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​ = 400 VIL​ = ?M55 kW, η = 92%cos φ = 0,85

Um motor de indução trifásico fornece 55 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 92% e seu fator de potência é 0,85 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 55 kWη = 92%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 690 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 = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
8 ΩN1​N2​32 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 32 Ω alimenta um alto-falante de 8 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 32 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 32 ΩRL = 8 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9550 kVA, η = 96,5%

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 250 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,95 indutivo, seu rendimento é 96,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0,95η = 96,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 32 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 32 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 32 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 54 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 54 kW com fator de potência 0,7 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 = 54 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 1000 HzRL = ?C = 10 µF

Um circuito RLC série com C = 10 µF deve ressoar a 1000 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 1000 HzC = 10 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V100 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 100 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)10 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 1 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) funciona com 110 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 = 110 Vk = 1 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 10 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−48 VRa​ = 0,8 ΩM+−En = ?T = 3 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,5 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,8 Ω, V = 48 V) aciona um torque de carga constante de 3 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 70 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 48 Vk = 0,5 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 3 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 101,5 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 = 55/0,92 = 59,78 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59783/(√3·400·0,85) = 101,5 A

Resposta

IL = 101,5 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 246,6 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 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 44,26 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14753/(377·398,4²) = 246,6 µF

Resposta

Cph = 246,6 µF
3.Transformadores

Resposta: a = 2

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

a²·8 = 32
a = √(32/8) = √4 = 2

Resposta

a = 2
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 1473 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 = 47500/0,965 = 49223 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 49223 − 47500 = 1723 W
Pcu,fl = 1723 − 250 = 1473 W

Resposta

Pcu,fl = 1473 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 24 kvar

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.

Ângulo

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Potência reativa

Q = P·tan φ = 32·0,75 = 24 kvar

Resposta

Q = 24 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 138,3 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 = 54·tan(arccos 0,7) = 55,09 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 55,09²) = 192,3 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 192,3 − 54 = 138,3 kW

Resposta

ΔP = 138,3 kW
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 2,533 mH

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·1000 = 6283 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·10·10⁻⁶) = 2,533 mH

Resposta

L = 2,533 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 5,918 A

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−3,349)²) = 20,28 Ω

Corrente

A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.

I = V/|Z| = 120/20,28 = 5,918 A

Resposta

I = 5,918 A
9.Motores CC

Resposta: SR = 15,79 %

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 = 60·110/(2π·1) = 1050 rpm
nFL = 60·(110 − 10·1,5)/(2π·1) = 907,2 rpm

Regulação de velocidade

SR = (1050 − 907,2)/907,2·100 = 15,79 %

Resposta

SR = 15,79 %
10.Motores CC

Resposta: n = 1123 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.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,7·0,5 = 0,35 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 3/0,35 = 8,571 A

Nova velocidade

ω = (48 − 8,571·0,8)/0,35 = 117,6 rad/s → n = 1123 rpm

Resposta

n = 1123 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

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