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​ = ?M37 kW, η = 88%cos φ = 0,82

Um motor de indução trifásico fornece 37 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 88% e seu fator de potência é 0,82 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 37 kWη = 88%cos φ = 0,82VL = 415 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,75 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 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

Um transformador monofásico de 100 kVA, 10000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 100 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
4.TransformadoresDifícil
150 kVA

Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 450 W e perdas no cobre de 1350 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1350 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VR + jXP = 1536 W16 A

Uma carga indutiva consome 16 A e 1536 W de uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 120 VI = 16 AP = 1536 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 98 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 98 kW com fator de potência 0,75 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 = 200 kVAP1 = 98 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
230 V1000 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 1000 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 1 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
2 Vf0​R = 50 ΩL = 200 mHC = 0,1 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 2 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 2 V (rms)R = 50 ΩL = 200 mHC = 0,1 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)1 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,1 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) funciona com 24 V. A plena carga ele consome 10 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 24 Vk = 0,1 V·s/radRa = 0,25 ΩIFL = 10 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)1,2 N·m500 rpm

Um motor CC com k = 0,3 V·s/rad e Ra = 1,2 Ω deve acionar uma carga de 1,2 N·m a 500 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 0,3 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 1,2 N·mn = 500 rpm
V = V

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 71,33 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 = 37/0,88 = 42,05 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 42045/(√3·415·0,82) = 71,33 A

Resposta

IL = 71,33 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 586,2 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 50,91 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) = 16971/(377·277,1²) = 586,2 µF

Resposta

Cph = 586,2 µF
3.Transformadores

Resposta: IHV = 10 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 = 100000/10000 = 10 A

Resposta

IHV = 10 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 86,6 kVA

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 iguais às perdas no núcleo

x²·1350 = 450 → x = √(450/1350) = 0,5774

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5774·150 = 86,6 kVA

Resposta

Sη,max = 86,6 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 6 Ω

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.

Resistência pela potência ativa

R = P/I² = 1536/16² = 6 Ω

Resposta

R = 6 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 82,36 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 = 98·tan(arccos 0,75) = 86,43 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 86,43²) = 180,4 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 180,4 − 98 = 82,36 kW

Resposta

ΔP = 82,36 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 86,76 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,25 = 1571 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (1412)²) = 1414 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(1412/80) = 86,76°

Resposta

φ = 86,76°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 56,57 V

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 se anulam, então a impedância é só R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·0,1·10⁻⁶) = 7071 rad/s
I = V/R = 2/50 = 0,04 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 7071·0,2 = 1414 Ω
VL = I·XL = 0,04·1414 = 56,57 V

Resposta

VL = 56,57 V

Isso é Q = 28,28 vezes a tensão da fonte.

9.Motores CC

Resposta: SR = 11,63 %

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 e a plena carga

n₀ = 60·24/(2π·0,1) = 2292 rpm
nFL = 60·(24 − 10·0,25)/(2π·0,1) = 2053 rpm

Regulação de velocidade

SR = (2292 − 2053)/2053·100 = 11,63 %

Resposta

SR = 11,63 %
10.Motores CC

Resposta: V = 20,51 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 = 0,3·52,36 = 15,71 V

Corrente de armadura

Ia = 1,2/0,3 = 4 A

Tensão de armadura

V = 15,71 + 4·1,2 = 20,51 V

Resposta

V = 20,51 V

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