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​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0,82indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 80 A de uma alimentação com tensão de linha de 480 V. O fator de potência é 0,82 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 480 VIL = 80 Acos φ = 0,82
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 5 Ω511150 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 5:1 tem 1150 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 5 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1150 VRL = 5 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1500 W e perdas no cobre de 2250 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 25 kWQSφ

Um motor monofásico consome 25 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 25 kWpf = 0,6V = 400 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 45 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 45 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
230 V200 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2,2 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 = 100 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 200 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)50 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 2 V·s/rad, Ra = 1 Ω) funciona com 220 V. A plena carga ele consome 25 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 220 Vk = 2 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 25 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−48 VRa​ = 0,5 ΩM+−EωT

Um pequeno motor CC tem resistência de armadura de 0,5 Ω e funciona com 48 V. Desprezando as perdas rotacionais, encontre a maior potência mecânica Pmax que ele pode desenvolver em qualquer velocidade.

V = 48 VRa = 0,5 Ω
Pmax = W

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 54,54 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 = √3·480·80 = 66,51 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 66,51·0,82 = 54,54 kW

Resposta

P = 54,54 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 2053 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 148,6 kvar

Capacitância por fase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 49542/(314,2·277,1²) = 2053 µF

Resposta

Cph = 2053 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 9,2 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.

Tensão e corrente no secundário

V2 = 1150/5 = 230 V
I2 = 230/5 = 46 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/5 = 9,2 A

Resposta

I1 = 9,2 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 125 Ω, e 1150/125 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 204,1 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

x²·2250 = 1500 → x = √(1500/2250) = 0,8165

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,8165·250 = 204,1 kVA

Resposta

Sη,max = 204,1 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 104,2 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.

Corrente de linha

Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.

I = P/(V·cos φ) = 25000/(400·0,6) = 104,2 A

Resposta

I = 104,2 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 26,74 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 = 45·tan(45,57°) = 45,91 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 26,74 kvar

Resposta

QC = 26,74 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 431,4 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 = 314,2 Ω, XC = 361,7 Ω

Impedância

|Z| = √(100² + (−47,56)²) = 110,7 Ω

Potência ativa

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

I = 230/110,7 = 2,077 A
P = I²·R = 2,077²·100 = 431,4 W

Resposta

P = 431,4 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 34,55 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−110,4)²) = 125,6 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 12/125,6 = 0,09551 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,09551·361,7 = 34,55 V

Resposta

VC = 34,55 V
9.Motores CC

Resposta: SR = 12,82 %

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 = 60·220/(2π·2) = 1050 rpm
nFL = 60·(220 − 25·1)/(2π·2) = 931,1 rpm

Regulação de velocidade

SR = (1050 − 931,1)/931,1·100 = 12,82 %

Resposta

SR = 12,82 %
10.Motores CC

Resposta: Pmax = 1152 W

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.

Potência em função da fcem

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 24 V

Potência máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 48²/(4·0,5) = 1152 W

Resposta

Pmax = 1152 W

Nesse ponto o rendimento é de apenas 50 %, por isso os motores reais funcionam bem acima da metade da velocidade.

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