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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0,95indutivo

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
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

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
RL​ = 6 Ω41480 VV2​I1​ = ?I2​

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
pf 0,85250 kVA, 75% carga

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.

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 6000 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 21 kWQ = ?Sφ

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
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

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
230 V200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

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
10 V60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

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
+−240 VRa​ = 0,2 ΩIa​ = 50 AM+−EωT

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
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 1,5 ΩM+−En = 400 rpmT = 6 N·m

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.

V = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 6 N·mn = 400 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 45,41 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.

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).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−45,17)²) = 60,34 Ω

Corrente

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.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems