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 VNZ = 4 + j3 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 4 + j3 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 = 4 + j3 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,7 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 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
8 Ω31

Um resistor de 8 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 3:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 3:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95200 kVA, η = 98%

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 600 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,95 indutivo, seu rendimento é 98%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 200 kVAPcore = 600 Wpf = 0,95η = 98%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VZ12 + j16 ΩI

Uma carga com impedância Z = 12 + j16 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência aparente S.

V = 120 VZ = 12 + j16 Ω
S = VA
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 15 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 0,9. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V100 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µFI

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V200 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 50 ΩC = 47 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 120 V (eficaz), 200 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 40 ΩR2 = 50 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 1,2 V·s/rad funciona com 120 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 120 Vk = 1,2 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)1,6 N·m600 rpm

Um motor CC com k = 0,2 V·s/rad e Ra = 0,2 Ω deve acionar uma carga de 1,6 N·m a 600 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,2 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 1,6 N·mn = 600 rpm
V = V

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 27,56 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 = 415/√3 = 239,6 V

Corrente de fase

|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 239,6/5 = 47,92 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·47,92²·4 = 27,56 kW

Resposta

P = 27,56 kW

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

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1355 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 204,3 kvar

Capacitância por fase

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

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 68095/(314,2·400²) = 1355 µF

Resposta

Cph = 1355 µF
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 72 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 = 3²·8 = 72 Ω

Resposta

R1′ = 72 Ω
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 3278 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 = 200·0,95 = 190 kW
Pin = 190000/0,98 = 193878 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 193878 − 190000 = 3878 W
Pcu,fl = 3878 − 600 = 3278 W

Resposta

Pcu,fl = 3278 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: S = 720 VA

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

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 120/20 = 6 A

Potência aparente

S = V·I = 120·6 = 720 VA

Resposta

S = 720 VA
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 8,038 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 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,038 kvar

Resposta

QC = 8,038 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 172,5 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 = 62,83 Ω, XC = 33,86 Ω

Impedância

|Z| = √(30² + (28,97)²) = 41,7 Ω

Potência ativa

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

I = 100/41,7 = 2,398 A
P = I²·R = 2,398²·30 = 172,5 W

Resposta

P = 172,5 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 47,63 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·200·47·10⁻⁶) = 16,93 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 = 5,144 − j15,19 Ω

Impedância total

Z = 40 + 5,144 − j15,19 = 45,14 − j15,19 Ω
|Z| = √(45,14² + 15,19²) = 47,63 Ω

Resposta

|Z| = 47,63 Ω
9.Motores CC

Resposta: n0 = 954,9 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.

Velocidade a vazio

ω₀ = V/k = 120/1,2 = 100 rad/s
n0 = 60·100/(2π) = 954,9 rpm

Resposta

n0 = 954,9 rpm
10.Motores CC

Resposta: V = 14,17 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 = 0,2·62,83 = 12,57 V

Corrente de armadura

Ia = 1,6/0,2 = 8 A

Tensão de armadura

V = 12,57 + 8·0,2 = 14,17 V

Resposta

V = 14,17 V

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