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​ = ?M7,5 kW, η = 93%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 7,5 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 93% 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 = 7,5 kWη = 93%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 480 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
5 Ω21

Um resistor de 5 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 2:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 2:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9500 kVA, η = 98,8%

Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 2000 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 98,8%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 500 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,9η = 98,8%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VZ7 + j24 ΩI

Uma carga com impedância Z = 7 + j24 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Encontre a potência ativa P que ela absorve.

V = 230 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 20 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,95. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 20 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
120 V100 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 100 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 50 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 50 Ω, L = 100 mH e C = 0,22 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 50 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF
Q =
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,6 V·s/rad funciona com 48 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 48 Vk = 0,6 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−110 VRa​ = 0,25 ΩM+−En = ?T = 12 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,3 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,25 Ω, V = 110 V) aciona um torque de carga constante de 12 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 75 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 110 Vk = 0,3 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 12 N·mΦ = 75 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 7,846 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 = 7,5/0,93 = 8,065 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8065/(√3·690·0,86) = 7,846 A

Resposta

IL = 7,846 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 138,3 kvar

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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Resposta

QC = 138,3 kvar
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 20 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 = 2²·5 = 20 Ω

Resposta

R1′ = 20 Ω
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 3466 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 = 450000/0,988 = 455466 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 455466 − 450000 = 5466 W
Pcu,fl = 5466 − 2000 = 3466 W

Resposta

Pcu,fl = 3466 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: P = 592,5 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| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A

Potência ativa

P = I²·R = 9,2²·7 = 592,5 W

Resposta

P = 592,5 W
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 16,81 kvar

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 = 20·tan(49,46°) = 23,38 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(18,19°) = 6,574 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,81 kvar

Resposta

QC = 16,81 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 16,16 °

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 = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (28,97)²) = 104,1 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(28,97/100) = 16,16°

Resposta

φ = 16,16°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 13,48

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,22·10⁻⁶)) = 1073 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,1/(0,22·10⁻⁶)) = 13,48

Resposta

Q = 13,48
9.Motores CC

Resposta: n0 = 763,9 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 = 48/0,6 = 80 rad/s
n0 = 60·80/(2π) = 763,9 rpm

Resposta

n0 = 763,9 rpm
10.Motores CC

Resposta: n = 4103 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 = 0,75·0,3 = 0,225 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 12/0,225 = 53,33 A

Nova velocidade

ω = (110 − 53,33·0,25)/0,225 = 429,6 rad/s → n = 4103 rpm

Resposta

n = 4103 rpm

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

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