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​ = 690 VIL​ = ?M11 kW, η = 92%cos φ = 0,8

Um motor de indução trifásico fornece 11 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 92% e seu fator de potência é 0,8 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 690 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 11 kWη = 92%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 4 Ω1012400 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 10:1 tem 2400 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 4 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 4 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,850 kVA, 75% carga

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 200 W e perdas no cobre de 400 W na carga nominal. Ele fornece 75% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 400 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VR + jXP = 3150 W17,5 A

Uma carga indutiva consome 17,5 A e 3150 W de uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 240 VI = 17,5 AP = 3150 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 40 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 40 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 50 HzRL = 1 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 1 mH deve ressoar a 50 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 50 HzL = 1 mH
C = µF
8.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1800 rpmT = ?

Um motor CC fornece 1 kW de potência mecânica a 1800 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 1 kWn = 1800 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−110 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 300 rpmT = 3 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 0,75 V·s/rad, Ra = 1 Ω) a partir de um barramento CC de 110 V. A tensão média de armadura é D·110 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 300 rpm com uma carga de 3 N·m.

Vdc = 110 Vk = 0,75 V·s/radRa = 1 ΩT = 3 N·mn = 300 rpm
D = %

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 12,51 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 = 11/0,92 = 11,96 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11957/(√3·690·0,8) = 12,51 A

Resposta

IL = 12,51 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 276,1 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 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 53,79 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 17928/(377·415²) = 276,1 µF

Resposta

Cph = 276,1 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 6 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 = 2400/10 = 240 V
I2 = 240/4 = 60 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/10 = 6 A

Resposta

I1 = 6 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 400 Ω, e 2400/400 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 425 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.

Perdas no cobre nesta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·400 = 225 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 200 + 225 = 425 W

Resposta

Ploss = 425 W

O rendimento nesta carga é η = 98,6%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 10,29 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 = 3150/17,5² = 10,29 Ω

Resposta

R = 10,29 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 189 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 = P·tan φ1 = 40·tan(49,46°) = 46,77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,73 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(230·0,92) = 189 A

Resposta

Inew = 189 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 10132 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·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,001) = 10132 µF

Resposta

C = 10132 µF
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 103,8 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·√(0,05·47·10⁻⁶)) = 103,8 Hz

Resposta

f0 = 103,8 Hz
9.Motores CC

Resposta: T = 5,305 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·1800/60 = 188,5 rad/s

Torque

T = P/ω = 1000/188,5 = 5,305 N·m

Resposta

T = 5,305 N·m
10.Motores CC

Resposta: D = 25,06 %

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 = 0,75·31,42 + 4·1 = 27,56 V

Ciclo de trabalho

D = 27,56/110 = 25,06 %

Resposta

D = 25,06 %

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