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 VIL​ = 40 Acos φ = 0,75indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 40 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,75 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 40 Acos φ = 0,75
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,8 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 Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 40 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 40 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 40 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9250 kVA, η = 96%

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 750 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 96%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 250 kVAPcore = 750 Wpf = 0,9η = 96%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VR + jXP = 1890 W10,5 A

Uma carga indutiva consome 10,5 A e 1890 W de uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 240 VI = 10,5 AP = 1890 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 110 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 110 kW com fator de potência 0,7 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 = 200 kVAP1 = 110 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
50 V100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 100 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 22 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 60 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)0,6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,3 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) funciona com 24 V e aciona um torque de carga de 0,6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 24 Vk = 0,3 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 0,6 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−48 VRs​ = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 750 rpmT = 0,9 N·m

Um motor CC (k = 0,15 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) em uma alimentação fixa de 48 V aciona uma carga de 0,9 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 750 rpm.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 0,9 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 20,78 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 = √3·400·40 = 27,71 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 27,71·0,75 = 20,78 kW

Resposta

P = 20,78 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 46,95 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 21,07 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7022/(314,2·690²) = 46,95 µF

Resposta

Cph = 46,95 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,6 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 = 240/40 = 6 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/10 = 0,6 A

Resposta

I1 = 0,6 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 4000 Ω, e 2400/4000 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 8625 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.

Potência de saída e de entrada

Pout = 250·0,9 = 225 kW
Pin = 225000/0,96 = 234375 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 234375 − 225000 = 9375 W
Pcu,fl = 9375 − 750 = 8625 W

Resposta

Pcu,fl = 8625 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 17,14 Ω

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.

Resistência pela potência ativa

R = P/I² = 1890/10,5² = 17,14 Ω

Resposta

R = 17,14 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 55,55 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 = 110·tan(arccos 0,7) = 112,2 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 112,2²) = 165,5 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 165,5 − 110 = 55,55 kW

Resposta

ΔP = 55,55 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 14,73 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 = 157,1 Ω, XC = 72,34 Ω

Impedância

|Z| = √(80² + (84,74)²) = 116,5 Ω

Potência ativa

Indutores e capacitores só armazenam e devolvem energia; o resistor absorve toda a potência ativa.

I = 50/116,5 = 0,4291 A
P = I²·R = 0,4291²·80 = 14,73 W

Resposta

P = 14,73 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,2196 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 = 377·0,05 = 18,85 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 + (−101,7)²) = 109,3 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 24/109,3 = 0,2196 A

Resposta

I = 0,2196 A
9.Motores CC

Resposta: n = 732,1 rpm

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 armadura

Ia = T/k = 0,6/0,3 = 2 A

fcem e velocidade

E = 24 − 2·0,5 = 23 V
ω = E/k = 76,67 rad/s → n = 732,1 rpm

Resposta

n = 732,1 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rs = 5,237 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 = 0,9/0,15 = 6 A
E = 0,15·78,54 = 11,78 V

Resistência em série

Ra + Rs = (48 − 11,78)/6 = 6,037 Ω
Rs = 5,237 Ω

Resposta

Rs = 5,237 Ω

O resistor desperdiça 188,5 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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