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​ = 415 VIL​ = 120 Acos φ = 0,82indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 120 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,82 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 415 VIL = 120 Acos φ = 0,82
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 60 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 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
10 Ω121

Um resistor de 10 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 12:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 12:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
500 kVA

Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 2500 W e perdas no cobre de 7500 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 7500 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V126 kW, 0,7523 kW, 0,8I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 26 kW com fator de potência 0,75 indutivo e uma carga de 3 kW com fator de potência 0,8 capacitivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,75 indutivoP2 = 3 kW, pf2 = 0,8 capacitivo
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
230 V50 Hzcarga12 kW, 0,8C68 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 12 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor de 68 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 12 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 50 HzC = 68 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
120 V100 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 47 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 100 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 47 µF
cos φ =
8.Impedância CA e fasoresDifícil
230 V200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF

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 = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1200 rpmT = ?

Um motor CC fornece 2,2 kW de potência mecânica a 1200 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 2,2 kWn = 1200 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−220 VD = ?Ra​ = 0,25 ΩM+−En = 600 rpmT = 30 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 0,25 Ω) a partir de um barramento CC de 220 V. A tensão média de armadura é D·220 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 600 rpm com uma carga de 30 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,75 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 30 N·mn = 600 rpm
D = %

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 70,73 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 = √3·415·120 = 86,26 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 86,26·0,82 = 70,73 kW

Resposta

P = 70,73 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 226,9 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 40,73 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13577/(377·398,4²) = 226,9 µF

Resposta

Cph = 226,9 µF
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 1440 Ω

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.

Resistência referida

A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².

R1′ = a²·RL = 12²·10 = 1440 Ω

Resposta

R1′ = 1440 Ω
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 288,7 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

x²·7500 = 2500 → x = √(2500/7500) = 0,5774

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5774·500 = 288,7 kVA

Resposta

Sη,max = 288,7 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 89,05 A

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 = 26·tan(arccos 0,75) = 22,93 kvar
Q2 = −3·tan(arccos 0,8) = −2,25 kvar

Totais

P = 26 + 3 = 29 kW
Q = 22,93 + (−2,25) = 20,68 kvar
S = √(29² + 20,68²) = 35,62 kVA

Corrente total

I = S/V = 35618/400 = 89,05 A

Resposta

I = 89,05 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 62,39 A

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 = 12·tan(arccos 0,8) = 9 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1130 var = 1,13 kvar
Q2 = 9 − 1,13 = 7,87 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(12² + 7,87²) = 14,35 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 14350/230 = 62,39 A

Resposta

I = 62,39 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,2129

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

XL = 125,7 Ω, XC = 33,86 Ω

Impedância

|Z| = √(20² + (91,8)²) = 93,95 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 20/93,95 = 0,2129
O circuito é indutivo, então o fator de potência é indutivo (atrasado).

Resposta

cos φ = 0,2129
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 503,3 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·√(0,1·1·10⁻⁶)) = 503,3 Hz

Resposta

f0 = 503,3 Hz
9.Motores CC

Resposta: T = 17,51 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 = 2200/125,7 = 17,51 N·m

Resposta

T = 17,51 N·m
10.Motores CC

Resposta: D = 25,97 %

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.

Tensão de armadura necessária

Va = 0,75·62,83 + 40·0,25 = 57,12 V

Ciclo de trabalho

D = 57,12/220 = 25,97 %

Resposta

D = 25,97 %

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