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 VZ = 20 + j15 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 20 + j15 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 415 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 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 = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?25 kVA

Um transformador monofásico de 25 kVA, 4800/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 25 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
100 kVA

Um transformador monofásico de 100 kVA tem perdas no núcleo de 400 W e perdas no cobre de 1200 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 100 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 8 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 8 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 8 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 30 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 10 µF

Um circuito RLC série com C = 10 µF deve ressoar a 5000 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 5000 HzC = 10 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V500 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 50 ΩC = 22 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 100 V (eficaz), 500 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR1 = 25 ΩR2 = 50 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 0,2 N·m/A e Ra = 1,2 Ω está ligado a 48 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 48 Vk = 0,2 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
10.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)0,4 N·m400 rpm

Um motor CC com k = 0,08 V·s/rad e Ra = 0,4 Ω deve acionar uma carga de 0,4 N·m a 400 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,08 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 0,4 N·mn = 400 rpm
V = V

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 16,53 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 = 415 V

Corrente de fase

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW

Resposta

P = 16,53 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: QC = 37,16 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 = 50·tan(acos 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,92) = 50·0,426 = 21,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 37,16 kvar

Resposta

QC = 37,16 kvar
3.Transformadores

Resposta: ILV = 104,2 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.

Corrente nominal

Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.

ILV = S/V = 25000/240 = 104,2 A

Resposta

ILV = 104,2 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 57,74 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

x²·1200 = 400 → x = √(400/1200) = 0,5774

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5774·100 = 57,74 kVA

Resposta

Sη,max = 57,74 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 9,353 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potência reativa

Q = P·tan φ = 8·1,169 = 9,353 kvar

Resposta

Q = 9,353 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 144,9 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.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(45,57°) = 30,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,08 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(230·0,9) = 144,9 A

Resposta

Inew = 144,9 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 0,1013 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·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·10·10⁻⁶) = 0,1013 mH

Resposta

L = 0,1013 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 31,8 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·500·22·10⁻⁶) = 14,47 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 = 3,863 − j13,35 Ω

Impedância total

Z = 25 + 3,863 − j13,35 = 28,86 − j13,35 Ω
|Z| = √(28,86² + 13,35²) = 31,8 Ω

Resposta

|Z| = 31,8 Ω
9.Motores CC

Resposta: Tstall = 8 N·m

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 de travamento

Ia = V/Ra = 48/1,2 = 40 A

Torque de travamento

Tstall = 0,2·40 = 8 N·m

Resposta

Tstall = 8 N·m
10.Motores CC

Resposta: V = 5,351 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 = 0,08·41,89 = 3,351 V

Corrente de armadura

Ia = 0,4/0,08 = 5 A

Tensão de armadura

V = 3,351 + 5·0,4 = 5,351 V

Resposta

V = 5,351 V

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