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​ = 60 Acos φ = 0,8indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 60 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,8 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 415 VIL = 60 Acos φ = 0,8
P = kW
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 Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
RL​ = 60 Ω41920 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 4:1 tem 920 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 60 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 60 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,95150 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 750 W e perdas no cobre de 3000 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,95 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VZ12 + j9 ΩI

Uma carga com impedância Z = 12 + j9 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 240 VZ = 12 + j9 Ω
Q = var
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
230 V60 Hzcarga4 kW, 0,8C68 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 4 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor de 68 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 4 kWpf1 = 0,8V = 230 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
120 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 100 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V50 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

Um motor CC com k = 0,75 V·s/rad funciona com 240 V. Desprezando todas as perdas a vazio, encontre sua velocidade a vazio n0 em rpm.

V = 240 Vk = 0,75 V·s/rad
n0 = rpm
10.Motores CCDifícil
+−240 VD = ?Ra​ = 0,8 ΩM+−En = 500 rpmT = 18 N·m

Um chopper CC alimenta um motor (k = 1,2 V·s/rad, Ra = 0,8 Ω) a partir de um barramento CC de 240 V. A tensão média de armadura é D·240 V. Encontre a razão cíclica D que faz o motor funcionar a 500 rpm com uma carga de 18 N·m.

Vdc = 240 Vk = 1,2 V·s/radRa = 0,8 ΩT = 18 N·mn = 500 rpm
D = %

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 34,5 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 = √3·415·60 = 43,13 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 43,13·0,8 = 34,5 kW

Resposta

P = 34,5 kW
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 738,6 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 Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15984/(377·239,6²) = 738,6 µF

Resposta

Cph = 738,6 µF
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,9583 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 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/60 = 3,833 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/4 = 0,9583 A

Resposta

I1 = 0,9583 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 960 Ω, e 920/960 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 937,5 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 = 0,0625·3000 = 187,5 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 750 + 187,5 = 937,5 W

Resposta

Ploss = 937,5 W

O rendimento nesta carga é η = 97,44%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 2304 var

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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

Potência reativa

Q = I²·X = 16²·9 = 2304 var

Resposta

Q = 2304 var
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 18,8 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 = 4·tan(arccos 0,8) = 3 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1356 var = 1,356 kvar
Q2 = 3 − 1,356 = 1,644 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(4² + 1,644²) = 4,325 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 4325/230 = 18,8 A

Resposta

I = 18,8 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = −39,3 °

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−40,93)²) = 64,61 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−40,93/50) = −39,3°

Resposta

φ = −39,3°
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: n0 = 3056 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.

Velocidade a vazio

ω₀ = V/k = 240/0,75 = 320 rad/s
n0 = 60·320/(2π) = 3056 rpm

Resposta

n0 = 3056 rpm
10.Motores CC

Resposta: D = 31,18 %

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 = 1,2·52,36 + 15·0,8 = 74,83 V

Ciclo de trabalho

D = 74,83/240 = 31,18 %

Resposta

D = 31,18 %

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