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 VZ = 15 + j20 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 15 + j20 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 480 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 480 VZ = 15 + j20 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,78 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?10 kVA

Um transformador monofásico de 10 kVA, 10000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 10 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
150 kVA

Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 450 W e perdas no cobre de 1800 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V111 kW, 0,6210 kW, 1I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 11 kW com fator de potência 0,6 indutivo e um aquecedor de 10 kW (fator de potência unitário). Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 400 VP1 = 11 kW, pf1 = 0,6 indutivoP2 = 10 kW, pf2 = 1
cos φ =
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, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 100 µF
cos φ =
8.Impedância CA e fasoresDifícil
10 V50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,3 N·m/A, Ra = 0,5 Ω) funciona com 120 V e aciona um torque de carga de 6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 120 Vk = 0,3 N·m/ARa = 0,5 ΩT = 6 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 0,5 ΩM+−En = ?T = 7,5 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,5 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,5 Ω, V = 110 V) aciona um torque de carga constante de 7,5 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 70 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 110 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 7,5 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 16,59 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 = 480 V

Corrente de fase

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19,2 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·19,2²·15 = 16,59 kW

Resposta

P = 16,59 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: QC = 59,92 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 59,92 kvar

Resposta

QC = 59,92 kvar
3.Transformadores

Resposta: ILV = 25 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 = 10000/400 = 25 A

Resposta

ILV = 25 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 75 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

x²·1800 = 450 → x = √(450/1800) = 0,5

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

Resposta

Sη,max = 75 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,8198

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 de cada carga

Uma carga indutiva consome potência reativa (Q > 0); uma carga capacitiva a fornece (Q < 0).

Q1 = 11·tan(arccos 0,6) = 14,67 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 11 + 10 = 21 kW
Q = 14,67 + 0 = 14,67 kvar
S = √(21² + 14,67²) = 25,61 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 21/25,61 = 0,8198 indutivo

Resposta

cos φ = 0,8198
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 125 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 = 45·tan(53,13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 38,21 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0,9) = 125 A

Resposta

Inew = 125 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,1923

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 = 7,958 Ω

Impedância

|Z| = √(60² + (306,2)²) = 312 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 60/312 = 0,1923
O circuito é indutivo, então o fator de potência é indutivo (atrasado).

Resposta

cos φ = 0,1923
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 107,3 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·√(0,1·22·10⁻⁶)) = 107,3 Hz

Resposta

f0 = 107,3 Hz
9.Motores CC

Resposta: n = 3501 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 = 6/0,3 = 20 A

fcem e velocidade

E = 120 − 20·0,5 = 110 V
ω = E/k = 366,7 rad/s → n = 3501 rpm

Resposta

n = 3501 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 2709 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.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,7·0,5 = 0,35 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 7,5/0,35 = 21,43 A

Nova velocidade

ω = (110 − 21,43·0,5)/0,35 = 283,7 rad/s → n = 2709 rpm

Resposta

n = 2709 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

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