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Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 1 PROGRAMA TEMÁTICO CURSO: Licenciatura em Engenharia Informática DISCIPLINA: Análise de Circuitos DISCIPLINA DE FORMAÇÃO ANO: 1º PESO: 3 GERAL BÁSICO- ESPECÍFICA x SEMESTRE: 2º CRÉDITOS: 6 BÁSICA ESPECÍFICA OBJECTIVOS GERAIS: No fim desta disciplina os estudantes devem ser capazes de: Analisar os circuitos eléctricos lineares de corrente contínua e corrente alternada; Analisar e calcular os circuitos trifásicos; Analisar e calcular os processos transitórios nos circuitos eléctricos; Analisar e calcular circuitos com quadrípolos. TEMAS HORAS TEOR. PRÁT. SEMIN. LAB. TOTAL 1 Conceitos básicos 2 4 0 0 6 2 Comportamento dos elementos dos circuitos eléctricos: Fontes de energia; Resistência, Capacitaria e Indutância 4 6 0 0 10 3 Análise de Circuitos lineares de corrente contínua 8 10 0 4 22 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 2 4 Análise de Circuitos lineares de corrente alternada sinusoidal 10 12 0 4 26 5 Circuitos Acoplados e Transformadores monofásicos 4 6 0 4 14 6 Fenómenos transitórios 6 8 0 4 18 TOTAL DE HORAS 34 46 0 16 96 1. BIBLIOGRAFIA: 1. Notas do docente 2. Bartkowiak, Robert A. Circuitos eléctricos, Makron Books, 1994, São Paulo, Brasil. 3. Edminister, Joseph A. Circuitos eléctricos (350 probl. resolvidos), 2ª edição, Macron, McGraw- Hill, 1991, São Paulo, Brasil.—(Coleção Schaum). 4. Edminister, Joseph A. Circuitos eléctricos (280 probl. resolvidos), 2ª edição, McGraw-Hill, 1985, São Paulo, Brasil. 5. Bessonov L. Electricidade aplicada para engenheiros, 1ª edição , Edições Lopes da Silva, 1975, Porto/Portugal. 2. LECCIONAÇÃO: 1 REGENTE: Prof. engº Afonso Lobo : alobo@uem.mz →→ Aulas Teóricas e Teórico-Práticas 1 ASSISTENTE Engº Gerson Zango →→ AULAS PRÁTICAS E LABORATORIAIS 3. AVALIAÇÃO: 3 TESTES 4 LABORATÓRIOS 4 TPCS: TPCSMÉDIAx10LABSxMÉDIA20TESTESMÉDIAx70Frequência ,,, DISCIPLINAS PRECEDENTES: DISCIPLINAS SUBSEQUENTES: Física Electrónica Básica Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 3 AVALIAÇÃO SEMANA CAPÍTULOS TESTE 1 5ª Conceitos básicos Resistência, capacitaria e indutância Análise de Circuitos Lineares de corrente contínua TESTE 2 9ª Circuitos Lineares de corrente alternada sinusoidal TESTE 3 15ª Circuitos acoplados e Transformadores monofásicos Fenómenos transitórios LABS A PARTIR DA 8ª SEMANA TODOS CAPÍTULOS Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 4 TEMA 1- CONCEITOS BÁSICOS 1. Definições: Newton : È a força produzida por uma aceleração de 1 m/s 2 sobre uma massa de 1 kg, isto é: 2s m axkgmNF Joule: É o trabalho realizado por uma força de 1 N para deslocar uma massa de 1 kg numa distância de 1 m, isto é: mdxNFJW watt: É a energia transferida durante o intervalo de tempo de 1 s, isto é: sdt JdW wp Carga Eléctrica Existem 2 tipos de carga eléctrica carregada por partículas elementares chamadas de portadores de carga: positiva e negativa. Os portadores de carga positiva são protões e os de carga negativa, electrões. Todas as demais cargas são múltipos inteiram destas cargas elementares. Repelem-se se forem do mesmo sinal e atraem-se se forem de sinais contrarios. A unidade da carga é o Coulomb (C). A carga Transportada por um electrão(-e) e um protão (+e) é 1,602x10 -19 C . Submúltiplos usuais do Coulomb: Submúltiplo Símbolo Factor de Multiplicação Micro-Coulomb μC 10-6 Nano-Coulomb ηC 10-9 Pico-Coulomb pC 10 -12 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 5 Lei de Coulomb A lei de Coulomb governa a força de interacção de duas cargas num determinado meio homogéneo. Força entre duas cargas no vácuo 2 21 0 r QQ 4 1 F Onde: Q1 e Q2→ são duas cargas puntiformes; r→ a distância entre as duas cargas; ε0→ Permissividade do vácuo que depende das unidades usadas para Q1 , Q2 , r e F. Se F[N]; r[ m]; Q1 [C] e Q2 [C], Então: ε0=8,85x10 -12 [ C 2 /N.m 2 ] Entretanto, se definir-se: 04 1 k Então: 2 21 r QQ kF onde k→ É uma constante de proporcionalidade que depende também das unidades usadas para Q1 , Q2 , r e F. Se F[N]; r[ m]; Q1 [C] e Q2 [C] k=9x10 9 [ N.m 2 /C 2 ] Força entre duas cargas em meio diferente do vácuo: Para um meio diferente do vácuo as forças causadas pelas cargas induzidas no meio reduzem a força resultante entre as cargas livres mergulhadas no meio. A força resultante é dada por: 2 21 r QQ 4 1 F Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 6 Onde ε é a permissividade de qualquer meio circundante. Em geral, para um meio circundante arbitrário diferente do ar, ε>ε0. Para o ar, ε é apenas ligeiramente maior que ε0 e para a maioria dos propósitos é considerado igual a ε0 . Para os demais materiais, 0r Onde εr é uma constante adimensional, chamada de constante dieléctrica relativa ou capacidade indutiva específica do material entre as cargas. Diferença de Potencial (d.d.p.) V ou Tensão Eléctrica A diferença de potencial entre dois pontos V, é a medida do trabalho necessário para transferir uma carga unitária de um ponto para o outro. A d.d.p. entre dois pontos é medida em [ Volts ]. O volt é a diferença de potencial entre dois pontos quando é necessário o trabalho de um Joule para a transferência de 1 Coulomb de um ponto para o outro. Portanto, C J 1V1 Corrente i O material que contém electrões livres, capazes de se deslocarem de um átomo para o seguinte, é um condutor. Aplicando-se nele uma d.d.p., os electrões ganham energia cinética e se deslocam. Quando uma carga Q está sendo transferida de um ponto para o outro de um condutor, existe nele uma corrente eléctrica. Se a carga é transferida na razão constante de 1 C/s, a corrente constante existente é 1 Ampère. Portanto, s C 1A1 Em geral, a corrente eléctrica instantânea i num condutor é dada por: sdt CdQ Ai O sentido da corrente positivo é, por convenção, oposto àquele em que se deslocam os electrões. Sentido da Corrente Movimento de Electrões Figura Corrente eléctrica num condutor Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 7 Potência, p A potência eléctricap é por definição a taxa de transferência de energia em função de tempo. Num circuito eléctrico ela é dada pelo produto da tensão aplicada v pela corrente resultante i, isto é: AixVvWp Por definição, a corrente positiva sai do terminal positivo da fonte, como mostrado na figura a seguir. Assim, quando p é positiva, a fonte transfere energia para o circuito e quando é negativa, recebe energia do circuito. i v Figura - Sentido da corrente Se a potência p é uma função periódica de tempo t, de Período T, a potência média é dada por : T 0 dtp T 1 P Energia , W Sendo a potência a taxa de transferência de energia em função de tempo, 2 1 t t dtpW dt wd p Onde W é a energia transferida durante o intervalo de tempo considerado. Circuito e elementos de um circuito eléctrico Um circuito eléctrico é um caminho fechado por onde circula uma corrente eléctrica e o seu objectivo é fornecer energia eléctrica a um consumidor de energia eléctrica. A corrente eléctrica circula partindo da fonte, passando pelos elos de ligação que ligam a fonte ao consumidor retornando finalmente à fonte. Qualquer circuito eléctrico é composto de elementos activos e passivos. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 8 Elementos activos ou fontes de energia Os elementos activos são aqueles que podem fornecer energia eléctrica ao circuito. Fontes de energia independentes Bateria ou Pilha Gerador de tensão Contínua ou Dínamo Gerador de tensão alternada ou alternador Fonte de corrente Figura. Fontes de energia independentes Elementos passivos e comportamento São aqueles que absorvem a energia fornecida pelas fontes ou elementos activos. Estão neste grupo os resistores, os indutores ou bobinas e os capacitores ou condensadores. Um elemento de circuito eléctrico recebendo energia eléctrica pode comportar-se de cada uma das seguintes formas: Consumir energia: O elemento de circuito é um elemento resistivo, ou simplesmente resistor puro; Armazenar energia num campo magnético: O elemento de circuito é um elemento indutivo, ou apenas, Indutor puro; Armazenar energia num campo eléctrico: O elemento de circuito é um elemento capacitivo ou em outras palavras, um Capacitor puro. Resistor e Resistência, R Aplicando-se uma diferença de potencia v(t) entre os terminais de um resistor puro, uma corrente i(t) proporcional àquela irá circular no elemento resistivo. A constante de proporcionalidade R é designada de resistência eléctrica sendo expressa em volts/ampère ou Ohms [Ω]. Efectivamente ela representa a oposição que o elemento oferece ao estabelecimento de uma corrente eléctrica. A relação entre a diferença de potencial e a corrente eléctrica é conhecida por Lei de Ohm que no caso do resistor é dada por: )t(iR)t(v Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 9 i(t) v(t) + - R Figura - Elemento Resistivo Resistividade, condutividade e condutância A resistência eléctrica de um condutor depende do material de que o mesmo é feito. A resistência do condutor é dada pela seguinte expressão: A l R Onde: é uma constante de proporcionalidade e designa-se resistividade. Na verdade é uma característica que mede a dificuldade com que o material de que é feito o condutor deixa passar a corrente eléctrica. l é o comprimento do condutor e A a secção transversal do condutor. O recíproco da resistividade se chama condutividade do material e representa-se por . Assim, a resistência do condutor pode ser calculada a partir da fórmula: A l A l1 R . . onde é a condutividade do material que mede a facilidade com que o material deixa passar a corrente eléctrica. Por outro lado, define-se como condutância de um condutor ao inverso da sua resistência eléctrica e representa-se por "" g . Assim,: l A R g . 1 A tabela a seguir mostra a resistividade de diferentes materiais Tabela 1.4 Resistividade de diferentes materiais Material Resistividade a 20ºC m. Prata 1,64.10 -8 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 10 Cobre recozido 1,72.10 -8 Alumínio 2,83.10 -8 Ferro 12,3.10 -8 Constantan 49.10 -8 Nicromo 100.10 -8 Silício 2500 Papel 10 10 Mica 5.10 11 Quartzo 10 17 Influência da temperatura na resistência Conhecendo-se a resistência do material a uma determinada temperatura a resistência em qualquer outra temperatura é dada por: 1 01 02 2 R TT TT R . , onde: 1R É a resistência à temperatura 1T e 2R é a resistência à temperatura 2T 0T á temperatura em que teoricamente a resistência eléctrica do material é nula. Naturalmente esta temperatura é uma característica do material condutor. A tabela 1.5 mostra os valores de 0T para diferentes materiais. Tabela 1.6 Temperatura absoluta para diferentes materiais : Material Temperatura absoluta 0T Cº Tungsténio -202 Cobre -234,5 Alumínio -236 Prata -243 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 11 Constantan -125.000 A resistência em função da temperatura também pode ser calculada a partir da expressão: 121T12 TT1RR Onde 1T é o coeficiente de temperatura do material à temperatura 1T . Normalmente 1T é tomado igual a 20ºC. A tabela 1.7 a seguir mostra coeficientes de temperatura para diferentes materiais. Tabela 1.7 Coeficientes de temperatura para diferentes materiais : Material Coeficiente de Temperatura 1T a 20ºC C 1 º Tungsténio 0,0045 Cobre 0,00393 Alumínio 0,00391 Prata 0,0038 Constantan 0,000008 Carbono -0,0005 O coeficiente de temperatura de um material a qualquer temperatura pode ser também determinado através da expressão: 01 1 TT 1 Consumo de potência no resistor Uma característica muito importante de um resistor é a sua capacidade de dissipação de potência eléctrica ou potência máxima. Esta depende da sua capacidade de isolamento, isto é, voltagem máxima suportada e corrente máxima permissível. O consumo real de potência depende da voltagem aplicada aos seus terminais e da corrente que o atravessa e é dada pela expressão: R V R V VRIIIRIVP 2 2 .... Circuito aberto e curto-circuito Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 12 Por definição, um circuito aberto é aquele que possui uma resistência infinita. Portanto, não circula corrente nele quando aplicada uma voltagem finita aos seus terminais. Diagramaticamente ele é representado por dois terminais não ligados. Pelo contrário, um curto-circuito possui uma queda de tensão nula, qualquer que seja a corrente finita nele circulando. Diagramaticamente é representado por um condutor ideal, istoé, com resistência nula. Os terminais ficam conectados sem resistência alguma. Nem o curto-circuito, nem o circuito aberto são desejáveis. A sua ocorrência indica um defeito ou mau funcionamento do circuito. Resistência interna de uma fonte Qualquer fonte de energia real possui uma determinada resistência correspondente aos processos intrínsecos de funcionamento. A esta resistência intrínseca se chama de resistência interna da fonte. Ela interfere no funcionamento da fonte. A fonte de corrente possui uma resistência interna que tende ao infinito. Fonte de corrente ideal Resistência interna Terminais Fonte de tensão ideal Resistência interna Terminais Fonte de corrente real Fonte de tensão real Figura. Representação de fontes de energia reais. Indutor (Bobina) e Indutância (L) À constante de proporcionalidade è chamada de coeficiente de auto-indução, auto-indutância, indutância - própria ou simplesmente indutância do elemento indutivo ou indutor. Fisicamente ela representa a oposição que o elemento oferece à variação do fluxo. A relação entre a tensão induzida e a taxa de variação da corrente que a provoca é dada por: dt id L)t(v Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 13 Ou ainda, dtvL 1 )t(i i(t) v(t) + - L Figura - Elemento Indutor Sendo v expresso em volts; di/dt em àmperes/segundo; L será expresso em Volt-segundo/àmpere, ou Henry (H). Capacitor (Condensador) e Capacitância (C) Foi já referido que um capacitor é um elemento que armazena energia eléctrica num campo eléctrico. Esta energia apresenta-se na forma de uma carga entre dois pontos com potenciais diferentes, sendo que a diferença de potencial, v, entre os terminais do capacitor é proporcional à carga eléctrica, q, armazenada. A constante de proporcionalidade C é designada de capacitância do capacitor. A relação entre a carga e a tensão é: )t(vC)t(q Sendo, dt )t(dq )t(i Vem, dt tdv Cti )( )( = Ou ainda, dtiC 1 )t(v Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 14 i(t) v(t) + - C Figura - Elemento Capacitivo Com Coulomb; v em volts, C é expresso em Coulomb/volt ou Farads [ F ]. F10microfarad1F1 6 F10picofarad1pF1 12 Topologia dos circuitos eléctricos No que concerne à topologia ou configuração um circuito eléctrico é uma combinação de elementos activos e passivos de modo a formarem um ou mais caminhos fechados. Quando é constituído por vários caminhos, cada um deles chama-se malha ou laço. O ramo é uma combinação de um ou mais elementos que são atravessados pela mesma corrente. Os pontos de convergência ou junção de 2 ou mais ramos chamam-se nós. Nós MalhaFonte de corrente Ramo Ramo Fonte de tensäo Circuito eléctrico Malha Leis de Kirchhoff 1 a Lei: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 15 1 a Formulação - A soma das correntes que chegam a um nó é igual a soma das correntes que dele saem, esta regra é também conhecida como lei dos nós. 2 a Formulação - O somatório das correntes que chegam e saem de um nó é nula. Resumidamente, i 1 i 2 i 3 i 4 i 5 saindocorrentes entrandocorrentes 0 54321 54231 iiiii Ou iiiii 2 a Lei: 1 a Formulação - A soma das elevações de potencial ao longo de qualquer circuito fechado é igual à soma das quedas de potencial nesse mesmo circuito. 2 a Formulação - A soma algébrica das diferenças de potencial, ao longo de um circuito fechado, é nula. Se existir mais de uma fonte e os sentidos não forem iguais, será considerada positiva a tensão da fonte cujo sentido coincidir com o admitido para a corrente. Esta regra é conhecida por Lei de Malhas. v A v B R L i Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 16 potencialdequedas potencialdeelevações 0 dt di LiRVV Ou dt di LiRVV BA BA Associação dos elementos num circuito Ligação de resistores em série R 1 R 2 R 3 R n V 1 V 2 V 3 Vn V T I I I I Figura. resistores associados em série Com efeito, vem:: nn RIV RIV RIV RIV ... 33 22 11 Por outro lado, eqsnnT RIRRRRIVVVVV ...... 321321 Onde Req é o valor da resistência do resistor que substitui o conjunto de todos os resistores da associação. Pela lei de Ohm, vem: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 17 n T eqs RRRR I V R ... 321 Generalizando, a resistência equivalente de uma associação de n resistores associados em série é dada pela seguinte fórmula: N n neqs RR 1 Divisor de tensão: A queda de tensão sobre cada elemento do grupo pode ser encontrada a partir de: T n n T eqs n n eqs T nn V RRRR R V R R R R V RIV ... 321 À relação entre a queda de tensão sobre cada elemento e a tensão total aplicada ao conjunto TN n n n n V R R V 1 é conhecida como Lei ou Regra do Divisor de Tensão. Ligação de resistores em Paralelo R 1 R 2 R 3 R n I 1 I 2 I 3 I n I T V V Figura. Associação de resistores em paralelo Com efeito, partindo da figura ( ) vem: nn R V I R V I R V I R V I .... 3 3 2 2 1 1 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 18 Por outro lado, nnT R V R V R V R V IIIII ...... 321 321 Ou, eqPn T R V RRRR VI 1 ... 111 321 Onde Req p é o valor da resistência do resistor que substitui o conjunto de todos os resistores da associação. Pela lei de Ohm, vem: nPeq RRRRR 1 ... 1111 321 No caso particular de dois resistores em paralelo a respectiva resistência equivalente será dada por: 21 21 2 RR RR R eqp Divisor de corrente A corrente transportada por cada elemento do grupo de resistores em paralelo pode ser encontrada a partir de: TN n nRexcepto n nRexcepto n T n eqP n I RΠ RΠ I R R I 1 À esta relação entre a corrente total do combinado paralelo e a corrente que atravessa cada elemento da associação é conhecida como Lei ou Regra do Divisor de Corrente. Transformação Delta (∆) - Estrela (Y) Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 19 312312 3112 * RRR RR Ra 312312 23*12 RRR RR Rb 3123123123 * RRR RR Rc Transformação Estrela (Y) - Delta (∆) b ac ac a cb cb c ba ba R RR RRR R RR RRR R RR RRR * * * 31 23 12 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 20 Exercícios. 1. Encontre a carga em Coulomb de: a) 5.31*10 20 electrões; b) 2.9*10 22 protões. Sabendo que a carga de um electrão e de um protão é igual a 1.602*10 -19 C, isto é, 1(-e) = -1.602*10 -19 C 1(e) = +1.602*10 -19 C. a) CQ 066.8510*31.5*10*602.1 2019 b) CQ 8.464510*9.2*10*602.1 2219 2. Qual é o valor da energia Química gasta para bateria do carro de 12V, para mover 8.93*10 20 electrões do terminal positivo para o terminal negativo? KjVneW VQW 717.112*10*602.1*10*3.9.8** * 1920 3. Encontre o valor da corrente através do bulbo de uma lâmpada causado pelo movimento constante de: a) 60C em 4segundos; b) 15C em 2minutos; c) 10 22 electrões em 1h. Resolução: a) AsC t Q I 15/15 4 60 b) AsC t Q I 125.0/125.0 2*60 15 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 21 c) AsC t Q I 45.4/45.4 1*3600 10*602.1*10 1922 4. Qual é o trabalho necessário para erguer um elevador vertical de 4500Kg a uma distância de 50m? MJdgmdFW 21.250*8.9*4500*** 5. Se o deslocamento de uma carga positiva de 9.9875*10 19 electrões de um ponto "B" para um ponto "A" requer a energia de 0.8J, encontre a queda de potencial. VCJ Q W VVQW oaEnt 05.0/05.0 10*9875.9*10*602.1 8.0 * 1919 ~ 6. Encontre a energia armazenada em uma bateria de carro de 12V/650Ah ChshAAhtIQ 2340000/3600*1*650650* MJVQW 08.2812*2340000* 7. Uma bateria de 6V/20Ah, é usada para deslocar uma carga de 2000Kg. a) Qual será a velocidade constante da carga se deslocarmos a horizontalmente? b) Quanto tempo irá a bateria permanecer carregada se tiver que deslocar a carga a uma velocidade constante de 10m/s fornecendo 15A? c) Consegue esta bateria deslocar a mesma carga para uma altura de 150 metros em menos de 5 minutos, fornecendo 10A? Resolução: a) sm m VQ vVQ vm WW VQW vm W oaEnt /785.20 2000 6*3600*20*2**2 * 2 * * 2 * ~ 2 2 b) Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 22 hs VI vm tVtIVQ vm oaEnt 31.0min52.18111.1111 6*15*2 10*2000 **2 * *** 2 * 22~2 c) hs VI hgm tVtIVQhgmW oaEnt 6.13min7.81649000 6*10 150*8.9*2000 * ** ***** ~ * Esta bateria não irá conseguir deslocar a carga a uma altura de 150 metros em menos de 5minutos. 7. Dado o circuito da figura, encontre a tensão aos terminais da resistência de 2Ω usando divisor de tensão. Resolução: 667.4 25410 )25(*)410( equR VUequ 066.18 16667.4 667.4 *80 VU 162.5 52 2 *066.182 8. Dado o circuito da figura a seguir, encontre a corrente I1 e I2 usando o divisor de corrente. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 23 Resolução: 667.0 21 2*1 equR AI 6.21 667.0425 25 *361 AI 4.14 25667.04 667.04 *362 9. 10. 11. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 24 12. Determina a resistência equivalente vista dos terminais AB do circuito resistivo mostrado na figura a seguir. A B a b d c 4,5 Ω 3 Ω 6 Ω 9 Ω 3 Ω 13. Determina a potência fornecida à rede da figura a seguir. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 25 100 V a b c 6 Ω 6 Ω 3 Ω 9 Ω 3 Ω 9 Ω TPC - 1 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 26 TEMA 2 - ANÁLISE DE CIRCUITOS LINEARES DE CORRENTE CONTÍNUA Neste capítulo vamos apresentar e discutir algumas Leis, Teoremas e procedimentos que governam a análise dos circuitos eléctricos de corrente contínua. Juntamente com as leis de Ohm e Kirchoff para Correntes e Tensões estes procedimentos são também válidas para a análise de circuitos de corrente alternada contendo indutâncias e Capacitância. Também são válidas para a análise de circuitos no domínio de frequência De que maneira marcamos o sentido da corrente e da tensão em um ramo? A corrente em um ramo é marcado através de uma seta, do potencial mais alto ao potencial mais baixo. A tensão em um ramo é marcado também através de uma seta, do potencial mais alto ao potência mais baixo. Análises de quedas de tensão e correntes em um ramo Caso a) Ramo sem fonte de tensão e de corrente: IRba Sendo que a condutância é: S R g , 1 , então: gU R U R I ab abba * Caso b) Ramo com fonte de tensão geradora Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 27 gEUgEIIRE abba oaEnt ba *)(*)( ~ Caso c) Ramo com fonte de tensão consumidora gEUgEIIRE abba oaEnt ba *)(*)( ~ Caso d) Ramo com fonte de corrente Para estes ramos, a corrente que neles circulam é a corrente gerada pela fonte de corrente. A análise de queda de potencial que se realiza é aos terminais da própria fonte: Substituição da fonte de corrente real pela fonte de tensão real e vice-versa Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 28 Métodos de cálculos de circuitos complexos de Corrente Contínua (CC) Calcular um circuito eléctrico significa determinar todas as correntes em todos os seus ramos. Método das equações de Kirchoff para circuitos complexos de CC. Passos principais deste método: 1. Determinar o número de nós do circuito (N), o número de ramos do circuitos (r) e o número de ramos contendo fontes de corrente (rc); 2. Marcar arbitrariamente os sentidos das correntes em todos os ramos; 3. Construir as equações pela 1 a Lei de Kirchoff, sendo o número de equações igual a: 11 0 NN Leiequ a 4. Determinar o número de equações pela 2 a Lei de Kirchoff, sendo o número de equações igual a: )1()(2 0 NrrN cLeiequ a 5. Escolher as malhas respectivas, marcar nelas os percursos pelas malhas escolhidas e construir as equações de acordo com a 2 a Lei de Kirchoff para todas as malhas. Nota A: Cada malha deve conter no mínimo um ramo o qual nenhuma outra malha contem. Nota B: Qualquer malha escolhida não deve conternenhuma fonte de corrente 6. Resolver o sistema de equações obtidas; 7. Se a corrente em um ramo for negativa, significa que na realidade o sentido da corrente é o oposto. 8. Fazer a prova das resoluções pela equação do balanço de potência. Exemplo: Para o circuito da figura a seguir, determine as expressões para o cálculo das correntes usando o método de Kirchoff. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 29 N = 4; r = 6; rc = 1 equNN Leieq a 31411 0 452 531 21 :3 :2 :1 IIINo IIINo IIJNo equNrrN cLeiequ a 2)14()16()1()(2 0 0:2 :1 554433 552211 RIRIRIM ERIRIRIM Equações do equilíbrio de potencia Quando a corrente passa através de uma resistência liberta-se energia sob a forma de calor. Com base na Lei de Conservação de energia, a quantidade de energia fornecida a um circuito eléctrico deve ser igual a quantidade de energia dissipada. n K m i iesconsumidorKfontes PP 1 1 ,, Para as fontes: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 30 n K L l llab N j jjKfontes JUIEP 1 1 , 1 , Para os consumidores: m i m i iiiesconsumidor RIP 1 1 , Exemplo: Para o circuito da figura a seguir: foram calculadas e encontradas as seguintes correntes: AI AI 4 1 3 2 Faça a prova do balanço de potência. Resolução: Para as fontes: Para a fonte de tensão: Esta fonte é geradora pois a corrente I3 entra nela a partir do terminal negativo (-) e sai a partir do terminal positivo (+), por isso na equação do balanço, a sua potência vem com o sinal positivo. WEIPE 804*203 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 31 Para a fonte de corrente: É necessário encontrar a tensão aos terminais "ab" desta fonte. Seguindo a malha "Uab", temos: VJIUJIU ab oaEnt ab 142*54*12*4*02*4* 2 ~ 2 Logo: WJUP abJ 705*14* Fazendo a soma das potências das duas fontes existentes no circuito: WPPP JEfontes 1507080 Para os consumidores: WIP WIP WJP 966*46* 44*14* 502*52* 22 36 22 24 22 2 Fazendo a soma das potências dos três consumidores existentes no circuito: WPPPP esconsumidor 15096450642 Logo vemos que satisfaz a condição: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 32 WWPP n K m i iesconsumidorKfontes 150150 1 1 ,, Método de sobreposição Baseia-se no principio de sobreposição. A corrente em qualquer ramo de uma rede é a soma algébrica das correntes devido a cada uma das fontes consideradas separadamente, mas deixando no circuito as resistências internas respectivas. Este teorema é valido para todos os circuitos eléctricos lineares. Exemplo: Para o circuito da figura a seguir, resolva-o usando o método de sobreposição. Resolução: Caso 1) Sem a fonte de tensão Retiramos a fonte de tensão, mais deixando no circuito a sua resistência interna: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 33 AJI AJI 36.0*5 64 6 * 24.0*5 64 4 * ' 2 ' 3 Caso 2) Sem a fonte de corrente Retiramos a fonte de corrente no circuito mas deixamos a sua resistência interna. A resistência interna de uma fonte de corrente tende a infinito, logo este ramo pode ser desprezado pois a corrente que flui nele é próxima a zero. AI AII 2 2 46 20 " 2 " 2 " 3 Caso 3) Com a fonte de tensão e a fonte de corrente Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 34 Finalmente, fazemos a soma algébrica para ter a corrente devido as duas fontes nos ramos: AIII AIII 422 1)2(3 " 3 ' 33 " 2 ' 22 Método das malhas independentes a) Neste método supõe-se que em cada malha flui a corrente própria chamada corrente de malha; b) As incógnitas deste método são as correntes de malha; c) Neste caso as equações constituem-se relativamente a estas correntes de malha de acordo com a 2 a Lei de Kirchoff; d) Como resultado desta imaginação não se constituem as equações de acordo com a 1 a Lei de Kirchoff. Passos principais deste método: 1. Determinar o número de equações necessárias que o constituem pela expressão: )1()(0 NrrN cequ 2. Escolher as malhas independentes de acordo com o número determinado no ponto 1 e marcar arbitrariamente os sentidos das correntes de malha em cada malha; Nota A: Qualquer malha escolhida não deve conter fonte de corrente; Nota B: Para levar em conta as influencias das fontes de correntes sobre a distribuição de potenciais e correntes no circuito eléctrico, é preciso marcar também as correntes de malha conhecidas; Nota C: Uma malha com corrente de malha conhecida deve conter só uma fonte de corrente. 3. Constituir as equações pela 2 a Lei de Kirchoff para cada malha escolhida; 4. Resolver o sistema das equações obtidas, isto e, determinar todas as correntes de malhas incógnitas. Se a corrente de malha é negativa, significa que na realidade o seu sentido é contrario; 5. Determinar as correntes reais nos ramo escolhendo aleatoriamente os seus sentidos; Nota A: Nos ramos comuns a corrente real é a soma algébrica das correntes de malha que passam através destes ramos; Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 35 Nota B: Nos ramos comuns a corrente real é a soma algébrica das correntes de malha que passam através destes ramos. 6. Fazer a prova das resoluções pela equação do balanço de potência. Exemplo: Para o circuito da figura a seguir, resolva-o usando o método de malhas independentes. Resolução: N = 2; r = 3; rc = 1 equNrrN cequ 1)12()13()1()( 0 Para a malha de corrente de malha "Ia": Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 36 AIEJI a oaEnt a 4 64 4*520 )4()64( ~ Finalmente as correntes nos ramos: AII AJII a a 4 154 3 2 Método de análise nodal a) Este método tem vantagens para circuitos eléctricos com muitos ramos e poucos nós; b) Neste método as incógnitas são os potenciais dos nós. Passos principais deste método: 1. O potencial de um nó deve ser igualado a zero; 2. Determinar o número das equações a resolver pela expressão: 10 NN equ Nota A: Quando em alguns ramos contém a fonte de tensão ideal, o número das equações necessárias determina-se pela expressão: itfrnNN equ ....1 0 itrn ... - Número de ramos com fonte de tensão ideal.3. Constituir as equações de acordo com o método de análise nodal; Nota A: Para cada nó de potencial incógnito, escrever uma equação que consiste em: Na parte esquerda: O produto do potencial do nó em questão e condutância própria deste nó com o sinal positivo (+) e a soma dos produtos entre potenciais de nós vizinhos e condutâncias mútuas respectivas com o sinal negativo (-). Na parte direita: A soma algébrica dos produtos ( KK gE * ) ligadas com o nó em questão, e a soma algébrica das fontes de correntes (J) ligadas com o mesmo nó. 4. Resolver o sistema das equações obtidas, isto é, determinar os potenciais do esquema; 5. Marcar arbitrariamente os sentidos das correntes em todos os ramos e depois calcula- las conhecendo os potenciais. 6. Fazer a prova das resoluções pela equação do balanço de potência. Exemplo: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 37 Para o circuito da figura a seguir, resolva-o usando o método de análise nodal. Resolução: N = 3; n.r.f.t.i = 1 equitfrnNN equ 1113....1 0 O potencial aterrado foi o potencial do nó 3, então: V V 4040040 0 32 3 Ficamos somente com o nó 1 como incógnita. Cálculo das condutâncias Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 38 Sg Sg Sg Sg Sg 0 10 1 1667.0 6 1 25.0 4 1 5.0 2 1 1.0 46 1 10 6 4 2 )64( Cálculo do potencial incógnito Jgggggg )()()()( 103)64(222102)64(1 Sabendo que g10Ω = 0,S e que V03 , a equação acima fica ainda mais reduzida Jgggg )()()( )64(2222)64(1 Calculando o potencial V333.48 5)1.0(*40)5.0(*40)5.01.0( 1 1 Cálculo das correntes nos ramos Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 39 AIIIIIINo AIIIIIIIIIINo AgII AgII AgII AgII oaEnt oaEnt oaEnt oaEnt oaEnt oaEnt 002.1555:3 002.15:2 002.10)20( 6 )20( )6(20 10)( 4 )( )4( 167.4)( 2 )( )2( 833.0)( 46 )( )46( 326 ~ 632 54326 ~ 32654 632 32 3 ~ 332 432 32 2 ~ 232 221 21 4 ~ 421 )64(21 21 5 ~ 521 Prova pelo balanço de potencias Para as fontes: Primeiro é necessário encontrar a tensão aos terminais da fonte de corrente Seguindo a malha do Uab VU IIUIIU ab ab oaEnt ab 334.9810*54*102*167.4 )10(5)4()2(0)10(5)4()2( 24 ~ 24 WPfontes 79.1291002.15*40002.10*205*334.98 Para os consumidores: WPcons 91.129110*56*002.104*102*167.4)64(*833.0 22222 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 40 Verifica-se: WWPP n K m i iesconsumidorKfontes 91.129179.1291 1 1 ,, %009.0%100* 79.1291 79.129191.1291 % Erro Erro aceitável pois é menor a 3%. Método do gerador equivalente ou teorema de Thévenin Este teorema estabelece que qualquer rede linear activa contendo resistências e fontes de energia com terminais de saída 1 e 2 como mostra a figura pode ser substituído por um circuito contendo uma fonte de tensão de valor Uth em série com uma resistência de valor Rth como mostra a figura Rede Linear A com Fontes de Tensão e Corrente Rede B 1 2 a Rede B 1 2 b R th V th Redes A e B originais Rede B original e A reduzida a Thévenin Figura – Redução de circuito pelo Teorema de Thévenin A tensão equivalente de Thévenin, Vth , é a tensão em circuito aberto medida aos terminais 1-2 e a resistência equivalente, Rth, é a resistência da rede, vista dos terminais 1-2, quando todas as fontes internas independentes são anuladas, isto é, substituídas pelas respectivas impedâncias internas. Havendo fontes de tensão dependentes, estas são mantidas activas no circuito. O Teorema de Thévenin é importante na simplificação de circuitos, particularmente na determinação da corrente num ramo de uma rede complexa. Passos principais deste método: 1. Determinar a tensão Uab de marcha em vazio que aparece aos terminais "ab" quando o respectivo ramo é removido; 2. Determinar a resistência Requ que o bípolo apresenta quando vista entre 2 terminais; Nota A: Neste caso para as fontes de tensão é necessário curto circuita-las deixando somente no esquema as suas resistências internas. As fontes de corrente devem ser desligadas pois as suas resistências internas tendem ao infinito. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 41 3. Calcular a corrente no ramo que se removeu pela formula: nequ mvab n RR U I , Exemplo: Para o circuito da figura a seguir, encontre a corrente pela resistência de 4Ω usando o método de Thévenin. Resolução: Primeiro encontramos a resistência equivalente vista dos terminais da resistência de 4Ω. Para tal curto circuitamos as fontes deixando somente as suas resistências internas. Para a fonte de corrente, removemos o ramo, pois a sua resistência interna tende ao infinito. 75.3 106 10*6 equR Calculamos a tensão de marcha em vazio Esta é a tensão que aparece entre os terminais da resistência ou ramo removido. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 42 Vamos usar o método de malhas independentes para retirar as correntes nos ramos neste regime de funcionamento N = 2; r = 3; rc = 1 equNrrN cequ 1)12()13()1()( 0 AIJI a oaEnt a 625.10 106 10*1520 20)10()106( ~ As correntes nos ramos AIJI AII a a 375.4)625.10(15 625.10)625.10( 2 1 Calculamos a tensão Uab,mv seguindo a sua malha apresentada no esquema VUIU mvab oaEnt mvab 75.4310*375.40)10( , ~ 2, Calculamos a corrente pretendida A RR U I equ mvab 645.5 475.3 75.43 4 , 4 Potência transferida de um bípolo activo a uma carga Determina a potência máxima realizada na resistência R Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 43 RIP RR 2 RR U I equ mvab R , R RR U P equ mvab R * )( 2 2 , Vamos derivar a potência em função da resistência: 4 , 22 , )( )(2)( RR RRRURRU dR dP equ equmvabequmvab Pelo domínio da expressão: RRRRRR equ oaEnt equ aotEn equ ~~ 0 para que a potencia dissipada seja a máxima. Se RRequ então Tende dR dP Logo: equ mvab R equequequ mvab R R U P R RR U P 4 * )( 2 , max 2 2 , max Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 44 Exemplo: Determinar o valor da resistência R5 para que a potência dissipada nela seja a máxima R1 = 1Ω; R2 = 2Ω; R3 = 3Ω; R4 = 5Ω; R6 = 5Ω; J = 10A; E = 10V Resolução: Cálculo da resistência equivalente vista dos terminais da R5 Para tal curto circuitamos as fontes deixando somente as suas resistências internas. Para a fonte de corrente, removemos o ramo, pois a sua resistência interna tende ao infinito. 308.2 )(*)( 2 346 346 R RRR RRR Requ Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 45 Calculamos a tensão de marcha em vazio Esta é a tensão que aparece entre os terminais da resistência ou ramo removido. Antes de escolher um método alternativo de resolução, vamos analisar certas correntes e nós no circuito. O ramo da corrente IE está aberto, logo por definição de ramos abertos não circula corrente por este ramo. Logo: AIE 0 Como o IE = 0A, os pontos "T" e "H", deixam de ser nós, pois não existem repartições de correntes nestes pontos, ficamos somente com o nó 1 e o nó 2. Consequentemente como o IE = 0A, pela 1 a Lei de Kirchoff, faz com que( I3 = I4). Consequentemente como o IE = 0A, pela 1 a Lei de Kirchoff, faz com que (I2 = J). Agora usamos o método de malhas independentes para encontrar o valor das correntes nos ramos neste regime de funcionamento. N = 2; r = 3; rc = 1 equNrrN cequ 1)12()13()1()( 0 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 46 AIRJRRRI a oaEnt a 846.3 553 5*10 0)()( ~ 6643 Calculo das correntes pelos ramos AJII AIII AJI a a 154.610846.3 846.3 10 6 43 2 Calculo do Uab,mv VUERIRIU mvab oaEnt mvab 538.412*103*846.310, ~ 2233, O sinal negativo da tensão quer dizer que na realidade o seu sentido é o contrario ao sentido escolhido no esquema. W R U P equ mvab R 894.186 308.2*4 )538.41( 4 22 , max Exercícios. FICHA DADA PELO DOCENTE. TPC - 2 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 47 TEMA 3 - ANÁLISE DE CIRCUITOS LINEARES DE CORRENTE ALTERNADA No capítulo anterior, as tensões e correntes de alimentação dos circuitos eram grandezas contínuas ou unidireccionais. Em contraste, a maior parte das redes de utilidade prática são alimentadas por fontes de tensão e corrente alternada. O exemplo mais comum são as redes eléctricas de energia que contêm centrais eléctricas, linhas de transmissão, subestações, etc. Apesar de o termo tensão e corrente alternada se referir a uma série de grandezas com variação periódica a análise neste capítulo restringe-se a grandezas variando sinusoidalmente. Expressões de corrente e tensão alternada na forma sinusoidal A corrente na forma sinusoidal: AtIi t ),sin(*max)( Onde: maxI é a corrente máxima; é a frequência angular; t é o tempo; é o ângulo da corrente. A tensão na forma sinusoidal: VtUu t ),sin(*max)( Onde: VUmax é a tensão máxima; srad / é a frequência angular; st é o tempo; 0 é o ângulo da tensão. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 48 0o T 22 T mV t v 2 3 Figura... Representação de uma tensão sinusoidal e valores característicos Alguns dos valores característicos das tensões sinusoidais são: O Período, T , definido como o intervalo de tempo em que a função se repete. Em geral, o período de qualquer função periódica sinusoidal é dado por ω π2 T . A frequência f , medida em ciclos por segundo ou Hertz, sendo que: π2 ω1 T f . Ângulo de fase ( ) Definido como o desfasamento entre duas grandezas sinusoidais, por exemplo entre a tensão e a corrente quando representadas sobre a mesma escala de tempo como mostrado na figura a seguir. Na verdade este ângulo representa o passo ou afastamento entre as duas grandezas no tempo, ela tem a fórmula: v i θ ω t Figura .... Ângulo de fase Valor instantâneo Valor instantâneo de uma grandeza qualquer ,v, variável no domínio do tempo, t, é o valor dessa grandeza num dado instante de tempo, t. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 49 Valor médio Valor médio de uma grandeza variável no tempo, periódica, é por definição: Tt t médio dttu T U 0 0 )( 1 Obviamente, o valor médio de uma função sinusoidal num período é nulo. Por isso, um novo conceito, o valor médio quadrático ou eficaz é mais útil. Valor médio quadrático ou Eficaz O valor médio quadrático de uma função qualquer variável no tempo, periódica, é dado por: 2 sin 2 1 )( 1 max2 2 0 22 0 0 U dttUdttu T U m Tt t eficaz Elementos R,L e C em circuitos de corrente alternada Resistência (R) R U I R A corrente e a tensão estão em fase Indutância (L) Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 50 L L jX U I Onde ,LX L A corrente está atrasada 90 0 em relação a tensão Capacidade (C) C C jX U I Onde ,1 C X C A corrente adiantada 90 0 em relação a tensão Impedância Complexa Consideremos o circuito R-L-C série a seguir. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 51 tωsenV)t(v m θtωsenI)t(i m RL C Figura...Circuito R-L-C-série para Impedância Complexa Escrevendo a equação de malha obtêm-se: tj mm eVtVdtti Cdt tdi LtiR sin)(1)()( Esta equação diferencial tem uma solução particular da forma tjKeti )( . Substituindo esta solução na equação geral vem: tjmtj tj tj eVdtKe Cdt Ked LKeR 1 Ou, tj m tjtjtj eVKe Cj KeLjKeR 1 Donde Cj LjR V e Cj eLjeR eV K m tjtjtj tj m 11 E portanto, tjm e Cj LjR V ti 1 )( Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 52 À relação entre a tensão e a corrente, isto é: CL tjm tj m XXjR C jLjR Cj LjR eCj LjR V eV ti tv 1 1 1 )( )( Então: ),( CL XXjRZ , )( arctan()(( 22 R XX XXRZ CLCL Se: oaEntCL R XX ~ 0)arctan( Impedância com característica capacitiva oaEntCL R XX ~ 0)arctan( Impedância com característica indutiva. Se designa Impedância, e sendo esta número complexo. Daí designar-se de Impedância Complexa. Na verdade, ela representa a reacção dos elementos R-L-C do circuito face à excitação por uma tensão sinusoidal. A representação da impedância no plano complexo é mostrada na figura a seguir. Z Z R X j 0 Zθ Figura....... Representação de Impedância no Plano Complexo Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 53 Impedância com característica indutiva: CL XX Então ,LjXRZ Impedância com característica capacitiva: CL XX Então ,CjXRZ Impedância com característica resistiva: ,0LX ,0CX Então ,RZ Admitância complexa A admitância complexa será dada pela seguinte expressão: S XXjRZ Y CL , )( 11 Susceptância A susceptância será dada pela expressão: S XXj b CL , )( 1 Fasores Sabemos já, que uma tensão ou corrente sinusoidais com uma frequência constante podem ser caracterizados por dois parâmetros: O valor da amplitude máxima (crista ou pico) e o ângulo de fase. Isto é, uma tensão dada por: VtUu t ),sin(max)( tem a amplitude máxima Umax e o ângulo de fase referido a ωt igual a δ . O valor médio quadrático, também chamado valor eficaz, será: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 54 V U U eficaz , 2 max Usando a equação de Euler, sincos je j A corrente ou tensão sinusoidal podem ser representadas sob a forma de fasores, isto é, um vector rotativo representado por uma amplitude constante U, igual ao seu valor eficaz e um ângulo de fase, δ . No caso dado, 2 maxUU Forma Forma polar; Forma U j U U sin* 2 cos* 2 maxmax Forma rectangular Formaje U U 2 max Forma exponencial. Operações com números complexos Sejam dados os números complexos: 0 1 204 A e 43 2 jA a) Represente A1 na forma rectangular 368.1759.3)20sin20(cos4 1 jjA b) Determine A2 na forma polar 022 2 13.535) 3 4 tan(43 acA c) Determine a soma entre A1 e A2 36.576.6)436.1()376.3( 213 jjAAA d) Multiplique A1 e A2 0 214 13.7320)13.5320()5*4(13.535*204* AAA e) Determine o conjugado de A1 0* 1 204 A f) Determine a divisão entre A1 e A2 * Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 55 0 * 2 1 5 13.738.0)13.53(20 5 4 13.535 204 A A A Potência Real e Reactiva Seja : VtUu AtIi t t ),sin( ),sin( max)( max)( Então a potência instantânea será: )()()()()()()( )()()()( )( tCtLtRtCtLtRt tCLRttt pppiuiuiup iuuuuip )2sin( )2sin()2sin(*) 2 sin( )2cos1( max)()( )( tIUp tIUtItUiup tIUp LL CCtCtC RtR Somando a potência da indutância e capacidade: )2sin(*)sin()2sin()2sin()()( tUItIUtIUpp CLtCtL Então: )2cos()cos()( tUIUIp t Potência Activa: WgURIUIP ,)cos( 22 Potência Reactiva: VARbUXIUIUIQ X ,)sin( 22 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 56 como se sabe, o ângulo pode ser positivo (+) ou negativo (-), para: LogooaEnt Q 00 ~ Potência Reactiva com característica indutiva LogooaEnt Q 00 ~ Potência Reactiva com característica capacitiva. Potência aparente: VAUIS , Factor de Potência (f.p) O termo )cos( chama-se factor de potência (f.p). O ângulo de fase )( que é o ângulo entre a tensão e a corrente, é chamado de ângulo do factor de potência. Para circuitos de corrente continua, a potência absorvida pela carga é o produto da tensão contínua pela corrente. Para circuitos em corrente alternada, a potência média absorvida pela carga é o produto dos valores eficazes da tensão e corrente e o factor de potência (f.p) )cos( . Para cargas capacitivas, a corrente está adiantada em relação a tensão o que significa que é maior do que e o factor de potência diz-se adiantado. Triângulo de potências É comum representar as três formas de potência envolvidas num circuito, nomeadamente aparente, activa e reactiva num mesmo diagrama de potências. A este diagrama dá-se o nome de triângulo de potências. A figura a seguir mostra um diagrama deste tipo. θ P=VIcosθ [ W ] Q=VI senθ [ VAR ] S=VI [ VA ] 22 22 cos..tan arctan QP P S P pfPQ P Q QPS Potência Complexa Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 57 Para circuitos operando com tensão alternada sinusoidal estacionária, as potências activa e reactiva podem ser facilmente calculadas a partir da potência complexa a partir dos fasores tensão e corrente. A potência complexa S , é por definição, o produto da tensão pelo conjugado da corrente, isto é: VAjQPsenIjVIVIVIVIVS o ,cos0 * Ou seja: SIsenIVQ SRIVP m e cos As relações entre a tensão, corrente, potência complexa e as potências activa e reactiva são apresentadas na figura a seguir. I V -θ θ *IVS P=VIcosθ S=VI Q=VI senθ jQ ( eixo imaginário ) P ( eixo real ) Figura--- Potência Complexa Equilíbrio ou balanço de potência em circuitos de corrente alternada O equilíbrio de potências em circuitos trifásicos deve obedecer também a Lei de conservação de energia: m i M k Kesconsumidorifontes PP 1 1 ,, J j L l lesconsumidorjfontes QQ 1 1 ,, As fórmulas são: Para as fontes: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 58 S s C c G g m i J j jfontesifontes ggabccsfontes VAjalQjPJUIES 1 1 1 1 1 ,, * , * , Im,Re S s sfontes ifontes m i WSalP 1 , ,1 ),(Re J j S s sfontesfontes VARSQ 1 1 , ),Im(Para os consumidores: M k M k kkkesconsumidor WRIP 1 1 2 , , L l L l lllesconsumidor VARXIQ 1 1 2 , , Exemplo de resoluções de circuitos complexos de corrente alternada: Exemplo 1: Dado o circuito da figura a seguir, resolva-o pelo método de Kirchoff DADOS: AJ ,01 0 ; VE ,010 0 ; 31X ; 52X ; 53X ; 104X ; 51R Nota A: Por ser um circuito de corrente alternada a simbologia das fontes vêem com o sinal de um número complexo; Nota B: As impedâncias indutivas em qualquer circuito de corrente alternada vêem sempre com um ângulo de +90 0 que está simbolizado pela letra "j" no esquema. É o caso de (X2 e X4); Nota C: As impedâncias capacitivas em qualquer circuito de corrente alternada vêem sempre com um ângulo de -90 0 que está simbolizado pela letra "-j" no esquema. É o caso de (X1 e X3). Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 59 Resolução: N = 4; r = 6; rc = 1 equNN Leiequ a 31411 0 43 21 31 :4 :2 :1 IIINo IIINo IIJNo E E equNrrN cLeiequ a 2)14()16()1()(2 0 EjXIjXIM EjXIRIM )()(:2 )(:1 4 4 2 2 3 3 1 1 Resolvendo todas as equações em um único sistema de equações: 0 42 0 31 43 21 0 31 010105 01055 0 0 01 IjIj IjI III III II E E A solução do sistema de equações na formas polar é: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 60 AI AI AI AI AI E ,309.11849.0 ,435.63745.0 ,135707.0 ,135943.0 ,435.18581.1 0 0 4 0 3 0 2 0 1 Exemplo 2: Dado o circuito da figura a seguir, resolva-o pelo malhas independentes DADOS: AJ ,01 0 ; VE ,010 0 ; 31X ; 52X ; 53X ; 104X ; 51R Resolução: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 61 N = 4; r = 6; rc = 1 equNrrN cequ 2)14()16()1()( 0 EjXJjXjXI ERJjXRI b a )()( )()( 242 131 Resolvendo o sistema de duas equações e duas incógnitas acima escrita: )5(*01010)105( 5*01010)55( 00 00 jjjI jI b a As correntes de malha são: AI AI b a ,435.63745.0 ,135707.0 0 0 Cálculo das correntes pelos ramos na forma polar: Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 62 AIIIIIINo AII AII AJII AIJI E oaEnt E b a b a ,297.11849.0135707.0435.63745.0:2 ,435.63745.0 ,135707.0 ,021.135943.001435.63745.0 ,433.18581.1135707.001 000 34 ~ 43 0 4 0 3 000 2 000 1 Exemplo 3: Dado o circuito da figura a seguir, resolva-o pelo método de analise nodal Aterre o nó 2. DADOS: AJ ,01 0 ; VE ,010 0 ; 31X ; 52X ; 53X ; 104X ; 51R Resolução N = 4; n.r.f.t.i = 1 equitfrnNN equ 2114....1 0 Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 63 VE V 10100 0 24 2 Calculo das admitâncias S jX Y Sj jX Y Sj jX Y Sj jX Y S R Y J ,0 1 ,1.0 1 ,2.0 1 ,2.0 1 ,2.0 1 1 4 4 3 3 2 2 1 1 Calculo do sistema de equações JYYY JYYY 44423 34311 )( )( Vj Vj ,45714.4333.3333.3 ,43.18906.75.25.7 0 3 0 1 Cálculo das correntes pelos ramos AIIINo AjYIjXI AjYIjXI AjYIjXI AjYIRI E oaEnt oaEnt oaEnt oaEnt ,30.11849.0:4 ,135707.05.05.0)()( ,44.63745.0667.0333.0)()( ,135943.0666.0666.0)()( ,43.18581.15.05.1)( 0 34 0 3413 ~ 3 341 0 4344 ~ 4 443 0 2232 ~ 2 223 0 1211 ~ 1 121 Exemplo 4: Dado o circuito da figura a seguir, determine a corrente pela resistência R1 pelo método de Thévenin Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 64 DADOS: AJ ,01 0 ; VE ,010 0 ; 31X ; 52X ; 53X ; 104X ; 51R Resolução Cálculo da impedância equivalente 5 0 0*)( 33 42 42 jjXjX jXjX jXjX Z equ Cálculo da tensão Uab,mv Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 65 Vamos usar malhas independentes para as correntes nos ramos N = 2; r = 3; rc = 1 equNrrN cequ 1)12()13()1()( 0 AjIJI AjII AjIEjXJjXjXI a a a oaEnt a ,45943.0667.0667.0 ,43.63745.0666.0333.0 ,43.63745.0666.0333.0)()( 0 2 0 4 0~ 242 Então VUEjXJU mvab oaEnt mvab ,57.2680.11)( 0 , ~ 3 , Cálculo da corrente pretendida Aj jZZ U I equ mvab ,43.18581.150.050.1 55 57.2680.11 0 0 1 , 1 Exemplo 5: O circuito da figura a seguir foi resolvido pelo método de análise nodal, e obtiveram-se os seguintes valores de correntes pelos ramos Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 66 AI AI AI AI AI E ,30.11849.0 ,135707.0 ,44.63745.0 ,135943.0 ,43.18581.1 0 0 3 0 4 0 2 0 1 Faça a prova pelas equações do balanço de potência Resolução Para as fontes Cálculo da tensão Uab aos terminais da fonte de corrente Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 67 VjURIjXIjXJU ab oaEnt ab,22.34038.5833.2166.40)()( 0 ~ 1 1 2 2 1 VAjIEJUS Eabfontes ,497.449.12)30.11849.0)(010()01)(22.34038.5( ** WPfontes 49.12 VARQ fontes 497.4 Para os consumidores WRIP esconsumidor 49.125*581.1 2121 VARXJXIXIXIQ fontes 497.43*15*707.010*745.05*943.0 2222 1 2 3 2 34 2 42 2 2 Logo verifica-se o equilíbrio WPWP esconsumidorfontes 49.1249.12 VARQVARQ esconsumidorfontes 497.4497.4 Sobreposição fica para os estudantes A Ficha dos métodos deve ser dada pelo docente Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 68 Exercícios 1. A tensão e corrente instantânea num circuito de corrente alternada são: Vt377sen6155v , A8736t377sen077i 0,, Determina: a) A frequência em HZ; b) O período; c) O ângulo de fase entre a tensão e a corrente em radianos. Resolução a) srad /377 00 087.36 Hzff oaEnt 60 2 377 2 2 ~ b) s f T 0167.0 60 11 c) 087.36)87.36(0 209.0 180 *87.36 0 0 2. Determina a potência média P em uma resistência pura de 10 Ohms, onde circula uma corrente tωcos,)t(i 1414 amperes. Resolução W R U R U P ef media 10 10 ) 2 14.14 () 2 ( 22max2 3. A onda de tensão mostrada na figura a seguir é aplicada sobre um Resistor de 20 Ω. Se a tarifa de energia for de USD 0,06 por kWh, quanto custará operar a fonte durante 24 horas? Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 69 v [ V ] t [ s ]0,01 0,02 100 Figura... Forma de Onda Resolução VU 100max VUeficaz 711.70 2 100 WP 250 20 711.70 2 KwhWhhorasWtPE 6600024*250* Custo de operação USD Kwh USDKwh 36.0 1 06.0*6 3. A corrente no circuito R-L da figura a seguir é tsen,i 50002 . Calcular a tensão total aplicada. )t(vT )t(i Ω10 mH20 Resolução HmHL R srad 3 0 10*2020 10 0 /500 A I I eficaz ,0414.10 2 2 2 00max Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 70 ,LjXRZ 1010*20*500 3LX L ,1010 jZ VjjZIU eficazeficaz ,452014.1414.14)1010(*)0414.1(* 00 Vttu t ),45500sin(284.28)45500sin(*20*2 00 )( 4. Num circuito R-L série com ΩR 20 e HL 06,0 a corrente está atrasada de 80º em relação à tensão. Determina a frequência ângulo ω. Resolução 0 0 80 0 06.0 20 HX R L 080)80(0 R X XRZ LL arctan( 22 425.113 0603.0 877.775 877.7750603.0 40080sin*80cos*80sin*80cos* 80sin80sin*80cos*80cos*400 )80sin*(()80cos*(()()20( )80sin80(cos)( ~2 222222222 222222222 22222222 22 L oaEnt L LLL LLL LLL LL XX RRXXX XRXRX XRjXRjX jXRjXR srad L X LX LoaEntL /417.1890 06.0 425.113~ 5. No circuito R-C série mostrado na figura a seguir, tsco)t(i 50002 . Determinar a tensão total aplicada VT(t) assim como o ângulo de desfasamento entre a tensão aplicada e a corrente pelo circuito. Esboçar também )t(v T e )t(i no mesmo gráfico. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 71 )t(VT Ω5)t(i Fμ20 6. Dois elementos puros de circuito estão associados em série, possuindo a corrente A,tsen,i 04535004213 para uma tensão aplicada de Vtsenv 010500150 . Determina o tipo e os valores característicos dos elementos do circuito. Resolução 0 0 0 4.63)4.53(10 4.53 10 /500 srad é positivo (+), então o circuito tem característica indutiva A I I ef ,4.53489.94.53 2 42.13 2 0max V U U ef ,10066.10610 2 150 2 00max 0 0 0 4.63178.11105 4.53489.9 10066.106 j I U Z ef ef 10 5 LX R H X LLX LoaEntL 02.0 500 10~ 7. Um circuito série constituído de 2 elementos puros tem as seguintes corrente e tensão aplicadas: Vtsenv 0502000200 A,tcosi 021320004 . Achar os elementos que constituem o circuito. Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango Página 72 8. Dados V45t5000sen150v º e A15t5000sen150i º , construir os diagramas de fasores da tensão e corrente, e da impedância complexa e determinar os valores das constantes (R, L, C) do circuito. Nota: Na prática, na representação de fasores são usados valores eficazes para as grandezas tensão e corrente no lugar de valores máximos. 9. Dados V170t2500sen311v º e A145t2500sen515i º, , construir os diagramas de fasores da tensão e corrente, e da impedância complexa e determinar os valores das constantes do circuito. 10. Um circuito série R-L de 20R e H020L , tem uma impedância 40Z . Determinar o ângulo e a frequência hertziana f. 11. Em um circuito série R-C de 10R e F50C , a tensão aplicada e a frequência são tais que a corrente está adiantada de 30º em relação à tensão. Qual a mudança de frequência necessária para que a corrente fique avançada de 70º? 12. Sendo Hz500f , determinar o elemento puro que, em série com uma resistência 25R , produz um atraso de 20º da corrente em relação à tensão aplicada ao conjunto. Repetir para um avanço de 20º. 13. Pretende-se utilizar um circuito em série de 25R e H010L , nas frequências de 100 Hz, 500 Hz e 1000 Hz. Achar a impedância Z em cada uma das frequências. 14. Uma tensão V20t2500500tv ºcos)( é aplicada a um circuito em série com 10R e F40C . Achar as correntes I e )(ti 15. Um circuito em série R-L com 8R e H020L , tem uma tensão aplicada de V90t300sen283tv º)( . Achar as correntes I e )(ti . 16. Num circuito em série R-L com 5R e H030L , a corrente está atrasada de 80º em relação à tensão. Determinar as frequências angular e hertziana da fonte. 17. Um Capacitor de F25 está em série com um resistor R na frequência de 60 Hz. A corrente resultante está avançada de 45º em relação à tensão. Determinar o valor de R. 18. A tensão V30t200sen770tv1 º,)( é aplicada a um circuito em série de Análise de Circuitos Eléctricos - Engenharia Informática - Engo. Gerson Zango
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