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 VNZ = 24 + j18 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 24 + j18 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 400 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 400 VZ = 24 + j18 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,78 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 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
2400 V240 VIHV​ILV​ = ?250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA, 2400/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 250 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,975 kVA, η = 97%

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 225 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 97%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0,9η = 97%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 40 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 40 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 40 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 30 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 1000 HzRL = ?C = 0,47 µF

Um circuito RLC série com C = 0,47 µF deve ressoar a 1000 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 1000 HzC = 0,47 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V500 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 60 ΩC = 4,7 µFI

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 12 V (eficaz), 500 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR1 = 25 ΩR2 = 60 ΩC = 4,7 µF
I = A
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 2 V·s/rad funciona com 240 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 240 Vk = 2 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 2 ΩM+−En = ?T = 7,5 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 1,5 V·s/rad com campo pleno, Ra = 2 Ω, V = 220 V) aciona um torque de carga constante de 7,5 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 80 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 220 Vk = 1,5 V·s/radRa = 2 ΩT = 7,5 N·mΦ = 80 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 4,267 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.

Tensão de fase

Vph = 400/√3 = 230,9 V

Corrente de fase

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 230,9/30 = 7,698 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·7,698²·24 = 4,267 kW

Resposta

P = 4,267 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 628,1 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 37,89 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) = 12629/(377·230,9²) = 628,1 µF

Resposta

Cph = 628,1 µF
3.Transformadores

Resposta: ILV = 1042 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 = 250000/240 = 1042 A

Resposta

ILV = 1042 A
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 1863 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 = 75·0,9 = 67,5 kW
Pin = 67500/0,97 = 69588 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 69588 − 67500 = 2088 W
Pcu,fl = 2088 − 225 = 1863 W

Resposta

Pcu,fl = 1863 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 53,33 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 = 40·1,333 = 53,33 kvar

Resposta

Q = 53,33 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 138,9 A

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 = 30·tan(36,87°) = 22,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 7,97 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(240·0,9) = 138,9 A

Resposta

Inew = 138,9 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 53,89 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·1000 = 6283 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·0,47·10⁻⁶) = 53,89 mH

Resposta

L = 53,89 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,1825 A

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|.

Reatância

XC = 1/(2π·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 33,62 − j29,78 Ω

Impedância total

Z = 25 + 33,62 − j29,78 = 58,62 − j29,78 Ω
|Z| = √(58,62² + 29,78²) = 65,75 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 12/65,75 = 0,1825 A

Resposta

I = 0,1825 A
9.Motores CC

Resposta: n0 = 1146 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 = 240/2 = 120 rad/s
n0 = 60·120/(2π) = 1146 rpm

Resposta

n0 = 1146 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 1651 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 = 0,8·1,5 = 1,2 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 7,5/1,2 = 6,25 A

Nova velocidade

ω = (220 − 6,25·2)/1,2 = 172,9 rad/s → n = 1651 rpm

Resposta

n = 1651 rpm

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

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