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 VNZ = 5 + j12 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 5 + j12 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 400 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 400 VZ = 5 + j12 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
RL​ = 12 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 5:1 tem 1200 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 12 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 12 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1250 W e perdas no cobre de 3750 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 250 kVAPcore = 1250 WPcu,fl = 3750 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VR + jXP = 810 W9 A

Uma carga indutiva consome 9 A e 810 W de uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 120 VI = 9 AP = 810 W
R = Ω
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 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V100 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V60 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩC = 100 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 24 V (eficaz), 60 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)22,5 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,2 Ω) funciona com 48 V. A plena carga ele consome 30 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 48 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,2 ΩIFL = 30 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−120 VRst​ = ?Ra​ = 0,8 Ω25 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 120 V tem resistência de armadura de 0,8 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 25 A.

V = 120 VRa = 0,8 ΩImax = 25 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 4,734 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corrente de fase

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 230,9/13 = 17,76 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·17,76²·5 = 4,734 kW

Resposta

P = 4,734 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,3846, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: QC = 185,8 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 185,8 kvar

Resposta

QC = 185,8 kvar
3.Transformadores

Resposta: I1 = 4 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 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/12 = 20 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/5 = 4 A

Resposta

I1 = 4 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 300 Ω, e 1200/300 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 144,3 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

x²·3750 = 1250 → x = √(1250/3750) = 0,5774

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5774·250 = 144,3 kVA

Resposta

Sη,max = 144,3 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 10 Ω

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.

Resistência pela potência ativa

R = P/I² = 810/9² = 10 Ω

Resposta

R = 10 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 13,92 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.

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(25,84°) = 16,95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,92 kvar

Resposta

QC = 13,92 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 74,48 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 = 159,2 Ω

Impedância

|Z| = √(50² + (−64,91)²) = 81,93 Ω

Potência ativa

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

I = 100/81,93 = 1,221 A
P = I²·R = 1,221²·50 = 74,48 W

Resposta

P = 74,48 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 29,37 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/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 12,75 − j9,614 Ω

Impedância total

Z = 15 + 12,75 − j9,614 = 27,75 − j9,614 Ω
|Z| = √(27,75² + 9,614²) = 29,37 Ω

Resposta

|Z| = 29,37 Ω
9.Motores CC

Resposta: SR = 14,29 %

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 = 60·48/(2π·0,75) = 611,2 rpm
nFL = 60·(48 − 30·0,2)/(2π·0,75) = 534,8 rpm

Regulação de velocidade

SR = (611,2 − 534,8)/534,8·100 = 14,29 %

Resposta

SR = 14,29 %
10.Motores CC

Resposta: Rst = 4 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 = 120/25 = 4,8 Ω

Resistor de partida

Rst = 4,8 − 0,8 = 4 Ω

Resposta

Rst = 4 Ω

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

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