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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
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
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
Desenhe o circuito da armadura: alimentação V, resistência Ra e fcem E em série.
Use V = E + Ia·Ra para relacionar tensão, corrente e fcem.
Use E = k·ω para a velocidade e T = k·Ia para o torque, com ω = 2π·n/60.
Para potência e rendimento, parta de V·Ia, subtraia a perda no cobre Ia²·Ra e depois as perdas rotacionais.
2Exercícios
1.Potência trifásicaMédia
Um motor de indução trifásico fornece 30 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 93% e seu fator de potência é 0,82 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 690 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0,82VL = 690 V
IL = A
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,7 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 0,98 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 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um amplificador com resistência de saída de 36 Ω alimenta um alto-falante de 4 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 36 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.
Rs = 36 ΩRL = 4 Ω
a =
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 150 kVA tem perdas no núcleo de 900 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,85 indutivo, seu rendimento é 96,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 150 kVAPcore = 900 Wpf = 0,85η = 96,5%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 19 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a corrente de linha I.
P = 19 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 27 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor de 100 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.
P = 27 kWpf1 = 0,75V = 400 Vf = 50 HzC = 100 µF
I = A
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série com L = 5 mH deve ressoar a 5000 Hz. Encontre a capacitância C necessária.
f0 = 5000 HzL = 5 mH
C = µF
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 5 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 5 V (rms)R = 5 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
VL = V
9.Motores CCMédia
Um motor CC com k = 0,12 N·m/A e Ra = 2 Ω está ligado a 48 V. Encontre seu torque de travamento Tstall, o torque com velocidade zero.
V = 48 Vk = 0,12 N·m/ARa = 2 Ω
Tstall = N·m
10.Motores CCDifícil
Um pequeno motor CC tem resistência de armadura de 1,2 Ω e funciona com 110 V. Desprezando as perdas rotacionais, encontre a maior potência mecânica Pmax que ele pode desenvolver em qualquer velocidade.
V = 110 VRa = 1,2 Ω
Pmax = W
3Soluções
1.Potência trifásica
Resposta: IL = 32,92 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 = 30/0,93 = 32,26 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·690·0,82) = 32,92 A
Resposta
IL = 32,92 A
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 3776 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 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 245,1 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.
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.
Casar a carga referida
a²·4 = 36
a = √(36/4) = √9 = 3
Resposta
a = 3
4.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 3724 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.
Potência de saída e de entrada
Pout = 150·0,85 = 127,5 kW
Pin = 127500/0,965 = 132124 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 132124 − 127500 = 4624 W
Pcu,fl = 4624 − 900 = 3724 W
Resposta
Pcu,fl = 3724 W
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 103,3 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.
Corrente de linha
Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.
I = P/(V·cos φ) = 19000/(230·0,8) = 103,3 A
Resposta
I = 103,3 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 82,23 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 = 27·tan(arccos 0,75) = 23,81 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·100·10⁻⁶ = 5027 var = 5,027 kvar
Q2 = 23,81 − 5,027 = 18,79 kvar
Nova potência aparente
S2 = √(27² + 18,79²) = 32,89 kVA
Nova corrente de linha
I = S2/V = 32892/400 = 82,23 A
Resposta
I = 82,23 A
7.Impedância CA e fasores
Resposta: C = 0,2026 µF
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·5000 = 31416 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(31416²·0,005) = 0,2026 µF
Resposta
C = 0,2026 µF
8.Impedância CA e fasores
Resposta: VL = 103,1 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/√(0,005·0,47·10⁻⁶) = 20628 rad/s
I = V/R = 5/5 = 1 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 20628·0,005 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 1·103,1 = 103,1 V
Resposta
VL = 103,1 V
Isso é Q = 20,63 vezes a tensão da fonte.
9.Motores CC
Resposta: Tstall = 2,88 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.
Corrente de travamento
Ia = V/Ra = 48/2 = 24 A
Torque de travamento
Tstall = 0,12·24 = 2,88 N·m
Resposta
Tstall = 2,88 N·m
10.Motores CC
Resposta: Pmax = 2521 W
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.
Potência em função da fcem
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V
Potência máxima
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 110²/(4·1,2) = 2521 W
Resposta
Pmax = 2521 W
Nesse ponto o rendimento é de apenas 50 %, por isso os motores reais funcionam bem acima da metade da velocidade.