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 VZ = 24 + j7 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 24 + j7 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 = 24 + j7 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
2 Ω121

Um resistor de 2 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 12:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 12:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
50 kVA

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 150 W e perdas no cobre de 600 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 1 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 1 kW com fator de potência 0,9 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 1 kWpf = 0,9V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 31 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 75 kVA alimenta uma carga de 31 kW com fator de potência 0,8 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 = 75 kVAP1 = 31 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V1000 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 1 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 1000 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 1 µF
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 Vf0​R = 2 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 12 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 12 V (rms)R = 2 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)3 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 2 Ω) funciona com 110 V. A plena carga ele consome 6 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 110 Vk = 0,5 V·s/radRa = 2 ΩIFL = 6 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 0,25 Ω100 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 220 V tem resistência de armadura de 0,25 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 100 A.

V = 220 VRa = 0,25 ΩImax = 100 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 18,43 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 = 400 V

Corrente de fase

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·16²·24 = 18,43 kW

Resposta

P = 18,43 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,96, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 421,4 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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 63,03 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21011/(314,2·398,4²) = 421,4 µF

Resposta

Cph = 421,4 µF
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 288 Ω

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.

Resistência referida

A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².

R1′ = a²·RL = 12²·2 = 288 Ω

Resposta

R1′ = 288 Ω
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 25 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

x²·600 = 150 → x = √(150/600) = 0,5

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5·50 = 25 kVA

Resposta

Sη,max = 25 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 0,4843 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(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Potência reativa

Q = P·tan φ = 1·0,4843 = 0,4843 kvar

Resposta

Q = 0,4843 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 40,31 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 = 31·tan(arccos 0,8) = 23,25 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 23,25²) = 71,31 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 71,31 − 31 = 40,31 kW

Resposta

ΔP = 40,31 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,6438 A

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 = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (155)²) = 155,3 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 100/155,3 = 0,6438 A

Resposta

I = 0,6438 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 572,1 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|.

Ressonância

Na ressonância as reatâncias se anulam, então a impedância é só R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2·10⁻⁶) = 4767 rad/s
I = V/R = 12/2 = 6 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 4767·0,02 = 95,35 Ω
VL = I·XL = 6·95,35 = 572,1 V

Resposta

VL = 572,1 V

Isso é Q = 47,67 vezes a tensão da fonte.

9.Motores CC

Resposta: SR = 12,24 %

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 = 60·110/(2π·0,5) = 2101 rpm
nFL = 60·(110 − 6·2)/(2π·0,5) = 1872 rpm

Regulação de velocidade

SR = (2101 − 1872)/1872·100 = 12,24 %

Resposta

SR = 12,24 %
10.Motores CC

Resposta: Rst = 1,95 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 = 220/100 = 2,2 Ω

Resistor de partida

Rst = 2,2 − 0,25 = 1,95 Ω

Resposta

Rst = 1,95 Ω

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

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