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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 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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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.
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).
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.
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.