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​ = 480 VIL​ = ?M15 kW, η = 88%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 15 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 88% e seu fator de potência é 0,86 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 15 kWη = 88%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
RL​ = 12 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4800 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 12 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 12 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
200 kVA

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 1600 W e perdas no cobre de 4000 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 200 kVAPcore = 1600 WPcu,fl = 4000 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 30 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 30 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 30 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
10 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 10 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 50 + j20 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. A carga para máxima potência é formada por um resistor em série com um capacitor. Encontre a capacitância C.

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j20 Ω
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V200 HzR = 50 ΩC = 47 µFI

Um resistor e um capacitor estão ligados em paralelo a uma fonte de 100 V (eficaz), 200 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
8.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 1 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 2,2 kW de potência mecânica a 1000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 2,2 kWn = 1000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 0,25 ΩM+−En = ?T = 30 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 1 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,25 Ω, V = 220 V) aciona um torque de carga constante de 30 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 85 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 220 Vk = 1 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 30 N·mΦ = 85 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 23,84 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 = 15/0,88 = 17,05 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 17045/(√3·480·0,86) = 23,84 A

Resposta

IL = 23,84 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 59,64 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 59,64 kvar

Resposta

QC = 59,64 kvar
3.Transformadores

Resposta: I1 = 1 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 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/12 = 20 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/20 = 1 A

Resposta

I1 = 1 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 4800 Ω, e 4800/4800 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 126,5 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

x²·4000 = 1600 → x = √(1600/4000) = 0,6325

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,6325·200 = 126,5 kVA

Resposta

Sη,max = 126,5 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 35,07 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.

Ângulo

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potência reativa

Q = P·tan φ = 30·1,169 = 35,07 kvar

Resposta

Q = 35,07 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 7,958 µF

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* = 50 − j20 Ω

Capacitância

XC = 20 Ω → C = 1/(2π·1000·20) = 7,958 µF

Resposta

C = 7,958 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 16,04 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/(ωC) = 1/(2π·200·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Correntes de ramo

Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.

IR = V/R = 100/50 = 2 A
IX = V/XC = 100/16,93 = 5,906 A

Corrente total

A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.

I = √(IR² + IX²) = √(2² + 5,906²) = 6,236 A

Impedância

|Z| = V/I = 100/6,236 = 16,04 Ω

Resposta

|Z| = 16,04 Ω
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 318,3 Hz

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.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,25·1·10⁻⁶)) = 318,3 Hz

Resposta

f0 = 318,3 Hz
9.Motores CC

Resposta: T = 21,01 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·1000/60 = 104,7 rad/s

Torque

T = P/ω = 2200/104,7 = 21,01 N·m

Resposta

T = 21,01 N·m
10.Motores CC

Resposta: n = 2372 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 = 0,85·1 = 0,85 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 30/0,85 = 35,29 A

Nova velocidade

ω = (220 − 35,29·0,25)/0,85 = 248,4 rad/s → n = 2372 rpm

Resposta

n = 2372 rpm

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

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