110% de la tensión nominal.(240/120 o 220/380, etc)

Los rectificadores se diseñan en general para variaciones de la tensión de línea de entre el -15% y

+10% de la tensión nominal, o sea que si la atención de red se mantiene dentro de éstos Márgenes de

Tolerancia, los dispositivos de regulación de los equipos pueden mantener la tensión de salida

constante dentro del margen de tolerancia estático (por ejemplo +/- 0.5%).


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Además de las variaciones de tensión lentas antes citadas se producen también caídas y sobre

tensiones no periódicas y de duración muy corta. Las descargas atmosféricas que pueden originar

sobretensiones de hasta 100 veces la tensión nominal normal de la red.

Estas sobretensiones se limitan a valores tolerables por medio de descargadores de sobretensión

ubicados en el área de distribución de la red de baja tensión. Una limitación adicional la brinda los

Varistores y diodos TAZ incorporados en los equipos.

También se pueden producir sobretensiones como consecuencia de conexiones o desconexiones que

se efectúan en la red.

En la siguiente figura se representan los valores tolerables para la sobre tensiones no periódicas y de

duración muy corta, derivado de los valores máximos nominales de la tensión alterna de la red. El diseño

de los rectificadores debe ser tal que asegure su funcionamiento a sobretensiones cuyos valores se

mantengan por debajo de la curva 1.

Figura 3.17 Valores de Sobretensiones No periódicas en la red.

Para sobretensiones de valores que encuentren en la zona entre las curvas 1 y 2 actuarán las

protecciones que podrán interrumpir el servicio, pero sin que se produzcan daño alguno en los

Rectificadores.

Además de las sobretensiones deben tenerse en cuenta las Caídas de Tensión. Para el caso de las de

corta duración, como las que por ejemplo ocurren también por conexiones o desconexiones de la red,

los rectificadores deben seguir funcionando en tanto la tensión no caiga más allá del 15% de la tensión

nominal de la red durante un lapso no mayor de 0,5 segundos. Los dispositivos de protección pueden

interrumpir el servicio de los rectificadores si las caídas son más prolongadas o de mayor valor que las

indicadas.


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Como se puede observar en la siguiente figura, la diferencia entre la tensión alterna de la red y el valor

instantáneo de la Fundamental puede ser de hasta 20% del valor máximo de la misma. Durante los

procesos de conmutación, por ejemplo se producen caídas, de duración muy corta, de la tensión alterna

de la red.

En general, son raras las variaciones de frecuencia en las grandes redes interconectadas.

El sistema regulación de los rectificadores mantiene la tensión de salida dentro del margen, por ejemplo

más o +/- 0,5%, aún para variaciones de hasta el +/- 5% de la frecuencia nominal de red “fn” (de 60 Hz

en nuestro país).

Según las normas VDE, los rectificadores deben permanecer en servicio cuando la red pública de

energía eléctrica se producen variaciones de hasta +/- 1% del valor nominal de la frecuencia.

Figura 3.18 Valores admisibles de Caídas de Tensión de red de duración muy corta.

3.14 Formas de onda y coeficientes de Distorsión Armónica de la tensión alterna de red.

Los equipos consumidores conectados a la red, por ejemplo Rectificadores a tiristores con regulación del

ángulo de conducción, generan armónicas que repercuten sobre la red. Pero también en la propia red se

generan armónicas.

Para que los Rectificadores funcionen correctamente, la red debe mantener los siguientes valores:

- El contenido armónico de la tensión alterna de red no debe ser mayor que el 10%;

- No se superarán, para cada armónica, los valores límites indicados por la curva 1 de la siguiente

figura (fig. 3.19) en régimen continuo. Ninguna armónica aunque sea muy breve, con una

duración del orden de los segundos, podrá superar los valores límite de la curva 2 de la figura

3.19 (valores de duración muy corta).


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- El máximo valor instantáneo de la tensión alterna no será mayor que el 20% del respectivo valor

máximo de la fundamental.

El valor de K (coeficiente de de Distorsión Armónica) proporciona una cuantificación del contenido

armónico de la tensión alterna de red:

Si la tensión alterna de red conforma una sinusoide ideal, el valor del Coeficiente de Distorsión

Armónica, el valor K=0.

Figura 3.19 Valores límites para las armónicas en la tensión alterna de la red

Además valen:

Donde, g = contenido armónico de la fundamental.

El número de pulsos “p” del rectificador define qué corrientes armónicas actuarán (ver tabla 3.1) y las

mínimas tendrán las frecuencias “v. f” con el número de armónica

y en la cual v >1.


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Tabla 3.1 Corrientes Armónicas Ideales de rectificadores en la red.

Las amplitudes desde la armónicas son inversamente proporcionales a su número de orden a

condición que las corriente que se toman de la red sean rectangulares ó escalonadas (ángulo de

superposición u=0 y condiciones ideales de filtrado de la corriente continua).

La Corriente Armónica ideal del número “v” tiene independientemente del ángulo de control, el valor

eficaz:

Donde es la Fundamental de la Corriente Lineal ideal en la red.

El contenido armónico ideal de la corriente alterna es:

También la Fundamental de la Corriente Lineal ideal en la red viene dada por :


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En los circuitos Rectificadores No controlados el desfase de las armónicas está prefijado, en cambio en

los Controlados, dichas armónicas dependen del Angulo de Control.

Figura 3.20 fundamental y armónicas de la tensión de red.

Toda oscilación periódica puede ser representada como una sumatoria de componentes

sinusoidales como se representa en la figura anterior. La forma de onda cuadrada ideal de la corriente,

válida para determinado equipo consumidor en una red de tensión sinusoidal, contienen numerosos

componentes de diferente frecuencia. Esto se ha tratado de reflejar en la tabla 3.1, donde se dan todos

los números de orden impares para “v” desde 1 hasta 25.

La frecuencia de red por ejemplo para 50 Hz en la fundamental (100%) y por eso se le asigna el número

de orden v=1 . Las armónicas oscilan con múltiplo entero de la fundamental (v=3 hasta v=25). Cuanto

mayor es la frecuencia, menor es la amplitud del armónica de modo que también disminuye su efecto

perturbador.

El valor de la intensidad de la corriente armónica es el mismo para todos los circuitos e independiente

del número de pulsos “p” (siempre que exista la respectiva frecuencia - en los circuitos con un “p”

elevado no existen las componentes bajas)


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Por ejemplo el armónica número 11 (número de orden v=11) con la frecuencia de 550 Hz se observa

que la corriente armónica ideal tiene igual valor, o sea 9,09% para todos los números de pulsos p=2,

6,12.

El incremento del número de pulsos “p” influye favorablemente debido a que las armónicas de baja

frecuencia, o sea las de mayor ponderación, se eliminan.

En los rectificadores con tiristores monofásicos con corrientes de hasta 25 A se utilizan en general

circuitos rectificadores conectados en Puente monofásico Semicontrolado de 2 pulsos.

Para corriente de entre 25 a 200 Amp. Se utiliza en general Rectificadores tiristorizados conectados en

puente Trifásico controlado de 6 pulsos.

En cada uno de los rectificadores tiristorizados de 500 y 1000 A, respectivamente, se utilizan dos

circuitos Puente Trifásico controlados de 6 pulsos, con lo cual cada equipo presenta un

funcionamiento más favorable, de 12 pulsos.

La relación entre la armónica de orden “v” y las fundamentales, es función del número de orden, el

ángulo de control y la superposición de las ondas de corriente. Toda la reactancia inductiva, tanto

del lado de la red como del lado de los tiristores, originan un retardo en la transferencia de corriente en

los tiristores en procesos de conmutación. Esta reactancia distorsionan los flancos de la onda de

corriente que circula por el circuito de conmutación; entonces, la forma de onda, que idealmente es

cuadrada, pasa a ser trapezoidal, tal y como se presenta continuación.

Figura 3.21 Contenido armónico de la función de forma de la corriente.


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Al trabajar con ángulos de control constante las amplitudes de las armónicas disminuyen con el

incremento de la mencionada reactancia. Por efecto de la superposición las armónicas de orden superior

que las de orden menor. Cuanto mayor es el ángulo de superposición u – o sea cuanto mayor es un

inductancias presentes en el circuito de corriente - tanto más se alargan las semioscilaciones

trapezoidales y se reducen los valores eficaces de las armónica reales. El ángulo de superposición

depende no sólo de la inductancia del circuito sino también del ángulo de control.

Entre la corriente continua, “con filtro ideal” y la corriente pulsante en el límite de la discontinuidad (ver la

figura anterior entre a) y c) ) se puede suponer una variación continua del contenido armónico. Con la

aproximación en dirección al límite de la discontinuidad se incrementa notablemente los valores de la

quinta y séptima armónicas, mientras que disminuyen las armónicas de mayor orden.

En la siguiente tabla será la relación de la corriente armónica Iv con respecto a la fundamental I1 para

una forma de onda rectangular de la corriente continúa pulsante, utilizando un rectificador trifásico

puente controlado de 6 pulsos.

Tabla 3.2 Corriente armónica con rectificador trifásico puente controlado de 6 pulsos.

Y en las tablas de, se indican los valores empíricos para determinar las corriente armónica previsible en

la red usando un rectificador trifásico puente controlado de 6 pulsos.

El ángulo de control α= 0 (conducción total) corresponde como se sabe a un rectificador no controlado

y con un u=uo es cuando la conmutación tiene su máxima duración y seguido las armónicas son muy

reducidas en este caso. Con el ángulo el control máximo se obtiene la mínima conducción pero no

implica un máximo de las armónicas. Este máximo se obtiene aproximadamente con una

conducción media.

En la siguiente figura se ilustra la corriente armónica “Lv” en función del ángulo de control “d” para las

diferentes armónicas de orden “v” (fundamental como v=1=100%). En este ejemplo se eligió un

rectificador trifásico puente controlado de 6 pulsos.


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Tabla 3.3, Figura 3.22 corriente armónica en función del ángulo de control.

Existen diferentes posibilidades para atenuar la generación de armónicas o suprimir su propagación a la

red. Lo más simple impedir, por medio de un circuito adecuado (con elevado número de pulsos), la

generación de armónicos.

Otra posibilidad consiste en reducir las armónicas recurriendo a procedimientos especiales de disparo

de los tiristores. También utilizando filtros se puede reducir la profanación de armónicas a la red.

Supresión de armónicas de corriente incrementando el número pulsos.

Hasta hace poco se utilizaba un Transformador Desfasador para aumentar los pulsos y, por lo tanto,

reducir las reacciones de rectificadores tiristorizados sobre la red (de 500 y 1000 A – GR 10).

Dos rectificadores forman siempre un “par”(aunque suene redundante). En uno de ellos el desfasaje de

la atención del primario es de + 15º y en el otro es de -15 º (ver siguiente figura), de donde resulta sobre

la red el efecto originado, en general, con un circuito de 12 pulsos.

En la figura 3.24 a) se representa un transformador Desfasador conectado para que la tensión atrase

15º y en la 3.24 b) para que adelante 15º. Este desfasaje se obtiene subdividiendo arrollamientos con

diferente número de espiras entre distintas columnas del transformador Desfasador. Se podrá usar este

transformador, además, para adaptar la tensión nominal en redes que no sean de 380 V.

En los equipos de 500 y 1000 A, del nuevo diseño, se utilizan 2 circuitos Puente trifásico controlados

respectivamente. Como el transformador principal usado poseer dos bobinados secundarios con

tensiones desfasadas en 30° eléctricos se obtiene de esta manera también el efecto, sobre la red, de un

circuito de 12 pulsos, pero es en este caso, para cada uno de los equipos.


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Figura 3. 23 Desfase por efecto de un transformador Desfasador.

Ahora observe las siguientes figuras, donde se puede comparar la forma de onda escalonada de la

corriente en un circuito de 6 pulsos, con uno de 12 pulsos.


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Figura 3.24 Transformador Desfasador T2.

Frente el circuito de 6 pulsos, en el de 12 pulsos se observa que alcanza a mejorar notablemente la

forma de onda de la corriente que se aproximan bastante a la corriente senoidal al ideal.

Figura 3.25 forma de onda escalonada ideal de la corriente de red en rectificadores de 6 y de 12

pulsos.


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Supresión de armónicas de corriente por medio del Control por Ciclos Integrales.

En el control por ciclos integrales (conmutación de ciclos enteros) el tiristor se dispara o permanece

bloqueado durante siclos enteros permitiendo el pasaje o bloqueando la corriente durante lapsos

definidos. A mayor número de ondas completas bloqueadas menores la tensión de salida.

Supresión de armónicas de corriente por filtros.

Para eliminar las armónicas generadas por los rectificadores se pueden usar filtros en los circuitos de

baja tensión (también denominado circuito de filtrado o de absorción) que se sintonizan en la frecuencia

de las armónicas (por favor vea la siguiente figura)

Figura 3.26 Conexión del rectificador y de los filtros a la red.


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3.15 Fallas de la red.

En Europa, las redes públicas de suministro de energía eléctrica son en general, muy confiables. Sin

embargo, debido a interrupciones de corta duración del orden de 0,5 segundos se producen

aproximadamente entre 100 y 200 fallas por año. Este tipo de fallas se produce por ejemplo, durante

conmutaciones normales y conmutaciones progresivas debidos a cortocircuitos.

Las interrupciones de corta duración (en el rango de los milisegundos) en general son absorbidas por los

capacitores de los circuitos de filtrado de la corriente continua. Para fallas de mayor duración se deberán

utilizar Baterías, Grupos electrógenos, etc.

También hay fallas de larga duración, que a diferencia de países europeos en los que sólo ocurren de

entre 2 y 4 fallas de larga duración por año, en nuestro país, dependiendo de los vaivenes de la lluvia y

del precio del petróleo, estas fallas pueden llegar a ser en promedio de 10 a 15 veces por año.

El 97% de todas las interrupciones del suministro duran menos de 6 horas y sólo el 3% tienen mayor

duración.

Tabla 3. 4 Frecuencia de interrupciones del suministro de energía eléctrica de alimentación para

Telecomunicaciones.

Es posible, que esta tabla que ha sido tomada de las interrupciones que ocurre en países europeos,

varía significativamente en el apartado de interrupciones con tiempo duración mayor a 2 y 4 horas, por lo

que tendríamos que hacer una adaptación a las circunstancias particulares de El Salvador.

Desde luego estos valores son promedios durante períodos que no se corresponden con circunstancias

especiales, como fue el caso durante la guerra civil de Salvador, en la que la duración de las

interrupciones, en ciertos sectores del país pudo alcanzar hasta días completos.


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Bibliografía.

[2] Gumhalter, Hans pp. 89-103

Sistemas de Energía en Telecomunicaciones Parte V

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