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 = 15 + j20 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 15 + j20 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 = 15 + j20 Ω por fase
P = kW
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 480 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 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 = 0,92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 15 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4600 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 15 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 15 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,875 kVA, η = 98,8%

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 450 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,8 indutivo, seu rendimento é 98,8%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 75 kVAPcore = 450 Wpf = 0,8η = 98,8%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 35 kWQSφ

Um motor monofásico consome 35 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 35 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
400 V50 Hzcarga28 kW, 0,8C220 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 28 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor de 220 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 28 kWpf1 = 0,8V = 400 Vf = 50 HzC = 220 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 200 HzRL = 5 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 5 mH deve ressoar a 200 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 200 HzL = 5 mH
C = µF
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 20 ΩL = 200 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 20 Ω, L = 200 mH e C = 0,22 µF. Encontre sua largura de banda B (a largura da faixa entre as frequências de meia potência), em Hz.

R = 20 ΩL = 200 mHC = 0,22 µF
B = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,12 V·s/rad funciona com 48 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 48 Vk = 0,12 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 0,8 ΩM+−EωT

Um pequeno motor CC tem resistência de armadura de 0,8 Ω e funciona com 110 V. Desprezando as perdas rotacionais, encontre a maior potência mecânica Pmax que ele pode desenvolver em qualquer velocidade.

V = 110 VRa = 0,8 Ω
Pmax = W

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 4,133 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| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 239,6/25 = 9,584 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,584²·15 = 4,133 kW

Resposta

P = 4,133 kW

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

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 2567 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 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 222,9 kvar

Capacitância por fase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 74313/(377·277,1²) = 2567 µF

Resposta

Cph = 2567 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,7667 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.

Tensão e corrente no secundário

V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/15 = 15,33 A

Corrente no primário

Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 0,7667 A

Resposta

I1 = 0,7667 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 6000 Ω, e 4600/6000 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 278,7 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 = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,988 = 60729 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 60729 − 60000 = 728,7 W
Pcu,fl = 728,7 − 450 = 278,7 W

Resposta

Pcu,fl = 278,7 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 190,2 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) = 35000/(230·0,8) = 190,2 A

Resposta

I = 190,2 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 74,28 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 = 28·tan(arccos 0,8) = 21 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·220·10⁻⁶ = 11058 var = 11,06 kvar
Q2 = 21 − 11,06 = 9,942 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(28² + 9,942²) = 29,71 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 29713/400 = 74,28 A

Resposta

I = 74,28 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 126,7 µF

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·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,005) = 126,7 µF

Resposta

C = 126,7 µF
8.Impedância CA e fasores

Resposta: B = 15,92 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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,2·0,22·10⁻⁶)) = 758,7 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,2/(0,22·10⁻⁶)) = 47,67

Largura de banda

B = f0/Q = 758,7/47,67 = 15,92 Hz

Resposta

B = 15,92 Hz
9.Motores CC

Resposta: n0 = 3820 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 = 48/0,12 = 400 rad/s
n0 = 60·400/(2π) = 3820 rpm

Resposta

n0 = 3820 rpm
10.Motores CC

Resposta: Pmax = 3781 W

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.

Potência em função da fcem

P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

Potência máxima

Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·0,8) = 3781 W

Resposta

Pmax = 3781 W

Nesse ponto o rendimento é de apenas 50 %, por isso os motores reais funcionam bem acima da metade da velocidade.

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