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Universidade Federal do Rio de Janeiro Circuitos Elétricos I – EEL 420 Módulo 10 Drawing of Michael Faraday's 1831 experiment showing electromagnetic induction between coils of wire, using 19th century apparatus, from an 1892 textbook on electricity. Conteúdo 10 - Elementos de Acoplamento Magnético...............................................................................1 10.1 - Indutores acoplados......................................................................................................1 10.1.1 - Caracterização da indutância mútua.....................................................................2 10.1.2 - Energia armazenada..............................................................................................2 10.1.3 - Coeficiente de acoplamento.................................................................................4 10.1.4 - Enrolamentos múltiplos e matriz de indutância...................................................4 10.1.5 - Ligações série e paralela de indutores acoplados.................................................6 10.2 - Transformadores ideais................................................................................................9 10.2.1 - Transformador de impedância............................................................................11 10.3 - Acoplamento magnético e fontes controladas............................................................12 10.4 - Exercícios...................................................................................................................12 10.5 - Soluções.....................................................................................................................18 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 2 10 Elementos de Acoplamento Magnético 10.1 Indutores acoplados Quando mais de uma bobina são colocadas próximas o campo magnético de uma interage com o campo magnético da outra criando um acoplamento entre elas. Assim, cria-se indutores acoplados que podem ser descritos como 1= f 1i1, i 2 2= f 2i1, i2 v1= ∂1 ∂ t = ∂ f 1 ∂ i1 ⋅ ∂ i1 ∂ t ∂ f 1 ∂ i2 ⋅ ∂ i 2 ∂ t v2= ∂2 ∂ t = ∂ f 2 ∂ i 1 ⋅ ∂ i1 ∂ t ∂ f 2 ∂ i 2 ⋅ ∂ i2 ∂ t assim, se os indutores forem lineares e invariantes v1t =L11⋅ di1t dt M 12⋅ di2t dt v2(t )=M 21⋅ di1(t) dt +L22⋅ di2(t ) dt ou 1t =L11⋅i1t M 12⋅i2t Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 1 1t =M 21⋅i 1t L22⋅i 2t onde L11 e L22 são as auto indutâncias de cada indutor separadamente e M12 e M21 são as chamadas indutâncias mútuas dos indutores acoplados e medidas em Henrys. Estas relações também são válidas para o regime permanente senoidal V 1= j⋅ω⋅L11⋅I 1+ j⋅ω⋅M 12⋅I 2 V 2= j⋅ω⋅M 21⋅I 1+ j⋅ω⋅L22⋅I 2 10.1.1 Caracterização da indutância mútua Embora os sinais de L11 e L22 sejam sempre positivos, o sinal de M12 e M21 podem ser negativos porém sempre são iguais e será chamado simplesmente M. O sinal de M depende da forma como se dá o acoplamento entre os indutores e pode ser determinado experimentalmente, por exemplo, se L2 for mantido em aberto e uma corrente positiva i1 circular pelo indutor L1, a tensão v2 terá o mesmo sinal de M pois v2(t )=M 21⋅ di1(t ) dt +L22⋅ di2(t ) dt Quando o sinal de M é importante utiliza-se uma notação de ponto junto aos indutores de forma que, se os sentidos de referência das correntes entram nos terminais marcados com pontos, o acoplamento M é positivo. 10.1.2 Energia armazenada A energia armazenada na indutância mútua pode ser calculada como ε(i 1( t) , i2( t))=∫ 0 t [v1(t ' )⋅i1(t ')+v2(t ' )⋅i2(t ' )]⋅dt ' ε(i1(t ) , i2(t))=∫ 0 t [ L11⋅i1⋅di1dt ' ±M⋅(i1⋅di2dt ' +i2⋅di1dt ' )+L22⋅i 2⋅di2dt ' ]⋅dt ' Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 2 Para obter a energia armazenada nestes indutores acoplados é necessário integrar i1 com relação a i2 e i2 com relação a i1. O problema que aparentemente é simples, na verdade, esconde a interação entre i1 e i2, o que impede o cálculo direto desta integral. Uma solução alternativa consiste em levar a corrente i1 para o seu valor final enquanto i2=0 e, depois, levar a corrente i2 para seu valor final enquanto i1 é mantida constante. Calculando a energia, assim, por partes, obtemos como resultado ε(i1(t ) , i2(t)=0)= 1 2 ⋅L11⋅i1 2 ε(i1(t )=cte ,i 2(t))=±M⋅i1⋅i2+ 1 2 ⋅L22⋅i 2 2 ε(i1(t ) , i2(t))= 1 2 ⋅L11⋅i1 2±M⋅i1⋅i 2+ 1 2 ⋅L22⋅i2 2 ε(i1(t ) , i2(t))=ε(i 1( t) ,0)±M⋅i1⋅i2+ε(0, i2(t )) ou seja, considerando as correntes positivas, a energia total acumulada pode ser maior que a soma das energias de cada autoindutância, se M for positivo, mas pode ser menor caso o M seja negativo. Se M for negativo, entretanto, a energia armazenada não pode ser negativa. Esta situação de energia zero nos leva a um valor limite para M que pode ser calculado resolvendo a equação da energia considerando uma corrente fixa (i2, por exemplo) e a outra variando. Para facilitar a análise, a equação da energia ε(i1(t ) , i2(t))= 1 2 ⋅L11⋅i1 2−M⋅i1⋅i2+ 1 2 ⋅L22⋅i2 2 , pode ser reescrita na forma padrão de uma parábola ε(i1(t ) , i2(t ))= 1 2 [(√L11⋅i1+ M√L11⋅i 2) 2 +(L22−M 2L11 )⋅i 22] , ε(i1(t ) , i2(t ))= 1 2 [(√L11⋅i1+ M√L11⋅i 2) 2 +( L22⋅L11−M 2L11 )⋅i22] Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 3 com vértice em i1=−(M /L11)⋅i2 e energia mínima em ε=(L11⋅L22−M 2) /(2⋅L11)⋅i 2 2 . Assim para que a energia seja sempre maior ou igual a zero √L11⋅L22≥M . 10.1.3 Coeficiente de acoplamento A corrente i1 que passa por um indutor produz um fluxo magnético igual a φ=c1⋅N1⋅i1 onde c1 é uma constante que depende das propriedades magnéticas e da geometria do núcleo e N 1 é o número de espiras do enrolamento. Assim, v1=N1⋅ d φ dt =c1⋅N 1 2 di1 dt e L1=c1⋅N 1 2 . Este mesmo fluxo também passa pelo segundo enrolamento induzindo uma tensão v2=N 2⋅ d φ dt =cM⋅N1⋅N 2⋅ di1 dt onde N 2 é o número de espiras do segundo enrolamento e cM⋅N 1⋅N 2 é a indutância mútua. Então L1⋅L2=(c1⋅N1 2)⋅(c2⋅N2 2)=c1⋅c2⋅(N 1⋅N 2) 2=( cM⋅N1⋅N2k ) 2 =M 2 k2 onde k=cM /√(c1⋅c2) é chamado de coeficiente de acoplamento e depende de características geométricas e magnéticas do núcleo. O fator de acoplamento é mais comumente expresso como k= |M| √L11⋅L22 ≤1 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 4 10.1.4 Enrolamentos múltiplos e matriz de indutância Se mais de dois indutores lineares invariantes são acoplados, com sentidos de referência passivo adotado para cada indutor, a relação entre eles é dada por um sistema de equações lineares 1=L11⋅i1L12⋅i 2L13⋅i3 2=L21⋅i1L22⋅i2L23⋅i3 3=L31⋅i1L32⋅i 2L33⋅i 3 que pode ser reescrito utilizando uma notação matricial, tal que =L⋅i e v=L⋅d i dt e a matriz de indutância L é quadrada e simétrica, de forma que L12=L21, L13=L31,.... e desta forma também é possível definir a matriz indutância inversa =L−1 OBS.: Se a matriz de indutâncias for uma matriz 2x2 a sua inversa pode ser facilmente calculada pelas fórmulas 11= L22 det L , 22= L11 det L , 12=21= −L12 detL O uso desta matriz inversa da indutância facilita cálculos quando se utiliza análise de correntes de nó i⋅= Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 5 ou seja i1=11⋅112⋅2 i2=21⋅122⋅2 e i1=11⋅∫ 0 t v1t ' ⋅dt '12⋅∫ 0 t v2t ' ⋅dt 'i10 i2=21⋅∫ 0 t v1t ' ⋅dt '22⋅∫ 0 t v2t ' ⋅dt 'i20 do ponto de vista de fasores I 1= 11 j⋅ ⋅V 1 12 j⋅ ⋅V 2 I 2= 21 j⋅ ⋅V 1 22 j⋅ ⋅V 2 10.1.5 Ligações série e paralela de indutores acoplados Parao circuito entre os pontos A e B. vTOT=v1v2 logo Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 6 d dt = d 1 dt d 2 dt se as condições iniciais são nulas tot=12 tot=L11⋅i1M⋅i 2M⋅i 1L22⋅i 2=L11L222⋅M ⋅i logo LEQ=L11L222⋅M Por analogia, para o circuito entre os pontos a e b: LEQ=L11L22−2⋅M Ligações em paralela podem ser deduzidas de forma semelhante. Por simplicidade utiliza-se a matriz inversa da indutância. EQ= 11 22±2⋅∣ 12∣ Exemplo: Calcular a função de rede H j⋅ω = V 2 I s Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 7 A matriz de impedância é L=[ L MM L ]=L⋅[1 kk 1 ] =L−1= 1 1−k 2 ⋅L ⋅[1 kk 1 ] ( ) ( )j ts Si t I e w× ×= Â × ( ) ( )2 2 j tv t V e w× ×=Â × ( ) 2 s VH j I w× = 1 1 2 1 2V j L I j M I j L I j L k Iw w w w= × × × + × × × = × × × + × × × × 2 1 2 1 2V j M I j L I j L k I j L Iw w w w= × × × + × × × = × × × × + × × × I 1= Γ 11 j⋅ω ⋅V 1 Γ 12 j⋅ω ⋅V 2= 1 j⋅ω⋅L1−k 2 ⋅V 1−k⋅V 2 I 2= Γ 12 j⋅ω ⋅V 1 Γ 22 j⋅ω ⋅V 2= 1 j⋅ω⋅L 1−k 2 ⋅−k⋅V 1V 2 Equacionando as correntes do nó 1 temos 1R C SI I I I+ + = ( ) ( )1 22 2 1 1 1 S kG j C V V I j L k j L k w w w é ù ê ú+ × × + × - × = × × - × × -ê úë û Equacionando as correntes do nó 2 temos 2 0C RI I I+ + = Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 8 ( ) ( )1 22 2 1 0 1 1 k V G j C V j L k j L k w w w é ù ê ú- × + + × × + × = × × - × × -ê úë û Somando as duas equações e trabalhando as parcelas podemos chegar a ( ) ( )1 2 1 1 2 SIG j C V V j L k w w é ù + × × + × + =ê ú× × +ë û Subtraindo as duas equações e trabalhando as parcelas podemos chegar a ( ) ( )1 2 1 1 2 SIG j C V V j L k w w é ù + × × + × - =ê ú× × -ë û as equações acima descrevem dois circuitos RLC paralelo, ressonantes, separados, com indutâncias iguais a L(1+k) e L(1-k) respectivamente e com fasores de tensão (V1+V2) e (V1-V2). A tensão de saída V2 pode ser obtida pela subtração dos dois fasores de tensão. Então podemos resolver cada circuito separadamente e depois subtrair as tensões ( ) 2 1 1 1L C k w = × × + , ( ) 2 2 1 1L C k w = × × - 1 1Q C Rw= × × , 2 2Q C Rw= × × ( )1 1 1 1 1 1 2 1 / /S V I R j Q w w w w = × × × + × × - ( )2 2 2 2 1 1 2 1 / /S V I R j Q w w w w = × × × + × × - ( ) ( )2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 / / 1 / /S V I R j Q j Qw w w w w w w w é ù = × × × -ê ú+ × × - + × × -ë û e a função de rede é ( ) ( ) ( ) 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 / / 1 / /S VH j R I j Q j Q w w w w w w w w w é ù × = = × × -ê ú+ × × - + × × -ë û Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 9 10.2 Transformadores ideais Os transformadores são elementos de circuito obtidos com ao menos duas bobinas construídas sobre um núcleo magnético de permeabilidade elevada. Nesta idealização considera-se que a dissipação de energia é nula em cada bobina, as indutâncias próprias são infinitas e os acoplamentos magnéticos são unitários (veja exercício resolvido no fim do módulo). O núcleo apresenta permeabilidade infinita, não existem capacitâncias parasitas. Uma representação mais precisa do transformador real pode ser obtida com a associação de elementos RLC e o transformador ideal ou indutância mútua. v1=L11⋅ di1 dt +M⋅ di 2 dt e v2=M⋅ di1 dt +L22⋅ di2 dt como k=1, M=√L11⋅L22 v1=L11⋅ di1 dt +√L11⋅L22⋅ di2 dt v2=√L11⋅L22⋅ di1 dt +L22⋅ di 2 dt v2=√L11⋅L22⋅ di1 dt + L22⋅v1 √L11⋅L22 − L22⋅L11 √L11⋅L22 ⋅ di 1 dt v1 v2 =√ L11L22 Como v1=n1⋅ d 1 dt , v2=n2⋅ d2 dt e 1=2= , então Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 10 1 1 2 2 v n v n = . Como as perdas no transformador ideal são nulas a potência de entrada é transferida para a saída. Em outras palavras a energia não é armazenada nem dissipada no transformador. p1=−p2 logo v1⋅i1=−v2⋅i2 e v1 v2 =− i2 i1 = n1 n2 . 10.2.1 Transformador de impedância Os efeitos das impedâncias conectadas a um dos enrolamentos de um transformador aparecem nos demais enrolamentos. Está relação é chamada de transformação de impedância. Por exemplo, em um transformador de dois enrolamentos onde uma resistência é conectada em paralelo com o segundo enrolamento, a impedância de entrada do circuito, vista pelo lado do primeiro enrolamento é RE= v1 i1 = (n1/n2)⋅v2 −(n2/ n1)⋅i2 =(n1n2) 2 ⋅( v2−i 2) como v2=−RL⋅i2 então RE=( n1n2) 2 ⋅RL Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 11 Esta relação de transformação de impedâncias vale para qualquer impedância complexa em uma análise de regime permanente senoidal. Isto significa que um transformador pode ser utilizado para uma função chamada casamento de impedância, para, por exemplo, maximizar a transferência de potência entre dois sistemas de impedâncias distintas. Por exemplo, casar a impedância de um alto falante de 8 com a impedância de saída de um amplificador valvulado de 800. Usar um transformador com relação de espiras de 10:1. 10.3 Acoplamento magnético e fontes controladas Os acoplamentos magnéticos estudados neste módulo podem ser descritos por fontes controladas associadas a indutores desacoplados. Neste caso, o acoplamento entre as diferentes partes do circuito é deixado a cargo das fontes controladas. A figura abaixo mostra como fazer as substituições para indutores acoplados e transformadores ideais. 10.4 Exercícios 1) Calcular as indutâncias equivalentes para as redes abaixo. Considere que a indutância mútua de cada rede vale M. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 12 LEQ= L11⋅L22−M 2 L11L22∓2⋅M 2) Um circuito com três indutâncias mutuas, funcionando em regime permanente, é mostrado na figura abaixo. Determinar a tensão vo(t). 3) Encontre a expressão para Vo(jw). Considere o circuito em regime permanente senoidal. 4) Sabendo que o circuito ao lado está em regime permanente senoidal, calcule: a) a impedância de entrada Zin(jw); b) a potência média fornecida pela fonte de corrente; a potência média dissipada no resistor. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 13 5) Determine o que é necessário para que a associação de indutâncias do primeiro circuito seja equivalente aos indutores acoplados do segundo circuito. 6) Para o circuito abaixo e para as condições de regime permanente determine: a) A expressão de iR1(t); b) A potência média fornecida pela fonte. 7) No circuito abaixo, determine a expressão para a corrente i em função dos elementos RLC. vo é a tensão sobre o capacitor (positivo em cima). Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 14 8) Considerando o circuito abaixo, onde os elementos são lineares e invariantes: a) Qual a impedância Z(jw) para o circuito RLC paralelo? b) Qual o valor de R que maximiza sua dissipação de energia? c) Nesta situação qual a potência entregue pela fonte? d) se VC(0=2V e IL(0)=1A, qual o valor de IS(t) em regime permanente? 9) Determinar a tensão sobre L9. 10) Sabendo que V1 é uma fonte cossenoidal com ∣V 1∣=0,707V RMS e 79,577 Hz calcule a potência média dissipada em R8. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 15 11) Determine o que é necessário para que as duas redes sejam equivalentes. 12) O circuito abaixo está em regime permanente. Determine o valor de ZL para a máxima transferência de energia. Qual a potência média sobre ZL. 13) Determinar V1 para que I=1∢0o Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 16 14) Calcule o equivalente Thèvenin entre os terminais A e B do circuito abaixo. 15) Calcule a corrente I. Considere que Zc é resistiva com potência de 43,9W para220V nominais. 16) Calcular as correntes A1, A2 e as tensões V1 e V2. Considere que V 4=60⋅√2∢−90 . Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 17 10.5 Soluções 1) Calcular as indutâncias equivalentes para as redes abaixo. Considere que a indutância mútua de cada rede vale M. LEQ= L11⋅L22−M 2 L11L22∓2⋅M 2) Um circuito com três indutâncias mutuas, funcionando em regime permanente, é mostrado na figura abaixo. Determinar a tensão vo(t). Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 18 I 1⋅R1R2 j⋅⋅[L1L3 – 2⋅M 13 ]−I 2⋅R2 j⋅⋅[L3−M 23−M 13M 12] =V 1 −I 1⋅R2 j⋅⋅[L3−M 13M 12−M 23 ]I 2⋅R2R3 1j⋅⋅C1 j⋅⋅[L2L3−2⋅M 23 ]=0 V O= 1 j⋅⋅C1 ⋅I 2 3) Encontre a expressão para Vo(jw). Considere o circuito em regime permanente senoidal. 4) Sabendo que o circuito ao lado está em regime permanente senoidal, calcule: a) a impedância de entrada Zin(jw); b) a potência média fornecida pela fonte de corrente; a potência média dissipada no resistor. V 1=L1⋅j⋅⋅I 1M⋅ j⋅⋅I 2= j⋅I 1 j⋅0,5⋅I 2 V 2=M⋅j⋅⋅I 1L2⋅ j⋅⋅I 2= j⋅0,5⋅I 1 j⋅2⋅I 2 V 2=−R⋅I 2=−8⋅I 2= j⋅0,5⋅I1 j⋅2⋅I 2 I 2=− j⋅0,5 8 j⋅2 ⋅I 1 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 19 V 1= j⋅I 1 j⋅0,5⋅I 2= j⋅I 1 j⋅0,5⋅ − j⋅0,5 8 j⋅2 ⋅I 1= j 0,258 j⋅2⋅I 1 V 1 I 1 =Z 1= j 0,25 8 j⋅2 = 1340,99⋅ j P Fonte= 1 2 ⋅∣I 1 2∣⋅ℜ{Zin}=1 2 ⋅22⋅ 1 34 =0,059W PR= 1 2 ⋅∣I 2 2∣⋅R=1 2 ⋅∣2⋅− j⋅0,58+ j⋅2 ∣ 2 ⋅8=0,059 W 5) Determine o que é necessário para que a associação de indutâncias do primeiro circuito seja equivalente aos indutores acoplados do segundo circuito. Nas indutâncias acopladas (considerando I2 saindo do ponto) V 1=L1⋅j⋅⋅I 1−M⋅ j⋅⋅I 2 V 2=M⋅j⋅⋅I 1−L2⋅ j⋅⋅I 2 Nos indutores ligados em T: V 1=La⋅ j⋅⋅I 1Lb⋅j⋅⋅ I 1−I2 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 20 V 2=Lb⋅ j⋅⋅ I 1− I2−Lc⋅ j⋅⋅I2 Manipulando as equações dos indutores acoplados: V 1=L1⋅ j⋅⋅I 1−M⋅j⋅⋅I 2M⋅ j⋅⋅I 1−M⋅ j⋅⋅I 1 V 1=L1−M ⋅j⋅⋅I 1M⋅ j⋅⋅ I 1−I 2 V 2=−L2⋅ j⋅⋅I 1M⋅ j⋅⋅I 2M⋅j⋅⋅I 2−M⋅ j⋅⋅I 2 V 2=−L2−M ⋅ j⋅⋅I 2M⋅ j⋅⋅ I 1−I 2 La=L1−M , Lb=M , Lc=L2−M 6) Para o circuito abaixo e para as condições de regime permanente determine: a) A expressão de iR1(t); b) A potência média fornecida pela fonte. As equações de malhas são: I 1⋅(R1+ L1⋅ j⋅ω+ L2⋅ j⋅ω+2⋅M⋅ j⋅ω) – I 2⋅(L2⋅ j⋅ω+M⋅ j⋅ω )−V 1=0 −I 1⋅L2⋅j⋅M⋅ j⋅ I 2⋅L2⋅ j⋅R2=0 7) No circuito abaixo, determine a expressão para a corrente i em função dos elementos RLC. vo é a tensão sobre o capacitor (positivo em cima). Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 21 Equacionando as tensões de nós: V B1 – vg1 R1 j⋅X L1 – 0,1⋅vo V B1−vo R2 =0 vo j⋅X C3 vo – V B1 R2 1 2 ⋅ vo 2 −vg2 R3 j⋅X L2 =0 8) Considerando o circuito abaixo, onde os elementos são lineares e invariantes: a) Qual a impedância Z(jw) para o circuito RLC paralelo? b) Qual o valor de R que maximiza sua dissipação de energia? c) Nesta situação qual a potência entregue pela fonte? d) se VC(0=2V e IL(0)=1A, qual o valor de IS(t) em regime permanente? 9) Determinar a tensão sobre L9. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 22 LEQ= L11⋅L10 – M 2 L11L10−2⋅M =∞ Observe que k=−1 significa que o acoplamento se dá em sentido contrário ao indicado. Para facilitar as contas é possível inverter a marca no indutor L4 e considerar k e M positivos. M=k⋅L8⋅L9=1 Restam três malhas. Supondo suas correntes em sentido horário I M1⋅ 1j⋅⋅C1 j⋅⋅L8R8−I M2⋅ j⋅⋅L8− j⋅⋅M −I 1⋅ 1j⋅⋅C1=0 −I M1⋅ j⋅⋅L8− j⋅⋅M I M2⋅ j⋅⋅L9 j⋅⋅L8R7 – 2⋅ j⋅⋅M −I 1⋅R7=0 VL9 com o positivo para o lado esquerdo da figura, pode se determinado por V L9=I M2⋅ j⋅⋅L9 j⋅⋅M⋅ I M1−I M2 e =1 10) Sabendo que V1 é uma fonte cossenoidal com ∣V 1∣=0,707V RMS e 79,577 Hz calcule a potência média dissipada em R8. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 23 −V 1 I M1 j⋅⋅C3 I M1⋅R6 I M1−I M2⋅L1⋅j⋅ I M1 – I M1 N j⋅⋅C4 V 2=0 I M1 N – I M1 j⋅⋅C 4 − I M1 N – I M1 2 I M1 N ⋅R8N⋅V 2=0 I M2⋅j⋅⋅L1 I M2 j⋅⋅C5 I M2⋅R7 I M1 N – I M1 2 =0 11) Determine o que é necessário para que as duas redes sejam equivalentes. Para as tensões apenas (vale se houver uma fonte de tensão em V 1 ou V 2 ) V 2=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+√L2⋅L3⋅j⋅ω⋅I 1 V 1=L2⋅ j⋅ω⋅I 1+√ L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅I 2 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 24 I 1= V 1 – √L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅I 2 L2⋅ j⋅ω V 2=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+√L2⋅L3⋅j⋅ω⋅[V 1 – √L2⋅L3⋅j⋅ω⋅I 2L2⋅ j⋅ω ] V 2=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+ √L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅V 1 L2⋅ j⋅ω – L2⋅L3⋅ j⋅ω 2⋅I 2 L2⋅j⋅ω V 2=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+√ L3L2⋅V 1 – L3⋅ j⋅ω⋅I 2 V 2=N⋅V 1= L3L2⋅V 1 N=√ L3L2 Levando em conta a impedância V 1=L2⋅ j⋅ω⋅I 1+√ L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅I 2 V 2=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+√L2⋅L3⋅j⋅ω⋅I 1 se houver uma carga no secundário então V 2=−I 2⋅Z x −I 2⋅Zx=L3⋅ j⋅ω⋅I 2+√ L2⋅L3⋅j⋅ω⋅I 1 I 2= −√ L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅I 1 L3⋅ j⋅ω+Z x V 1=L2⋅ j⋅ω⋅I 1+ (√L2⋅L3⋅ j⋅ω)⋅(−√L2⋅L3⋅ j⋅ω⋅I 1) L3⋅ j⋅ω+Z x Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 25 V 1= I 1⋅( L2⋅j⋅ω⋅Z xL3⋅j⋅ω+Z x) V 1 I 1 = 1 N 2 =( L2⋅ j⋅ω⋅Z xL3⋅ j⋅ω+Z x ) Se L2→∞ e L3→∞ V 1 I 1 = 1 N 2 =( L2⋅j⋅ω⋅Z xL3⋅j⋅ω )= L2L3⋅Z x Portanto, as condições necessárias para a igualdade são: N= L3L2 , L2→∞ e L3→∞ . 12) O circuito abaixo está em regime permanente. Determine o valor de ZL para a máxima transferência de energia. Qual a potência média sobre ZL. 13) Determinar V1 para que I=1∢0o Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 26 j⋅X EQ1= j⋅X C1 j⋅X L7= j⋅3 j⋅X EQ2= j⋅X L3 // j⋅X L4 j⋅X M2=k⋅ j⋅X L3⋅ j⋅X L4= j⋅1 j⋅X EQ2= j⋅X L3⋅ j⋅X L4 – j⋅X M2 2 j⋅X L3 j⋅X L4−2⋅ j⋅X M2 = j⋅2⋅ j⋅2− j⋅1 j⋅2 j⋅2− j⋅2 = j⋅3 2 j⋅X EQ4= j⋅X L5 // j⋅X L6 j⋅X EQ4= j⋅X L5⋅j⋅X L6 – j⋅X M4 2 j⋅X L5 j⋅X L6−2⋅j⋅X M4 = j⋅1⋅j⋅3− j⋅4 j⋅1 j⋅3− j⋅4 =∞ j⋅X EQ3= j⋅X L8 j⋅X L9 j⋅X M3= j⋅2 j⋅5 j⋅2= j⋅9 Para simplificar podemos fazer o equivalente Thèvenin de V1, L1 e L2 j⋅X M= j⋅X L1⋅ j⋅X L2 I 1= V 1− j⋅X M⋅I 2 j⋅X L1 = V 1 j⋅X L1 − j⋅X L2j⋅X L1⋅I 2 V 2= j⋅X M⋅I 1 j⋅X L2⋅I 2= j⋅X L2j⋅X L1⋅V 1 – j⋅X L2⋅I 2 j⋅X L2⋅I 2= j⋅X L2j⋅X L1⋅V 1=V 12 V th=V 2 , Z th=0 Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 27 14) Calcule o equivalente Thèvenin entre os terminais A e B do circuito abaixo. Para simplificar podemos calcular a indutância equivalente entre os pontos P e Q. Por simetria observa-se que a corrente por L10, é zero e, portanto, ele pode ser retirado do circuito. Assim, o equivalente entre os pontos P e Q pode ser calculado como sendo j⋅X EQ= j⋅XL11 j⋅X L12 // j⋅X L13 j⋅X L14= j⋅20 Um dos lados do transformador esta conectado em paralelo com uma fonte de tensão, então seu equivalente será: no primário a fonte V 2 e no secundário uma fonte de valor 2⋅V 2 . 15) Calcule a corrente I. Considere que Zc é resistiva com potência de 43,9W para 220V nominais. Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 28 Refletindo a impedância Zc e X C2 para o primário do transformador. Z P1=(n11n12 ) 2 ⋅Z S1=4⋅Z C – j⋅45 Refletindo a impedância do secundário do outro transformador. Z P2=(n21n22) 2 ⋅Z S2= j⋅5+5+ 9 4 ⋅Z C – j⋅5 ZC= V 2 P =220 2 43,9 =1102,5 Z EQ1= j⋅X L16 // Z P2=247,5 j⋅247,5 I= V 3 Z TOT = V 3 Z EQ1Z 4R5 j⋅X L15 = 600 300 j⋅300 =1− j 16) Calcular as correntes A1, A2 e as tensões V1 e V2. Considere que V 4=60⋅√2∢−90 . Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 29 Fazendo as correntes de malha em sentido anti-horário j⋅X M=k⋅ j⋅X L23⋅ j⋅X L24= j⋅5 −60√2⋅ j+5⋅j⋅I 1+15⋅ j⋅( I 1 – I 2)+5⋅j⋅( I 1 – I 3)+5⋅j⋅( I 3 – I 2)=0 60⋅ j⋅I 3+5⋅ j⋅( I 3 – I 1)+5⋅ j⋅( I 3 – I 2)+5⋅j⋅( I−3 – I 1)+5⋅j⋅(I 3 – I 2)=0 15⋅j⋅I 2+15⋅j⋅( I 2 – I 1)+5⋅ j⋅( I−2−I 3)– 5⋅j⋅( I 3 – I 1)=0 I 1=−3⋅√2 I 2=−√2 I 3= −√2 2 V 1=−75⋅√2⋅ j V 2=30⋅√2⋅ j Circuitos Elétricos – EEL420 – UFRJ 30 10 Elementos de Acoplamento Magnético 10.1 Indutores acoplados 10.1.1 Caracterização da indutância mútua 10.1.2 Energia armazenada 10.1.3 Coeficiente de acoplamento 10.1.4 Enrolamentos múltiplos e matriz de indutância 10.1.5 Ligações série e paralela de indutores acoplados 10.2 Transformadores ideais 10.2.1 Transformador de impedância 10.3 Acoplamento magnético e fontes controladas 10.4 Exercícios 10.5 Soluções
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