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​ = 400 VIL​ = 25 Acos φ = 0,92indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 25 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 25 Acos φ = 0,92
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
4160 V480 VIHV​ILV​ = ?250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA, 4160/480 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 250 kVAV1 = 4160 VV2 = 480 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,85150 kVA, η = 97,5%

Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 450 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,85 indutivo, seu rendimento é 97,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 150 kVAPcore = 450 Wpf = 0,85η = 97,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VZ7 + j24 ΩI

Uma carga com impedância Z = 7 + j24 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
Q = var
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 38 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 75 kVA alimenta uma carga de 38 kW com fator de potência 0,7 indutivo. Quanta potência ativa adicional ΔP pode ser acrescentada como carga resistiva (fator de potência unitário) antes que o transformador atinja sua potência nominal em kVA?

Smax = 75 kVAP1 = 38 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
10 V1000 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 1000 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,15 V·s/rad funciona com 24 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 1 ΩM+−En = ?T = 6 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 1,2 V·s/rad com campo pleno, Ra = 1 Ω, V = 110 V) aciona um torque de carga constante de 6 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 80 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 110 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1 ΩT = 6 N·mΦ = 80 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 15,93 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 = √3·400·25 = 17,32 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 17,32·0,92 = 15,93 kW

Resposta

P = 15,93 kW
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 24,3 kvar

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 = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 24,3 kvar

Resposta

QC = 24,3 kvar
3.Transformadores

Resposta: ILV = 520,8 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 = 250000/480 = 520,8 A

Resposta

ILV = 520,8 A
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 2819 W

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.

Potência de saída e de entrada

Pout = 150·0,85 = 127,5 kW
Pin = 127500/0,975 = 130769 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 130769 − 127500 = 3269 W
Pcu,fl = 3269 − 450 = 2819 W

Resposta

Pcu,fl = 2819 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 2212 var

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.

Corrente

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A

Potência reativa

Q = I²·X = 9,6²·24 = 2212 var

Resposta

Q = 2212 var
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 26,2 kW

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 da carga existente

Q1 = 38·tan(arccos 0,7) = 38,77 kvar

Maior potência ativa total

Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 38,77²) = 64,2 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 64,2 − 38 = 26,2 kW

Resposta

ΔP = 26,2 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 80,85 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7,234 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (621,1)²) = 629,1 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(621,1/100) = 80,85°

Resposta

φ = 80,85°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 151,7 Hz

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|.

Ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Resposta

f0 = 151,7 Hz
9.Motores CC

Resposta: n0 = 1528 rpm

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.

Velocidade a vazio

ω₀ = V/k = 24/0,15 = 160 rad/s
n0 = 60·160/(2π) = 1528 rpm

Resposta

n0 = 1528 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 1032 rpm

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.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,8·1,2 = 0,96 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 6/0,96 = 6,25 A

Nova velocidade

ω = (110 − 6,25·1)/0,96 = 108,1 rad/s → n = 1032 rpm

Resposta

n = 1032 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

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