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 VIL​ = 120 Acos φ = 0,75indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 120 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,75 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0,75
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 120 kW com fator de potência 0,72 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 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 120 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
6600 V230 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

Um transformador monofásico de 500 kVA, 6600/230 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 500 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9550 kVA, η = 98%

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 200 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 = 50 kVAPcore = 200 Wpf = 0,95η = 98%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V112 kW, 0,824 kW, 0,85I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 12 kW com fator de potência 0,8 indutivo e uma carga de 4 kW com fator de potência 0,85 indutivo. Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 230 VP1 = 12 kW, pf1 = 0,8 indutivoP2 = 4 kW, pf2 = 0,85 indutivo
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
120 V1000 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 120 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 5 + j6 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 120 V (rms)f = 1000 HzZs = 5 + j6 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 1 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V200 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩC = 22 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 12 V (eficaz), 200 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 0,5 kW de potência mecânica a 3000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 0,5 kWn = 3000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 750 rpmT = 60 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 2 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) a partir de um barramento CC de 240 V. A tensão média de armadura é D·240 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 750 rpm com uma carga de 60 N·m.

Vdc = 240 Vk = 2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 60 N·mn = 750 rpm
D = %

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 64,69 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 = √3·415·120 = 86,26 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 86,26·0,75 = 64,69 kW

Resposta

P = 64,69 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 143,8 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 = 120·tan(acos 0,72) = 120·0,9639 = 115,7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 64,54 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) = 21514/(314,2·690²) = 143,8 µF

Resposta

Cph = 143,8 µF
3.Transformadores

Resposta: IHV = 75,76 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.

IHV = S/V = 500000/6600 = 75,76 A

Resposta

IHV = 75,76 A
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 769,4 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 = 50·0,95 = 47,5 kW
Pin = 47500/0,98 = 48469 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 48469 − 47500 = 969,4 W
Pcu,fl = 969,4 − 200 = 769,4 W

Resposta

Pcu,fl = 769,4 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,8125

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 = 12·tan(arccos 0,8) = 9 kvar
Q2 = 4·tan(arccos 0,85) = 2,479 kvar

Totais

P = 12 + 4 = 16 kW
Q = 9 + 2,479 = 11,48 kvar
S = √(16² + 11,48²) = 19,69 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 16/19,69 = 0,8125 indutivo

Resposta

cos φ = 0,8125
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 720 W

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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 5 − j6 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/10 = 12 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·5) = 720 W

Resposta

Pmax = 720 W
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = −83,19 °

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 = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−670,1)²) = 674,9 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−670,1/80) = −83,19°

Resposta

φ = −83,19°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 36,32 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·200·22·10⁻⁶) = 36,17 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 = 15,32 − j8,469 Ω

Impedância total

Z = 20 + 15,32 − j8,469 = 35,32 − j8,469 Ω
|Z| = √(35,32² + 8,469²) = 36,32 Ω

Resposta

|Z| = 36,32 Ω
9.Motores CC

Resposta: T = 1,592 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.

Velocidade em rad/s

ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s

Torque

T = P/ω = 500/314,2 = 1,592 N·m

Resposta

T = 1,592 N·m
10.Motores CC

Resposta: D = 68,57 %

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.

Tensão de armadura necessária

Va = 2·78,54 + 30·0,25 = 164,6 V

Ciclo de trabalho

D = 164,6/240 = 68,57 %

Resposta

D = 68,57 %

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