Texto2-introducaocircuitosca

  • June 2020
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Intr. Circ. Corrente Alternada

® Clever Pereira / UFMG

Eletrotécnica – TEXTO Nº 2 Introdução aos Circuitos de Corrente Alternada

1. INTRODUÇÃO 1.1. GRANDEZAS MAGNÉTICAS n Intensidade de Campo Magnético (H) (LEI DE AMPERE) i

G G v∫ H .d A = ienv ⇒ H .2π r = i

r

G JG G H , B, φ

H =

o Densidade de Campo Magnético (B) B = µ0 H =

µ0 ⋅ i (t ) 2π r

⎡⎣ Wb/m 2 ⎤⎦

p Fluxo Magnético (φ) φ = B. A =

µ0 A ⋅ i (t ) 2π r

1 de 17

[ Wb]

1 2π r

⋅ i (t )

⎡ A.e ⎤ ⎢⎣ m ⎥⎦

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1.2. LEI DE FARADAY A lei de Faraday diz em uma linguagem mais simples que “se o fluxo enlaçado por uma bobina estiver variando no tempo, vai aparecer nos terminais desta bobina uma tensão, que tenderá a fazer circular uma corrente, que irá criar um outro fluxo de sentido contrário, de tal forma que este outro fluxo vai tender a compensar a variação do fluxo original”. Em uma linguagem matemática esta lei pode ser descrita por

v (t ) = −

d λ (t ) dt

Nesta equação aparece uma nova grandeza magnética denominada enlace de fluxo λ(t). De uma forma geral, o enlace de fluxo é definido pelo fluxo que atravessa a bobina, multiplicado pelo seu número de espiras. A figura abaixo explica o funcionamento da geração de tensão em uma bobina devido à variação do enlace de fluxo criado por uma outra bobina. Este equipamento recebe o nome de transformador de potência e é extensamente utilizado em sistemas elétricos de potência. H (t ) = H m cos (ω t + δ )

i (t ) = I m cos (ω t + δ )

i(t) + N

v(t) –

i (t ) = I m cos (ω t + δ )

B (t ) = µ H = Bm cos (ω t + δ )

φ (t ) = B ⋅ A = φm cos (ω t + δ )

Área da Seção Transversal

λ (t ) = N φ = N φm cos (ω t + δ ) 2 de 17

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Desta forma tem-se que

d λ (t ) d d = − [ N φ (t ) ] = − [ N ⋅ A ⋅ Bm cos(ω t + δ ) ] = dt dt dt = N ⋅ A ⋅ Bm ⋅ ω sen(ω t + δ ) = 2π f ⋅ N ⋅ A ⋅ Bm sen(ω t + δ )

v (t ) = −

ou seja

v (t ) = Vm sen(ω t + δ ) A expressão anterior mostra que a tensão “induzida” em uma bobina devido à corrente em outra bobina está atrasada de 90° em relação à corrente que a induziu.

1.3. GERAÇÃO DE TENSÃO SENOIDAL A obtenção de uma f.e.m. senoidal pode ser explicada com o auxílio de um gerador elementar formado por um campo magnético que se movimenta e enlaça uma bobina estacionária. ω

φq

φ

rotor a

α

φd

a'

Gerador Elementar

3 de 17

eixo aa'

estator

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No gerador elementar, o ângulo α é dado pelo produto da velocidade angular ω pelo tempo, ou seja, α = ω t. Assim, pela lei de Faraday tem-se que    

e=−

dλ dφ = −N dt dt

O fluxo φ é formado por duas componentes. Uma primeira componente φd, perpendicular à bobina, e uma segunda componente φq , paralela à bobina, onde

⎧ φd = φ cos α ⎨ ⎩ φq = φ senα Apenas a primeira componente produz f.e.m, uma vez que somente ela enlaça a bobina aa’. Desta forma, a f.e.m. criada será dada por

dφ d d = − N (φ cos α ) = dt dt d = − N (φ cos ω t ) = N ω φ senω t dt

e (t ) = − N

Como N, ω e φ são grandezas constantes, pode-se escrever finalmente que

e (t ) = Em senω t

(1)

Em = N ω φ

(2)

onde

Esta f.e.m. criada por este gerador elementar é senoidal, de freqüência angular ω, valor médio nulo e valor eficaz dado por Em /√ 2. 4 de 17

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1.4. VALOR MÉDIO DE SINAIS SENOIDAIS O valor médio de um sinal periódico é definido por T

1 y = ∫ y (t ) dt T0 Para uma senóide tem-se que y (t ) = Ym sen(ωt + δ )

Assim T

1 y = ∫ Ym sen(ω t + δ ) dt T0 Fazendo uma mudança de variável dada por

x =ωt +δ Então

dx = ω dt ⇒ dt =

dx

ω

Também percebe-se que quando

⎧t = 0 ⎨ ⎩t = T



⎧x = δ ⎨ ⎩x = ω T + δ

Substituindo na equação anterior do valor médio fica

1 y= T

ωT +δ

∫δ

(

Ym sen x

dx

ω

=

(

Ym − cos x ωT

)

ωT +δ δ

)=

Ym Y δ cos x ωT +δ = m [ cos δ − cos(ωT + δ )] = ωT ωT Y = m {cos δ − [ cos(ωT )cos δ − sen(ωT )sen δ ]} ωT =

5 de 17

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Mas

ωT = 2π Então

y=

Ym {cos δ − [cos(2π )cos δ − sen(2π )sen δ ]} ωT

Ou finalmente que

y=

Ym ( cos δ − cos δ ) = 0 2π

Ou seja, o valor médio de um sinal senoidal é nulo.

1.5. VALOR EFICAZ DE SINAIS SENOIDAIS (VALOR RMS) O valor eficaz (rms – root mean square) de um sinal periódico é definido por T

1 2 y (t ) dt ∫ T0

Yef = Y =

Para uma senóide tem-se que y (t ) = Ym sen(ωt + δ )

Assim T

Yef =

1 2 Y sen t dt = ω + δ ( ) [ ] m T ∫0 6 de 17

Ym2 T sen2 (ω t + δ ) dt ∫ T 0

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Sabe-se que

cos 2a = cos(a + a) = cos a cos a − sen a sen a = = cos 2 a − sen 2 a = (1 − sen 2 a ) − sen 2 a = = 1 − 2sen 2 a Então sen 2 a =

1 − cos 2a 2

Desta forma

Yef = =

Ym2 T

T

Ym2 2T

T



1 − cos ⎡⎣ 2 (ωt + δ ) ⎤⎦ 2

0

dt =

∫ ⎡⎣1 − 2cos ⎡⎣2 (ωt + δ )⎤⎦ ⎤⎦ dt 0

Fazendo a mesma mudança de variável anterior dada por

x =ωt +δ Então

dx = ω dt ⇒ dt =

dx

ω

e

⎧t = 0 ⎨ ⎩t = T



⎧x = δ ⎨ ⎩x = ω T + δ 7 de 17

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Substituindo na equação anterior do valor médio fica Yef = =

=

Ym2 2T

ωT +δ



δ

dx ⎡⎣1 − 2cos ( 2 x ) ⎤⎦ = ω

sen ( 2 x ) Ym2 ⎡ ⎢t −2 2ωT ⎢ 2 ⎣

ωT +δ

δ

⎤ ⎥ = ⎥⎦

ωT +δ Ym2 = ⎡⎣ t − sen ( 2 x ) ⎤⎦ δ 2ωT

{

}

Ym2 ⎡(ωT + δ ) − sen ( 2 (ωT + δ ) ) ⎤⎦ − [δ − sen 2δ ] 2ωT ⎣

=

ou seja Yef =

Ym2 ⎡ωT + sen 2δ − sen ( 2 (ωT + δ ) ) ⎤⎦ = 2ωT ⎣

=

Ym2 ⎡ωT + sen 2δ − ( sen 2ωT cos 2δ + cos 2ωT sen 2δ ) ⎤⎦ = 2ωT ⎣

=

Ym2 ⎡ωT + sen 2δ − ( sen 4π cos 2δ + cos 4π sen 2δ ) ⎤⎦ = 2ωT ⎣

=

Ym2 [ωT + sen 2δ − sen 2δ ] = 2ωT

Ym2 ωT = 2ωT

Ym2 Y = m 2 2

Ou finalmente

Yef =

Ym 2

= 0,707 Ym

Ou seja, o valor eficaz de um sinal senoidal é seu valor máximo dividido por √2.

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1.6. TENSÃO EFICAZ (RMS)

Vef =

T

1 T

2 v ∫ (t ) dt = 0

Vm 2

1.7. CORRENTE EFICAZ (RMS)

I ef =

T

1 T

2 i ∫ (t ) dt = 0

Im 2

1.8. REVISÃO DE NÚMEROS COMPLEXOS Representação de uma variável complexa Z no Plano Complexo Im (Z)

b |Z|

δ a

Re(Z)

ƒ Forma Exponencial (Fórmula de Euler)

Z = Z e jδ = Z ( cos δ + j sen δ ) = Z cos δ + j Z sen δ onde

j = −1 9 de 17

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ƒ Forma Cartesiana

Z = a + jb

⎧⎪ a = Z cos δ ⎨ ⎪⎩b = Z sen δ

onde

ƒ Forma Polar

Z = Z ∠δ

onde

⎧ Z = a2 + b2 ⎪ ⎨ b ⎪δ = arctg a ⎩

ƒ Propriedades Úteis Sejam duas variáveis complexas Z1 e Z2 dadas por sua notação polar ⎧⎪ Z 1 = Z1 ∠θ1 = a1 + j b1 ⎨ ⎪⎩ Z 2 = Z 2 ∠θ 2 = a2 + j b2

Para estas variáveis complexas valem as seguintes propriedades:  Z 1.Z 2 = Z1 . Z 2 ∠θ1 + θ 2  Z 1 = Z 1 ∠θ − θ 1 2 Z 2 Z2  ( Z 1 )n = Z1 n ∠nθ1  ( Z 1 )1 n = Z1 1 n ∠θ1 n  ( Z 1 )* = Z1 ∠ − θ1 = a1 − j b1  Z 1⋅Z1* = ( a1 + j b1 ) ⋅ ( a1 − j b1 ) = a12 + b12 = Z 1 2 10 de 17

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1.9. REPRESENTAÇÃO FASORIAL DE UMA ONDA SENOIDAL Chama-se fasor  o vetor de módulo |Â|, que gira com uma velocidade angular ω no plano complexo. A figura abaixo mostra o fasor  fotografado no instante t = 0, tal como ele é representado.

FASOR

⎧ ⎪⎪ ⎨ ⎪ ⎪⎩

Im

Aˆ = | Aˆ | e j (ω t +θ 0 )

(

Â

Im (Â)



Aˆ = | Aˆ | e jθ 0

)

ω

|Â|

θ0

e jω t

Re (Â) Re

Utilizando a fórmula de Euler para uma onda de tensão senoidal tem-se que

[

]

v (t ) = Vm cos (ω t + δ ) = ℜe Vm e j (ω t +δ ) = ℜe

[ (V

m

[ ]

]

)

e jδ e jω t = ℜe Vˆm

Ou seja, para se conhecer v(t), basta então conhecer seu valor de pico Vm, seu ângulo de fase δ e sua freqüência angular ω. Desta forma, pode-se associar v(t) à projeção de um fasor sobre o eixo real, ou seja ℑm

⎧⎪ | Aˆ | → Vˆm = Vm ⎨ ⎪⎩ θ 0 → δ

ω

( )

ℑm Vˆm

Vˆm δ

( )

ℜe

ℜe Vˆm

Na verdade a freqüência angular ω não precisa ser indicada, ficando implícita sua existência. Desta forma, para se conhecer a onda v(t) basta conhecer o fasor no instante t = 0. 11 de 17

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1.10.

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NOTAÇÕES PARA UM FASOR

É adequado (mais tarde será mostrado o por quê) considerar o módulo do fasor associado à onda v(t) como o valor eficaz desta onda e não como o seu valor de pico. Esta nova abordagem não causa perda de informação uma vez que se conhece a relação entre o valor de pico e o valor eficaz de uma onda senoidal. Este novo fasor é conhecido como “fasor RMS” ou “fasor EFICAZ”. Assim

[

]

⎡ ⎛ V ⎞⎤ v(t ) = Vm cos (ω t +δ ) = ℜe Vm e j (ωt +δ ) = ℜe ⎢ 2 ⎜ m e j (ωt +δ ) ⎟⎥ = ⎠⎦ ⎣ ⎝ 2 = ℜe 2 V e j (ωt +δ ) = ℜe 2 Vˆ

[ (

)]

ef

[

ef

]

É prática comum não indicar a natureza eficaz deste novo fasor, uma vez que este tipo de fasor é o mais utilizado. Desta forma o subscrito “ef” é retirado da notação, resultando

v(t ) = ℜe

(

)

2 Vˆef = ℜe

(

2 Vˆ

)

Assim pode-se associar v(t) a um fasor eficaz Vˆ , ou seja

(

v(t )

)

(

)

Vˆ = Vef e jδ e jω t = V e jδ e jω t

Desta forma, a onda senoidal v(t) pode ser representada por um fasor RMS através de três notações distintas, a saber: Ve



NOTAÇÃO EXPONENCIAL

V ( cos δ + j sen δ )

NOTAÇÃO CARTESIANA

V ∠δ

NOTAÇÃO POLAR

ℑm ω

()

ℑm Vˆ

Vˆ = V δ

()

ℜe Vˆ

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ℜe

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Também é prática comum não representar o fasor com o chapéu, mas sim apenas com a letra associada à grandeza elétrica em CA, resultando

v ( t ) = ℜe

(

2 Vef

) = ℜe (

2V

)

Exercício: Calcular v1(t)+v2(t) sendo

v1 = 25cos(ωt + 135°) e v2 = 12 cos(ωt − 30°) Os fasores (eficazes) V1 e V2 associados serão

V1 =

25 2

∠135° e V2 =

12 2

∠ − 30°

Somando resulta em

V = V1 + V2 = 17,678∠135° + 8, 485∠ − 30° = 9,758∠122° Cuja onda no tempo associada é

v = 2 ⋅ 9,758cos(ωt + 122°) = 13,8cos(ωt + 122°)

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2. CIRCUITOS RESISTIVOS EM CA 2.1. Excitação Senoidal I

i(t)

R.i

v(t)

R.I

V

R

R









+

+

+

+

2.2. Gráfico

2.3. POTÊNCIA EM CIRCUITOS CA Seja o par de grandezas elétricas senoidais dado por ⎧v(t ) = Vm cos ω t ⎨ ⎩i (t ) = I m cos (ω t −θ )

ℑm

ω

Vˆ θ

Vm ⎧l = ∠0 V ⎪ 2 ⎪ ⎨ ⎪ I = I m ∠ − θ ⎪⎩ 2



14 de 17

ω

ℜe

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 Potência Instantânea

s ( t ) = v ( t ) . i ( t ) = Vm . I m . cos ω t cos (ω t − θ ) = = Vm . I m . cos ω t [ cos ω t cos θ + sen ω t sen θ ] = = Vm . I m . ⎡⎣ cos 2 ω t cos θ + cos ω t sen ω t sen θ ⎤⎦ = ⎡ ⎛ 1 + cos 2 ω t ⎞ ⎛ sen 2 ω t ⎞ ⎤ = Vm . I m ⎢cos θ . ⎜ + sen θ . ⎟ ⎜ ⎟⎥ = 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎦ ⎣ =

=

Vm . I m ⎡cos θ . (1 + cos 2 ω t ) + sen θ . ( sen 2 ω t ) ⎤⎦ = 2 ⎣ Vm I m 2

2

⎡⎣cos θ . (1 + cos 2 ω t ) + sen θ . ( sen 2 ω t ) ⎤⎦ =

= Vef I ef cos θ (1 + cos 2 ω t ) + Vef I ef sen θ ( sen 2 ω t ) = 



p (t )

q (t )

= V I cos θ (1 + cos 2 ω t ) + V I sen θ ( sen 2 ω t ) 



p (t )

q (t )

Vê-se que a potência instantânea s(t) em circuitos CA é formada por dois termos: o primeiro termo p(t) possui freqüência angular 2ω e valor médio P dado por

P = Vef I ef cos θ = V I cos θ = P 15 de 17

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Este termo recebe o nome de potência ativa e retrata uma potência efetivamente entregue (ou absorvida) e é em geral representada apenas pela letra P. O segundo termo também possui freqüência angular 2ω, mas valor médio nulo. Isto indica que nada é efetivamente entregue (ou absorvido). Em razão de possuir valor médio nulo, sua identificação é feita pelo seu valor de pico, dado por

Qm = Vef I ef sen θ = V I sen θ = Q Este segundo termo recebe o nome de potência reativa e é representada normalmente pela letra Q. Dentre outros, a potência reativa é muito importante, principalmente no estabelecimento de campos eletromagnéticos em máquinas elétricas (rotativas ou estacionárias), campos estes necessários para a operação adequada destas máquinas, bem como no estabelecimento de perfis de tensão na transmissão de energia elétrica. Pode-se associar a estes dois termos uma potência complexa S dada por S = P + j Q = V I cos θ + j V I sen θ = V I ( cos θ + j sen θ ) = V I e j θ = ( V e j 0 ) ( I e j θ ) = Vˆ . Iˆ*

A equação anterior mostra a principal razão para se utilizar os fasores eficazes e não os fasores valores máximos, pois os primeiros permitem a obtenção de uma expressão simples para o cálculo do valor médio P de p(t) e do valor de pico Q de q(t), através de uma nova grandeza denominada potência complexa S. A figura a seguir mostra a representação gráfica desta nova grandeza no plano polar através do chamado triângulo das potências, onde o ângulo θ, que antes tinha sentido negativo , pois se tratava do ângulo da corrente em relação à tensão, passa a ter sentido positivo, em razão do conjugado aplicado à corrente na expressão da potência complexa S. 16 de 17

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ℑm

ω

Vˆ θ



Q ℜe

S Q

θ

ω

P

Assim, se em corrente contínua (CC) a potência dissipada em um resistor era calculada por

v2 P = v ⋅i = R ⋅i = R 2

em corrente alternada (CA) a potência dissipada em um resistor é conhecida como potência média e dada por

P = P = ℜe (V ⋅ I * ) = V I cos θ = V I cos 0 = V ⋅ I Ou também

P = P = ℜe (V ⋅ I * ) = ℜe ⎡⎣( R ⋅ I ) ⋅ I * ⎤⎦ = R ⋅ I * ⎡ ⎤ V V ⎛ ⎞ * P = P = ℜe (V ⋅ I ) = ℜe ⎢V ⋅ ⎜ ⎟ ⎥ = R ⎢⎣ ⎝ R ⎠ ⎥⎦

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