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​ = 480 VIL​ = ?M110 kW, η = 91%cos φ = 0,86

Um motor de indução trifásico fornece 110 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 91% e seu fator de potência é 0,86 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 110 kWη = 91%cos φ = 0,86VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 400 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 = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 60 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 2:1 tem 480 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 60 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 60 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,975 kVA, η = 98,2%

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 450 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,9 indutivo, seu rendimento é 98,2%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 75 kVAPcore = 450 Wpf = 0,9η = 98,2%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V123 kW, 0,65214 kW, 0,85I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 23 kW com fator de potência 0,65 indutivo e uma carga de 14 kW com fator de potência 0,85 indutivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 230 VP1 = 23 kW, pf1 = 0,65 indutivoP2 = 14 kW, pf2 = 0,85 indutivo
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 25 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 25 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 60 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V100 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 100 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)9,6 N·mn0​n = ?

Um motor CC (k = 1,2 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) funciona com 240 V e aciona um torque de carga de 9,6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.

V = 240 Vk = 1,2 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 0,25 Ω80 AM+−E = 0n = 0T

Um motor CC de 240 V tem resistência de armadura de 0,25 Ω. Encontre a resistência de partida em série Rst que limita a corrente de partida a 80 A.

V = 240 VRa = 0,25 ΩImax = 80 A
Rst = Ω

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 169,1 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 = 110/0,91 = 120,9 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 120879/(√3·480·0,86) = 169,1 A

Resposta

IL = 169,1 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 573,2 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 = 150·tan(acos 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 103,7 kvar

Capacitância por fase

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

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 34576/(377·400²) = 573,2 µF

Resposta

Cph = 573,2 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 2 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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/2 = 2 A

Resposta

I1 = 2 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 240 Ω, e 480/240 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 787,3 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 = 75·0,9 = 67,5 kW
Pin = 67500/0,982 = 68737 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 68737 − 67500 = 1237 W
Pcu,fl = 1237 − 450 = 787,3 W

Resposta

Pcu,fl = 787,3 W
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 223,1 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 = 23·tan(arccos 0,65) = 26,89 kvar
Q2 = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar

Totais

P = 23 + 14 = 37 kW
Q = 26,89 + 8,676 = 35,57 kvar
S = √(37² + 35,57²) = 51,32 kVA

Corrente total

I = S/V = 51322/230 = 223,1 A

Resposta

I = 223,1 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 118,1 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 = 25·tan(41,41°) = 22,05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23,07°) = 10,65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,4 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(230·0,92) = 118,1 A

Resposta

Inew = 118,1 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 1,455 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 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).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−64,02)²) = 68,73 Ω

Corrente

A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.

I = V/|Z| = 100/68,73 = 1,455 A

Resposta

I = 1,455 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 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|.

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·√(0,25·100·10⁻⁶)) = 31,83 Hz

Resposta

f0 = 31,83 Hz
9.Motores CC

Resposta: n = 1814 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.

Corrente de armadura

Ia = T/k = 9,6/1,2 = 8 A

fcem e velocidade

E = 240 − 8·1,5 = 228 V
ω = E/k = 190 rad/s → n = 1814 rpm

Resposta

n = 1814 rpm
10.Motores CC

Resposta: Rst = 2,75 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 = 240/80 = 3 Ω

Resistor de partida

Rst = 3 − 0,25 = 2,75 Ω

Resposta

Rst = 2,75 Ω

O resistor é retirado por etapas à medida que o motor acelera e a fcem cresce.

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