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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Disciplinas: Teoria de Circuitos - DCA 0105 Circuitos Elétricos – ELE 0506 MANUAL DE EXEMPLOS DE SOLUÇÕES DE EXERCÍCIOS 2a Avaliação Capítulo 6 Período: 2014.1 Professores: Crisluci Karina Souza Santos Cândido Manoel Firmino de Medeiros Júnior Ricardo Ferreira Pinheiro Francisco das Chagas Mota Apoio: Francisco Regis da Silva Pereira Franklin Hebert Silva do Nascimento Marcos Túlio Antunes Bezerra Segundo Iang da Silva Aquino Déborah Kalynne da Silva 2 CAPÍTULO 6 6.1 Desenvolver as equações de estado e escrevê-las na forma matricial, para o circuito cujo esquema está mostrado na figura abaixo. Solução: A resolução de um sistema por variáveis de estado tem o objetivo de facilitar a visualização das contribuições de cada elemento armazenador de energia sobre esse sistema, e isso se torna mais notório à medida que aumentamos o número de elementos armazenadores de energia no sistema, haja vista já uma certa dificuldade de representarmos um sistema por uma EDO de grau 2, muito mais se aumentarmos a ordem do sistema. Para resolvermos este problema, devemos escolher nossas variáveis de estado como sendo aquelas que causarão variação de energia nos elementos armazenadores como tensão no capacitor e corrente no indutor. Assim nossas variáveis de estado serão: 1cv , 2cv e 2i Sabemos que as expressões da tensão no indutor e da corrente no capacitor, respectivamente, são dadas por: cc ll v i Ci Lv . Analisaremos o circuito abaixo: 3 Aplicando a Lei de Kirchoff das correntes ao nó 1: 121 ciii Aplicando a Lei de Kirchoff das tensões à malha I: 1 1 1 R vE i c Assim, temos a seguinte igualdade e a desenvolveremos para obtermos 1cv : E CR i C v CR E R iv R C R vE Ci R vE ii cc cc c c c c v v v 11 2 1 1 11 1 1 21 1 11 1 1 112 1 1 12 111 11 E 2 0 V R1 2i C1 L 1cv 1i 1ci 1 2 2 2cv 2ci R2 3i I II III ‘ C2 4 Para obtermos 2i , percorreremos a malha II aplicando a Lei de Kirchoff das tensões: 212 212 221 11 0 cc cc cc v L v L vvL vLv i i i Por último, aplicamos Lei de Kirchoff das correntes ao nó 2, para obtermos 2cv : 2 2 2 22 2 2 2 222 2 2 222 322 11 i C v CR R v iC R v Ci iii cc c c c c c v v v Finalmente, escrevemos nossas equações de estado na forma matricial abaixo: E CR i v v LL CCR CCR c c c c i v v 0 0 1 0 11 11 0 1 0 1 11 2 2 1 222 111 2 2 1 5 6.2 Desenvolver as equações de estado e escrevê-las na forma matricial, para o circuito mostrado na figura abaixo. Solução: Para resolvermos esta questão, devemos inicialmente escolher quais variáveis serão nossas variáveis de estado. Idealmente escolhemos aquelas responsáveis pela variação da energia nos elementos armazenadores. Portanto escolhemos a corrente que passa pelo indutor e a tensão aplicada aos terminais do capacitor. Analisemos o circuito abaixo: Aplicando a Lei de Kirchoff das correntes ao nó 1: R R L cv Li C ci I 1 I II 6 I C i C iIC CiI iiI Lc Lc cL cL v v v 11 Aplicando a Lei de Kirchoff das tensões à malha II: LcL LcL LLc RLc i L R v L RivL RiLv vvv i i i 1 Escrevendo as equações obtidas na forma matricial, temos: I C v i C LL R L c L cv i 1 0 0 1 1 6.3. Desenvolver as equações de estado e escrevê-las na forma matricial, para o circuito mostrado na figura abaixo. 7 Solução: Nossas variáveis de estado devem ser: 1Li , 2Li e Cv . Agora observemos o circuito abaixo: Aplicando a Lei de Kirchoff das correntes aos nós 1 e 3, obtemos as seguintes equações: 212 11 L L iii iiI Vamos encontrar uma equação para cv . Observando o nó 2, verificamos que: 2Li C L2 cv 1Li ci 2 2 3 ‘ R2 2i I II III L1 1 R1 1i I 8 21 21 21 21 11 LL LL LLC LCL i C i CC ii C C iii iii v v Vamos encontrar uma equação para 2Li . Observando a malha III, verificamos que: I L R v L i L R i L R L IRviRiR L L iRiRIR L Lv iiIR L Lv iiR L Lv iR L Lv vvv CLL CLL LLC LLC LC C RLC i i i i i i 2 2 2 2 2 2 1 2 2 222122 221222 2122 2122 222 22 1 2 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 Vamos encontrar uma equação para 1Li . Observando a malha I, verificamos que: 9 I L RR v L i L R i L RR IRRviRiRRL IRviRiRiIRL LiRL vvv CLLL CLLL CLLLL LL LRL i i i ii 1 12 1 2 1 2 1 1 12 1 122211211 222121111 221111 211 )(1 0 0 Escrevendo as equações obtidas na forma matricial, temos: I L R L RR v i i CC LL R L R LL R L RR C L L c L L v i i 0 0 11 1 1)( 2 1 2 2 1 12 2 1 22 2 2 2 11 2 1 21 6.4 Desenvolver as equações de estado e escrevê-las na forma matricial, para o circuito esquematizado abaixo: Solução: 10 Vamos identificar todas as tensões sobre os elementos de circuito e todas as correntes em cada ramo: Aqui vemos claramente que a corrente sobre o resistor 1 é a mesma sobre o indutor, e a tensão sobre o resistor 2 é exatamente a mesma sobre o capacitor: Assim, podemos escrever para a malha 1: 1.021 eqvvvE L E para a malha 2: 2.02 2 eqvv vv C C 11 Como v2 = vC; 3. 11 0 0 0 1 1 1 111 1 eqE L v L i L R dt di EviR dt di L v dt di LiRE iiv dt di LiRE vvvE CL L CL L C L L LC L CL Trabalhando a equação 2: 4.0 0 22 2 eqviR vv C C A partir do circuito observamos que: 5.2 2 eqiii iii CL LC Substituindo a equação 5 na equação 4: 12 6. 11 0 0 0 2 22 22 22 2 eqv CR i Cdt dv viR dt dv CR v dt dv CRiR viRiR viiR CL C CL C C C L CCL CCL Podemos agora montar a forma matricial das variáveis de estado do circuito da questão a partir das equações 3 e 6: EL v i CRC LL R dt dv dt di C L C L 0 1 11 1 2 1 6.5. Desenvolver as equações de estado e escrevê-las na forma matricial, para o circuito cujo esquema está mostrado na figura abaixo: Solução: 13 )( 1 1 )( )( 1111 1 )( )( )( 1 )( 1111)( )( 1 )( 1 )( )( )( 11 )( )()( )()()( )( 0 )()()()( )( 0)( )( )( 232 1 232 1 322 1 32 1 te CR L tv ti RRCC LL R dt tdv dt tdi te CR tv RRCCdt tdv te L tv L ti L R dt tdi tv RR ti R te dt tdv C tvtiRte dt tdi L R tv R tvte dt tdi Cti tviR dt tdi Lte C L C L C C CL L CL C CL L CCL L CL L 14 6.6. Descreva o circuito abaixo em suas Equações de Estados (Espaço de Estados): Solução: Vamos nomear os nós no circuito a fim de facilitar a análise: Fazendo estudo do nó 1: ( ) ( ) ( ) ( ) Analisando o nó 2: ( ) ( ) ( ) 15 ( ) ( ) ( ) Analisando o nó 3: ( ) ( ) ( ) ( ) Obs.: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Para a malha externa: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Substituindo a eq. 5 na eq. 2, temos: [ ( ) ( ) ( ) ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 16 ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) { [ ( ) ( ) ] ( ) } ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) Substituindo agora a eq. 6 na eq. 5, temos: ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) Substituindo a eq. 7 na eq. 4: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 17 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) [ ( ) ] ( ) ( ) ( ) ( ) E a eq. 7 na eq. 1: ( ) { [ ( ) ( ) ] ( ) } ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) [ ( ) ] ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) 18 Substituindo também a eq. 6 na eq. 3: ( ) { [ ( ) ( ) ] ( ) } ( ) ( ) [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) Assim as equações 8, 9 e 10, podem representar o circuito em seu espaço de estado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Montando a equação matricial em Espaço de Estados: 19 [ ( ) ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ( ) ] [ ( ) ( ) ( ) ] Colocando o termo em evidência, ficamos com: [ ( ) ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ( ) ] [ ] ( ) ( ) ( ) Onde, 20 [ ] ( ) [ ( ) ( ) ( ) ] [ ] ( ) 21 6.7. Circuito RLC Paralelo: EQUAÇÃO DIFERENCIAL Calcular iL(t) para t > 0, sabendo que todas as condições iniciais são nulas. Do estudo da análise de circuitos, sabemos que a equação diferencial para a variável de interesse é: ( ) ( ) ( ) Substituindo os valores: ( ) ( ) ( ) E resolvendo para iL(t), temos: ( ) Ainda analisando analiticamente, observamos que em regime permanente, ou seja, iL(t→∞) = 10 A, e que por ter constantes de 22 tempo apenas reais e negativa, temos um sistema estável superamortecido e seu transitório não possui oscilações. Simulando essa situação em Scilab, através do XCOS: Acima o esquema de simulação em XCOS (Scilab). Abaixo as curvas da Entrada em Degrau (em azul) e de iL(t) (em vermelho) em relação ao tempo: 23 Vê-se a partir dessas curvas que a corrente no indutor tem um valor final igual a 10 A, quando t se torna infinito. Fato já discutido analiticamente Circuito RLC Paralelo: ESPAÇO DE ESTADOS Para o mesmo circuito e analisando seus espaço de estados para iL(t) e para vC(t), temos as seguintes expressões: [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] 24 Substituindo os valores: [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] [ ] [ ( ) ( ) ] [ ] Onde I = 10 A. Para simulação em XCOS (Scilab) temos o seguinte esquema: E o seguinte resultado para as curvas: 25 Onde temos aí que a curva em azul representa iL(t) e a curva em vermelho representa vC(t), e novamente veja que iL(t) tende a 10 A, e o fato interessante é que vC(t) caminha em direção a zero à medida que t cresce. A expressão de vC(t) é a seguinte: ( ) 6.8. Para o circuito mostrado na figura 2, apresente a equação de estado para a corrente do indutor, considerando: IL(0-)=0 A; R1=2 Ω; R2= 28Ω; L= 6mH; v= 100 sen(377t) V. Figura 2 26 Desenvolva, passo a passo, a simulação da equação de estado obtida, considerando t=20s, de t=0s a t=100s. Montar o gráfico Il x t. Solução: Vamos encontrar a expressão no espaço de estados para o circuito acima: Aplicando a LKV ao circuito, temos: )377(10*67.1610*5 )377( 10*6 100 10*6 282 1 )( 33 33 21 21 tsenii dt d tsenii dt d v L i L RR i dt d iRRi dt d Lv LL LL LL LL A expressão da corrente em intervalos de tempos discretos, de forma aproximada, é obtida pela seguinte expressão. tti dt d titti LLL *)()()( Assim, obtemos os valores da corrente em cada instante de tempo, de acordo com o valor do passo Δt. 27 mAsi ssensisissi stpara mAsi ssensisissi stpara mAsi ssensisissi stpara mAsi ssensisissi stpara Asi seniisi tpara Ai L LLL L LLL L LLL L LLL L LLL L 74,22)100( 10*20*)80*377(10*67.16)80(10*5)80()2080( 80 1,14)80( 10*20*)60*377(10*67.16)60(10*5)60()2060( 60 29,7)60( 10*20*)40*377(10*67.16)40(10*5)40()2040( 40 52,2)40( 10*20*)20*377(10*67.16)20(10*5)20()2020( 20 0)20( 10*20*)0*377(10*67.16)0(10*5)0()200( 0 0)0( 633 633 633 633 633 6.9. No circuitoesquematizado na figura 1, as chaves “s1” e “s2” estiveram inicialmente nas posições “a1” e “a2”, e, em t=0, ambas são comutadas para as posições “b1” e “b2”, respectivamente, caracterizando um circuito RLC paralelo, alimentado por uma fonte de corrente em estado não-zero. 1. Monte as equações matriciais de estado do circuito para t≥0. Dados: If2= 10A, If1= 20A, R1=2, R2=5, C=0,2F, L= 1,0H. 28 Figura 1 2. A resposta completa de circuitos de primeira e de segunda ordens assume a forma geral: Comente os resultados esperados nas seguintes situações: a) Xrp(t) nos casos de entrada senoidal; b) Xtr(t) nos casos de estado zero e entrada senoidal; c) Explique a influência do estado inicial dos elementos armazenadores de energia na resposta de regime permanente. Solução: 1. Para t<0s, )()()( txtxtx trrp 29 Circuito 1 Circuito 2 Em regime permanente, o indutor comporta-se como curto- circuito, logo iL=If2=10 A E o capacitor comporta-se como circuito-aberto, assim vC= R1 If1 = 2*20 = 40 V Para t>0s, 30 [ ]; ( ) [ ] Circuito 3 Pela Lei dos nós de Kirchoff, E também, vL = vC = L diL/dt, logo diL/dt = (1/L)vC Portanto, [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 2. ( ) ( ) ( ) a) ( ): Entrada senoidal A resposta de regime permanente segue a entrada, portanto, ( ) também será senoidal. b) ( ): Estado zero e entrada senoidal Neste caso, como ( ) será ( ) e senoidal, haverá um ( ) tal que proporcione a passagem do estado zero à condição oscilante do regime permanente. ( ) ( ) ( ) ( ) 31 E ( ) ( ) , logo ( ) c) O estado inicial dos elementos armazenadores de energia não influencia a resposta em regime permanente. 6.10. No circuito esquematizado na figura 2, as chave “s1” e “s2” estiveram inicialmente nas posições “a1” e “a2”, respectivamente. Em t=0 ambas as chaves são comutadas para a posição “b” caracterizando um circuito RLC série, alimentado por uma fonte de tensão em estado não-zero. 1. Monte as equações matriciais de estado do circuito para t≥0. Dados: E2= 20V, E1= 10V, R1=2, R2=5, C=0,2F, L= 1,0H. Figura 2 2. A resposta completa de circuitos de primeira e de segunda ordens assume a forma geral: Comente os resultados esperados nas seguintes situações: a) Xrp(t) nos casos de entrada zero; b) Xrp(t) nos casos de entrada degrau; c) Xtr(t) nos casos de entrada zero e estado não zero; d) Xtr(t) nos casos de estado zero e entrada degrau. Solução: )()()( txtxtx trrp 32 1. Para t<0s, Circuito 1 Em regime permanente, o indutor comporta-se como curto- circuito, logo iL = E2/R2 = 20/5 = 4 A E o capacitor comporta-se como circuito-aberto, assim vC= E1 =10 V Para t>0s, Circuito 2 [ ] Pela Lei das malhas, 33 Como, E Portanto, [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] 2. ( ) ( ) ( ) a. ( ): Entrada zero Se a entrada é nula, não haverá resposta de regime permanente, portanto, ( ) . b. ( ): Entrada degrau Se a entrada é um degrau, o valor de regime permanente de ( ) será constante: ( ) c. ( ): Entrada zero, estado não-zero Se a entrada é zero, a resposta de regime permanente é nula e normalmente haverá resposta transitória, tal que: ( ) ( ) d. ( ): Entrada degrau, estado zero 34 Se a entrada é um degrau, a resposta de regime será uma constante e haverá uma resposta transitória até que este regime permanente seja atingido, logo: ( )
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