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​ = ?M7,5 kW, η = 92%cos φ = 0,8

Um motor de indução trifásico fornece 7,5 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 92% e seu fator de potência é 0,8 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 7,5 kWη = 92%cos φ = 0,8VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
RL​ = 30 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4800 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 30 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 30 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
pf 0,9575 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 375 W e perdas no cobre de 750 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 = 75 kVAPcore = 375 WPcu,fl = 750 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 7 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 7 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 7 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 15 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 230 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a nova corrente de linha Inew.

P = 15 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
230 V200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 200 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 47 µF
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
50 V100 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 100 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 22 µF
f0 = Hz
9.Motores CCMédia
+−110 VRa​ = 0,4 ΩIa​ = 30 AM+−EωT

Um motor CC consome 30 A de uma alimentação de 110 V. Sua resistência de armadura é 0,4 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 176 W. Encontre seu rendimento η.

V = 110 VIa = 30 ARa = 0,4 ΩProt = 176 W
η = %
10.Motores CCDifícil
+−220 VRa​ = 1,5 ΩM+−En = ?T = 8 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,8 V·s/rad com campo pleno, Ra = 1,5 Ω, V = 220 V) aciona um torque de carga constante de 8 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 80 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radRa = 1,5 ΩT = 8 N·mΦ = 80 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 12,26 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 = 7,5/0,92 = 8,152 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·480·0,8) = 12,26 A

Resposta

IL = 12,26 A
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 158,8 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 158,8 kvar

Resposta

QC = 158,8 kvar
3.Transformadores

Resposta: I1 = 0,4 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 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/20 = 0,4 A

Resposta

I1 = 0,4 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 12000 Ω, e 4800/12000 dá a mesma corrente.

4.Transformadores

Resposta: Ploss = 421,9 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 = 0,0625·750 = 46,88 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 375 + 46,88 = 421,9 W

Resposta

Ploss = 421,9 W

O rendimento nesta carga é η = 97,69%.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 8,184 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potência reativa

Q = P·tan φ = 7·1,169 = 8,184 kvar

Resposta

Q = 8,184 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Inew = 70,89 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 = 15·tan(49,46°) = 17,54 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(23,07°) = 6,39 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11,15 kvar

Nova corrente de linha

Inew = P/(V·cos φ2) = 15000/(230·0,92) = 70,89 A

Resposta

Inew = 70,89 A
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 4,763 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (45,9)²) = 48,29 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 230/48,29 = 4,763 A

Resposta

I = 4,763 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 67,86 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·√(0,25·22·10⁻⁶)) = 67,86 Hz

Resposta

f0 = 67,86 Hz
9.Motores CC

Resposta: η = 83,76 %

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.

Potências

Pin = 110·30 = 3300 W
Pdev = 98·30 = 2940 W
Pout = 2940 − 176 = 2764 W

Rendimento

η = 2764/3300·100 = 83,76 %

Resposta

η = 83,76 %
10.Motores CC

Resposta: n = 3003 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 = 0,8·0,8 = 0,64 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 8/0,64 = 12,5 A

Nova velocidade

ω = (220 − 12,5·1,5)/0,64 = 314,5 rad/s → n = 3003 rpm

Resposta

n = 3003 rpm

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

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