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​ = 690 VIL​ = 60 Acos φ = 0,92indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 60 A de uma alimentação com tensão de linha de 690 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 690 VIL = 60 Acos φ = 0,92
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,78 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformadoresMédia
6600 V230 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

Um transformador monofásico de 500 kVA, 6600/230 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 500 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
75 kVA

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 600 W e perdas no cobre de 900 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VR + jXP = 2691 W13 A

Uma carga indutiva consome 13 A e 2691 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 = 13 AP = 2691 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
24 V1000 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 24 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j30 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. A carga para máxima potência é formada por um resistor em série com um capacitor. Encontre a capacitância C.

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j30 Ω
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
50 V500 HzR = 15 ΩL = 20 mHI

Um resistor e um indutor estão ligados em paralelo a uma fonte de 50 V (eficaz), 500 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 20 mH
I = A
8.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 10 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 10 Ω, L = 5 mH e C = 0,22 µF. Encontre sua largura de banda B (a largura da faixa entre as frequências de meia potência), em Hz.

R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF
B = Hz
9.Motores CCMédia
+−VRa​M+−En = 1000 rpmT = ?

Um motor CC fornece 5,5 kW de potência mecânica a 1000 rpm. Encontre o torque no eixo T.

P = 5,5 kWn = 1000 rpm
T = N·m
10.Motores CCDifícil
+−24 VRa​ = 0,2 ΩM+−En = ?T = 0,8 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,08 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,2 Ω, V = 24 V) aciona um torque de carga constante de 0,8 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 85 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 24 Vk = 0,08 V·s/radRa = 0,2 ΩT = 0,8 N·mΦ = 85 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: P = 65,97 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 = √3·690·60 = 71,71 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 71,71·0,92 = 65,97 kW

Resposta

P = 65,97 kW
2.Potência trifásica

Resposta: QC = 31,8 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 31,8 kvar

Resposta

QC = 31,8 kvar
3.Transformadores

Resposta: ILV = 2174 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 = 500000/230 = 2174 A

Resposta

ILV = 2174 A
4.Transformadores

Resposta: Sη,max = 61,24 kVA

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 iguais às perdas no núcleo

x²·900 = 600 → x = √(600/900) = 0,8165

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,8165·75 = 61,24 kVA

Resposta

Sη,max = 61,24 kVA
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 15,92 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 = 2691/13² = 15,92 Ω

Resposta

R = 15,92 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 5,305 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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 10 − j30 Ω

Capacitância

XC = 30 Ω → C = 1/(2π·1000·30) = 5,305 µF

Resposta

C = 5,305 µF
7.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 3,427 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|.

Reatância

XL = ωL = 2π·500·0,02 = 62,83 Ω

Correntes de ramo

Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.

IR = V/R = 50/15 = 3,333 A
IX = V/XL = 50/62,83 = 0,7958 A

Corrente total

A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.

I = √(IR² + IX²) = √(3,333² + 0,7958²) = 3,427 A

Resposta

I = 3,427 A
8.Impedância CA e fasores

Resposta: B = 318,3 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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,005·0,22·10⁻⁶)) = 4799 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,005/(0,22·10⁻⁶)) = 15,08

Largura de banda

B = f0/Q = 4799/15,08 = 318,3 Hz

Resposta

B = 318,3 Hz
9.Motores CC

Resposta: T = 52,52 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·1000/60 = 104,7 rad/s

Torque

T = P/ω = 5500/104,7 = 52,52 N·m

Resposta

T = 52,52 N·m
10.Motores CC

Resposta: n = 3040 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 = 0,85·0,08 = 0,068 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,8/0,068 = 11,76 A

Nova velocidade

ω = (24 − 11,76·0,2)/0,068 = 318,3 rad/s → n = 3040 rpm

Resposta

n = 3040 rpm

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

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