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​ = ?M90 kW, η = 90%cos φ = 0,88

Um motor de indução trifásico fornece 90 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% 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 = 90 kWη = 90%cos φ = 0,88VL = 480 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 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 = 300 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?75 kVA

Um transformador monofásico de 75 kVA, 10000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.

S = 75 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
4.TransformadoresDifícil
75 kVA

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 375 W e perdas no cobre de 562,5 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 75 kVAPcore = 375 WPcu,fl = 562,5 W
Sη,max = kVA
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VZ12 + j5 ΩI

Uma carga com impedância Z = 12 + j5 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Encontre a potência aparente S.

V = 240 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
24 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 24 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j20 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j20 Ω
Pmax = W
7.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 4,7 µF

Um circuito RLC série com C = 4,7 µF deve ressoar a 60 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 60 HzC = 4,7 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
2 Vf0​R = 15 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 2 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 2 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
+−240 VRa​ = 2 ΩIa​ = 15 AM+−EωT

Um motor CC consome 15 A de uma alimentação de 240 V. Sua resistência de armadura é 2 Ω e suas perdas rotacionais (atrito, ventilação e ferro) são 126 W. Encontre seu rendimento η.

V = 240 VIa = 15 ARa = 2 ΩProt = 126 W
η = %
10.Motores CCDifícil
+−24 VRa​ = 0,4 ΩM+−En = ?T = 0,9 N·m

Um motor CC de excitação independente (k = 0,15 V·s/rad com campo pleno, Ra = 0,4 Ω, V = 24 V) aciona um torque de carga constante de 0,9 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 80 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.

V = 24 Vk = 0,15 V·s/radRa = 0,4 ΩT = 0,9 N·mΦ = 80 %
n = rpm

3Soluções

1.Potência trifásica

Resposta: IL = 136,7 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 = 90/0,9 = 100 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 100000/(√3·480·0,88) = 136,7 A

Resposta

IL = 136,7 A
2.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1145 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 = 300·tan(acos 0,65) = 300·1,169 = 350,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 205,4 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 68481/(377·398,4²) = 1145 µF

Resposta

Cph = 1145 µF
3.Transformadores

Resposta: ILV = 187,5 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 = 75000/400 = 187,5 A

Resposta

ILV = 187,5 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

x²·562,5 = 375 → x = √(375/562,5) = 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: S = 4431 VA

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 + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A

Potência aparente

S = V·I = 240·18,46 = 4431 VA

Resposta

S = 4431 VA
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 14,4 W

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 − j20 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 24/20 = 1,2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·10) = 14,4 W

Resposta

Pmax = 14,4 W
7.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 1497 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·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·4,7·10⁻⁶) = 1497 mH

Resposta

L = 1497 mH
8.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 20,1 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|.

Ressonância

Na ressonância as reatâncias se anulam, então a impedância é só R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2·10⁻⁶) = 3015 rad/s
I = V/R = 2/15 = 0,1333 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 3015·0,05 = 150,8 Ω
VL = I·XL = 0,1333·150,8 = 20,1 V

Resposta

VL = 20,1 V

Isso é Q = 10,05 vezes a tensão da fonte.

9.Motores CC

Resposta: η = 84 %

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 = 240·15 = 3600 W
Pdev = 210·15 = 3150 W
Pout = 3150 − 126 = 3024 W

Rendimento

η = 3024/3600·100 = 84 %

Resposta

η = 84 %
10.Motores CC

Resposta: n = 1671 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 = 0,8·0,15 = 0,12 V·s/rad

Nova corrente de armadura

Ia = 0,9/0,12 = 7,5 A

Nova velocidade

ω = (24 − 7,5·0,4)/0,12 = 175 rad/s → n = 1671 rpm

Resposta

n = 1671 rpm

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

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