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​ = 25 Acos φ = 0,75indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 25 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,75 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 25 Acos φ = 0,75
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,78 indutivo de uma alimentação de 400 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 Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 150 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
50 Ω101

Um resistor de 50 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 10:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 10:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9150 kVA, η = 97,5%

Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 450 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 97,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 150 kVAPcore = 450 Wpf = 0,9η = 97,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V114 kW, 0,85215 kW, 1I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 14 kW com fator de potência 0,85 indutivo e um aquecedor de 15 kW (fator de potência unitário). Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 230 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,85 indutivoP2 = 15 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 5 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a capacitância C necessária.

P = 5 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
230 V50 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 50 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µF
P = W
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 1 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 1 µF
I = A
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,2 V·s/rad funciona com 24 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 24 Vk = 0,2 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−120 VRs​ = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 750 rpmT = 15 N·m

Um motor CC (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) em uma alimentação fixa de 120 V aciona uma carga de 15 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 750 rpm.

V = 120 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 15 N·mn = 750 rpm
Rs = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 12,99 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.

Potência aparente

S = √3·VL·IL = √3·400·25 = 17,32 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 17,32·0,75 = 12,99 kW

Resposta

P = 12,99 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 392,6 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 = 150·tan(acos 0,78) = 150·0,8023 = 120,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 71,04 kvar

Capacitância por fase

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

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23680/(377·400²) = 392,6 µF

Resposta

Cph = 392,6 µF
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 5000 Ω

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.

Resistência referida

A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².

R1′ = a²·RL = 10²·50 = 5000 Ω

Resposta

R1′ = 5000 Ω
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 3012 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 = 150·0,9 = 135 kW
Pin = 135000/0,975 = 138462 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 138462 − 135000 = 3462 W
Pcu,fl = 3462 − 450 = 3012 W

Resposta

Pcu,fl = 3012 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 131,6 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 = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 14 + 15 = 29 kW
Q = 8,676 + 0 = 8,676 kvar
S = √(29² + 8,676²) = 30,27 kVA

Corrente total

I = S/V = 30270/230 = 131,6 A

Resposta

I = 131,6 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 109,9 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.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(41,41°) = 4,41 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(25,84°) = 2,422 kvar
QC = Q1 − Q2 = 1,988 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 1988/(2π·50·240²) = 109,9 µF

Resposta

C = 109,9 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 220,1 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 = 47,12 Ω, XC = 144,7 Ω

Impedância

|Z| = √(50² + (−97,56)²) = 109,6 Ω

Potência ativa

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

I = 230/109,6 = 2,098 A
P = I²·R = 2,098²·50 = 220,1 W

Resposta

P = 220,1 W
8.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,2069 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−481,6)²) = 483,3 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 100/483,3 = 0,2069 A

Resposta

I = 0,2069 A
9.Motores CC

Resposta: n0 = 1146 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 = 24/0,2 = 120 rad/s
n0 = 60·120/(2π) = 1146 rpm

Resposta

n0 = 1146 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rs = 2,805 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 = 15/0,75 = 20 A
E = 0,75·78,54 = 58,9 V

Resistência em série

Ra + Rs = (120 − 58,9)/20 = 3,055 Ω
Rs = 2,805 Ω

Resposta

Rs = 2,805 Ω

O resistor desperdiça 1122 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.

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