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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ - CAMPUS DE SOBRAL CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: CIRCUITOS ELÉTRICOS 2 PROFESSOR: MARCUS ROGERIO DE CASTRO Potência Monofásica ALUNO MATRÍCULA ANDERSON ALEXANDRE CARVALHO DE ARAÚJO 397729 Sobral – CE 2020.1 UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 2 POTÊNCIA MONOFÁSICA Sumário 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................ 3 2. OBJETIVOS ............................................................................................ 5 3. PROCEDIMENTOS / RESULTADOS ...................................................... 5 4. PÓS-LABORATÓRIO ............................................................................ 14 5. CONCLUSÃO ........................................................................................ 19 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................... 19 UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 3 POTÊNCIA MONOFÁSICA 1. INTRODUÇÃO A potencia é um valor que está a cada instante no nosso cotidiano tecnológico, pois cada equipamento elétrico tem sua potência nominal. Onde esta é a potência exigida para o funcionamento do aparelho, que caso seja ultrapassada, o aparelho pode vim a causar danos. Antes de adentrar na analise de potencias em AC, é importante conceituar as potências instantâneas e média. Onde a instantânea é o valor da potência absorvida pelo elemento em um dado instante em (W), como mostra a equação (1). 𝑝(𝑡) = 𝑣(𝑡). 𝑖(𝑡) (1) Onde 𝑣(𝑡) é a tensão instantânea e 𝑖(𝑡) a corrente instantânea. Já que a potência instantânea varia com o tempo, ela acaba sendo difícil de ser medida, e para ter uma noção melhor aplica-se a potência média, sendo esta medida pelo wattímetro em (W). A potencia média é equacionada na equação (2), através do conceito de valores RMS. 𝑃 = 𝑉𝑅𝑀𝑆. 𝐼𝑅𝑀𝑆. cos(𝜃𝑣 − 𝜃𝑖) (2) Onde 𝑉𝑅𝑀𝑆, 𝐼𝑅𝑀𝑆 corresponde a tensão eficaz e a corrente eficaz respectivamente, e 𝜃𝑣 − 𝜃𝑖 a defasagem entre a tensão e corrente. Assim, tem-se a análise das potencias aparentes e complexa. Na qual a aparente é mostrada na equação (3), sendo o produto dos valores RMS da tensão e da corrente e dada em (VA). 𝑆 = 𝑉𝑅𝑀𝑆. 𝐼𝑅𝑀𝑆 (3) Já na equação (4), mostra a potência complexa que foi criada com o intuito de determinar o efeito total das cargas em paralelo (SADIKU, 2013). Sendo importante por conter todas as informações pertinentes à potencia absorvida por uma determinada carga 𝑆 = 𝑉𝑅𝑀𝑆. 𝐼𝑅𝑀𝑆 ∗ = 𝑃 + 𝑗𝑄 (4) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 4 POTÊNCIA MONOFÁSICA Onde 𝐼𝑅𝑀𝑆 ∗ é o conjugado da corrente eficaz e 𝑄 é a potencia reativa dada pela equação (5) 𝑄 = 𝑉𝑅𝑀𝑆. 𝐼𝑅𝑀𝑆. 𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑣 − 𝜃𝑖) (5) Importante notar que uma carga resistiva (R) sempre absorve potência, enquanto uma carga reativa (L ou C) não absorve nenhuma potência média (SADIKU, 2013). Tendo em vista as potências aparente e média, determina-se o fator de potência, dado pela razão entre a potencia real dissipada na carga e a potência aparente da carga. Ou pode ser conceituado sendo o cosseno da diferença de fase entre a tensão e corrente, como mostra a equação (6). 𝐹𝑃 = 𝑃 𝑆 = cos(𝜃𝑣 − 𝜃𝑖) (6) E para melhor demonstração foi determinado o triangulo de potência, como mostra a figura 1. E na figura 2, mostra a relação do fator de potência com o triangulo de potência. Onde exemplifica um fator de potência adiantado e atrasado, representados respectivamente pelo circuito capacitivo e indutivo. Figura 1: triângulo de potência. Fonte: (SADIKU, 2013) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 5 POTÊNCIA MONOFÁSICA Figura 2: relação entre fator de potência e triângulo de potência. Fonte: (SADIKU, 2013) 2. OBJETIVOS • Determinar a potência complexa de cargas tipicamente indutivas e capacitivas; • Determinar o fator de potência de cargas monofásicas. 3. PROCEDIMENTOS / RESULTADOS Utilizando o simulador de circuitos MULTISIM, montou-se o circuito da figura 3, para todas as associações pedidas, são elas: 3R, 2L, 1C, 3R//2L, 3R//1C, 3R//2L//1C. Figura 3: cargas em paralelo para a simulação. Fonte: (ROGÉRIO, 2020) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 6 POTÊNCIA MONOFÁSICA Para a montagem dos circuitos, considera-se a tensão de entrada Vin = 80Vrms, R = 300 Ω, L= 400mH, C = 30µF. Onde será medida a corrente e a potência ativa de cada associação, para assim determinar a potência aparente (S), o fator de potência (FP), a potência reativa (Q) e a potência complexa (S). Então começando pela associação 3R, com três resistores em paralelo, como mostrado na figura 4, calcula-se os valores pedidos. Figura 4: circuito 3R. Fonte: (AUTOR, 2020) Nota-se que os três resistores em paralelo foram representados pelo seu equivalente, como mostra a equação (7). 1 𝑅𝑒𝑞 = ( 1 300 ) . 3 = 100Ω (7) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑅𝑒𝑞 = 80 100 = 0,8𝐴 (8) Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 0,8. cos(0) = 64𝑊 (9) Calcula-se a potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 0,8. 𝑠𝑖 𝑛(0) = 0𝑣𝑎𝑟 (10) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 0,8 = 64𝑉𝐴 (11) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), 𝑆 = 64 + 0𝑗 = 64 (12) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 7 POTÊNCIA MONOFÁSICA Comparando os valores medidos na figura 4, com as equações (8) e (9), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potência média do circuito. Importante notar também que no circuito só possui carga resistiva, logo não existe defasagem entre tensão e corrente, tornando a potencia reativa nula como mostra a equação (10). Assim a parte imaginária da potencia complexa é nula, resultando apenas na existência da parte real, como mostra na equação (12). Agora para a associação 2L, com dois indutores em paralelo, como mostrado na figura 5, calcula-se os valores pedidos. Figura 5: circuito 2L. Fonte: (AUTOR, 2020) Nota-se que os dois indutores em paralelo foram representados pelo seu equivalente, como mostra a equação (13). 1 𝐿𝑒𝑞 = ( 1 400𝑥10−3 ) . 2 = 200𝑚𝐻 (13) Calculando a impedância do indutor ZL, 𝑍𝐿 = 𝑗. 𝑤. 𝐿𝑒𝑞 = 𝑗. 377. 0,2 = 75,4𝑗Ω (14) Na forma polar de ZL têm-se a seguinte equação, 75,4𝑗 = 75,4∠90° (15) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑍𝐿 = 80 75,4𝑗 = −1,06𝑗𝐴 (15) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 8 POTÊNCIA MONOFÁSICA Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 1,06. cos(90°) = 0𝑊 (16) Calcula-sea potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 1,06. 𝑠𝑖 𝑛(90°) = 84,8𝑣𝑎𝑟 (17) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 1,06 = 84,8𝑉𝐴 (18) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), 𝑆 = 0 + 84,8𝑗 = 84,8𝑗 (19) Comparando os valores medidos na figura 5, com as equações (15) e (16), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potência média do circuito, e mostra um valor muito pequeno que equivale a zero. Importante notar também que no circuito só possui carga indutiva, logo a corrente está atrasada da tensão em 90°, tornando a potência média nula como mostra a equação (16). Assim, só existe a parte imaginaria da potência complexa, onde a parte real é nula, como mostra na equação (19). Agora para a associação 1C, com um capacitor, como mostrado na figura 6, calcula-se os valores pedidos. Figura 6: circuito 1C. Fonte: (AUTOR, 2020) Já que possui apenas um capacitor, calcula-se a sua impedância ZC 𝑍𝐶 = 1 𝑗.𝑤.𝐶 = 1 𝑗.377.30𝑥10−6 = −88,41𝑗Ω (20) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 9 POTÊNCIA MONOFÁSICA Na forma polar de ZC têm-se a seguinte equação, −88,41𝑗 = 75,4∠ − 90° (21) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑍𝐶 = 80 −88,41𝑗 = 0,90𝑗𝐴 (22) Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 0,90. cos(−90°) = 0𝑊 (23) Calcula-se a potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 0,90. 𝑠𝑖 𝑛(−90°) = −72𝑣𝑎𝑟 (24) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 0,90 = 72𝑉𝐴 (25) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), 𝑆 = 0 − 72𝑗 = −72𝑗 (26) Comparando os valores medidos na figura 6, com as equações (22) e (23), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potência média do circuito, e mostra um valor muito pequeno que equivale a zero. Importante notar também que no circuito só possui carga capacitiva, logo a corrente está adiantada da tensão em 90°, tornando a potência média nula como mostra a equação (23). Assim, só existe a parte imaginaria da potência complexa, onde a parte real é nula, como mostra na equação (26). Agora para a associação 3R//2L, com três resistores em paralelo em serie com dois indutores em paralelo, como mostrado na figura 7, calcula-se os valores pedidos. Figura 7: circuito 3R//2L UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 10 POTÊNCIA MONOFÁSICA Fonte: (AUTOR, 2020) Calculando a impedância equivalente Zeq 1 𝑍𝑒𝑞 = ( 1 100 + 1 75,4𝑗 ) = 60,2∠53°Ω (27) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑍𝑒𝑞 = 80 60,2∠53° = 1,33∠ − 53°𝐴 (28) Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 1,33. cos(53°) = 63,84𝑊 (29) Calcula-se a potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 1,33. 𝑠𝑖 𝑛(53°) = 84,97𝑣𝑎𝑟 (30) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 1,33 = 106,4𝑉𝐴 (31) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), 𝑆 = 63,84 + 84,97𝑗 (32) Comparando os valores medidos na figura 7, com as equações (28) e (29), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potência média do circuito, referente apenas ao resistor. Importante notar, que o ângulo da impedância é positivo, onde este é referente a defasagem entre a tensão e corrente. E como mostra na figura 2, este ângulo positivo equivale a um fator de potencia atrasado, onde a corrente esta atrasada 53° da tensão. Importante observar também que no circuito possui potencia média e reativa, pois, possui resistores e indutores, como mostra nas equações (29) e (30). Assim, a potencia complexa possui tanto a parte real como a imaginária, como mostrado na equação (32). UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 11 POTÊNCIA MONOFÁSICA Agora para a associação 3R//1C, com três resistores em paralelo em serie com um capacitor, como mostrado na figura 8, calcula-se os valores pedidos. Figura 8: circuito 3R//1C Fonte: (AUTOR, 2020) Calculando a impedância equivalente Zeq 1 𝑍𝑒𝑞 = ( 1 100 + 1 −88,41𝑗 ) = 66,23∠ − 48,52°Ω (33) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑍𝑒𝑞 = 80 66,23∠−48,52° = 1,20∠48,52°𝐴 (34) Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 1,20. cos(−48,52°) = 63,36𝑊 (35) Calcula-se a potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 1,20. 𝑠𝑖 𝑛(−48,52°) = −72𝑣𝑎𝑟 (36) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 1,20 = 96𝑉𝐴 (37) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), 𝑆 = 63,36 − 72𝑗 (38) Comparando os valores medidos na figura 8, com as equações (34) e (35), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potência média do circuito, referente apenas ao resistor. Importante notar, que o ângulo da impedância é negativo, onde este é referente a defasagem entre a tensão e corrente. E como mostra na figura 2, UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 12 POTÊNCIA MONOFÁSICA este ângulo negativo equivale a um fator de potência adiantado, onde a corrente está adiantada 48,52° da tensão. Importante observar também que no circuito possui potência média e reativa, pois, possui resistores e um capacitor, como mostra nas equações (35) e (36) respectivamente. Assim, a potência complexa possui tanto a parte real como a imaginária, como mostrado na equação (38). Agora para a associação 3R//2L//1C, com três resistores em paralelo em serie com dois indutores em paralelo e um capacitor como mostrado na figura 9, calcula-se os valores pedidos. Figura 9: circuito 3R//2L//1C Fonte: (AUTOR, 2020) Calculando a impedância equivalente Zeq 1 𝑍𝑒𝑞 = ( 1 100 + 1 75,4𝑗 + 1 −88,41𝑗 ) = 98,15∠11,04°Ω (39) Calculando a corrente IRMS do circuito, 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑖𝑛 𝑍𝑒𝑞 = 80 98,15∠11,04° = 0,81∠ − 11,04°𝐴 (40) Agora calcula-se a potência média, aplicando a equação (2), 𝑃 = 80. 0,81. cos(11,04°) = 63,50𝑊 (41) Calcula-se a potência reativa, aplicando a equação (5), 𝑄 = 80. 0,81. 𝑠𝑖 𝑛(11,04°) = 12,31𝑣𝑎𝑟 (42) Calcula-se a potência aparente aplicando a equação (3), 𝑆 = 80. 0,81 = 64,8𝑉𝐴 (43) Calcula-se a potência complexa aplicando a equação (4), UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 13 POTÊNCIA MONOFÁSICA 𝑆 = 63,50 + 12,31𝑗 (44) Comparando os valores medidos na figura 9, com as equações (40) e (41), percebe-se que são equivalentes, onde nota-se que o wattímetro é um instrumento que mede a potênciamédia do circuito, referente apenas ao resistor. Importante notar, que o ângulo da impedância é positivo, onde este é referente a defasagem entre a tensão e corrente. E como mostra na figura 2, este ângulo positivo equivale a um fator de potência atrasado, onde a corrente está atrasada 11,04° da tensão. Importante observar também que no circuito possui potência média e reativa, pois, possui resistores, indutores e capacitores como mostra nas equações (41) e (42) respectivamente. Assim, a potência complexa possui tanto a parte real como a imaginária, como mostrado na equação (44). Então já feitas todas as associações no simulador e calculado todos os valores pedidos, percebe-se que a potencia ativa nas equações (16) e (23) são nulas, pois não possui nenhuma carga resistiva para absorver energia. Agora, comparando a parte imaginaria da equação (44) com as equações (12), (19), (26), (32), (38), observa-se que ela é positiva como as equações (19) e (32), provando ter uma carga predominantemente indutiva, ao contrário das equações (26) e (38) que possui a parte imaginaria negativa. E em relação a equação (12), percebe-se que ela não possui parte imaginária, pois o circuito não possui nenhuma carga reativa, ou seja, indutor ou capacitor. Então com todos os valores obtidos, montou-se a seguinte tabela 1, para melhor interpretação dos resultados. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 14 POTÊNCIA MONOFÁSICA Tabela 1: determinação da potência complexa Condição de carga Tensão (V) I (A) S (VA) P (W) Q (Var) Potência Complexa 3R 80 0,8 64 64 0 64 + 0j 2L 1,06 84,8 0 84,8 0 + 84,8j 1C 0,90 72 0 -72 0 - 72j 3R//2L 1,33 106,4 63,84 84,97 63,84 + 84,97j 3R//1C 1,20 96 63,36 -72 63,36 - 72j 3R//2L//1C 0,81 64,8 63,50 12,31 63,50 + 12,31j 4. PÓS-LABORATÓRIO 1) Calcule o fator de potência para cada configuração montada no simulador; R. Utilizando a equação (6) nas associações de circuito, calcula-se o fator de potência para cada circuito. • 3R 𝐹𝑃 = 64 64 = 1 (45) • 2L 𝐹𝑃 = 0 84,8 = 0 (46) • 1C 𝐹𝑃 = 0 72 = 0 (47) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 15 POTÊNCIA MONOFÁSICA • 3R//2L 𝐹𝑃 = 63,84 106,4 = 0,6 (48) • 3R//1C 𝐹𝑃 = 63,36 96 = 0,66 (49) • 3R//2L//1C 𝐹𝑃 = 63,5 64,8 = 0,98 (50) 2) Desenhe o diagrama fasorial de cada circuito montado no simulador e o seu respectivo triângulo de potência. R. • 3R Figura 9: Diagrama fasorial do circuito 3R Fonte: (AUTOR, 2020) Não possui triangulo de potência, pois esta associação não possui potência reativa. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 16 POTÊNCIA MONOFÁSICA • 2L Figura 10: Diagrama fasorial do circuito 2L Fonte: (AUTOR, 2020) Não possui triangulo de potência, pois esta associação não possui potência média. • 1C Figura 11: Diagrama fasorial do circuito 1C Fonte: (AUTOR, 2020) Não possui triangulo de potência, pois esta associação não possui potência média. UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 17 POTÊNCIA MONOFÁSICA • 3R//2L Figura 12: Diagrama fasorial do circuito 3R//2L Fonte: (AUTOR, 2020) Figura 13: Triângulo de potência do circuito 3R//2L Fonte: (AUTOR, 2020) • 3R//1C Figura 14: Diagrama fasorial do circuito 3R//1C UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 18 POTÊNCIA MONOFÁSICA Fonte: (AUTOR, 2020) Figura 15: Triângulo de potência do circuito 3R//1C Fonte: (AUTOR, 2020) • 3R//2L//1C Figura 16: Diagrama fasorial do circuito 3R//2L//1C Fonte: (AUTOR, 2020) Figura 17: Triângulo de potência do circuito 3R//2L//1C Fonte: (AUTOR, 2020) UFC – Campus Sobral – Engenharia Elétrica 19 POTÊNCIA MONOFÁSICA 5. CONCLUSÃO Concluiu-se que nos circuitos AC, existem as potências média, reativa, aparente e complexa. Onde através delas podem-se tirar conclusões sobre o fator de potencia do circuito, e saber se é atrasado ou adiantado. Observou-se que os circuitos puramente resistivos não possuem potência reativa e que os circuitos puramente indutivos ou capacitivos não possuem potência média. Mas para circuitos que possuem ambos elementos (resistores, capacitores e indutores), a potência complexa é a mais completa para o entendimento. Pois nela possui a parte real com a potência ativa e a parte imaginária com a potência reativa. Em relação ao fator de potência dos circuitos, percebeu-se que quando o ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão é positivo, o fator de potencia é atrasado caracterizando um circuito indutivo. Mas quando o ângulo de defasagem é negativo, o fator de potência é adiantado caracterizando um circuito capacitivo. E quando o fator de potencia é unitário, caracteriza-se um circuito resistivo. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALEXANDER, Charles K.; SADIKU, Matthew N. O.. Fundamentos de circuitos elétricos. 5. ed. New York: Bookman, 2013. 894 p. HAYT, Jr., W.H., KEMMERLY, J.E. Análise de Circuitos em Engenharia. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1973.
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