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 VZ = 9 + j12 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 9 + j12 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 480 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 480 VZ = 9 + j12 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 0,7 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 0,92 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 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 10 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 2400 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 10 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 10 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,850 kVA, 75% carga

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 250 W e perdas no cobre de 750 W na carga nominal. Ele fornece 75% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 750 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V122 kW, 0,75219 kW, 0,9I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 22 kW com fator de potência 0,75 indutivo e uma carga de 19 kW com fator de potência 0,9 capacitivo. Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 230 VP1 = 22 kW, pf1 = 0,75 indutivoP2 = 19 kW, pf2 = 0,9 capacitivo
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 15 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
50 V100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 100 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 47 µF

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 47 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 0,5 N·m/A e Ra = 1 Ω está ligado a 110 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 110 Vk = 0,5 N·m/ARa = 1 Ω
Tstall = N·m
10.Motores CCDifícil
+−110 VRs​ = ?Ra​ = 2 ΩM+−En = 500 rpmT = 1,6 N·m

Um motor CC (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 2 Ω) em uma alimentação fixa de 110 V aciona uma carga de 1,6 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 500 rpm.

V = 110 Vk = 0,4 V·s/radRa = 2 ΩT = 1,6 N·mn = 500 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 27,65 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 = VL = 480 V

Corrente de fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 480/15 = 32 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·32²·9 = 27,65 kW

Resposta

P = 27,65 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 292,9 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 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 47,54 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) = 15845/(314,2·415²) = 292,9 µF

Resposta

Cph = 292,9 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,6 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 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/10 = 12 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/20 = 0,6 A

Resposta

I1 = 0,6 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 4000 Ω, e 2400/4000 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 671,9 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 = 0,5625·750 = 421,9 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 250 + 421,9 = 671,9 W

Resposta

Ploss = 671,9 W

O rendimento nesta carga é η = 97,81%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9704

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 de cada carga

Uma carga indutiva consome potência reativa (Q > 0); uma carga capacitiva a fornece (Q < 0).

Q1 = 22·tan(arccos 0,75) = 19,4 kvar
Q2 = −19·tan(arccos 0,9) = −9,202 kvar

Totais

P = 22 + 19 = 41 kW
Q = 19,4 + (−9,202) = 10,2 kvar
S = √(41² + 10,2²) = 42,25 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 41/42,25 = 0,9704 indutivo

Resposta

cos φ = 0,9704
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 40,76 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 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(23,07°) = 6,39 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,913 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(400·0,92) = 40,76 A

Resposta

Inew = 40,76 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 36,77 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 = 94,25 Ω, XC = 72,34 Ω

Impedância

|Z| = √(60² + (21,9)²) = 63,87 Ω

Potência ativa

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

I = 50/63,87 = 0,7828 A
P = I²·R = 0,7828²·60 = 36,77 W

Resposta

P = 36,77 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 73,41 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·√(0,1·47·10⁻⁶)) = 73,41 Hz

Resposta

f0 = 73,41 Hz
9.Motores CC

Resposta: Tstall = 55 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.

Corrente de travamento

Ia = V/Ra = 110/1 = 110 A

Torque de travamento

Tstall = 0,5·110 = 55 N·m

Resposta

Tstall = 55 N·m
10.Motores CC

Resposta: Rs = 20,26 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.

Corrente e fcem

Ia = 1,6/0,4 = 4 A
E = 0,4·52,36 = 20,94 V

Resistência em série

Ra + Rs = (110 − 20,94)/4 = 22,26 Ω
Rs = 20,26 Ω

Resposta

Rs = 20,26 Ω

O resistor desperdiça 324,2 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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