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​ = ?M15 kW, η = 94%cos φ = 0,88

Um motor de indução trifásico fornece 15 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 94% e seu fator de potência é 0,88 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 15 kWη = 94%cos φ = 0,88VL = 480 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 0,9 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 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
5 ΩN1​N2​80 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 80 Ω alimenta um alto-falante de 5 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 80 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 80 ΩRL = 5 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
pf 0,8575 kVA, 75% carga

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 375 W e perdas no cobre de 562,5 W na carga nominal. Ele fornece 75% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,85 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 75 kVAPcore = 375 WPcu,fl = 562,5 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 23 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 23 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 23 kWpf = 0,8V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 40 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 0,9. Encontre a capacitância C necessária.

P = 40 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
100 V50 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 50 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 100 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V500 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 500 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)0,6 N·mn0​nFL​

Um motor CC (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1,5 Ω) funciona com 24 V. A plena carga ele consome 2 A. Desprezando a corrente a vazio, encontre sua regulação de velocidade SR = (n₀ − nFL)/nFL em porcentagem.

V = 24 Vk = 0,3 V·s/radRa = 1,5 ΩIFL = 2 A
SR = %
10.Motores CCDifícil
+−24 VRa​ = 0,2 ΩIa​: 8 → 4,8 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 24 V (Ra = 0,2 Ω) gira a 1000 rpm com uma corrente de armadura de 8 A. A carga muda e a corrente passa a 4,8 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 24 VRa = 0,2 Ωn1 = 1000 rpmIa1 = 8 AIa2 = 4,8 A
n2 = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 21,81 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 = 15/0,94 = 15,96 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 15957/(√3·480·0,88) = 21,81 A

Resposta

IL = 21,81 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 246,2 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 47,95 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) = 15984/(377·415²) = 246,2 µF

Resposta

Cph = 246,2 µF
3.Transformadores

Resposta: a = 4

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.

Casar a carga referida

a²·5 = 80
a = √(80/5) = √16 = 4

Resposta

a = 4
4.Transformadores

Resposta: Ploss = 691,4 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 = 0,5625·562,5 = 316,4 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 375 + 316,4 = 691,4 W

Resposta

Ploss = 691,4 W

O rendimento nesta carga é η = 98,57%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 17,25 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(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Potência reativa

Q = P·tan φ = 23·0,75 = 17,25 kvar

Resposta

Q = 17,25 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 489,4 µF

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(36,87°) = 30 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(25,84°) = 19,37 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,63 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 10627/(2π·60·240²) = 489,4 µF

Resposta

C = 489,4 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 57,17 °

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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedância

Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (31)²) = 36,89 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(31/20) = 57,17°

Resposta

φ = 57,17°
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 0,5496 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Impedância

Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (299,7)²) = 315,9 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 12/315,9 = 0,03798 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,03798·14,47 = 0,5496 V

Resposta

VC = 0,5496 V
9.Motores CC

Resposta: SR = 14,29 %

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 = 60·24/(2π·0,3) = 763,9 rpm
nFL = 60·(24 − 2·1,5)/(2π·0,3) = 668,5 rpm

Regulação de velocidade

SR = (763,9 − 668,5)/668,5·100 = 14,29 %

Resposta

SR = 14,29 %
10.Motores CC

Resposta: n2 = 1029 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.

fcem antes e depois

E1 = 24 − 8·0,2 = 22,4 V
E2 = 24 − 4,8·0,2 = 23,04 V

Nova velocidade

n2 = 1000·23,04/22,4 = 1029 rpm

Resposta

n2 = 1029 rpm

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