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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 Δ com impedância de 7 + j24 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 = 7 + j24 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 415 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 Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um transformador monofásico de 250 kVA, 480/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.
S = 250 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 450 W e perdas no cobre de 900 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?
S = 75 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Uma carga com impedância Z = 7 + j24 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência ativa P que ela absorve.
V = 120 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma fonte de 12 V (eficaz), 50 Hz tem impedância interna Zs = 5 + j30 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.
Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 5 + j30 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um resistor e um indutor estão ligados em paralelo a uma fonte de 100 V (eficaz), 100 Hz. Encontre a corrente rms I.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 100 mH
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 200 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
Um motor CC fornece 11 kW de potência mecânica a 2900 rpm. Encontre o torque no eixo T.
P = 11 kWn = 2900 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
Um motor CC com k = 1,2 V·s/rad e Ra = 0,25 Ω deve acionar uma carga de 36 N·m a 300 rpm. Encontre a tensão de armadura V de que ele precisa.
k = 1,2 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 36 N·mn = 300 rpm
V = V
3Soluções
1.Potência trifásica
Resposta: P = 5,787 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.
Tensão de fase
Vph = VL = 415 V
Corrente de fase
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A
Potência ativa total
Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.
P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·7 = 5,787 kW
Resposta
P = 5,787 kW
Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,28, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 495,2 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 26,79 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.
Corrente nominal
Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.
ILV = S/V = 250000/240 = 1042 A
Resposta
ILV = 1042 A
4.Transformadores
Resposta: Sη,max = 53,03 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
x²·900 = 450 → x = √(450/900) = 0,7071
Carga de rendimento máximo
Sη,max = x·S = 0,7071·75 = 53,03 kVA
Resposta
Sη,max = 53,03 kVA
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: P = 161,3 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| = 120/25 = 4,8 A
Potência ativa
P = I²·R = 4,8²·7 = 161,3 W
Resposta
P = 161,3 W
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: Pmax = 7,2 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.
Casamento conjugado
A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.
ZL = Zs* = 5 − j30 Ω
Potência máxima
I = Vs/(2Rs) = 12/10 = 1,2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·5) = 7,2 W
Resposta
Pmax = 7,2 W
7.Impedância CA e fasores
Resposta: I = 3,694 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|.
Reatância
XL = ωL = 2π·100·0,1 = 62,83 Ω
Correntes de ramo
Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.
IR = V/R = 100/30 = 3,333 A
IX = V/XL = 100/62,83 = 1,592 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) = √(3,333² + 1,592²) = 3,694 A
Resposta
I = 3,694 A
8.Impedância CA e fasores
Resposta: f0 = 107,3 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.
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·2900/60 = 303,7 rad/s
Torque
T = P/ω = 11000/303,7 = 36,22 N·m
Resposta
T = 36,22 N·m
10.Motores CC
Resposta: V = 45,2 V
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.