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​ = 415 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Um motor de indução trifásico fornece 18,5 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 92% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 18,5 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​15 kVA

Um transformador monofásico de 15 kVA, 4800/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 15 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
4.TransformadoresDifícil
100 kVA

Um transformador monofásico de 100 kVA tem perdas no núcleo de 600 W e perdas no cobre de 900 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 3 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 3 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 3 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
120 V60 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 120 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 20 + j5 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j5 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
24 V500 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 500 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 22 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V200 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 80 ΩC = 10 µF

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), 200 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR1 = 40 ΩR2 = 80 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 5,5 kW de potência mecânica a 3000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 5,5 kWn = 3000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−240 VRa​ = 0,4 ΩM+−En = ?T = 40 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 2 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,4 Ω, V = 240 V) aciona um torque de carga constante de 40 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 90 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 40 N·mΦ = 90 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 31,08 A

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 elétrica de entrada

Pin = Pout/η = 18,5/0,92 = 20,11 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20109/(√3·415·0,9) = 31,08 A

Resposta

IL = 31,08 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 95,91 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 95,91 kvar

Resposta

QC = 95,91 kvar
3.Transformadores

Resposta: IHV = 3,125 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.

IHV = S/V = 15000/4800 = 3,125 A

Resposta

IHV = 3,125 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 81,65 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

x²·900 = 600 → x = √(600/900) = 0,8165

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,8165·100 = 81,65 kVA

Resposta

Sη,max = 81,65 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 2,25 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(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Potência reativa

Q = P·tan φ = 3·0,75 = 2,25 kvar

Resposta

Q = 2,25 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 180 W

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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 20 − j5 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/40 = 3 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·20) = 180 W

Resposta

Pmax = 180 W
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 0,2143 W

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 = 471,2 Ω, XC = 14,47 Ω

Impedância

|Z| = √(80² + (456,8)²) = 463,7 Ω

Potência ativa

Indutores e capacitores só armazenam e devolvem energia; o resistor absorve toda a potência ativa.

I = 24/463,7 = 0,05176 A
P = I²·R = 0,05176²·80 = 0,2143 W

Resposta

P = 0,2143 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 89,25 Ω

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·200·10·10⁻⁶) = 79,58 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 = 39,79 − j40 Ω

Impedância total

Z = 40 + 39,79 − j40 = 79,79 − j40 Ω
|Z| = √(79,79² + 40²) = 89,25 Ω

Resposta

|Z| = 89,25 Ω
9.Motores CC

Resposta: T = 17,51 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·3000/60 = 314,2 rad/s

Torque

T = P/ω = 5500/314,2 = 17,51 N·m

Resposta

T = 17,51 N·m
10.Motores CC

Resposta: n = 1226 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 = 0,9·2 = 1,8 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 40/1,8 = 22,22 A

Nova velocidade

ω = (240 − 22,22·0,4)/1,8 = 128,4 rad/s → n = 1226 rpm

Resposta

n = 1226 rpm

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

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