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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
Um motor de indução trifásico fornece 110 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 120 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 120 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 10:1 tem 2400 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 24 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.
N1:N2 = 10:1V1 = 2400 VRL = 24 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 500 kVA tem perdas no núcleo de 2000 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 96,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 500 kVAPcore = 2000 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 39 kW com fator de potência 0,85 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.
P = 39 kWpf = 0,85V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 20 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.
P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 60 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 22 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 12 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 12 V (rms)R = 15 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
Um motor CC (k = 0,5 V·s/rad, Ra = 1 Ω) funciona com 110 V. A plena carga ele consome 4 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.
V = 110 Vk = 0,5 V·s/radRa = 1 ΩIFL = 4 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
Um motor CC de 110 V tem resistência de armadura de 0,5 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 25 A.
V = 110 VRa = 0,5 ΩImax = 25 A
Rst = Ω
3Soluções
1.Potência trifásica
Resposta: IL = 163,3 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 = 110/0,9 = 122,2 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 122222/(√3·480·0,9) = 163,3 A
Resposta
IL = 163,3 A
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 292,5 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 = 120·tan(acos 0,72) = 120·0,9639 = 115,7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 76,22 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.
V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25407/(377·480²) = 292,5 µF
Resposta
Cph = 292,5 µF
3.Transformadores
Resposta: I1 = 1 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 = 240/24 = 10 A
Corrente no primário
Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 1 A
Resposta
I1 = 1 A
Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 2400 Ω, e 2400/2400 dá a mesma corrente.
4.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 14321 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 = 500·0,9 = 450 kW
Pin = 450000/0,965 = 466321 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 466321 − 450000 = 16321 W
Pcu,fl = 16321 − 2000 = 14321 W
Resposta
Pcu,fl = 14321 W
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: Q = 24,17 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197
Potência reativa
Q = P·tan φ = 39·0,6197 = 24,17 kvar
Resposta
Q = 24,17 kvar
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: QC = 18,15 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.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.
Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18,15 kvar
Resposta
QC = 18,15 kvar
7.Impedância CA e fasores
Resposta: φ = −76,43 °
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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
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/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 12/15 = 0,8 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 0,8·70,71 = 56,57 V
Resposta
VL = 56,57 V
Isso é Q = 4,714 vezes a tensão da fonte.
9.Motores CC
Resposta: SR = 3,774 %
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 e a plena carga
n₀ = 60·110/(2π·0,5) = 2101 rpm
nFL = 60·(110 − 4·1)/(2π·0,5) = 2024 rpm
Regulação de velocidade
SR = (2101 − 2024)/2024·100 = 3,774 %
Resposta
SR = 3,774 %
10.Motores CC
Resposta: Rst = 3,9 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 = 110/25 = 4,4 Ω
Resistor de partida
Rst = 4,4 − 0,5 = 3,9 Ω
Resposta
Rst = 3,9 Ω
O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.