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​ = 208 VIL​ = 75 Acos φ = 0,95indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 75 A de uma alimentação com tensão de linha de 208 V. O fator de potência é 0,95 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 208 VIL = 75 Acos φ = 0,95
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 480 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 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
10 ΩN1​N2​360 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 360 Ω alimenta um alto-falante de 10 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 360 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 360 ΩRL = 10 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
pf 0,8200 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 1600 W e perdas no cobre de 2400 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 200 kVAPcore = 1600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 6 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 6 kW com fator de potência 0,85 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 6 kWpf = 0,85V = 240 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 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 4,7 µF

Um circuito RLC série com C = 4,7 µF deve ressoar a 50 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 50 HzC = 4,7 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0,022 µF

Um circuito RLC série tem R = 2 Ω, L = 1 mH e C = 0,022 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0,022 µF
Q =
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 15 kW de potência mecânica a 1000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 15 kWn = 1000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 0,8 ΩIa​: 10 → 6 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 110 V (Ra = 0,8 Ω) gira a 1440 rpm com uma corrente de armadura de 10 A. A carga muda e a corrente passa a 6 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 110 VRa = 0,8 Ωn1 = 1440 rpmIa1 = 10 AIa2 = 6 A
n2 = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 25,67 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 = √3·208·75 = 27,02 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 27,02·0,95 = 25,67 kW

Resposta

P = 25,67 kW
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 40,34 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 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 40,34 kvar

Resposta

QC = 40,34 kvar
3.Transformadores

Resposta: a = 6

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.

Casar a carga referida

a²·10 = 360
a = √(360/10) = √36 = 6

Resposta

a = 6
4.Transformadores

Resposta: Ploss = 1750 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.

Perdas no cobre nesta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·2400 = 150 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 1600 + 150 = 1750 W

Resposta

Ploss = 1750 W

O rendimento nesta carga é η = 95,81%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 3,718 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Potência reativa

Q = P·tan φ = 6·0,6197 = 3,718 kvar

Resposta

Q = 3,718 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 33,96 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.

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(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25,84°) = 19,37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,96 kvar

Resposta

QC = 33,96 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 2156 mH

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|.

Condição de ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·4,7·10⁻⁶) = 2156 mH

Resposta

L = 2156 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 106,6

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,022·10⁻⁶)) = 33932 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,001/(0,022·10⁻⁶)) = 106,6

Resposta

Q = 106,6
9.Motores CC

Resposta: T = 143,2 N·m

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 em rad/s

ω = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s

Torque

T = P/ω = 15000/104,7 = 143,2 N·m

Resposta

T = 143,2 N·m
10.Motores CC

Resposta: n2 = 1485 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.

fcem antes e depois

E1 = 110 − 10·0,8 = 102 V
E2 = 110 − 6·0,8 = 105,2 V

Nova velocidade

n2 = 1440·105,2/102 = 1485 rpm

Resposta

n2 = 1485 rpm

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