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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 15 + j20 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 = 15 + j20 Ω por fase
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,72 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. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um resistor de 2 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 3:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.
N1:N2 = 3:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 600 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,8 indutivo, seu rendimento é 98,2%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 75 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 98,2%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Uma carga indutiva consome 3,5 A e 357 W de uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre X.
V = 120 VI = 3,5 AP = 357 W
X = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma fonte de 50 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 50 + j3 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.
Vs = 50 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j3 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série com L = 1 mH deve ressoar a 500 Hz. Encontre a capacitância C necessária.
f0 = 500 HzL = 1 mH
C = µF
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 5 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
Um motor CC com k = 0,4 V·s/rad funciona com 120 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.
V = 120 Vk = 0,4 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
Um motor CC de excitação independente (k = 0,4 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,8 Ω, V = 120 V) aciona um torque de carga constante de 3,2 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 75 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.
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| = √(15² + 20²) = 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 = 3·16,6²·15 = 12,4 kW
Resposta
P = 12,4 kW
Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 1051 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 76,08 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.
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 = 3²·2 = 18 Ω
Resposta
R1′ = 18 Ω
4.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 499,8 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 = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,982 = 61100 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 61100 − 60000 = 1100 W
Pcu,fl = 1100 − 600 = 499,8 W
Resposta
Pcu,fl = 499,8 W
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: X = 18,06 Ω
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.
Resistência pela potência ativa
R = P/I² = 357/3,5² = 29,14 Ω
Reatância pela impedância
|Z| = V/I = 120/3,5 = 34,29 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(34,29² − 29,14²) = 18,06 Ω
Resposta
X = 18,06 Ω
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: Pmax = 12,5 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* = 50 − j3 Ω
Potência máxima
I = Vs/(2Rs) = 50/100 = 0,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·50) = 12,5 W
Resposta
Pmax = 12,5 W
7.Impedância CA e fasores
Resposta: C = 101,3 µF
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|.
Condição de ressonância
Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(3142²·0,001) = 101,3 µF
Resposta
C = 101,3 µF
8.Impedância CA e fasores
Resposta: VL = 53,3 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/√(0,1·2,2·10⁻⁶) = 2132 rad/s
I = V/R = 5/20 = 0,25 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 2132·0,1 = 213,2 Ω
VL = I·XL = 0,25·213,2 = 53,3 V
Resposta
VL = 53,3 V
Isso é Q = 10,66 vezes a tensão da fonte.
9.Motores CC
Resposta: n0 = 2865 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.
Velocidade a vazio
ω₀ = V/k = 120/0,4 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm
Resposta
n0 = 2865 rpm
10.Motores CC
Resposta: n = 3548 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.