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​ = 15 Acos φ = 0,9indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 15 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,9 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 415 VIL = 15 Acos φ = 0,9
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,78 indutivo de uma alimentação de 690 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 = 75 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
5 Ω51

Um resistor de 5 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 5:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 5:1RL = 5 Ω
R1′ = Ω
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95200 kVA, η = 99%

Um transformador monofásico de 200 kVA tem perdas no núcleo de 600 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,95 indutivo, seu rendimento é 99%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 200 kVAPcore = 600 Wpf = 0,95η = 99%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VZ3 + j4 ΩI

Uma carga com impedância Z = 3 + j4 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Encontre a potência aparente S.

V = 230 VZ = 3 + j4 Ω
S = VA
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 10 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 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 = 10 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Impedância CA e fasoresMédia
24 V200 HzR = 60 ΩC = 22 µFI

Um resistor e um capacitor estão ligados em paralelo a uma fonte de 24 V (eficaz), 200 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩC = 22 µF
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 20 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 20 Ω, L = 100 mH e C = 0,22 µF. Encontre sua largura de banda B (a largura da faixa entre as frequências de meia potência), em Hz.

R = 20 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF
B = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Um motor CC com k = 0,6 N·m/A e Ra = 0,4 Ω está ligado a 110 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.

V = 110 Vk = 0,6 N·m/ARa = 0,4 Ω
Tstall = N·m
10.Motores CCDifícil
+−24 VRa​ = 0,25 ΩM+−En = ?T = 0,8 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,1 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,25 Ω, V = 24 V) aciona um torque de carga constante de 0,8 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 70 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 24 Vk = 0,1 V·s/radRa = 0,25 ΩT = 0,8 N·mΦ = 70 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 9,704 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 = √3·415·15 = 10,78 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 10,78·0,9 = 9,704 kW

Resposta

P = 9,704 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 300,5 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 = 75·tan(acos 0,78) = 75·0,8023 = 60,17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 44,94 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14981/(314,2·398,4²) = 300,5 µF

Resposta

Cph = 300,5 µF
3.Transformadores

Resposta: R1′ = 125 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 = 5²·5 = 125 Ω

Resposta

R1′ = 125 Ω
4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 1319 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 = 200·0,95 = 190 kW
Pin = 190000/0,99 = 191919 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 191919 − 190000 = 1919 W
Pcu,fl = 1919 − 600 = 1319 W

Resposta

Pcu,fl = 1319 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: S = 10580 VA

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.

Corrente

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Potência aparente

S = V·I = 230·46 = 10580 VA

Resposta

S = 10580 VA
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 3,24 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 = 10·tan(36,87°) = 7,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23,07°) = 4,26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3,24 kvar

Resposta

QC = 3,24 kvar
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,7748 A

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|.

Reatância

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Correntes de ramo

Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.

IR = V/R = 24/60 = 0,4 A
IX = V/XC = 24/36,17 = 0,6635 A

Corrente total

A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.

I = √(IR² + IX²) = √(0,4² + 0,6635²) = 0,7748 A

Resposta

I = 0,7748 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: B = 31,83 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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,22·10⁻⁶)) = 1073 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,1/(0,22·10⁻⁶)) = 33,71

Largura de banda

B = f0/Q = 1073/33,71 = 31,83 Hz

Resposta

B = 31,83 Hz
9.Motores CC

Resposta: Tstall = 165 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.

Corrente de travamento

Ia = V/Ra = 110/0,4 = 275 A

Torque de travamento

Tstall = 0,6·275 = 165 N·m

Resposta

Tstall = 165 N·m
10.Motores CC

Resposta: n = 2884 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.

Constante do motor enfraquecida

k₂ = 0,7·0,1 = 0,07 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,8/0,07 = 11,43 A

Nova velocidade

ω = (24 − 11,43·0,25)/0,07 = 302 rad/s → n = 2884 rpm

Resposta

n = 2884 rpm

O enfraquecimento de campo é a forma de um acionamento CC operar acima da sua velocidade base.

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