Sistemas de Potência e Máquinas Elétricas: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 10 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Potência trifásica

Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η

Transformadores

Relação de espiras
a = N1/N2 = V1/V2
Relação de correntes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corrente nominal
I = S/V
Impedância referida
Z1′ = a²·ZL
Perdas no cobre com carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Potência CA e fator de potência

Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Impedância CA e fasores

Impedâncias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frequência angular
ω = 2πf
Módulo e ângulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Lei de Ohm fasorial
V = I·Z

Método

  1. Converta a frequência: ω = 2πf.
  2. Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
  4. Encontre o módulo |Z| = √(R² + X²) e o ângulo φ = atan(X/R), e depois use a lei de Ohm com fasores.

Motores CC

Circuito de armadura
V = E + IaRa
fcem e torque
E = k·ω, T = k·Ia
Velocidade
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Velocidade a vazio e torque de travamento
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Potências
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Partida
Istart = V/(Ra + Rst)
Regulação de velocidade
SR = (n0 − nFL)/nFL
Potência desenvolvida máxima
Pmax = V²/(4Ra)
Acionamento com chopper
Va = D·Vdc

Método

  1. Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
  2. Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
  3. Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
  4. Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.

2Exercícios

1.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 75 Acos φ = 0,92indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 75 A de uma alimentação com tensão de linha de 480 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,92
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 200 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
480 V240 VIHV​ILV​ = ?50 kVA

Um transformador monofásico de 50 kVA, 480/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 50 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
50 kVA

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 300 W e perdas no cobre de 600 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 50 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 4 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 4 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 4 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 40 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,98. Encontre a capacitância C necessária.

P = 40 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
230 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 60 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
cos φ =
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 500 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
+−110 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 40 AM+−EωT

Um motor CC consome 40 A de uma alimentação de 110 V. Sua resistência de armadura é 0,25 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 160 W. Encontre seu rendimento η.

V = 110 VIa = 40 ARa = 0,25 ΩProt = 160 W
η = %
10.Motores CCDifícil
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 750 rpmT = 0,8 N·m

Um motor CC (k = 0,2 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) em uma alimentação fixa de 48 V aciona uma carga de 0,8 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 750 rpm.

V = 48 Vk = 0,2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 0,8 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 57,37 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potência aparente

S = √3·VL·IL = √3·480·75 = 62,35 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 62,35·0,92 = 57,37 kW

Resposta

P = 57,37 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1318 µF

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.

Q1 = 200·tan(acos 0,75) = 200·0,8819 = 176,4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 79,52 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 26506/(377·230,9²) = 1318 µF

Resposta

Cph = 1318 µF
3.Transformadores

Resposta: ILV = 208,3 A

Transformador ideal: as tensões estão na razão das espiras e as correntes na razão inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, então a potência de entrada é igual à de saída, V₁·I₁ = V₂·I₂. Uma impedância de carga Z no secundário aparece como a²·Z vista do primário.

Corrente nominal

Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.

ILV = S/V = 50000/240 = 208,3 A

Resposta

ILV = 208,3 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 35,36 kVA

Perdas no transformador: as perdas no núcleo (histerese e correntes parasitas) dependem da tensão e são as mesmas em qualquer carga. As perdas no cobre dos enrolamentos variam com o quadrado da corrente, então a uma fração x da carga nominal valem x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), com Pout = x·S·pf. O rendimento é máximo na carga em que as perdas no cobre são iguais às perdas no núcleo.

Perdas no cobre iguais às perdas no núcleo

x²·600 = 300 → x = √(300/600) = 0,7071

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,7071·50 = 35,36 kVA

Resposta

Sη,max = 35,36 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 5,333 kvar

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Ângulo

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Potência reativa

Q = P·tan φ = 4·1,333 = 5,333 kvar

Resposta

Q = 5,333 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 362,7 µF

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(36,87°) = 30 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(11,48°) = 8,122 kvar
QC = Q1 − Q2 = 21,88 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 21878/(2π·60·400²) = 362,7 µF

Resposta

C = 362,7 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,1932

Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.

Reatâncias

XL = 56,55 Ω, XC = 564,4 Ω

Impedância

|Z| = √(100² + (−507,8)²) = 517,6 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 100/517,6 = 0,1932
O circuito é capacitivo, então o fator de potência é capacitivo (adiantado).

Resposta

cos φ = 0,1932
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 69,18 V

Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedância

Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (89,35)²) = 97,9 Ω

Corrente

A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.

I = V/|Z| = 100/97,9 = 1,021 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 1,021·67,73 = 69,18 V

Resposta

VC = 69,18 V
9.Motores CC

Resposta: η = 87,27 %

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Potências

Pin = 110·40 = 4400 W
Pdev = 100·40 = 4000 W
Pout = 4000 − 160 = 3840 W

Rendimento

η = 3840/4400·100 = 87,27 %

Resposta

η = 87,27 %
10.Motores CC

Resposta: Rs = 7,273 Ω

Motor CC: a armadura é uma resistência Ra em série com a força contraeletromotriz (fcem) E, de modo que V = E + Ia·Ra. A fcem cresce com a velocidade, E = k·ω, e o torque com a corrente, T = k·Ia, com a mesma constante do motor k (V·s/rad = N·m/A) em unidades SI. Converta velocidades com ω = 2π·n/60. A potência desenvolvida é E·Ia = T·ω; a potência de entrada é V·Ia, e a perda no cobre Ia²Ra e a perda rotacional fazem a diferença. A velocidade cai em linha reta com o torque, ω = V/k − Ra·T/k², da velocidade a vazio V/k até zero no torque de travamento k·V/Ra. Com o motor parado E = 0, então a corrente de partida V/Ra é grande, a menos que um resistor a limite.

Corrente e fcem

Ia = 0,8/0,2 = 4 A
E = 0,2·78,54 = 15,71 V

Resistência em série

Ra + Rs = (48 − 15,71)/4 = 8,073 Ω
Rs = 7,273 Ω

Resposta

Rs = 7,273 Ω

O resistor desperdiça 116,4 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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