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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
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
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
Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.
2Exercícios
1.Potência trifásicaMédia
Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 40 A de uma alimentação com tensão de linha de 690 V. O fator de potência é 0,95 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.
VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0,95
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 60 kW com fator de potência 0,72 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 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 60 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 4:1 tem 480 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 6 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 6 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1500 W e perdas no cobre de 6000 W na carga nominal. Ele fornece 75% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,85 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.
Um motor monofásico consome 21 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.
P = 21 kWpf = 0,75V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 5 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,95. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.
P = 5 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 200 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 100 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 60 Hz. Encontre a corrente rms I.
V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
9.Motores CCMédia
Um motor CC consome 50 A de uma alimentação de 240 V. Sua resistência de armadura é 0,2 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 460 W. Encontre seu rendimento η.
V = 240 VIa = 50 ARa = 0,2 ΩProt = 460 W
η = %
10.Motores CCDifícil
Um motor CC (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) em uma alimentação fixa de 120 V aciona uma carga de 6 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 400 rpm.
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 aparente
S = √3·VL·IL = √3·690·40 = 47,8 kVA
Potência ativa
P = S·cos φ = 47,8·0,95 = 45,41 kW
Resposta
P = 45,41 kW
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 70,78 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 = 60·tan(acos 0,72) = 60·0,9639 = 57,83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 38,11 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.
V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12703/(377·690²) = 70,78 µF
Resposta
Cph = 70,78 µF
3.Transformadores
Resposta: I1 = 5 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 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/6 = 20 A
Corrente no primário
Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 5 A
Resposta
I1 = 5 A
Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 96 Ω, e 480/96 dá a mesma corrente.
4.Transformadores
Resposta: Ploss = 4875 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 = 0,5625·6000 = 3375 W
Perdas totais
As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.
Ploss = 1500 + 3375 = 4875 W
Resposta
Ploss = 4875 W
O rendimento nesta carga é η = 97,03%.
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: Q = 18,52 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(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819
Potência reativa
Q = P·tan φ = 21·0,8819 = 18,52 kvar
Resposta
Q = 18,52 kvar
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: QC = 4,202 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 = 5·tan(49,46°) = 5,846 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,202 kvar
Resposta
QC = 4,202 kvar
7.Impedância CA e fasores
Resposta: P = 405,8 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 = 62,83 Ω, XC = 7,958 Ω
Impedância
|Z| = √(30² + (54,87)²) = 62,54 Ω
Potência ativa
Indutores e capacitores só armazenam e devolvem energia; o resistor absorve toda a potência ativa.
I = 230/62,54 = 3,678 A
P = I²·R = 3,678²·30 = 405,8 W
Resposta
P = 405,8 W
8.Impedância CA e fasores
Resposta: I = 0,1657 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.
I = V/|Z| = 10/60,34 = 0,1657 A
Resposta
I = 0,1657 A
9.Motores CC
Resposta: η = 92 %
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 = 240·50 = 12000 W
Pdev = 230·50 = 11500 W
Pout = 11500 − 460 = 11040 W
Rendimento
η = 11040/12000·100 = 92 %
Resposta
η = 92 %
10.Motores CC
Resposta: Rs = 12,45 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 = 6/1,2 = 5 A
E = 1,2·41,89 = 50,27 V
Resistência em série
Ra + Rs = (120 − 50,27)/5 = 13,95 Ω
Rs = 12,45 Ω
Resposta
Rs = 12,45 Ω
O resistor desperdiça 311,2 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.