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Pró-reitoria de EaD e CCDD 1 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas Atividade Prática de Máquinas Elétricas OBJETIVO Desenvolver o raciocínio na resolução de problemas envolvendo Máquinas Elétricas, e apresentar os cálculos que mostrar a solução dos problemas. MATERIAL UTILIZADO A Atividade Prática de Máquinas Elétricas deverá ser desenvolvida com base no material da Rota de Aprendizagem e nos livros indicados nas Bibliografias Básica e Complementar, cujos livros estão disponíveis nas Bibliotecas Virtuais Pearson e Minha Biblioteca. O aluno deverá preencher as respostas ao final da atividade prática, e postar este arquivo na entrega de trabalhos da disciplina no AVA, no ícone Trabalhos, dentro da disciplina de Máquinas Elétricas. INTRODUÇÃO As máquinas elétricas são uma parte indispensável do sistema elétrico de potência e das instalações elétricas industriais. Elas estão presentes no sistema de geração, com os geradores síncronos, no sistema de transmissão, com transformadores trifásicos, no sistema de distribuição também com transformadores, e nos consumidores industriais, principalmente na forma de motores elétricos trifásicos e de corrente contínua. Assim, é de extrema importância que o funcionamento destas máquinas seja entendido na sua forma plena, sabendo como determinar características de operação, a partir de dados de ensaios, parâmetros de circuitos equivalente, entre outras situações. A partir de agora será abordada a importância de cada máquina elétrica. Os transformadores monofásicos são dispositivos utilizados em sistemas elétricos de pequena potência, em comparação aos transformadores trifásicos. Entretanto, o seu estudo e compreensão é o que possui uma das maiores importâncias, se não a maior. Porque é com o transformador monofásico que se conhecem os conceitos de conversão de energia, de tensão induzida, as não idealidades existentes nos enrolamentos e no núcleo de máquinas elétricas, além Pró-reitoria de EaD e CCDD 2 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas de mostrar como os ensaios a vazio e a plena carga são realizados, e os cálculos que podem ser desenvolvidos com eles. Nos transformadores trifásicos são aplicados todos os conhecimentos estudados nos transformadores monofásicos. Porém, devem ser levados em consideração as particularidades dos sistemas trifásicos. Nisso estão envolvidos os diferentes tipos de ligação existentes, conceitos de tensão e corrente de fase e de linha e potência trifásica. Como os transformadores trifásicos são destinados à aplicação em sistemas de alta potência, é comum utilizar o paralelismo de transformadores, e para isso se deve conhecer todos os requisitos que devem ser atendidos para que este tipo de ligação seja possível. Esta aplicação está presente no sistema de transmissão e distribuição de energia, e também nas subestações de grandes consumidores industriais. Entrando no ramo industrial a maior parte da carga das industriais é devido a máquinas que operam a partir de motores elétricos, portanto, para o sistema elétrica a carga efetiva são os motores trifásicos. São eles que influenciam no fator de potência visto pela concessionária, são eles que devem ser dimensionados adequadamente. Sendo assim, é imprescindível saber como os motores elétricos, principalmente os trifásicos, funcionam. Por isso, o estudo do circuito equivalente, escorregamento, fator de potência, campo magnético girante, ensaios a vazio e com rotor bloqueado, torque e rendimento, por exemplo, são tão relevantes. Ainda falando em cargas industriais, aplicações específicas podem requisitar o uso de motores de corrente contínua. E como é estudado na disciplina de Máquinas Elétricas, há diferentes formas de ligação de motores de corrente contínua e cada uma delas possui características próprias de operação, e um comportamento particular frente a variações de carga. Por esse motivo é de extrema importância que estas características e particularidades sejam estudadas e compreendidas. Mas tudo isso só é possível devido ao sistema de geração de energia. Obviamente que atualmente há uma contribuição significativa dos sistemas de energia alternativa, principalmente energia eólica e fotovoltaica, mas a grande parcela da energia gerada é devida as grandes usinas termoelétricas e hidroelétricas. E estas usinas operam com geradores síncronos de polos lisos e polos salientes, respectivamente. Na maior parte do tempo, estas máquinas operam com velocidade constante devido a atuação dos reguladores de velocidade, e é necessário que elas disponibilizem tensão nominal nos seus terminais. Por isso, o estudo destas máquinas em regime permanente, e o entendimento de como elas funcionam é indispensável para o engenheiro Pró-reitoria de EaD e CCDD 3 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas eletricista. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Considerando a importância das máquinas elétricas, encontre a resposta para os exercícios a seguir. 1) Em uma situação prática a única forma de medir diretamente a relação de transformação de um transformador é medir diretamente a tensão da fonte de alimentação, e a tensão aplicada sobre a carga. Entretanto, esta relação de transformação pode ser determinada a partir do conhecimento de dados de ensaios realizados no transformador. considere, que são dados de ensaio de um transformador monofásico de 1100VA, 220/110V, temperatura de trabalho referente a classe de isolamento B (130ºC): Colocando este transformador em operação como abaixador de tensão e alimentando carga nominal indutiva, cujo ângulo é igual ao ângulo interno do transformador, determine. Fonte: SOBRINHO, A. I. B, Apostila de Transformadores Monofásicos. a) O rendimento do transformador na temperatura de regime. 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑖 = 𝑃1𝑃𝐶,𝑡𝑖 𝐼1𝑃𝐶 2 = 25 52 = 1 Ω 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑖 ( 234,5 + 𝑡𝑓 234,5 + 𝑡𝑖 ) = 1 ∙ ( 234,5 + 130 234,5 + 22 ) = 1,421 Ω 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑖 = 𝑉1𝑃𝐶 𝐼1𝑃𝐶 = 9 5 = 1,8 Ω 𝑋1𝑃𝐶 = √𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑖 2 − 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑖 2 = √1,82 − 12 = 1,496 Ω 𝜑′ = arctan ( 𝑋1𝑃𝐶 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 ) = arctan ( 1,496 1,421 ) = 46,472º Pró-reitoria de EaD e CCDD 4 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝑃1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 ∙ 𝐼1𝑃𝐶 2 = 1,421 ∙ 52 = 35,525 𝑊 𝜂(%) = 𝑆𝑁𝑂𝑀 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃2 𝑆𝑁𝑂𝑀 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃2 + 𝑃𝑂 + 𝑃1𝑃𝐶,𝑡𝑓 × 100 𝜂(%) = 1100 ∙ cos 46,472º 1100 ∙ cos 46,742º + 25 + 35,525 × 100 = 92,6% b) A relação de transformação prática para carga com tensão nominal. 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = √𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 2 + 𝑋1𝑃𝐶 2 = √1,4212 + 1,4962 = 2,063 Ω 𝑉1̅ = 𝑘 ∙ 𝑉2∡0º + 𝐼1𝑃𝐶∡ − 𝜃2 ∙ 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓∡𝜑′ 𝑉1̅ = 2 ∙ 110∡0º + 5∡ − 46,472º ∙ 2,063∡46,472º 𝑉1̅ = 230,315∡0º 𝑉 𝑘𝑃𝑅Á𝑇𝐼𝐶𝑂 = 𝑉1 𝑉2 = 230,315 110 = 2,093 2) São dados de placa de um transformador monofásico: 15kVA, 13800/220V, 2,5% a 75ºC. Se o ângulo interno do transformador é 51º e o transformador tem enrolamentos de cobre, calcule o valor da tensão a ser aplicada no ensaio a plena carga a uma temperatura de 20ºC, sabendo que a corrente medida foi de 1,1A. (SOBRINHO, A. I. B, Apostila de Transformadores Monofásicos) 𝑍(%) = 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓 ∙ 𝑆𝑁𝑂𝑀 𝑉𝑁𝑂𝑀,𝐴𝑇 2 × 100 → 2,5 = 𝑍1𝑃𝐶_𝑡𝑓 ∙ 15000 138002 × 100 → 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = 317,4 Ω 𝜑′ = arccos ( 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓 ) → 51º = arccos ( 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 317,4 ) → cos 51º = cos [arccos ( 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 317,4 )] → → 0,629 = 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 317,4 → 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = 199,644 Ω 𝑋1𝑃𝐶 = √𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑓 2 − 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 2 = √317,42 − 199,6442 = 246,748 Ω Pró-reitoria de EaD e CCDD 5 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 = 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑖 ( 234,5 + 𝑡𝑓 234,5 + 𝑡𝑖 ) → 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑖 = 𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 (234,5 + 𝑡𝑖 234,5 + 𝑡𝑓 ) = = 199,644 ( 234,5 + 20 234,5 + 75 ) = 164,166 Ω 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑖 = √𝑅1𝑃𝐶,𝑡𝑓 2 + 𝑋1𝑃𝐶 2 = √164,1662 + 246,7482 = 296,369 Ω 𝑉1𝑃𝐶 = 𝑍1𝑃𝐶,𝑡𝑖 ∙ 𝐼1𝑃𝐶 = 296,369 ∙ 1,1 = 326 𝑉 3) Os terminais de alta tensão de um banco de transformadores monofásicos estão ligados a um sistema trifásico de três fios, tensão de 13800 V. Os terminais da baixa tensão deste banco estão ligados a uma subestação de 1500 kVA por uma linha, também de três fios e tensão de 2300 V. Especificar os valores das tensões e das correntes de linha e de fase, em ambos os lados e cada um dos transformadores monofásicos do banco, diante das seguintes combinações de ligações nele adotadas: Enrolamentos de alta tensão ligados em Y e de baixa tensão ligados em Δ. a) Tensão de linha do lado de alta tensão, VL,AT. b) Tensão de fase do lado de alta tensão, VF,AT. c) Corrente de linha do lado de alta tensão, IL,AT. d) Corrente de fase do lado de alta tensão, IF,AT. e) Tensão de linha do lado de baixa tensão, VL,BT. f) Tensão de fase do lado de baixa tensão, VF,BT. g) Corrente de linha do lado de baixa tensão, IL,BT. h) Corrente de fase do lado de baixa tensão, IF,BT. 𝑉𝐿,𝐴𝑇 = 13800 𝑉 𝑉𝐹,𝐴𝑇 = 𝑉𝐿,𝐴𝑇 √3 = 13800 √3 = 7967 𝑉 𝐼𝐿,𝐴𝑇 = 𝐼𝐹,𝐴𝑇 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝐿,𝐴𝑇 = 1500000 √3 ∙ 13800 = 62,75 𝐴 𝑉𝐿,𝐵𝑇 = 𝑉𝐹,𝐵𝑇 = 2300 𝑉 𝐼𝐿,𝐵𝑇 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝐿,𝐵𝑇 = 1500000 √3 ∙ 2300 = 376,53 𝐴 Pró-reitoria de EaD e CCDD 6 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝐼𝐹,𝐵𝑇 = 𝐼𝐿,𝐵𝑇 √3 = 376,53 √3 = 217,39 𝐴 Enrolamentos de alta tensão ligados em Δ e de baixa tensão ligados em Y. i) Tensão de linha do lado de alta tensão, VL,AT. j) Tensão de fase do lado de alta tensão, VF,AT. k) Corrente de linha do lado de alta tensão, IL,AT. l) Corrente de fase do lado de alta tensão, IF,AT. m) Tensão de linha do lado de baixa tensão, VL,BT. n) Tensão de fase do lado de baixa tensão, VF,BT. o) Corrente de linha do lado de baixa tensão, IL,BT. p) Corrente de fase do lado de baixa tensão, IF,BT. 𝑉𝐿,𝐴𝑇 = 𝑉𝐹,𝐴𝑇 = 13800 𝑉 𝐼𝐿,𝐴𝑇 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝐿,𝐴𝑇 = 1500000 √3 ∙ 13800 = 62,75 𝐴 𝐼𝐹,𝐴𝑇 = 𝐼𝐿,𝐴𝑇 √3 = 62,75 √3 = 36,23 𝐴 𝑉𝐿,𝐵𝑇 = 2300 𝑉 𝑉𝐹,𝐵𝑇 = 𝑉𝐿,𝐵𝑇 √3 = 2300 √3 = 1327 𝑉 𝐼𝐿,𝐵𝑇 = 𝐼𝐹,𝐵𝑇 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝐿,𝐵𝑇 = 1500000 √3 ∙ 2300 = 376,53 𝐴 4) Em sistemas de potência, a tensão gerada tem seu valor elevado para a interligação com o sistema elétrico, transmitida em tensões maiores do que as geradas, e posteriormente rebaixadas para o uso dos consumidores. Entretanto, entre a elevação e o rebaixamento da tensão, pode haver grandes consumidores que devem ser atendidos em alta tensão. Um exemplo disso é o circuito da figura a seguir onde a carga B possui uma potência de 6 MVA, com fator de potência de 0,85 indutivo, a carga C possui uma potência de 7,3 MVA, com fator de potência de 0,90 indutivo, e a carga A possui uma potência de 3,5 MVA, com fator de potência de 0,97 indutivo. Pró-reitoria de EaD e CCDD 7 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas Com base nestas informações, determine o valor da corrente de linha fornecida pelo gerador. 𝐼𝐴 = 𝑆𝐴 √3 ∙ 𝑉𝐴 = 3,5 ∙ 106 √3 ∙ 69 ∙ 103 = 29,28 𝐴 cos 𝜃𝐴 = 0,97 → 𝜃𝐴 = arccos 0,97 = 14,07º 𝐼�̅� = 29,28∡ − 14,07º 𝐴 𝐾𝑇𝑅2 = √3 ∙ 289 69 = 7,254 𝐼𝐴 ′ = 𝐼𝐴 𝐾𝑇𝑅2 = 29,28 7,254 = 4,036 𝐴 → 𝐼𝐴 ′̅ = 4,036∡ − 14,07º 𝐴 𝐼𝐵 = 𝑆𝐵 √3 ∙ 𝑉𝐵 = 6 ∙ 106 √3 ∙ √3 ∙ 289 ∙ 103 = 6,92 𝐴 cos 𝜃𝐵 = 0,85 → 𝜃𝐵 = arccos 0,85 = 31,79º 𝐼�̅� = 6,92∡ − 31,79º 𝐴 𝐼𝐶 = 𝑆𝐶 √3 ∙ 𝑉𝐶 = 7,3 ∙ 106 √3 ∙ √3 ∙ 289 ∙ 103 = 8,42 𝐴 cos 𝜃𝐶 = 0,90 → 𝜃𝐶 = arccos 0,90 = 25,84º 𝐼�̅� = 8,42∡ − 25,84º 𝐴 𝐼�̅� = 𝐼𝐴 ′̅ + 𝐼�̅� + 𝐼�̅� = 4,036∡ − 14,07º + 6,92∡ − 31,79º 𝐴 + 8,42∡ − 25,84º 𝐼�̅� = 19,25∡ − 25,52º 𝐴 Pró-reitoria de EaD e CCDD 8 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝐾𝑇𝑅1 = √3 ∙ 289 21 = 23,83 𝐼𝐸 = 𝐾𝑇𝑅1 ∙ 𝐼𝐷 = 23,83 ∙ 19,25 = 458,7 𝐴 5) Um motor de indução trifásico, de 12 polos, 60 Hz, 2200 V, gira em vazio com a tensão e frequência nominais, e solicita uma corrente de 20 A e uma potência de entrada de 14kW. O estator está conectado em Y e sua resistência é de 0,4 Ω. A resistência do rotor, r2’, é 0,2 Ω por fase. Também, x1 + x2’ = 2,0 Ω por fase. O motor fira com um escorregamento de 2% quando está entregando potência a carga. (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). Para esta condição, determine. a) O torque desenvolvido no rotor. 𝐼2 ′̅ = 𝑉1̅ √3 𝑟1 + 𝑟2 ′ 𝑠 + 𝑗(𝑥1 + 𝑥2 ′ ) = 2200∡0º √3 0,4 + 0,2 0,02 + 𝑗2 = 119,93∡ − 10,88º 𝐴 𝑃𝐺 = 𝑞 ∙ 𝐼2 ′ 2 ∙ 𝑟2 ′ 𝑠 = 3 ∙ 119,932 ∙ 0,2 0,02 = 431,496 𝑘𝑊 𝑛𝑆 = 120 ∙ 𝑓 𝑝 = 120 ∙ 60 12 = 600 𝑟𝑝𝑚 𝜔𝑠 = 2𝜋𝑛𝑆 60 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 600 60 = 62,83 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇𝑅 = 𝑃𝐺 𝜔𝑆 = 431496 62,83 = 6867,47 𝑁𝑚 b) O módulo da corrente da rede. cos 𝜃0 = 𝑃0 3 ∙ 𝑉1 ∙ 𝐼0 = 14000 3 ∙ 2200 √3 ∙ 20 = 0,183 → 𝜃0 = 79,41º Considerando o circuito equivalente simplificado do motor por fase, tem-se Io = IC, portanto Pró-reitoria de EaD e CCDD 9 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝐼1̅ = 𝐼2 ′̅ + 𝐼�̅� = 119,93∡ − 10,88º + 20∡ − 79,41º = 128,6∡ − 19,201º 𝐴 𝐼1 = 128,6 𝐴 6) O circuito equivalente de um motor de indução trifásico pode ser utilizado para determinar características de operação do motor. Conhecendo o valor dos parâmetros do circuito equivalente, é possível determinar a corrente absorvida da fonte e o fator de potência da entrada, e também o rendimento do motor, com o auxílio do conhecimento dos valores das potências internas. Com base neste contexto, considere um motor de indução, conectado em Y, de seis polos, 15 HP, 220 V, 60 Hz, que possui os seguintes parâmetros, por fase: r1 = 0,128 Ω, r2’ = 0,0935 Ω, x1 + x2’ = 0,496 Ω, rc = 183 Ω e xc = 8 Ω. As perdas rotacionais são iguais as perdas no núcleo do estator. (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). Para um escorregamento de 3% determine: a) O fator de potência da entrada. 𝐼2 ′̅ = 𝑉1̅ √3 𝑟1 + 𝑟2 ′ 𝑠 + 𝑗(𝑥1 + 𝑥2 ′ ) = 220∡0º √3 0,128 + 0,0935 0,03 + 𝑗(0,496) = 38,68∡ − 8,69º 𝐴 𝑧𝐶 = 𝑟𝐶 ∙ 𝑗𝑥𝐶 𝑟𝐶 + 𝑗𝑥𝐶 = 183 ∙ 𝑗8 183 + 𝑗8 = 7,992∡87,496º Ω 𝐼�̅� = 𝑉1̅ √3 𝑧𝐶 = 220∡0º √3 7,992∡87,496º = 15,59∡ − 87,496º 𝐴 𝐼1̅ = 𝐼2 ′̅ + 𝐼�̅� = 38,68∡ − 8,69º + 15,59∡ − 87,496º = 44,422∡ − 28,82º 𝐴 𝐼1 = 44,422 𝐴 cos 𝜃1 = cos 28,82 º = 0,876 b) A potência de saída em HP. 𝑃𝐶 = 3 ∙ 𝐼𝑟𝐶 2 ∙ 𝑟𝐶 = 3 ∙ 0,693 2 ∙ 183 = 263,65 𝑊 𝑃𝑅𝑂𝑇 = 263,65 𝑊 𝑃𝐺 = 𝑞 ∙ 𝐼2 ′ 2 ∙ 𝑟2 𝑠 = 3 ∙ 38,682 ∙ 0,0935 0,03 = 13988,93 𝑊 Pró-reitoria de EaD e CCDD 10 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝑃𝑀 = 𝑃𝐺(1 − 𝑠) = 13988,93(1 − 0,03) = 13569,26𝑊 𝑃𝑆 = 𝑃𝑀 − 𝑃𝑅𝑂𝑇 = 13569,26 − 263,65 = 13,305 𝑘𝑊 𝑃𝑆𝐻𝑃 = 𝑃𝑆 746 = 13305 746 = 17,83 𝐻𝑃 7) Considere que as características representadas na figura a seguir aplicam-se a um gerador síncrono de polos salientes, trifásico, conectado em Y, 220 V, 15 kVA, é empregado para fornecer potência, na tensão nominal, a uma carga com fator de potência unitário. Pró-reitoria de EaD e CCDD 11 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas Por meio de um teste de escorregamento, a reatância síncrona de eixo direto é determinada como sendo 5 Ω e a reatância de eixo em quadratura, 2,92 Ω. (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). Pelo método geral para máquinas síncronas de polos salientes, calculeo valor aproximado da corrente de campo para que se tenha tensão nominal sobre a carga. 𝑉𝑡 = 𝑉𝑁𝑂𝑀 √3 = 220 √3 = 127 𝑉 𝐼𝑎 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝑁𝑂𝑀 = 15000 √3 ∙ 220 = 39,36 𝐴 Pró-reitoria de EaD e CCDD 12 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝑥1 = 𝑎′𝑏′ 𝐼𝑎 = 163 − 127 39,36 = 0,914 Ω 𝐴 = 𝑏′𝑐′ = 9,75 − 6,75 = 3 𝐴 𝑐. 𝑒. 𝜓 = tan−1 𝑉𝑡 ∙ sen 𝜃2 + 𝐼𝑎 ∙ 𝑥𝑞 𝑉𝑡 ∙ cos 𝜃2 = tan−1 127 ∙ sen 0º + 39,36 ∙ 2,92 127 ∙ cos 0º = 42,14º 𝛿 = 𝜓 − 𝜃2 = 42,14º − 0º → 𝛿 = 42,14º 𝐸𝑑 = 𝑉𝑡 ∙ cos(𝜓 − 𝜃2) + 𝐼𝑎 ∙ 𝑥1 ∙ sen(𝜓 − 𝜃2) 𝐸𝑑 = 127 ∙ cos(42,14º − 0º) + 39,36 ∙ 0,914 ∙ sen(42,14º − 0º) 𝐸𝑑 = 118,308 𝑉 Da curva de circuito aberto, para uma tensão de induzida de eixo direto de 118V, tem-se Rd = 3,8 A c.e., portanto, 𝐹 = 𝑅𝑑 + 𝐴 ∙ sen 𝜓 = 3,8 + 3 ∙ sen 42,14º = 5,81 𝐴 8) Um gerador síncrono de polos lisos, trifásico conectado em Y, 14000V, 40000kVA, tem resistência de armadura desprezível e uma reatância de dispersão de 0,1 ΩΩ por fase. Outros dados pertinentes são os seguintes. Característica de curto-circuito: Ia = 7If Linha do entreferro, em volts por fase: E = 33If Característica de circuito aberto, por fase: E = 21300If / (430+If) A equação para característica de circuito aberto não é válida para valores de If próximos da origem. Para uma tensão terminal constante de 14000V de linha, calcule a variação do módulo da corrente de campo, de em vazio a plena carga, para uma carga com fator de potência de 0,8 indutivo. Use o método geral de análise não-linear (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). Recomenda-se utilizar três casas decimais nos cálculos. 𝑉𝑡 = 𝑉𝑁𝑂𝑀 √3 = 14000 √3 = 8082,9 𝑉 𝐼𝑎 = 𝑆𝑁𝑂𝑀 √3 ∙ 𝑉𝑁𝑂𝑀 = 40000 ∙ 103 √3 ∙ 14000 = 1649,57 𝐴 Pró-reitoria de EaD e CCDD 13 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas Com o gerador a vazio tem-se que 𝐸𝑎∡𝛾 = 𝑉𝑡∡0° + 𝐼𝑎∡𝜃2 ∙ (𝑟𝑎 + 𝑗𝑥1) 𝐸𝑎∡𝛾 = 8082,9∡0° + 0∡ − 36,86° ∙ (𝑗0,1) 𝐸𝑎∡𝛾 = 8082,9∡0° 𝑉 Da equação característica de circuito aberto tem-se que 𝐸 = 21300𝐼𝑓 430 + 𝐼𝑓 → 𝐸𝑎 = 21300𝐹0 430 + 𝐹0 𝐹0 = 430𝐸𝑎 21300 − 𝐸𝑎 = 430 ∙ 8082,9 21300 − 8082,9 = 262,96 𝐴 À plena carga tem-se que 𝐸𝑎∡𝛾 = 𝑉𝑡∡0° + 𝐼𝑎∡𝜃2 ∙ (𝑟𝑎 + 𝑗𝑥1) 𝐸𝑎∡𝛾 = 8082,9∡0° + 1649,57∡ − 36,86° ∙ (𝑗0,1) 𝐸𝑎∡𝛾 = 8182,9∡0,924° 𝑉 Da equação característica de circuito aberto tem-se que 𝐸 = 21300𝐼𝑓 430 + 𝐼𝑓 → 𝐸𝑎 = 21300𝑅 430 + 𝑅 𝑅 = 430𝐸𝑎 21300 − 𝐸𝑎 = 430 ∙ 8182,9 21300 − 8182,9 = 268,24 𝐴 �̅� = 𝑅∡(90° + 𝛾) = 268,24∡(90° + 0,924°) = 268,24∡90,924° 𝐴 𝑐. 𝑒. Da reta de curto circuito tem-se que 𝐼𝑎 = 7𝐼𝑓 → 𝐼𝑎 = 7𝐴 → 𝐴 = 𝐼𝑎 7 = 1649,57 7 = 235,65 𝐴 𝑐. 𝑒. �̅� = �̅� − �̅� = 268,24,5∡90,92° − 235,65∡ − 36,86º = 452,66∡115,21° 𝐴 𝑐. 𝑒. Assim, a variação do módulo da corrente de campo é dada por Δ𝐹 = 𝐹 − 𝐹0 = 452,66 − 262,96 = 189,64 𝐴 Pró-reitoria de EaD e CCDD 14 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 9) O motor de corrente contínua série nunca deve ser energizado com tensão nominal sem carga aplicada ao eixo. Isso porque o fluxo magnético gerado no enrolamento de campo série é muito pequeno, o que fará com que a armadura do motor atinja velocidades muito acima da nominal. Sendo assim, considere um motor série de 200 HP, 550 V, 450 rpm solicita uma corrente da rede de 295 A, para saída nominal. As resistências dos enrolamentos de armadura e de campo série são de 0,07 Ω e 0,05 Ω, respectivamente. (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). Determine a velocidade e o torque, quando a carga muda de forma a solicitar uma corrente de 180 A. 𝐸 = 𝑉𝑡 − 𝐼𝑎(𝑟𝑎 + 𝑟𝑠) = 550 − 295(0,05 + 0,07) = 514,6 𝑉 𝐸′ = 𝑉𝑡 − 𝐼𝑎 ′ (𝑟𝑎 + 𝑟𝑠) = 550 − 180(0,05 + 0,07) = 528,4 𝑉 𝐸′ 𝐸 = 𝑘3 ∙ 𝜙𝑆 ′ ∙ 𝑛′ 𝑘3 ∙ 𝜙𝑆 ∙ 𝑛 = 𝑘3 ∙ 𝑘𝑆 ∙ 𝐼𝑎 ′ ∙ 𝑛′ 𝑘3 ∙ 𝑘𝑆 ∙ 𝐼𝑎 ∙ 𝑛 → 𝐸′ 𝐸 = 𝐼𝑎 ′ ∙ 𝑛′ 𝐼𝑎 ∙ 𝑛 → → 𝑛′ = 𝐸′ ∙ 𝐼𝑎 ∙ 𝑛 𝐸 ∙ 𝐼𝑎′ = 528,4 ∙ 295 ∙ 450 514,6 ∙ 180 = 757,27 𝑟𝑝𝑚 𝜔𝑚 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛′ 60 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 757,27 60 = 79,3 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇′ = 𝐸′ ∙ 𝐼𝑎 ′ 𝜔𝑚 = 528,4 ∙ 180 79,3 = 1199,4 𝑁𝑚 10) Um motor em derivação de 5 HP, 113 V, 1150 rpm, tem uma resistência de armadura de 0,2 Ω. Quando entregando potência nominal, o motor solicita da rede uma corrente de 40 A. O enrolamento de campo tem uma resistência de 65 Ω. Desprezando o efeito da desmagnetização da força magneto matriz da armadura, determine a velocidade do motor, quando o motor desenvolve um torque de 15 Nm. (DEL TORO, Vincent. Fundamentos de Máquinas Elétricas, 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1994). 𝐼𝑓 = 𝑉𝑡 𝑟𝑓 = 113 65 = 1,74 𝐴 𝐼𝑎 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑓 = 40 − 1,74 = 38,26 𝐴 𝐸 = 𝑉𝑡 − 𝑟𝑎𝐼𝑎 = 113 − 0,2 ∙ 38,26 = 105,35 𝑉 𝜔𝑚 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 60 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 1150 60 = 120,42 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Pró-reitoria de EaD e CCDD 15 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas 𝑇 = 𝐸 ∙ 𝐼𝑎 𝜔𝑚 = 105,35 ∙ 38,26 120,42 = 33,46 𝑁𝑚 𝑇′ 𝐼𝑎 = 𝑇 𝐼𝑎′ → 𝐼𝑎 ′ = 𝑇′ ∙ 𝐼𝑎 𝑇 = 15 ∙ 38,25 33,46 = 17,15 𝐴 𝐸′ = 𝑉𝑡 − 𝑟𝑎𝐼𝑎 ′ = 113 − 0,2 ∙ 17,15 = 109,57 𝑉 𝑛′ = 𝐸′ ∙ 𝑛 𝐸 = 109,57 ∙ 1150 105,35 = 1196,06 𝑟𝑝𝑚 RESPOSTAS Aluno(a): GABARITO RU: XXXXXXXXXX Questão 1) a) 92,6% b) 2,093 Questão 2) Resposta: 326 V Questão 3) a) 13800 V b) 7967 V c) 62,75 A d) 62,75 A e) 2300 V f) 2300 V g) 376,53 A h) 217,39 A i) 13800 V j) 13800 V k) 62,75 A l) 36,23 A m) 2300 V n) 1327 V o) 376,53 A p) 376,53 A Pró-reitoria de EaD e CCDD 16 Disciplina de Máquinas Elétricas Prof. Msc. Samuel Polato Ribas Questão 4) Resposta: 463 A Questão 5) a) 6867,47 Nm b) 128,6 A Questão 6) a) 0,876 b) 17,83 HP Questão 7) Resposta: 5,81 A Questão 8) Resposta: 189,64 A Questão 9) Resposta: 1199,4 Nm Questão 10) Resposta: 1196 rpm
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