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​ = 480 VIL​ = ?M37 kW, η = 90%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 37 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% e seu fator de potência é 0,86 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 37 kWη = 90%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,72 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
11000 V400 VIHV​ = ?ILV​250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA, 11000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 250 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9575 kVA, η = 97,5%

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 375 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,95 indutivo, seu rendimento é 97,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0,95η = 97,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VZ15 + j20 ΩI

Uma carga com impedância Z = 15 + j20 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência aparente S.

V = 120 VZ = 15 + j20 Ω
S = VA
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 35 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,98. Encontre a capacitância C necessária.

P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V200 HzR = 60 ΩC = 4,7 µFI

Um resistor e um capacitor estão ligados em paralelo a uma fonte de 100 V (eficaz), 200 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V100 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 100 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)9 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,6 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) funciona com 220 V. A plena carga ele consome 15 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 15 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 0,4 ΩM+−En = ?T = 18 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,6 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,4 Ω, V = 220 V) aciona um torque de carga constante de 18 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 85 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 220 Vk = 0,6 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 18 N·mΦ = 85 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 57,5 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 = 37/0,9 = 41,11 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 41111/(√3·480·0,86) = 57,5 A

Resposta

IL = 57,5 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 63,52 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 63,52 kvar

Resposta

QC = 63,52 kvar
3.Transformadores

Resposta: IHV = 22,73 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 = 250000/11000 = 22,73 A

Resposta

IHV = 22,73 A
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 1452 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 = 75·0,95 = 71,25 kW
Pin = 71250/0,975 = 73077 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 73077 − 71250 = 1827 W
Pcu,fl = 1827 − 375 = 1452 W

Resposta

Pcu,fl = 1452 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: S = 576 VA

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| = √(15² + 20²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4,8 A

Potência aparente

S = V·I = 120·4,8 = 576 VA

Resposta

S = 576 VA
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 393,9 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.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(41,41°) = 30,87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 23,76 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 23760/(2π·60·400²) = 393,9 µF

Resposta

C = 393,9 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 56,55 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/(ωC) = 1/(2π·200·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Correntes de ramo

Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.

IR = V/R = 100/60 = 1,667 A
IX = V/XC = 100/169,3 = 0,5906 A

Corrente total

A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.

I = √(IR² + IX²) = √(1,667² + 0,5906²) = 1,768 A

Impedância

|Z| = V/I = 100/1,768 = 56,55 Ω

Resposta

|Z| = 56,55 Ω
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 129,9 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·√(0,15·10·10⁻⁶)) = 129,9 Hz

Resposta

f0 = 129,9 Hz
9.Motores CC

Resposta: SR = 11,39 %

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 e a plena carga

n₀ = 60·220/(2π·0,6) = 3501 rpm
nFL = 60·(220 − 15·1,5)/(2π·0,6) = 3143 rpm

Regulação de velocidade

SR = (3501 − 3143)/3143·100 = 11,39 %

Resposta

SR = 11,39 %
10.Motores CC

Resposta: n = 3855 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 = 0,85·0,6 = 0,51 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 18/0,51 = 35,29 A

Nova velocidade

ω = (220 − 35,29·0,4)/0,51 = 403,7 rad/s → n = 3855 rpm

Resposta

n = 3855 rpm

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

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