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​ = ?M37 kW, η = 93%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 37 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 93% e seu fator de potência é 0,86 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 37 kWη = 93%cos φ = 0,86VL = 400 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 400 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
16 Ω41

Um resistor de 16 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 4:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 4:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9200 kVA, η = 96,5%

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 800 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 96,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 200 kVAPcore = 800 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 30 kWQSφ

Um motor monofásico consome 30 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 30 kWpf = 0,75V = 240 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 0,6 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,98. Encontre a capacitância C necessária.

P = 45 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 1 µF

Um circuito RLC série com C = 1 µF deve ressoar a 500 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 500 HzC = 1 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V50 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 47 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 1 N·m/A e Ra = 1,5 Ω está ligado a 110 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 110 Vk = 1 N·m/ARa = 1,5 Ω
Tstall = N·m
10.Motores CCDifícil
+−240 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 800 rpmT = 36 N·m

Um motor CC (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) em uma alimentação fixa de 240 V aciona uma carga de 36 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 800 rpm.

V = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 36 N·mn = 800 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 66,77 A

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 elétrica de entrada

Pin = Pout/η = 37/0,93 = 39,78 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39785/(√3·400·0,86) = 66,77 A

Resposta

IL = 66,77 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 36,47 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 36,47 kvar

Resposta

QC = 36,47 kvar
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 256 Ω

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.

Resistência referida

A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².

R1′ = a²·RL = 4²·16 = 256 Ω

Resposta

R1′ = 256 Ω
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 5728 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 = 200·0,9 = 180 kW
Pin = 180000/0,965 = 186528 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 186528 − 180000 = 6528 W
Pcu,fl = 6528 − 800 = 5728 W

Resposta

Pcu,fl = 5728 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 166,7 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) = 30000/(240·0,75) = 166,7 A

Resposta

I = 166,7 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 1012 µF

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(53,13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 50,86 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 50862/(2π·50·400²) = 1012 µF

Resposta

C = 1012 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 101,3 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·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·1·10⁻⁶) = 101,3 mH

Resposta

L = 101,3 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 46,43 Hz

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|.

Ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,25·47·10⁻⁶)) = 46,43 Hz

Resposta

f0 = 46,43 Hz
9.Motores CC

Resposta: Tstall = 73,33 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 = 110/1,5 = 73,33 A

Torque de travamento

Tstall = 1·73,33 = 73,33 N·m

Resposta

Tstall = 73,33 N·m
10.Motores CC

Resposta: Rs = 4,399 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 = 36/1,2 = 30 A
E = 1,2·83,78 = 100,5 V

Resistência em série

Ra + Rs = (240 − 100,5)/30 = 4,649 Ω
Rs = 4,399 Ω

Resposta

Rs = 4,399 Ω

O resistor desperdiça 3959 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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