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​ = 415 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,85

Um motor de indução trifásico fornece 75 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 93% e seu fator de potência é 0,85 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

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

P = 100 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
RL​ = 24 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 10:1 tem 2400 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 24 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,850 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 150 W e perdas no cobre de 450 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 450 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 14 kWQSφ

Um motor monofásico consome 14 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 14 kWpf = 0,7V = 240 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 25 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 25 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 47 µF

Um circuito RLC série com C = 47 µF deve ressoar a 50 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 50 HzC = 47 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
230 V1000 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 100 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 1000 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 100 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
+−48 VRa​ = 0,5 ΩIa​ = 8 AM+−EωT

Um motor CC consome 8 A de uma alimentação de 48 V. Sua resistência de armadura é 0,5 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 21 W. Encontre seu rendimento η.

V = 48 VIa = 8 ARa = 0,5 ΩProt = 21 W
η = %
10.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)11,25 N·m1200 rpm

Um motor CC com k = 0,75 V·s/rad e Ra = 1 Ω deve acionar uma carga de 11,25 N·m a 1200 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,75 V·s/radRa = 1 ΩT = 11,25 N·mn = 1200 rpm
V = V

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 132 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 = 75/0,93 = 80,65 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·415·0,85) = 132 A

Resposta

IL = 132 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 39,76 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 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 39,76 kvar

Resposta

QC = 39,76 kvar
3.Transformadores

Resposta: I1 = 1 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 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/24 = 10 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/10 = 1 A

Resposta

I1 = 1 A

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

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 178,1 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 = 0,0625·450 = 28,13 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 150 + 28,13 = 178,1 W

Resposta

Ploss = 178,1 W

O rendimento nesta carga é η = 98,25%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 83,33 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.

Corrente de linha

Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.

I = P/(V·cos φ) = 14000/(240·0,7) = 83,33 A

Resposta

I = 83,33 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 8,1 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 = 25·tan(36,87°) = 18,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23,07°) = 10,65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,1 kvar

Resposta

QC = 8,1 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 215,6 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·50 = 314,2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·47·10⁻⁶) = 215,6 mH

Resposta

L = 215,6 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 2,892 V

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

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω

Impedância

Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (124,1)²) = 126,6 Ω

Corrente

A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.

I = V/|Z| = 230/126,6 = 1,817 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 1,817·1,592 = 2,892 V

Resposta

VC = 2,892 V
9.Motores CC

Resposta: η = 86,2 %

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 = 48·8 = 384 W
Pdev = 44·8 = 352 W
Pout = 352 − 21 = 331 W

Rendimento

η = 331/384·100 = 86,2 %

Resposta

η = 86,2 %
10.Motores CC

Resposta: V = 109,2 V

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.

Força contraeletromotriz

E = 0,75·125,7 = 94,25 V

Corrente de armadura

Ia = 11,25/0,75 = 15 A

Tensão de armadura

V = 94,25 + 15·1 = 109,2 V

Resposta

V = 109,2 V

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