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​ = 20 Acos φ = 0,82indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 20 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,82 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,82
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
2400 V240 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

Um transformador monofásico de 500 kVA, 2400/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 500 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 750 W e perdas no cobre de 1875 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1875 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V120 kW, 0,85222 kW, 1I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 20 kW com fator de potência 0,85 indutivo e um aquecedor de 22 kW (fator de potência unitário). Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 400 VP1 = 20 kW, pf1 = 0,85 indutivoP2 = 22 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
240 V50 Hzcarga10 kW, 0,7C470 µFI

Uma carga monofásica consome 10 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor de 470 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 10 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
7.Impedância CA e fasoresMédia
24 V50 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 50 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V100 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 47 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 120 V (eficaz), 100 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

Um motor CC fornece 3 kW de potência mecânica a 1200 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 3 kWn = 1200 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−110 VRst​ = ?Ra​ = 0,25 Ω20 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 110 V tem resistência de armadura de 0,25 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 20 A.

V = 110 VRa = 0,25 ΩImax = 20 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 11,36 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 = √3·400·20 = 13,86 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 13,86·0,82 = 11,36 kW

Resposta

P = 11,36 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 66,46 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 29,82 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9940/(314,2·690²) = 66,46 µF

Resposta

Cph = 66,46 µF
3.Transformadores

Resposta: ILV = 2083 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.

Corrente nominal

Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.

ILV = S/V = 500000/240 = 2083 A

Resposta

ILV = 2083 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 158,1 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

x²·1875 = 750 → x = √(750/1875) = 0,6325

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,6325·250 = 158,1 kVA

Resposta

Sη,max = 158,1 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9591

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 = 20·tan(arccos 0,85) = 12,39 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 20 + 22 = 42 kW
Q = 12,39 + 0 = 12,39 kvar
S = √(42² + 12,39²) = 43,79 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 42/43,79 = 0,9591 indutivo

Resposta

cos φ = 0,9591
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9859

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 = 10·tan(arccos 0,7) = 10,2 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8,505 kvar
Q2 = 10,2 − 8,505 = 1,697 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(10² + 1,697²) = 10,14 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 10/10,14 = 0,9859

Resposta

cos φ = 0,9859
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 1,298 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (10,81)²) = 18,49 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 24/18,49 = 1,298 A

Resposta

I = 1,298 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 43,11 Ω

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|.

Reatância

XC = 1/(2π·100·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 12,16 − j28,72 Ω

Impedância total

Z = 20 + 12,16 − j28,72 = 32,16 − j28,72 Ω
|Z| = √(32,16² + 28,72²) = 43,11 Ω

Resposta

|Z| = 43,11 Ω
9.Motores CC

Resposta: T = 23,87 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·1200/60 = 125,7 rad/s

Torque

T = P/ω = 3000/125,7 = 23,87 N·m

Resposta

T = 23,87 N·m
10.Motores CC

Resposta: Rst = 5,25 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.

Resistência total

Ra + Rst = 110/20 = 5,5 Ω

Resistor de partida

Rst = 5,5 − 0,25 = 5,25 Ω

Resposta

Rst = 5,25 Ω

O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.

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