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​ = ?M11 kW, η = 94%cos φ = 0,84

Um motor de indução trifásico fornece 11 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 94% e seu fator de potência é 0,84 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0,84VL = 400 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 10 Ω41920 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 4:1 tem 920 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 10 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 10 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9500 kVA, η = 96%

Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 3000 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 96%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 500 kVAPcore = 3000 Wpf = 0,9η = 96%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 1 kWQSφ

Um motor monofásico consome 1 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 1 kWpf = 0,65V = 400 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
50 V60 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 50 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 5 + j30 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 5 + j30 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V100 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 100 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)0,4 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 0,2 N·m/A, Ra = 1,2 Ω) funciona com 24 V e aciona um torque de carga de 0,4 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 24 Vk = 0,2 N·m/ARa = 1,2 ΩT = 0,4 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−48 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 0,6 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,3 V·s/rad com campo pleno, Ra = 1,5 Ω, V = 48 V) aciona um torque de carga constante de 0,6 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 85 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 48 Vk = 0,3 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 0,6 N·mΦ = 85 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 20,11 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 = 11/0,94 = 11,7 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·400·0,84) = 20,11 A

Resposta

IL = 20,11 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 290,2 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 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 43,76 kvar

Capacitância por fase

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

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14585/(314,2·400²) = 290,2 µF

Resposta

Cph = 290,2 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 5,75 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 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/10 = 23 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/4 = 5,75 A

Resposta

I1 = 5,75 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 160 Ω, e 920/160 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 15750 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 = 500·0,9 = 450 kW
Pin = 450000/0,96 = 468750 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 468750 − 450000 = 18750 W
Pcu,fl = 18750 − 3000 = 15750 W

Resposta

Pcu,fl = 15750 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 3,846 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.

Corrente de linha

Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.

I = P/(V·cos φ) = 1000/(400·0,65) = 3,846 A

Resposta

I = 3,846 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 125 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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 5 − j30 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 50/10 = 5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·5) = 125 W

Resposta

Pmax = 125 W
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 23,96 °

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 = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (26,66)²) = 65,66 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(26,66/60) = 23,96°

Resposta

φ = 23,96°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,2107 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 = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (53,32)²) = 56,95 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 12/56,95 = 0,2107 A

Resposta

I = 0,2107 A
9.Motores CC

Resposta: n = 1031 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.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 0,4/0,2 = 2 A

fcem e velocidade

E = 24 − 2·1,2 = 21,6 V
ω = E/k = 108 rad/s → n = 1031 rpm

Resposta

n = 1031 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 1665 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 = 0,85·0,3 = 0,255 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,6/0,255 = 2,353 A

Nova velocidade

ω = (48 − 2,353·1,5)/0,255 = 174,4 rad/s → n = 1665 rpm

Resposta

n = 1665 rpm

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

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