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​ = 208 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 208 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 208 VZ = 9 + j12 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,78 indutivo de uma alimentação de 480 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 Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?10 kVA

Um transformador monofásico de 10 kVA, 10000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 10 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
200 kVA

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 1600 W e perdas no cobre de 2400 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 200 kVAPcore = 1600 WPcu,fl = 2400 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 V19 kW, 0,726 kW, 1I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 240 V: uma carga de 9 kW com fator de potência 0,7 indutivo e um aquecedor de 6 kW (fator de potência unitário). Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 240 VP1 = 9 kW, pf1 = 0,7 indutivoP2 = 6 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 77 kW com fator de potência 0,85 indutivo. Quanta potência ativa adicional ΔP pode ser acrescentada como carga resistiva (fator de potência unitário) antes que o transformador atinja sua potência nominal em kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 0,1 µF

Um circuito RLC série com C = 0,1 µF deve ressoar a 100 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 100 HzC = 0,1 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 1 ΩL = 2 mHC = 0,1 µF

Um circuito RLC série tem R = 1 Ω, L = 2 mH e C = 0,1 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 1 ΩL = 2 mHC = 0,1 µF
Q =
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,4 N·m/A, Ra = 0,25 Ω) funciona com 48 V e aciona um torque de carga de 6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 48 Vk = 0,4 N·m/ARa = 0,25 ΩT = 6 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−120 VRa​ = 0,8 ΩM+−En = ?T = 6 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 1 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,8 Ω, V = 120 V) aciona um torque de carga constante de 6 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 80 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 6 N·mΦ = 80 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 5,192 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 = 208 V

Corrente de fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 208/15 = 13,87 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·13,87²·9 = 5,192 kW

Resposta

P = 5,192 kW

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

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 259,9 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 18,81 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 6271/(314,2·277,1²) = 259,9 µF

Resposta

Cph = 259,9 µF
3.Transformadores

Resposta: ILV = 25 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.

ILV = S/V = 10000/400 = 25 A

Resposta

ILV = 25 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 163,3 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

x²·2400 = 1600 → x = √(1600/2400) = 0,8165

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,8165·200 = 163,3 kVA

Resposta

Sη,max = 163,3 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 73,28 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 de cada carga

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

Q1 = 9·tan(arccos 0,7) = 9,182 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 9 + 6 = 15 kW
Q = 9,182 + 0 = 9,182 kvar
S = √(15² + 9,182²) = 17,59 kVA

Corrente total

I = S/V = 17587/240 = 73,28 A

Resposta

I = 73,28 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 117,2 kW

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 da carga existente

Q1 = 77·tan(arccos 0,85) = 47,72 kvar

Maior potência ativa total

Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 47,72²) = 194,2 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 194,2 − 77 = 117,2 kW

Resposta

ΔP = 117,2 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 25330 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·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·0,1·10⁻⁶) = 25330 mH

Resposta

L = 25330 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 141,4

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,002·0,1·10⁻⁶)) = 11254 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,002/(0,1·10⁻⁶)) = 141,4

Resposta

Q = 141,4
9.Motores CC

Resposta: n = 1056 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.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 6/0,4 = 15 A

fcem e velocidade

E = 48 − 15·0,25 = 44,25 V
ω = E/k = 110,6 rad/s → n = 1056 rpm

Resposta

n = 1056 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 1361 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 = 0,8·1 = 0,8 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 6/0,8 = 7,5 A

Nova velocidade

ω = (120 − 7,5·0,8)/0,8 = 142,5 rad/s → n = 1361 rpm

Resposta

n = 1361 rpm

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

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