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​ = 400 VIL​ = 15 Acos φ = 0,82indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 15 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,82 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 15 Acos φ = 0,82
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 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 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
6600 V230 VIHV​ILV​ = ?250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA, 6600/230 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 250 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,975 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 0,9 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 75 kVAPcore = 375 WPcu,fl = 562,5 Wx = 0,75pf = 0,9
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VR + jXP = 483 W3 A

Uma carga indutiva consome 3 A e 483 W de uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 230 VI = 3 AP = 483 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 25 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,95. Encontre a capacitância C necessária.

P = 25 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 200 HzRL = ?C = 0,1 µF

Um circuito RLC série com C = 0,1 µF deve ressoar a 200 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 200 HzC = 0,1 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V50 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 47 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 50 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 47 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

Um motor CC fornece 0,75 kW de potência mecânica a 1500 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 0,75 kWn = 1500 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−240 VRa​ = 2 ΩIa​: 8 → 16 AM+−En = ?T

Um motor CC de excitação independente em 240 V (Ra = 2 Ω) gira a 1500 rpm com uma corrente de armadura de 8 A. A carga muda e a corrente passa a 16 A, com o campo inalterado. Encontre a nova velocidade n2.

V = 240 VRa = 2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 8 AIa2 = 16 A
n2 = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 8,522 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 = √3·400·15 = 10,39 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 10,39·0,82 = 8,522 kW

Resposta

P = 8,522 kW
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 107,2 kvar

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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 107,2 kvar

Resposta

QC = 107,2 kvar
3.Transformadores

Resposta: ILV = 1087 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.

Corrente nominal

Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.

ILV = S/V = 250000/230 = 1087 A

Resposta

ILV = 1087 A
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 = 98,65%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 53,67 Ω

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.

Resistência pela potência ativa

R = P/I² = 483/3² = 53,67 Ω

Resposta

R = 53,67 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 1157 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 = 25·tan(53,13°) = 33,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 25,12 kvar

Capacitância

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

C = QC/(2πf·V²) = 25116/(2π·60·240²) = 1157 µF

Resposta

C = 1157 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 6333 mH

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|.

Condição de ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·0,1·10⁻⁶) = 6333 mH

Resposta

L = 6333 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 13,15 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−36,31)²) = 61,79 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 12/61,79 = 0,1942 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,1942·67,73 = 13,15 V

Resposta

VC = 13,15 V
9.Motores CC

Resposta: T = 4,775 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.

Velocidade em rad/s

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Torque

T = P/ω = 750/157,1 = 4,775 N·m

Resposta

T = 4,775 N·m
10.Motores CC

Resposta: n2 = 1393 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 = 240 − 8·2 = 224 V
E2 = 240 − 16·2 = 208 V

Nova velocidade

n2 = 1500·208/224 = 1393 rpm

Resposta

n2 = 1393 rpm

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