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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
Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 100 A de uma alimentação com tensão de linha de 208 V. O fator de potência é 0,95 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.
VL = 208 VIL = 100 Acos φ = 0,95
P = kW
2.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,8 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 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3.TransformadoresMédia
Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 10:1 tem 2300 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 5 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.
N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 5 Ω
I1 = A
4.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 375 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,8 indutivo, seu rendimento é 98,8%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 75 kVAPcore = 375 Wpf = 0,8η = 98,8%
Pcu,fl = W
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Uma carga indutiva consome 17 A e 1836 W de uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre X.
V = 120 VI = 17 AP = 1836 W
X = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 10 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 230 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,92. Encontre a capacitância C necessária.
P = 10 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série com C = 0,1 µF deve ressoar a 100 Hz. Encontre a indutância L necessária.
f0 = 100 HzC = 0,1 µF
L = mH
8.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 200 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V
9.Motores CCMédia
Um motor CC (k = 0,8 N·m/A, Ra = 0,4 Ω) funciona com 120 V e aciona um torque de carga de 9,6 N·m. Encontre sua velocidade n em rpm.
V = 120 Vk = 0,8 N·m/ARa = 0,4 ΩT = 9,6 N·m
n = rpm
10.Motores CCDifícil
Um motor CC de excitação independente (k = 0,75 V·s/rad com campo pleno, Ra = 2 Ω, V = 120 V) aciona um torque de carga constante de 3 N·m. O fluxo de campo é reduzido a 70 % do seu valor pleno. Encontre a nova velocidade n.
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 = √3·208·100 = 36,03 kVA
Potência ativa
P = S·cos φ = 36,03·0,95 = 34,23 kW
Resposta
P = 34,23 kW
2.Potência trifásica
Resposta: Cph = 1497 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 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 81 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.
Tensão e corrente no secundário
V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/5 = 46 A
Corrente no primário
Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 4,6 A
Resposta
I1 = 4,6 A
Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 500 Ω, e 2300/500 dá a mesma corrente.
4.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 353,7 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 = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,988 = 60729 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 60729 − 60000 = 728,7 W
Pcu,fl = 728,7 − 375 = 353,7 W
Resposta
Pcu,fl = 353,7 W
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: X = 3,077 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 = 1836/17² = 6,353 Ω
Reatância pela impedância
|Z| = V/I = 120/17 = 7,059 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(7,059² − 6,353²) = 3,077 Ω
Resposta
X = 3,077 Ω
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: C = 455 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 = 10·tan(53,13°) = 13,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23,07°) = 4,26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,073 kvar
Capacitância
Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 9073/(2π·60·230²) = 455 µF
Resposta
C = 455 µF
7.Impedância CA e fasores
Resposta: L = 25330 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·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·0,1·10⁻⁶) = 25330 mH
Resposta
L = 25330 mH
8.Impedância CA e fasores
Resposta: VC = 4,183 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.
I = V/|Z| = 100/190,2 = 0,5256 A
Tensão no capacitor
VC = I·XC = 0,5256·7,958 = 4,183 V
Resposta
VC = 4,183 V
9.Motores CC
Resposta: n = 1375 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.
Corrente de armadura
Ia = T/k = 9,6/0,8 = 12 A
fcem e velocidade
E = 120 − 12·0,4 = 115,2 V
ω = E/k = 144 rad/s → n = 1375 rpm
Resposta
n = 1375 rpm
10.Motores CC
Resposta: n = 1975 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.