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​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 90%cos φ = 0,84

Um motor de indução trifásico fornece 90 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% e seu fator de potência é 0,84 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 690 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 90 kWη = 90%cos φ = 0,84VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,75 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. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
8 ΩN1​N2​288 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 288 Ω alimenta um alto-falante de 8 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 288 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 288 ΩRL = 8 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95250 kVA, 50% carga

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1000 W e perdas no cobre de 2000 W na carga nominal. Ele fornece 50% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,95 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2000 Wx = 0,5pf = 0,95
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 11 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 11 kW com fator de potência 0,85 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 11 kWpf = 0,85V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
50 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 50 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 4 + j3 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 50 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j3 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 2,2 µF

Um circuito RLC série com C = 2,2 µF deve ressoar a 500 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 500 HzC = 2,2 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V50 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
+−24 VRa​ = 0,25 ΩIa​ = 10 AM+−EωT

Um motor CC consome 10 A de uma alimentação de 24 V. Sua resistência de armadura é 0,25 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 9 W. Encontre seu rendimento η.

V = 24 VIa = 10 ARa = 0,25 ΩProt = 9 W
η = %
10.Motores CCDifícil
+−240 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 300 rpmT = 20 N·m

Um motor CC (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) em uma alimentação fixa de 240 V aciona uma carga de 20 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 300 rpm.

V = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 20 N·mn = 300 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 99,61 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 = 90/0,9 = 100 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 100000/(√3·690·0,84) = 99,61 A

Resposta

IL = 99,61 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1977 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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 99,4 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33133/(314,2·230,9²) = 1977 µF

Resposta

Cph = 1977 µF
3.Transformadores

Resposta: a = 6

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.

Casar a carga referida

a²·8 = 288
a = √(288/8) = √36 = 6

Resposta

a = 6
4.Transformadores

Resposta: Ploss = 1500 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 = 0,25·2000 = 500 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 1000 + 500 = 1500 W

Resposta

Ploss = 1500 W

O rendimento nesta carga é η = 98,75%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 6,817 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Potência reativa

Q = P·tan φ = 11·0,6197 = 6,817 kvar

Resposta

Q = 6,817 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 156,3 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* = 4 − j3 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 50/8 = 6,25 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·4) = 156,3 W

Resposta

Pmax = 156,3 W
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 46,06 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·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·2,2·10⁻⁶) = 46,06 mH

Resposta

L = 46,06 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 35,59 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·√(0,2·100·10⁻⁶)) = 35,59 Hz

Resposta

f0 = 35,59 Hz
9.Motores CC

Resposta: η = 85,83 %

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.

Potências

Pin = 24·10 = 240 W
Pdev = 21,5·10 = 215 W
Pout = 215 − 9 = 206 W

Rendimento

η = 206/240·100 = 85,83 %

Resposta

η = 85,83 %
10.Motores CC

Resposta: Rs = 9,629 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 = 20/1 = 20 A
E = 1·31,42 = 31,42 V

Resistência em série

Ra + Rs = (240 − 31,42)/20 = 10,43 Ω
Rs = 9,629 Ω

Resposta

Rs = 9,629 Ω

O resistor desperdiça 3852 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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