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​ = 690 VIL​ = ?M15 kW, η = 88%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 15 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 88% e seu fator de potência é 0,86 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 690 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 15 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 50 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 = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
5 ΩN1​N2​320 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 320 Ω alimenta um alto-falante de 5 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 320 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 320 ΩRL = 5 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
75 kVA

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 300 W e perdas no cobre de 600 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VR + jXP = 1639 W9,5 A

Uma carga indutiva consome 9,5 A e 1639 W de uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 230 VI = 9,5 AP = 1639 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
400 V60 Hzcarga4 kW, 0,75C47 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 4 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 400 V, 60 Hz. Um capacitor de 47 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 4 kWpf1 = 0,75V = 400 Vf = 60 HzC = 47 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 60 HzRL = 2 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 2 mH deve ressoar a 60 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 60 HzL = 2 mH
C = µF
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 Vf0​R = 20 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 24 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 24 V (rms)R = 20 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 3000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 0,5 kW de potência mecânica a 3000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 0,5 kWn = 3000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
T (N·m)n (rpm)40 N·m1500 rpm

Um motor CC com k = 1 V·s/rad e Ra = 0,2 Ω deve acionar uma carga de 40 N·m a 1500 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.

k = 1 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 40 N·mn = 1500 rpm
V = V

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 16,58 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 = 15/0,88 = 17,05 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 17045/(√3·690·0,86) = 16,58 A

Resposta

IL = 16,58 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1742 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 126,1 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 42022/(314,2·277,1²) = 1742 µF

Resposta

Cph = 1742 µF
3.Transformadores

Resposta: a = 8

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

a²·5 = 320
a = √(320/5) = √64 = 8

Resposta

a = 8
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 53,03 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

x²·600 = 300 → x = √(300/600) = 0,7071

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,7071·75 = 53,03 kVA

Resposta

Sη,max = 53,03 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 18,16 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 = 1639/9,5² = 18,16 Ω

Resposta

R = 18,16 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 10,15 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 = 4·tan(arccos 0,75) = 3,528 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·47·10⁻⁶ = 2835 var = 2,835 kvar
Q2 = 3,528 − 2,835 = 0,6927 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(4² + 0,6927²) = 4,06 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 4060/400 = 10,15 A

Resposta

I = 10,15 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 3518 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·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,002) = 3518 µF

Resposta

C = 3518 µF
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 114,4 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/√(0,02·2,2·10⁻⁶) = 4767 rad/s
I = V/R = 24/20 = 1,2 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 4767·0,02 = 95,35 Ω
VL = I·XL = 1,2·95,35 = 114,4 V

Resposta

VL = 114,4 V

Isso é Q = 4,767 vezes a tensão da fonte.

9.Motores CC

Resposta: T = 1,592 N·m

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 em rad/s

ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s

Torque

T = P/ω = 500/314,2 = 1,592 N·m

Resposta

T = 1,592 N·m
10.Motores CC

Resposta: V = 165,1 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 = 1·157,1 = 157,1 V

Corrente de armadura

Ia = 40/1 = 40 A

Tensão de armadura

V = 157,1 + 40·0,2 = 165,1 V

Resposta

V = 165,1 V

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