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 = 24 + j7 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 24 + j7 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 = 24 + j7 Ω por fase
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 415 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 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 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
2 ΩN1​N2​50 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 50 Ω alimenta um alto-falante de 2 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 50 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 50 ΩRL = 2 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
pf 0,875 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 225 W e perdas no cobre de 337,5 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 337,5 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 V120 kW, 0,822 kW, 0,95I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 240 V: uma carga de 20 kW com fator de potência 0,8 indutivo e uma carga de 2 kW com fator de potência 0,95 capacitivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 240 VP1 = 20 kW, pf1 = 0,8 indutivoP2 = 2 kW, pf2 = 0,95 capacitivo
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
230 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 230 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 50 + j15 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. A carga para máxima potência é formada por um resistor em série com um capacitor. Encontre a capacitância C.

Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j15 Ω
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
24 V50 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 50 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 47 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
50 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 500 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)3,75 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,75 N·m/A, Ra = 0,8 Ω) funciona com 48 V e aciona um torque de carga de 3,75 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 48 Vk = 0,75 N·m/ARa = 0,8 ΩT = 3,75 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−24 VRs​ = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 900 rpmT = 0,24 N·m

Um motor CC (k = 0,12 V·s/rad, Ra = 1 Ω) em uma alimentação fixa de 24 V aciona uma carga de 0,24 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 900 rpm.

V = 24 Vk = 0,12 V·s/radRa = 1 ΩT = 0,24 N·mn = 900 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 6,613 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| = √(24² + 7²) = 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 = 3·9,584²·24 = 6,613 kW

Resposta

P = 6,613 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,96, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 295,4 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 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 57,54 kvar

Capacitância por fase

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

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19181/(377·415²) = 295,4 µF

Resposta

Cph = 295,4 µF
3.Transformadores

Resposta: a = 5

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.

Casar a carga referida

a²·2 = 50
a = √(50/2) = √25 = 5

Resposta

a = 5
4.Transformadores

Resposta: Ploss = 246,1 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 = 0,0625·337,5 = 21,09 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 225 + 21,09 = 246,1 W

Resposta

Ploss = 246,1 W

O rendimento nesta carga é η = 98,39%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 109,4 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 de cada carga

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

Q1 = 20·tan(arccos 0,8) = 15 kvar
Q2 = −2·tan(arccos 0,95) = −0,6574 kvar

Totais

P = 20 + 2 = 22 kW
Q = 15 + (−0,6574) = 14,34 kvar
S = √(22² + 14,34²) = 26,26 kVA

Corrente total

I = S/V = 26262/240 = 109,4 A

Resposta

I = 109,4 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 176,8 µF

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* = 50 − j15 Ω

Capacitância

XC = 15 Ω → C = 1/(2π·60·15) = 176,8 µF

Resposta

C = 176,8 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 1,486 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 = 6,283 Ω, XC = 67,73 Ω

Impedância

|Z| = √(10² + (−61,44)²) = 62,25 Ω

Potência ativa

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

I = 24/62,25 = 0,3855 A
P = I²·R = 0,3855²·10 = 1,486 W

Resposta

P = 1,486 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 151,7 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·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Resposta

f0 = 151,7 Hz
9.Motores CC

Resposta: n = 560,2 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 = 3,75/0,75 = 5 A

fcem e velocidade

E = 48 − 5·0,8 = 44 V
ω = E/k = 58,67 rad/s → n = 560,2 rpm

Resposta

n = 560,2 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rs = 5,345 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 = 0,24/0,12 = 2 A
E = 0,12·94,25 = 11,31 V

Resistência em série

Ra + Rs = (24 − 11,31)/2 = 6,345 Ω
Rs = 5,345 Ω

Resposta

Rs = 5,345 Ω

O resistor desperdiça 21,38 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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