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​ = ?M22 kW, η = 88%cos φ = 0,9

Um motor de indução trifásico fornece 22 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 88% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 22 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,7 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 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 4 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 2:1 tem 480 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 4 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 4 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,875 kVA, η = 98,5%

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 600 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,8 indutivo, seu rendimento é 98,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 75 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 98,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VZ16 + j12 ΩI

Uma carga com impedância Z = 16 + j12 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência ativa P que ela absorve.

V = 120 VZ = 16 + j12 Ω
P = W
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
240 V50 Hzcarga15 kW, 0,8C470 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 15 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor de 470 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 15 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
120 V60 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 60 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
8.Impedância CA e fasoresDifícil
50 V50 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 100 ΩC = 22 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 50 V (eficaz), 50 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR1 = 25 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 1,5 V·s/rad funciona com 240 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 240 Vk = 1,5 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−120 VRa​ = 0,5 ΩM+−En = ?T = 14,4 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 1,2 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,5 Ω, V = 120 V) aciona um torque de carga constante de 14,4 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 90 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 120 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,5 ΩT = 14,4 N·mΦ = 90 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 38,64 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 = 22/0,88 = 25 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 25000/(√3·415·0,9) = 38,64 A

Resposta

IL = 38,64 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 746,4 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 = 250·tan(acos 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 134 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) = 44657/(377·398,4²) = 746,4 µF

Resposta

Cph = 746,4 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 30 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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/4 = 60 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/2 = 30 A

Resposta

I1 = 30 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 16 Ω, e 480/16 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 313,7 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 = 60000/0,985 = 60914 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 60914 − 60000 = 913,7 W
Pcu,fl = 913,7 − 600 = 313,7 W

Resposta

Pcu,fl = 313,7 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: P = 576 W

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

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 120/20 = 6 A

Potência ativa

P = I²·R = 6²·16 = 576 W

Resposta

P = 576 W
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 63,54 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 = 15·tan(arccos 0,8) = 11,25 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8,505 kvar
Q2 = 11,25 − 8,505 = 2,745 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(15² + 2,745²) = 15,25 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 15249/240 = 63,54 A

Resposta

I = 63,54 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,845

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 = 7,54 Ω, XC = 26,53 Ω

Impedância

|Z| = √(30² + (−18,99)²) = 35,5 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 30/35,5 = 0,845
O circuito é capacitivo, então o fator de potência é capacitivo (adiantado).

Resposta

cos φ = 0,845
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 103,8 Ω

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|.

Reatância

XC = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 67,67 − j46,77 Ω

Impedância total

Z = 25 + 67,67 − j46,77 = 92,67 − j46,77 Ω
|Z| = √(92,67² + 46,77²) = 103,8 Ω

Resposta

|Z| = 103,8 Ω
9.Motores CC

Resposta: n0 = 1528 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 = 240/1,5 = 160 rad/s
n0 = 60·160/(2π) = 1528 rpm

Resposta

n0 = 1528 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 1002 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 = 0,9·1,2 = 1,08 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 14,4/1,08 = 13,33 A

Nova velocidade

ω = (120 − 13,33·0,5)/1,08 = 104,9 rad/s → n = 1002 rpm

Resposta

n = 1002 rpm

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

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