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​ = 50 Acos φ = 0,88indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 50 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,88 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 50 Acos φ = 0,88
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 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 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 8 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4600 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 8 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 8 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95500 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 3000 W e perdas no cobre de 12000 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,95 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 500 kVAPcore = 3000 WPcu,fl = 12000 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 24 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 24 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 24 kWpf = 0,6V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
12 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 12 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 50 + j40 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. A carga para máxima potência é formada por um resistor em série com um capacitor. Encontre a capacitância C.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j40 Ω
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
50 V500 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 100 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V200 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 200 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,75 V·s/rad funciona com 48 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 48 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1,2 Ω30 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 240 V tem resistência de armadura de 1,2 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 30 A.

V = 240 VRa = 1,2 ΩImax = 30 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 30,48 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 = √3·400·50 = 34,64 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 34,64·0,88 = 30,48 kW

Resposta

P = 30,48 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 269,6 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 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 43,76 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14585/(314,2·415²) = 269,6 µF

Resposta

Cph = 269,6 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 1,438 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.

Tensão e corrente no secundário

V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/8 = 28,75 A

Corrente no primário

Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 1,438 A

Resposta

I1 = 1,438 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 3200 Ω, e 4600/3200 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 3750 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 = 0,0625·12000 = 750 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 3000 + 750 = 3750 W

Resposta

Ploss = 3750 W

O rendimento nesta carga é η = 96,94%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 32 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 = 24·1,333 = 32 kvar

Resposta

Q = 32 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 3,979 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.

Casamento conjugado

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

ZL = Zs* = 50 − j40 Ω

Capacitância

XC = 40 Ω → C = 1/(2π·1000·40) = 3,979 µF

Resposta

C = 3,979 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 86,34 °

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 = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (782,2)²) = 783,8 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(782,2/50) = 86,34°

Resposta

φ = 86,34°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 214,6 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·√(0,25·2,2·10⁻⁶)) = 214,6 Hz

Resposta

f0 = 214,6 Hz
9.Motores CC

Resposta: n0 = 611,2 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 = 48/0,75 = 64 rad/s
n0 = 60·64/(2π) = 611,2 rpm

Resposta

n0 = 611,2 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rst = 6,8 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.

Resistência total

Ra + Rst = 240/30 = 8 Ω

Resistor de partida

Rst = 8 − 1,2 = 6,8 Ω

Resposta

Rst = 6,8 Ω

O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.

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