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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – CAMPUS SOBRAL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: CIRCUITOS ELÉTRICOS I PROFESSOR: SAMELIUS SILVA SIMULAÇÃO Nº03 CIRCUITOS DE 2ª ORDEM (RLC) EDÊNIO Z. GALVÃO COSTA 433932 SOBRAL – CE 2021 Sumário 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 3 1.1 Circuito RLC em paralelo ................................................................................................... 4 1.2 Circuito RLC em série ........................................................................................................ 5 2. Questão 1 ............................................................................................................................. 6 3. Questão 2 ........................................................................................................................... 11 4. Questão 3 ........................................................................................................................... 16 5. CONCLUSÃO .................................................................................................................. 23 REFERÊNCIAS ....................................................................................................................... 24 3 1. INTRODUÇÃO O presente relatório refere-se à terceira simulação da disciplina Circuitos Elétricos I. O mesmo propõe a montagem e análise de circuitos de segunda ordem, ou seja, possuem tanto capacitores quanto indutores na sua configuração, onde podem ter duas estruturas simples: O circuito RLC em paralelo e o circuito RLC em série. A seguir será dada uma breve explanação sobre os circuitos e suas respectivas respostas, natural e degrau. Ao se falar em resposta natural, retoma-se aos circuitos que não possuem uma fonte, seja ela de corrente ou de tensão, já em resposta ao degrau há a presença de fonte. É importante destacar também que podemos ter três respostas dentre essas duas. O circuito pode ter resposta característica subamortecida, superamortecida ou criticamente amortecida. Para determinar qual a característica do circuito, é necessário ter conhecimento de como calcular a frequência de Nepper (α), frequência angular de ressonância (𝜔0) e a frequência de amortecimento (𝜔𝑑). Tabela 1 - Parâmetros para cálculos de frequências Para RLC Paralelo 𝛼 = 1 2𝑅𝐶 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 𝜔𝑑 = √𝜔0 2 − 𝛼2 Para RLC Série 𝛼 = 𝑅 2𝐿 As características podem ser determinadas após efetuados os devidos cálculos, pois: Tabela 2 - Tipos de resposta Resposta superamortecida 𝜔0 2 < 𝛼2 Resposta subamortecida 𝜔0 2 > 𝛼2 Resposta criticamente amortecida 𝜔0 2 = 𝛼2 Ainda há também como encontrar raízes, caso seja necessário. Tabela 3 - Parâmetros para cálculo de raízes 𝑠1 𝑠1 = −𝛼 + √𝛼2 − 𝜔0 2 𝑠2 𝑆1 = −𝛼 − √𝛼 2 − 𝜔0 2 4 Obs.: Todos os parâmetros são obtidos de maneira analítica a partir das equações presentes na teoria de circuitos elétricos (NILSSON, RIEDEL, 2016). Para o presente relatório, utilizou-se o PSIM para as simulações. 1.1 Circuito RLC em paralelo Determinar a resposta natural de um circuito RLC em paralelo consiste em determinar a tensão criada nos ramos em paralelo pelo fornecimento de energia armazenada no indutor ou no capacitor ou em ambos. Figura 1 - Circuito para ilustrar a resposta natural de um circuito RLC em paralelo Fonte: Nilsson, James W. Circuitos elétricos 10ª Ed, 2016 Tabela 4 - Tipos de resposta natural para circuito RLC em paralelo Subamortecido 𝑣(𝑡) = 𝐵1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (1) Superamortecido 𝑣(𝑡) = 𝐴1𝑒 𝑆1𝑡 + 𝐴2𝑒 𝑆2𝑡 (2) Criticamente amortecido 𝑣(𝑡) = 𝐷1𝑡𝑒 −𝛼𝑡 + 𝐷2𝑡𝑒 −𝛼𝑡 (3) A resposta ao degrau de um circuito RLC em paralelo usando a Figura 2. Deve-se buscar a tensão que aparece nos ramos paralelos como resultado da aplicação repentina de uma fonte de corrente I. Pode haver ou não energia armazenada no circuito quando a fonte de corrente é aplicada. Figura 2 - Circuito para ilustrar a resposta degrau de um circuito RLC em paralelo Fonte: Nilsson, James W. Circuitos elétricos 10ª Ed, 2016 Tabela 5 - Tipos de resposta ao degrau para circuito RLC em paralelo Subamortecido 𝑖(𝑡) = 𝐼 + 𝐵′1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵′2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (4) Superamortecido 𝑖(𝑡) = 𝐼 + 𝐴′1𝑒 𝑆1𝑡 + 𝐴′2𝑒 𝑆2𝑡 (5) Criticamente amortecido 𝑖(𝑡) = 𝐼 + 𝐷′1𝑡𝑒 −𝛼𝑡 + 𝐷′2𝑡𝑒 −𝛼𝑡 (6) 5 1.2 Circuito RLC em série Determinar a resposta natural de um circuito RLC em série consiste em determinar a corrente gerada nos elementos ligados em série pelo fornecimento da energia inicialmente armazenada no indutor, no capacitor ou em ambos. Pode-se deduzir pelo circuito mostrado na Figura 3. Como antes, a corrente inicial no indutor, I0, e a tensão inicial no capacitor, V0, representam a energia armazenada inicialmente. Figura 3 - Circuito usado para ilustrar a resposta natural de um circuito RLC em série Fonte: Nilsson, James W. Circuitos elétricos 10ª Ed, 2016 Tabela 6 – Tipos de resposta natural para circuito RLC em série Subamortecido 𝑖(𝑡) = 𝐵1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (7) Superamortecido 𝑖(𝑡) = 𝐴1𝑒 𝑆1𝑡 + 𝐴2𝑒 𝑆2𝑡 (8) Criticamente amortecido 𝑖(𝑡) = 𝐷1𝑡𝑒 −𝛼𝑡 + 𝐷2𝑡𝑒 −𝛼𝑡 (9) A resposta a um degrau de um circuito RLC em série pode ser deduzida em termos do circuito mostrado na Figura 4. Estamos interessados na corrente resultante da aplicação repentina da fonte de tensão V. Pode haver ou não energia armazenada no circuito quando a chave é fechada. Figura 4 - Circuito usado para ilustrar a resposta degrau de um circuito RLC em série Fonte: Nilsson, James W. Circuitos elétricos 10ª Ed, 2016 Tabela 7 - Tipos de resposta ao degrau para circuito RLC em série Subamortecido 𝑣(𝑡) = 𝑉 + 𝐵′1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵′2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (10) Superamortecido 𝑣(𝑡) = 𝑉 + 𝐴′1𝑒 𝑆1𝑡 + 𝐴′2𝑒 𝑆2𝑡 (11) Criticamente amortecido 𝑣(𝑡) = 𝑉 + 𝐷′1𝑡𝑒 −𝛼𝑡 + 𝐷′2𝑡𝑒 −𝛼𝑡 (12) 6 2. Questão 1 O circuito a ser montado no software é composto por uma fonte de tensão (Vg) com uma amplitude de 10V, ligada em série com um indutor (L) de 1,4 mH, um resistor (R) de 2 Ω e um capacitor (C) de 1µF. O esquema é apresentado na figura 5 e em seguida os tópicos solicitados foram respondidos. Figura 5: Circuito RLC em série Fonte: Próprio autor O item a) pede que o circuito seja simulado para o valor de cada resistência (15 Ω, 30 Ω, 45 Ω, 60 Ω, 75 Ω e 90 Ω) registrando a sua forma de onda de tensão (V) e corrente (I). Para cada curva, deve-se indicar qual o tipo de resposta (subamortecido, superamortecido ou amortecimento crítico). Os resultados obtidos podem ser vistos abaixo: Figura 6 - Curva de V e I quando R = 15Ω Fonte: Próprio autor 7 Figura 7: Curva de V e I quando R = 30Ω Fonte: Próprio autor Figura 8: Curva de V e I quando R = 45Ω Fonte: Próprio autor 8 Figura 9 - Curva de V e I quando R = 60Ω Fonte: Próprio autor Figura 10 - Curva de V e I quando R = 75Ω Fonte: Próprio autor 9 Figura 11: Curva de V e I quando R = 90Ω Fonte: Próprio autor Após calcular-se as frequências, como resposta tem-se: Figura 6, subamortecida Figura 7, subamortecida Figura 8, subamortecida Figura 9, subamortecida Figura 10, superamortecida Figura 11, superamortecida O item b) pede que R seja calculado para que se tenha um amortecimento crítico. 𝛼 = 𝜔0 ∴ 𝑅 2𝐿 = 1 √𝐿𝐶 ∴ 𝑅 = 74,83Ω O item c) pede que a frequência de oscilação do circuito (𝜔𝑑) seja medida para a condição de subamortecimento com a resistência R= 15Ω. 𝛼 = 𝑅 2𝐿 = 5357,14 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 = 26726,12 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔𝑑 = √𝜔0 2 − 𝛼2 = 26183,7 𝑟𝑎𝑑/𝑠 10 O item d) pede que seja calculado a resposta completa de v(t) para condição subamortecida quando R = 15 Ω e que seja encontrado o valor de v para t = 0,2 ms. Já sabendo que se deseja uma resposta com característica subamortecida, primeiramente calculam-se as frequências, que já foram obtidas anteriormente no item c. tem-se como formato de resposta a equação (10), presente na tabela (7). 𝑣𝑐(𝑡) = 𝑉 + 𝐵′1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵′2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (13) Para calcular as constantes 𝐵′1e 𝐵′2, deve-se seguir as informações (Dados) do roteiro, onde pode-se ver que i(0) = 0A e Vc(0) = 0V. Com isso em mente, segue abaixo a resolução: 𝑣𝑐(0) = 0 = 𝐵′1 + 𝑉 ∴ 𝐵′1 = −10 (14) 𝑑𝑣𝑐(0) 𝑑𝑡 = 0 = −𝛼𝐵′1 + 𝜔𝑑𝐵 ′ 2 ∴ 𝐵 ′ 2 = 𝛼𝐵′1 𝜔𝑑 (15) Onde V é a própria fonte de tensão do circuito, fazendo as devidas substituições de valores nas equações (14) e (15), e em seguida na equação (13), tem-se: 𝑣𝑐(𝑡) = 10 − 10𝑒 −5357,14𝑡 cos(26183,7𝑡) − 2,05𝑒−5357,14𝑡 sin(26183,7𝑡) Para t = 0,2ms: 𝑣𝑐(0,2𝑚𝑠) = 9,99𝑉 ≅ 10𝑉 Item e) Através do exercício, pode-se observar o comportamento do circuito para um melhor entendimento do que é estudado na teoria, tanto o comportamento pelos gráficos quanto pelos cálculos. O resultado do item c, reforça o comportamento do capacitor em relação a sua carga. 11 3. Questão 2 O circuito a ser montado é composto por uma fonte de corrente (I) de 2A, ligada em paralelo um resistor (R) de 2 Ω, um indutor (L) de 1,4 mH e um capacitor (C) de 1µF. O esquema é apresentado na figura 12 e em seguida os tópicos solicitados foram respondidos. Figura 12: Circuito RLC em paralelo Fonte: Próprio autor O item a) pede que o circuito seja simulado para o valor de cada resistência R (15 Ω, 30 Ω, 45 Ω, 60 Ω, 75 Ω e 90 Ω) registrando a sua forma de onda de tensão (V) e corrente (I). Os resultados obtidos podem ser vistos abaixo: Figura 13 - Curva de V e I quando R = 10Ω Fonte: Próprio autor 12 Figura 14 - Curva de V e I quando R = 20Ω Fonte: Próprio autor Figura 15 - Curva de V e I quando R = 30Ω Fonte: Próprio autor 13 Figura 16 - Curva de V e I quando R = 40Ω Fonte: Próprio autor Figura 17 - Curva de V e I quando R = 50Ω Fonte: Próprio autor 14 Figura 18 - Curva de V e I quando R = 60Ω Fonte: Próprio autor Após calcular-se as frequências, como resposta tem-se: Figura 13, superamortecida Figura 16, subamortecida Figura 14, subamortecida Figura 17, subamortecida Figura 15, subamortecida Figura 18, subamortecida O item b) pede que R seja calculado para que se tenha um amortecimento crítico. 𝛼 = 𝜔0 ∴ 1 2𝑅𝐶 = 1 √𝐿𝐶 ∴ 𝑅 = 18,7Ω O item c) pede que a frequência de oscilação do circuito (𝜔𝑑) seja medida para a condição de subamortecimento com a resistência R = 60Ω. Assim, tem-se: 𝛼 = 1 2𝑅𝐶 = 8333,3 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 = 26726,12 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝜔𝑑 = √𝜔0 2 − 𝛼2 = 15971,9 𝑟𝑎𝑑/𝑠 O item d) pede que seja calculado a resposta completa de i(t) para condição subamortecida quando R = 60 Ω e que seja encontrado o valor de i para t = 0,3 ms. 15 Já sabendo que se deseja uma resposta com característica subamortecida, primeiramente calculam-se as frequências, que já foram obtidas anteriormente no item c. tem-se como formato de resposta a equação (4), presente na tabela (5). 𝑖(𝑡) = 𝐼 + 𝐵′1𝑒 −𝛼𝑡 cos(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵′2𝑒 −𝛼𝑡 sin(𝜔𝑑𝑡) (16) Para calcular as constantes 𝐵′1e 𝐵′2, deve-se seguir as informações (Dados) do roteiro, onde pode-se ver que i(0) = 0A e V(0) = 0V. Com isso em mente, segue abaixo a resolução: 𝑖𝐿(0) = 0 = 𝐵′1 + 𝐼 ∴ 𝐵′1 = −𝐼 (17) 𝑑𝑖𝐿(0) 𝑑𝑡 = 0 = −𝛼𝐵′1 + 𝜔𝑑𝐵 ′ 2 ∴ 𝐵 ′ 2 = 𝛼𝐵′1 𝜔𝑑 (18) Onde I é a própria fonte de corrente do circuito, fazendo as devidas substituições de valores nas equações (17) e (18), e em seguida na equação (16), tem-se: 𝑖(𝑡) = 2 − 2𝑒−8333,33𝑡 cos(25393,72𝑡) − 0,66𝑒−8333,33𝑡 sin(25393,72𝑡) Para t = 0,3ms: 𝑖(0,3𝑚𝑠) = 1,83𝑠 Comparando com o gráfico, é possível notar que os valores são bem próximos. No gráfico o valor encontrado foi 1,91s. Pode-se observar na figura 19. Figura 19 - Valor de i(0,3ms) no gráfico Fonte 1: Próprio autor Item e) Através do exercício, pode-se observar o comportamento do circuito para um melhor entendimento do que é estudado na teoria, tanto o comportamento pelos gráficos quanto 16 pelos cálculos. O resultado do item d, reforça o comportamento do indutor em relação a corrente que passa por ele. Observa-se também que a frequência de Nepper (𝛼) varia para circuito paralelo e para circuito em série, enquanto a frequência de ressonância (𝜔0) permanece a mesma. 4. Questão 3 O circuito a ser montado no software é composto por uma fonte de tensão (Vs) senoidal com uma amplitude de 5V, ligada em série com um capacitor (C) de 0,8mF, um indutor (L) de 1,4 mH e um resistor (R) de 2 Ω. O esquema é apresentado na figura 19 e em seguida os tópicos solicitados foram respondidos. Figura 20 – RLC em série excitado por fonte senoidal Fonte: Roteiro O item a) pede que seja calculado a resposta natural de V0(t). Com isso, desconsidera- se a fonte de tensão e calcula-se as frequências para identificar qual será o tipo de resposta. 𝛼 = 𝑅 2𝐿 = 2 2 ∙ 1,4 ∙ 10−3 ≅ 714,3 𝑟𝑎𝑑/𝑠 (19) 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 = 1 √(1,4.10−3)(0,8.10−3) ≅ 944,9 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ (20) A partir dos valores obtidos, temos que a resposta de corrente é do tipo subamortecida, pois ω0 2 > α2. Para uma resposta subamortecida, a resposta natural é: 𝑉𝑜(𝑡) = 𝐵1𝑒 −𝛼𝑡𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑑𝑡) + 𝐵2𝑒 −𝛼𝑡𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑑𝑡) (21) Onde B1 e B2 são constantes e ωd é a frequência angular amortecida. Partindo das as equações (19) e (20), pode-se encontrar o valor de ωd. 17 𝜔𝑑 = √𝜔02 − 𝛼2 = √(944,1)2 − (714,3)2 ≅ 617,3 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ (22) Por fim, substituindo os valores encontrados (α, ω0 e ωd) na equação (21) encontra-se a resposta natural de V0(t). 𝑉𝑜(𝑡) = 𝐵1𝑒 −714,3𝑡𝑐𝑜𝑠(617,3𝑡) + 𝐵2𝑒 −714,3𝑡𝑠𝑒𝑛(617,3𝑡) O item b) pede que seja encontrado a frequência de ressonância (ω0), o coeficiente de amortecimento (α) e a frequência amortecida do circuito. De acordo com as equações (14), (15) e (17), têm-se: 𝛼 = 𝑅 2𝐿 ≅ 714,3 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 ≅ 944,9 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ 𝜔𝑑 = √𝜔02 − 𝛼2 ≅ 617,3 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ No item c) deve-se simular o circuito apresentado na figura X, variando a frequência da fonte senoidal e preenchendo a Tabela 1 de acordo com os resultados que forem sendo obtidos. Deve-se registrar também as formas de onda de Vs e V0 para cada valor de frequência utilizado. Figura 21 - Circuito simulado Fonte: Próprio autor A Tabela 8 apresenta os valores obtidos na simulação para os diferentes valores de frequência da fonte senoidal. 18 Tabela 8 Frequência (Hz) | 𝑉0 𝑉𝑆 | 10 0,1 40 0,4 70 0,67 100 0,87 150 1 200 0,94 250 0,82 500 0,45 750 0,3 1000 0,23 1500 0,15 2000 0,11 Abaixo, pode-se observar o comportamento das formas de onda para as diferentes frequências. A frequência da fonte senoidal é variada de acordo com os valores da Tabela 8. Figura 22 - V0 e VS quando f = 10Hz Fonte: Próprio autor Figura 23 - V0 e VS quando f = 40Hz Fonte: Próprio autor 19 Figura 24 - V0 e VS quando f = 70Hz Fonte: Próprio autor Figura 25 - V0 e VS quando f = 100Hz Fonte: Próprio autor Figura 26 - V0 e VS quando f = 150Hz Fonte: Próprio autor20 Figura 27 - V0 e VS quando f = 200Hz Fonte: Próprio autor Figura 28 - V0 e VS quando f = 250Hz Fonte: Próprio autor Figura 29 - V0 e VS quando f = 500Hz Fonte: Próprio autor 21 Figura 30 - V0 e VS quando f = 750Hz Fonte: Próprio autor Figura 31 - V0 e VS quando f = 1000Hz Fonte: Próprio autor Figura 32 - V0 e VS quando f = 1500Hz Fonte: Próprio autor 22 Figura 33 - V0 e VS quando f = 2000Hz Fonte: Próprio autor Para o item d) os elementos da Tabela 8 assumem a forma gráfica apresentada na Figura 33 Figura 34 - |V0 / VS| vs f da Tabela 8 Fonte: Próprio autor Para o item e) efetuou-se a troca do resistor R para 1Ω e os procedimentos dos itens b), c) e d) foram repetidos. Logo, tem-se: 𝛼 = 𝑅 2𝐿 ≅ 357,1 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ 𝜔0 = 1 √𝐿𝐶 ≅ 944,9 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ 𝜔𝑑 = √𝜔02 − 𝛼2 ≅ 874,8 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 10 40 70 100 150 200 250 500 750 1000 1500 2000 V 0 /V s Frequências 23 Tabela 9 Frequência (Hz) | 𝑉0 𝑉𝑆 | 10 0,05 40 0,21 70 0,4 100 0,67 150 0,95 200 0,79 250 0,58 500 0,24 750 0,11 1000 0,12 1500 0,08 2000 0,05 Figura 35 - |V0 / VS| vs f da Tabela 9 item f) Existe uma relação entre os valores calculados no item (b) com o item (c), (d) e (e). Observa-se que o valor da frequência de ressonância ωo é de aproximadamente 944,9 rad/s, mas este valor convertido para hertz é aproximadamente 151,2 Hz. Coincide com a Tabela (1), ou seja, é coerente, pois em 150 Hz a razão de V0 e Vs é aproximadamente 1. Portanto, a razão entre V0 e Vs tende a 1 à medida em que a frequência da fonte se aproxima da frequência de ressonância, este fenômeno é facilmente percebido a partir das curvas apresentadas na figura 33 e 34. 5. CONCLUSÃO Partindo das simulações, os resultados reforçam o que é apresentado na teoria de circuitos elétricos de segunda ordem, estudadas durante o curso. Na simulação 1, o circuito RLC simulado ofereceu embasamento, através das formas de onde da tensão V e da corrente I na malha, para os três tipos de comportamento das respostas naturais estudadas na teoria. Além disso, o objetivo de obter a frequência de oscilação ωd foi alcançado. Já na simulação 2 e 3, as diferenças entre as configurações de circuito em paralelo e série foram analisadas e o resultado obtido também se manteve coerente com a teoria presenta. Além disso, vale ressaltar que alguns valores podem apresentar algum desvio para mais ou para menos, em virtude de arredondamentos nos valores calculados. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 10 40 70 100 150 200 250 500 750 1000 1500 2000 V 0 / V s Frequências 24 REFERÊNCIAS NILSSON, J. W., RIEDEL, S.A. Circuitos Elétricos 10 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016
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