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​ = 75 Acos φ = 0,8indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 75 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,8 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 75 Acos φ = 0,8
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 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 = 0,75pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
RL​ = 24 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4600 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 24 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9100 kVA, η = 98,2%

Um transformador monofásico de 100 kVA tem perdas no núcleo de 500 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 98,2%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 100 kVAPcore = 500 Wpf = 0,9η = 98,2%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 15 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 15 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 15 kWpf = 0,65V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
230 V50 Hzcarga2 kW, 0,6C22 µFI

Uma carga monofásica consome 2 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor de 22 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 2 kWpf1 = 0,6V = 230 Vf = 50 HzC = 22 µF
cos φ =
7.Impedância CA e fasoresMédia
12 V50 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 50 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
10 Vf0​R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,1 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 10 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,1 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 750 rpmT = ?

Um motor CC fornece 2,2 kW de potência mecânica a 750 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 2,2 kWn = 750 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 0,25 Ω100 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 240 V tem resistência de armadura de 0,25 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 100 A.

V = 240 VRa = 0,25 ΩImax = 100 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 41,57 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 = √3·400·75 = 51,96 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 51,96·0,8 = 41,57 kW

Resposta

P = 41,57 kW
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 135,8 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 0,75) = 200·0,8819 = 176,4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 135,8 kvar

Resposta

QC = 135,8 kvar
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,4792 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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/24 = 9,583 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/20 = 0,4792 A

Resposta

I1 = 0,4792 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 9600 Ω, e 4600/9600 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 1150 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 = 100·0,9 = 90 kW
Pin = 90000/0,982 = 91650 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 91650 − 90000 = 1650 W
Pcu,fl = 1650 − 500 = 1150 W

Resposta

Pcu,fl = 1150 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 17,54 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 = 15·1,169 = 17,54 kvar

Resposta

Q = 17,54 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,656

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 = 2·tan(arccos 0,6) = 2,667 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·22·10⁻⁶ = 365,6 var = 0,3656 kvar
Q2 = 2,667 − 0,3656 = 2,301 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(2² + 2,301²) = 3,049 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 2/3,049 = 0,656

Resposta

cos φ = 0,656
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 10,22 °

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) = √(60² + (10,81)²) = 60,97 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(10,81/60) = 10,22°

Resposta

φ = 10,22°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 63,25 V

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 se anulam, então a impedância é só R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·0,1·10⁻⁶) = 31623 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0,2 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 31623·0,01 = 316,2 Ω
VL = I·XL = 0,2·316,2 = 63,25 V

Resposta

VL = 63,25 V

Isso é Q = 6,325 vezes a tensão da fonte.

9.Motores CC

Resposta: T = 28,01 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·750/60 = 78,54 rad/s

Torque

T = P/ω = 2200/78,54 = 28,01 N·m

Resposta

T = 28,01 N·m
10.Motores CC

Resposta: Rst = 2,15 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 = 240/100 = 2,4 Ω

Resistor de partida

Rst = 2,4 − 0,25 = 2,15 Ω

Resposta

Rst = 2,15 Ω

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

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