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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
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
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
Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.
2Exercícios
1.Potência trifásicaMédia
Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 15 + j20 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 415 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.
VL = 415 VZ = 15 + j20 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 120 kW com fator de potência 0,72 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 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 120 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um amplificador com resistência de saída de 36 Ω alimenta um alto-falante de 4 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 36 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.
Rs = 36 ΩRL = 4 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 2500 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,8 indutivo, seu rendimento é 97%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 500 kVAPcore = 2500 Wpf = 0,8η = 97%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 9 kW com fator de potência 0,8 indutivo e uma carga de 9 kW com fator de potência 0,7 capacitivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.
Um transformador monofásico de 15 kVA alimenta uma carga de 4 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 = 15 kVAP1 = 4 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 1000 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 = 1000 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 22 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 200 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.
V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
Um motor CC (k = 0,4 V·s/rad, Ra = 0,5 Ω) funciona com 110 V. A plena carga ele consome 30 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.
V = 110 Vk = 0,4 V·s/radRa = 0,5 ΩIFL = 30 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
Um motor CC (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 1,2 Ω) em uma alimentação fixa de 48 V aciona uma carga de 1 N·m. Encontre a resistência em série Rs que o reduz a 300 rpm.
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.
Tensão de fase
Vph = 415/√3 = 239,6 V
Corrente de fase
|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 239,6/25 = 9,584 A
Potência ativa total
Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.
P = 3·Iph²·R = 3·9,584²·15 = 4,133 kW
Resposta
P = 4,133 kW
Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 1261 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 = 120·tan(acos 0,72) = 120·0,9639 = 115,7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 91,3 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.
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
a²·4 = 36
a = √(36/4) = √9 = 3
Resposta
a = 3
4.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 9871 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 = 500·0,8 = 400 kW
Pin = 400000/0,97 = 412371 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 412371 − 400000 = 12371 W
Pcu,fl = 12371 − 2500 = 9871 W
Resposta
Pcu,fl = 9871 W
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 45,41 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 = 9·tan(arccos 0,8) = 6,75 kvar
Q2 = −9·tan(arccos 0,7) = −9,182 kvar
Totais
P = 9 + 9 = 18 kW
Q = 6,75 + (−9,182) = −2,432 kvar
S = √(18² + (−2,432)²) = 18,16 kVA
Corrente total
I = S/V = 18164/400 = 45,41 A
Resposta
I = 45,41 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: ΔP = 10,43 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 = 4·tan(arccos 0,7) = 4,081 kvar
Maior potência ativa total
Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.
P = √(Smax² − Q1²) = √(15² − 4,081²) = 14,43 kW
Potência ativa adicional
ΔP = 14,43 − 4 = 10,43 kW
Resposta
ΔP = 10,43 kW
7.Impedância CA e fasores
Resposta: φ = 86,34 °
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,2 = 1257 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7,234 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
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 indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.
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·0,4) = 2626 rpm
nFL = 60·(110 − 30·0,5)/(2π·0,4) = 2268 rpm
Regulação de velocidade
SR = (2626 − 2268)/2268·100 = 15,79 %
Resposta
SR = 15,79 %
10.Motores CC
Resposta: Rs = 14,95 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 = 1/0,5 = 2 A
E = 0,5·31,42 = 15,71 V
Resistência em série
Ra + Rs = (48 − 15,71)/2 = 16,15 Ω
Rs = 14,95 Ω
Resposta
Rs = 14,95 Ω
O resistor desperdiça 59,78 W; um chopper controla a velocidade com muito menos perdas.