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​ = 690 VIL​ = ?M90 kW, η = 90%cos φ = 0,9

Um motor de indução trifásico fornece 90 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 690 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 90 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,65 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 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 300 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

Um transformador monofásico de 100 kVA, 4800/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 100 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95250 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 750 W e perdas no cobre de 3000 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,95 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V130 kW, 0,7211 kW, 0,8I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 30 kW com fator de potência 0,7 indutivo e uma carga de 11 kW com fator de potência 0,8 capacitivo. Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 230 VP1 = 30 kW, pf1 = 0,7 indutivoP2 = 11 kW, pf2 = 0,8 capacitivo
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 103 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 150 kVA alimenta uma carga de 103 kW com fator de potência 0,85 indutivo. Quanta potência ativa adicional ΔP pode ser acrescentada como carga resistiva (fator de potência unitário) antes que o transformador atinja sua potência nominal em kVA?

Smax = 150 kVAP1 = 103 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
120 V500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 47 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V60 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 60 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 47 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)7,5 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 1,5 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) funciona com 120 V e aciona um torque de carga de 7,5 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 120 Vk = 1,5 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 7,5 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,5 ΩM+−En = 600 rpmT = 25 N·m

Um motor CC (k = 1 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) em uma alimentação fixa de 120 V aciona uma carga de 25 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 600 rpm.

V = 120 Vk = 1 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 25 N·mn = 600 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 92,97 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 = 90/0,9 = 100 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 100000/(√3·690·0,9) = 92,97 A

Resposta

IL = 92,97 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 4180 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 = 300·tan(acos 0,65) = 300·1,169 = 350,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 252,1 kvar

Capacitância por fase

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

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 84045/(377·230,9²) = 4180 µF

Resposta

Cph = 4180 µF
3.Transformadores

Resposta: IHV = 20,83 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 = 100000/4800 = 20,83 A

Resposta

IHV = 20,83 A
4.Transformadores

Resposta: Ploss = 937,5 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.

Perdas no cobre nesta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·3000 = 187,5 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 750 + 187,5 = 937,5 W

Resposta

Ploss = 937,5 W

O rendimento nesta carga é η = 98,45%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,878

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 = 30·tan(arccos 0,7) = 30,61 kvar
Q2 = −11·tan(arccos 0,8) = −8,25 kvar

Totais

P = 30 + 11 = 41 kW
Q = 30,61 + (−8,25) = 22,36 kvar
S = √(41² + 22,36²) = 46,7 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 41/46,7 = 0,878 indutivo

Resposta

cos φ = 0,878
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 32,74 kW

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 da carga existente

Q1 = 103·tan(arccos 0,85) = 63,83 kvar

Maior potência ativa total

Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 63,83²) = 135,7 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 135,7 − 103 = 32,74 kW

Resposta

ΔP = 32,74 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 75,1 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (150,3)²) = 155,5 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(150,3/40) = 75,1°

Resposta

φ = 75,1°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 103,8 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·√(0,05·47·10⁻⁶)) = 103,8 Hz

Resposta

f0 = 103,8 Hz
9.Motores CC

Resposta: n = 725,7 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 = 7,5/1,5 = 5 A

fcem e velocidade

E = 120 − 5·1,2 = 114 V
ω = E/k = 76 rad/s → n = 725,7 rpm

Resposta

n = 725,7 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rs = 1,787 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 = 25/1 = 25 A
E = 1·62,83 = 62,83 V

Resistência em série

Ra + Rs = (120 − 62,83)/25 = 2,287 Ω
Rs = 1,787 Ω

Resposta

Rs = 1,787 Ω

O resistor desperdiça 1117 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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