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1 Universidade Federal de Mato Grosso Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia CIRCUITOS ELÉTRICOS 1 9° Prática – Análise de Potência e Fator de Potência Docente: Arnaldo J. P. Rosentino Jr. Engenharia Elétrica Discente: Renner Siqueira França 201221302035 2 05/2015 SUMÁRIO Tópico 1. Introdução Página 03 2. Parte Experimental 05 2.1 – Materiais utilizados 05 2.2 – Procedimento experimental 05 3. Simulação 07 4. Conclusão 10 5. Referências Bibliográficas 10 1 – INTRODUÇÃO 3 Teorema da Máxima Transferência de Potência Esse teorema trata fundamentalmente da transferência de energia entre a fonte (baterias, geradores) e a carga do circuito (resistores). Para entendê-lo melhor, temos que considerar o fato de que as baterias e fontes comumente usadas não são ideais, isto é, sempre existe uma limitação na corrente I que elas podem fornecer. Tais fontes reais podem ser representadas pela associação em série de uma fonte ideal (gerador de força eletromotriz) com uma resistência (responsável pela dissipação de energia no interior do gerador) como mostrado na figura 1. Figura 1 – Fonte de tensão em série com uma carga resistiva Consideremos agora esta fonte conectada a uma carga com resistência equivalente R. O circuito fonte carga pode ser representado tal como mostrado na figura 2. Figura 2 – Teorema da máxima transferência de potência. Sabendo-se que a corrente no circuito é: 4 Sendo assim, o melhor modo de explicitar a máxima transferência de potência está proposto pelo cálculo da potência Pc dissipada na carga e a potência Pi dissipada na resistência interna do gerador: Seja a tensão ε constante, para descobrir o valor de R cuja potência dissipada será máxima, basta derivar Pc em relação a R e igualar a zero. Têm-se, então: Logo, quando a resistência da carga for igual à resistência do gerador, a potência dissipada na carga será máxima. Podemos agora enunciar o teorema de máxima transferência de potência que diz: “ A máxima transferência de potência para a carga ocorre quando R = Ri”. Teorema da Reciprocidade de Efeitos A corrente i em qualquer ramo de um circuito com uma única fonte de tensão e localizada em outro ramo qualquer no mesmo circuito é igual a corrente no ramo que se encontrava a fonte se ela for transferida para o ramo no qual a corrente i foi originalmente medida. Em outras palavras, as posições da fonte e da corrente podem ser intercaladas sem que seus valores sofram alterações, mantendo suas respectivas polaridades. 5 2 – PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Materiais Utilizados Protoboard; Resistências; Fonte CC; Multímetro; 2.2. Procedimentos Experimentais Temos a potência dissipada no resistor RL é: PRL = I²RL Temos a corrente igual a: I = 𝑉𝑓 𝑅𝑡ℎ+𝑅𝐿 Portanto: PRL = ( Vf RTH+RL ) 2 𝑅𝐿 Para obtermos de RL que maximiza a potência, escrevemos a derivada da potência em relação à RL. 𝜕𝑃𝑅𝐿 𝜕𝑅𝐿 = 𝑉𝐹2(𝑅𝑇𝐻+𝑅𝐿)−2(𝑅𝑇𝐻−𝑅𝐿)𝑉𝐹²𝑅𝐿 (𝑅𝑇𝐻+𝑅𝐿)4 1 De acordo com um teorema fundamental do cálculo a potência, será máxima quando a equação 1 for igual a zero. Assim temos que: VF²(RTH + RL) = 2(RTH - RL)VF²RL RTH = RL Logo a potência máxima será dada por: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐹2 4𝑅𝐿 Temos que a potência na fonte é dada por: 6 𝑃𝑓 (𝑅𝐿) = 𝑉𝑓 (−𝐼) + 𝑅𝑇𝐻 . 𝐼 = −𝑉𝑓 ( 𝑉𝑓 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) + ( 𝑉𝑓. 𝑅𝑇𝐻 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) . ( 𝑉𝑓 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) = ( 𝑉𝑓 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) . ( 𝑉𝑓. 𝑅𝑇𝐻 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 − 𝑉𝑓) = ( 5 560 + 𝑅𝐿 ) . ( 2800 560 + 𝑅𝐿 − 5) Figura 1 - Gráfico 01 (Potencia entregue pela fonte em função de RL) Temos que a potência dissipada pela carga é dada por: 𝑃𝑅𝑙 (𝑅𝐿) = 𝑉𝑅𝐿 (𝐼) = ( 𝑉𝑓. 𝑅𝐿 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) . ( 𝑉𝑓 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐿 ) = ( 25. 𝑅𝐿 (560 + 𝑅𝐿)² ) Figura 2 - Gráfico 2 (Potência consumida pela carga em função de RL) 7 Comprovação da prática: Circuito 1 E1 (RL + R0)² - 2 RL + R0 . RL E0² = 0 (RL + R0)².E0² = 2 (RL+R0)RL.E0² R0 = RL 3 – SIMULAÇÃO Figura 3 – Simulação reciprocidade de efeitos Figura 4 – Simulação reciprocidade de efeitos com posições invertidas Tabela 1 - Valores Práticos Reciprocidade Circuito Tensão(Prática) Corrente(Prática) Corrente(Obtida) Original 5V 2,45mA 2,54mA Invertido 5V 2,45mA 2,54mA Quando R = RL 8 Figura 5 – Simulação Transf. Máx de Potência R = RL Figura 6 – Simulação Transf. Máx de Potência R > RL Figura 7 – Simulação Transf. Máx de Potência R > RL Potência total dissipada: 𝑃 = 𝑖² × 𝑅 = 41.84 mW Quando R > RL Potência total dissipada: 𝑃 = 𝑖² × 𝑅 = 37.68 mW Quando R > RL Potência total dissipada: 𝑃 = 𝑖² × 𝑅 = 36.07 mW 9 Figura 8 – Simulação Transf. Máx de Potência R < RL Figura 9 – Simulação Transf. Máx de Potência R < RL Tabela 2 - Dados obtidos e simulados Transferência máxima de potência Tensão(V) Corrente(Prática) Corrente(Simulação) RL 5V 16,9 mA 16,7 mA 150Ω 5V 21,3 mA 21,7 mA 80 Ω 5V 22,1 mA 22,7 mA 70 Ω 5V 15,8 mA 16,1 mA 160 Ω 5V 15 mA 15,6 mA 170 Ω Quando R < RL Potência total dissipada: 𝑃 = 𝑖² × 𝑅 = 41.47 mW Quando R < RL Potência total dissipada: 𝑃 = 𝑖² × 𝑅 = 41.37 mW 10 4 – CONCLUSÃO As experiências testadas e relatadas anteriormente serviram para aprimorar os conhecimentos que regem as operações eletroeletrônicas da engenharia elétrica cujas quais são aplicações da matéria de Circuitos Elétricos 1. Utilizou-se de diversos métodos para comprovar o mesmo fato, como cálculo manual e simulações via softwares de alta capacidade tecnológica. Ambos os modos chegaram ao resultado esperado, mostrando que tanto para o teorema da máxima transferência de potência como para o teorema de reciprocidade de efeitos a prática ilustra o conteúdo teórico. 5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS O’ Malley,J. “Análise de Circuitos”, ED. MakronBooks do Brsail; 1994; 2 Edição. Pg 51 e 53. Boylestad, Robert L.; Introdução à analise de circuitos 10ª edição; São Paulo; Editora Pearson Prentice Hall, 2004. Máxima Transferência de Potência <http://www.ifsc.usp.br/~hoyos/courses/2010/SLC0574/06- MaximaTransferenciadePotencia.pdf> Acesso em: 05/2015 Reciprocidade de Efeitos <https://www.passeidireto.com/arquivo/2183008/teorema-de-reciprocidade> Acesso em: 05/2015
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