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CEFET-MG CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA<br />
DE MINAS GERAIS<br />
<strong>Apostila</strong><br />
ANÁLISE DE CIRCUITOS.EM<br />
CORRENTE AL TERNADA<br />
2° módulo<br />
Curso: Eletrôn ica<br />
o rganização: Prof. José Antônio<br />
Belo Horizónte -<br />
2006<br />
Rosa
DEFINIÇÕES GERAIS<br />
Tensão e Corrente Variáveis: são aquelas cujos valores variam com o tempo.<br />
Tensão e Corrente Periódicas: são as variáveis cujos valores repetem<br />
periodicamente ao longo do tempo.<br />
Tensão e Corrente Alternadas: são as periódicas com polaridade variáveis.<br />
Um sinal alternado ( tensão ou corrente) recebe a denominação genérica de CA<br />
(corrente alternada) ou AC ( alternate current).<br />
Ondas são as tensões ou correntes alternadas periódicas.<br />
*<br />
Forma de Onda é o gráfico que representa a onda.<br />
Geradores de CA ou Alternadores são sistemas elétricos que produzem um sinal CA<br />
por meios eletromecânicos.<br />
Geradores de Áudiofreqüência (AF), Geradores de Rádiofreqüência (RF) e os<br />
Conversores CC-CA são équi~ámehto~ eletrônicos que produzem um sinal CA a partir<br />
de um sinal CC (corrente contínua).<br />
Símbolos:<br />
2<br />
TENSÃO E CORRENTE ALTERNADAS<br />
Gerador de Tensão QA Gerador de Corrente CA<br />
+<br />
Anãlise de circuitos em corrente Alternada<br />
Obs.: Embora a tensão alterne a sua<br />
polaridade e a corrente alterne seu<br />
sentido periodicarnente são<br />
representadas por setas unidirecionais,<br />
considerando que todo circuito possui<br />
um ponto de referência para as<br />
Prof.: José Antônio Rosa
_________________________________ ~ í~ (c. ~€ ~ç<br />
CEFET-MG CENTRO FEDERAL bE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA<br />
DE MINAS GERAIS<br />
<strong>Apostila</strong><br />
~ ANÁLISE DE CIRCUITOS EM<br />
CORRENTE AL TERNADA<br />
r<br />
~<br />
~<br />
ç:J<br />
2° módulo<br />
Curso: Eletronica<br />
Organização: Prof. José Antônio Rosa<br />
Belo Horizónte -<br />
2006
DEFINIÇÕES GERAIS<br />
2<br />
TENSÃO E CORRENTE ALTERNADAS<br />
Tensão e Corrente Variáveis: são aquelas cujas vaiares variam com o tempo.<br />
Tensão e Corrente Periódicas: são as variáveis cujos valores repetem<br />
periodicamente ao longo do tempo.<br />
Tensão e Corrente Alternadas: são as periódicas com polaridade variáveis.<br />
Um sinal alternado ( tensão ou corrente) recebe a denominação genérica de CA<br />
(corrente alternada) ou AC ( alternate current).<br />
Ondas são as tensões ou correntes alternadas periódicas.<br />
Forma de Onda é o gráfico que representa a onda.<br />
Geradores de CA ou Alternadores são sistemas elétricos que produzem um sinal CA<br />
por meios eletromecânicos.<br />
Geradores de Áudiofreqüência (AF), Geradores de Rádiofreqüência (RF) e os<br />
Conversores CC-CA são equi~ámerilo~ eletrônicos que produzem um sinal CA a partir<br />
de um sinal CC (corrente contínua).<br />
Símbolos:<br />
Gerador de Tensão QA Gerador de Corrente CA<br />
+<br />
Dbs.: Embora a tensão alterne a sua<br />
polaridade e a corrente alterne seu<br />
sentido periodicamente são<br />
representadas por setas unidirecionais.<br />
considerando que todo circuito possui<br />
um ponto de referência para as<br />
tens6ns<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Exemplos de formas de onda de tensões periódicas.<br />
v(t)<br />
As formas de onda das tensões senoidal e quadrada são negativas, ou estão abaixo do<br />
3<br />
~:~!<br />
-T 04 2Tt<br />
,4~ A ,A~<br />
,I~ , ‘<br />
,<br />
,<br />
, .<br />
1<br />
1’<br />
‘,<br />
~<br />
~<br />
,<br />
1<br />
1<br />
-T -T12 O<br />
1<br />
T/2 T 3T12 2T t<br />
v(t)<br />
1 ~ 1<br />
-T12 9 T/2 TI ST/2 t<br />
—— %~<br />
‘<br />
v(t)<br />
( 3T/4 T<br />
-T -TI2~ o<br />
eixo dos tempos para metade de cada período. Durante este tempo, as tensões<br />
correspondentes têm polaridades opostas às polaridades de referência. Acima do eixo<br />
dos tempos, elas possuem as mesmas polaridades que as referências (positivas).<br />
As formas de onda de corrente seguem às de tensão.<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada<br />
1<br />
r<br />
Dente de Serra<br />
Triangular<br />
Q uad rad a<br />
Senoidal<br />
Prof.: José Antônio Rosa
Ondas Senoidais<br />
4<br />
ONDAS COSSENOIDAIS E SENOIDAIS<br />
Sistema básico de um alternador ou gerador de CA para gerar uma tensão<br />
senoidal<br />
Eixo de<br />
N<br />
5<br />
Principio de Funcionamentq.<br />
E<br />
condutor A da bobina<br />
anéis coletores<br />
condutor 8 da bobina.<br />
O enrolamento e consequentemente os condutores giram (desenho à seguir),<br />
acionados por energia mecânica, com velocidade angularrn em [rad Is]. O ângulo e<br />
varia com. o tempo t, em [si, conforme a expressão e = cot. Portanto afluxo magnético<br />
(p), também varia com o tempo.<br />
O valor da tensão alternada induzida segundo a lei de Faraday é proporcional a<br />
variação do fluxo magnético v=_N~!l. Logo a tensão induzida varia de zero quando o<br />
condutor ‘A” está na horizontal, para um valor máximo, quando o condutor está na<br />
vertical.<br />
No tempo t= O s o condutor está na horizontal (referência) e a tensão induzida v é<br />
zero. Ela começa aumentar até atingir o ri-iáximo no tempo t t2. De t2 até t4 v<br />
decresce até zero, pois o condutor “A” girou 180°. A partir de t4 v inverte sua<br />
polaridade em relação a referência e decresce até atingir seu valor máximo negativo<br />
em t6 com 8 270°. A partir de t6 v cresce e retorna a zero em t8 com e = 360°,<br />
completando-se assim um ciclo. A partir daí inicia-se um novo ciclo.<br />
v(t)<br />
84 =1800 B graus<br />
radianos.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Parâmetros:<br />
Ciclo —> é a menor parte que não se repete em uma forma de onda periádica.<br />
Período (T) da onda —* é o tempo de duração de um ciclo da onda.<br />
5<br />
Freqüência (f) —> é o número de ciclos por segundo, ou seja, o número de vezes por<br />
segundo que~~<br />
A unidade de freqüência é ciclos por segundo, chamado de hertz. [Hz].<br />
Relação entre período e freqüência.<br />
f=1/T<br />
Os valores da tensão induzida varia segundo a expressãc{ v(t) = Vm senø = Vm sen~wt)<br />
Vm ou Vp = valor máximo ou valor de pico ou amplitude:<br />
seri —> indica um onda senoidal.<br />
cot é o argumento.<br />
-2—<br />
co é a freqüência radiana, velocidade angular ou freqüência angular. Unidade no SI: -~<br />
[rad Is].<br />
~- t<br />
As freqüências f e co estão relacionadas por co = 2icf. ) ~ ~iT~.\ -<br />
Cor~versão de radianos em graus e graus em radianos~~<br />
1 [radj radiano é o ângulo subentendido por um arco na circunferência de um círculo, se<br />
o arco tem um comprimento igual ao raio.<br />
irad -r<br />
360° - 27tr ~ 1 rad = 360°I2it = 180°Iit = 5730<br />
Logo ic[rad]180°<br />
Exemplos: 1) vi = 20 sen (377t) IV].<br />
Argumento = 377t<br />
Valor de pico ou amplitude é Vm= Vp 20V, porque o valor máxima de sen 377t é um.<br />
Freqüência radiana ou freqüência angular ou velocidade angular co = 377 rad/s o que<br />
corresponde a f = co/2n =~f377/2n 60 Hz.<br />
Período T= 1/60 = 16,7ms.<br />
2) v2 = 20 sen (377t + 30°) [V].<br />
argumento = 377t ÷ 30° Obs.: Para somar os dois termos devem ser convertidos na<br />
mesma unidade graus ou radianos. -<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Fase de um Sinal Alternado<br />
6<br />
Um sinal alternado não precisa ser, necessariamente, zero no instante t = O. Isso<br />
significa que ele pode iniciar o seu ciclo adiantado ou atrasado de um intervalo ál,<br />
chamado de fase iniciaLou simplesmente fase e. Logo as expressões para esses sinais<br />
[v(t) Vm sen co:;t +0v) ou<br />
Exemplos:<br />
Sinal adiantado ( O positivo<br />
v(t)<br />
Vm<br />
Dv<br />
-vm<br />
Á<br />
Li~o = lp s~ (wt - ei)<br />
Relação entre fases, Diferença entre fases ou Defasagem<br />
Duas ondas senoidais ou cossenoidais de mesma freqüência têm relação entre fases<br />
determinadas pela diferença angular entre os seus argumentos, para isso as amplitudesdeven,<br />
possuir o mesmo sinal e serem ambas senoidais ou ambas cossenoidais.<br />
Exemplos de formas de ondas defasadas<br />
a) vl(t) = 20 sen (377t) lvi.<br />
b) v2(t) = 20 sen (377t ~ 300) ~~/J<br />
c) v3(t)= 20 cos (377) [V].= 20 sen (377ti-90°) [V].<br />
20<br />
Análise<br />
-20<br />
20<br />
-20<br />
20<br />
o<br />
~tí 99Õ<br />
900 180* 2700<br />
i(t)<br />
Ip<br />
-Ip<br />
16,7<br />
Sinal atrasado ( O negativo<br />
16,7<br />
2t<br />
360°<br />
o 12,5 16,7<br />
ei<br />
[ms]<br />
cot [radj<br />
[graus]<br />
t[msj<br />
t [ms]<br />
Prof.: José Antônio Rosa
7<br />
Exemplos: 1) v2 = 20 sen (377t+30°)V e vi = 20 sen(377t)V.(ver formas de onda figuras<br />
aebanterior. •1<br />
~~ ~o ~ ~b<br />
Ambas possuem a mesma f~qüência angular co= 377 rad Is e, portanto a mesma<br />
freqüência<br />
-~ f = 377 / 2t. Logo a relação entre fases entre v2 e vi é dada por (377t+30°- 377t) =<br />
~ 30°, ou estão<br />
300 defasadas, Os 300 é o ângulo de defasagem.<br />
Diz-se que v2 está avançada ou avança vi de 300, ou vi está atrasada ou atrasa v2 de<br />
3Q0<br />
2) v3 = 20 cos (377t)V e vi = 20 sen (377t)V (ver formas de onda figuras a e c<br />
acima)<br />
v3 = 20 cos (377t)V = 20 sen (377t + 90°)V logo o ângulo de defasagem = 90°.<br />
Conclusão: v3 avança vi de 900 ou vi atrasa v3 de 90°.<br />
Observações1 Quando a diferença de fase for 0° as ondas estão em fase.<br />
Quando vi e v2 estão defasadas de 180°, o ângulo de defasagem ~ de 180°, como<br />
mostrado abaixo.<br />
Pela relação trigonométrica sen(x ± 180°) = - sen x.<br />
Ondas Cossenoidais<br />
• São indicadas por cos.<br />
• Possuem formas de onda do mesmo formato que as formas de onda senoidais mas<br />
estão avançadas 90° ou n12 radianos. Ver gráfico figura “c “ anterior. Observa-se,<br />
comparando as formas de onda das figuras “c” e “a” anteriores, que os valores da<br />
onda cossenoidal v3 ocorrem um quarto de período mais cedo do que aqueles<br />
correàpondentes da onda senoidal vi.<br />
• Alguns autores denominam de ~L~óides às ondas senoidais, cossenoidais e<br />
senoidais e cossenoidais defasadas.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
Prof.: José Antônio Rosa
Exemplos: 1) Calcular os períodos das tensões periódicas de freqüências:<br />
a) f=12kHz~T<br />
4,2 x 106<br />
238ns<br />
—<br />
— 12x<br />
=83,3us<br />
2) Calcular as freqüências da corrente periódica que tem T= 5045.<br />
1 =20kHz<br />
50 x 10—6<br />
3) Calcular o período e a freqüência de uma tensão periádica que tem 12 ciclos em<br />
46 ms.<br />
~= 12 =261Hz<br />
46 < 1 o~<br />
8<br />
T=~_=3,83ms<br />
.4) Achar a expressão para a forma de onda periódica mostrada a seguir<br />
v(t)<br />
12<br />
-12<br />
co =27;. f =<br />
s~i<br />
-1<br />
/ 60x10<br />
55 t(ms)<br />
A forma de anda passa por zero e cresce<br />
positivamente. Logo é uma senoidal defasada<br />
v = Vm sen(cot+O) V. -<br />
(1/4)T= l5ms ~ T = 4 x l5ms = 60 ms.<br />
O valor máximo ou de pico ou amplitude<br />
Vm=12V<br />
lOSrad/s<br />
b) f = 4,2 MHz<br />
notempot= -5 ms tem-se V(-Sms)= 12 sen(105 .~—5x103+ 9)= 0,<br />
logo (-O,525÷9)=Oentão ~ ~ ~jjz ~.<br />
9=0,525 rad.=~.r=(18o° 0,S25)/wr,~r=3oo__~6 ~4:. ~<br />
Portanto v(t) 12 s&i ( 105t + 300) V 12 sem (105 t + n16) V.<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada<br />
\-~ ~ ~ e zC,s~;ïí~J<br />
Cp ( .~<br />
- :~ ~ ~j C<br />
- . . )<br />
‘Cc’.JL<br />
1’ -<br />
~] 4~<br />
Prof.; José Antônio Rosa
Valor Médio - É<br />
9<br />
VALORES MÉDIOS E EFICAZES<br />
o quociente entre a área de uma onda periádica e o tempo durante<br />
um período. A área é aquela compreendida entre a forma de onda e o eixo dos tempos.<br />
As áreas~ deradas positivas e abaixo negativas. A<br />
área total é a soma algébrica das duas. Logo, o valor médio de uma onda senoidal e<br />
cossenoidal é zero em um período. Mas para alguns fins, no cálculo do valor médio<br />
dessas ondas usa-se 2/ir ou 0,637 do valor dcp, que corresponde a média de um<br />
21910 PP-~JtiYQ-<br />
A média de uma função periódica y(t) de período T é dada pela expressão:<br />
3’med +5~Y(t.~1t<br />
Exemplo: 1) Calcqlar o valor médio de uma t~nsão senoidalLQ~fflQ?4?4Q2!i~SO42,<br />
que tem um pico de 12V. Essa onda consiste apenas em meios ciclôs positivos da<br />
tensão senoidal. Ela é zero durante os semiciclos negativos.<br />
12V<br />
2) Calcular os valores médios das formas de onda a seguir:<br />
a)<br />
vi [VI<br />
b)<br />
5<br />
o<br />
v2[V1<br />
8<br />
Vmed=4,<br />
1<br />
o<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
T 2T<br />
t<br />
Pela definição: Para um sinusóide completo<br />
teremos: Vn,ed = (2/ir) . 12 = 7,64V.<br />
Para metade do sinusóide teremos -<br />
Vmed 7,64V/2 = 3,82V.<br />
A forma de onda da tensão<br />
senoidal está sobre uma tensão<br />
constante de 3V.<br />
O valor médio é o valor da área<br />
hachúrada [área sob o sinusóide<br />
mais área sob o retângulo (3V x<br />
T)] dividido pelo período T. Visto<br />
que a área sob o sinusóide é<br />
zero, o valor médio é constante<br />
3 V sob o retângulo.<br />
O valor médio é a área sob a forma de onda<br />
(hachurada) dividida pelo período. Logo:<br />
De t=Os até T/2 a área será (T/2) x 8 = 4T<br />
De t=T/2 até T a área será T/2 xi = O,5T.<br />
Portanto a área total será: 4,ST.<br />
Logo o valor médio (4,5T) 1 T 4,5 V<br />
Prof.: José Antônio Rosa
Valor Eficaz, Efetivo ou RMS de Corrente ou Tensão Periódicas<br />
Símbolos: Vef, Vrms ou V e lef, lrms ou 1.<br />
I0<br />
O valor eficaz ou RMS’ (Root Mean Square ou Raiz Média Quadrática) corresponde ao<br />
valor de uma tensão ou corrente alternadas, que se fosse aplicado a uma resistência<br />
elétrica, dissiparia uma potência média, em watt, igual ao valor numérico de uma<br />
tensão ou corrente contínuas aplicado à mesma resistência.<br />
Considere uma,função temporal periódica y(t) Seu valoreficaz é: Yrms=41__1y2(t).cit j1T<br />
vTo<br />
Para sinais alternados senoidais ou cossenoidais, a expressão do valor eficaz pode ser<br />
convertida para o domínio angular, considerando o período T equivalente a 2t rad, ou<br />
seja:<br />
Yrms= I—f<br />
i<br />
y2(e)•de. Considerando a tensão v(9)= Vm.cos(e), a fórmula de seu<br />
~2it ~<br />
valor eficaz pode ser deduzida:<br />
v=. /-J_21tv 2 ~cos2(Q).d0= /Vm2 (2it sen4icOsen0’~ JV2~<br />
~2u0 m ~2~tÇ2 4 2 4) V2n<br />
Os valores eficazes<br />
cossenoidais são os<br />
amperímetros de CA.<br />
alternados de tensão e correntes senoidais e<br />
indicados, respectivamente, pelos voltímetros e<br />
Exemplo: 1) Calcular a tensão de pico numa tomada elétrica cujo valor medido é 120V.<br />
120V ~ o valor eficaz da tensão senoidal na tomada.<br />
v±.V/r~V =V-~=12O.~~v~17ov<br />
Exercícios propostos:<br />
3)Calcular o período e<br />
261 Hz<br />
4) Encontre o período,<br />
abaixo:<br />
12<br />
12<br />
de sinais<br />
valores<br />
__i~1) Calcular os períodos das tensões periódicas que têm freqüências de: a- 0,2Hz<br />
4,2MHz<br />
Resp: a) 5s;. b) 83,3gà; c) 238 ns<br />
2) Calcular as freqüências das correntes periódicas que possuem períodos de:<br />
42ms c-lh<br />
a) 20kHz; b)23,8 Hz; c) 0,278mHz<br />
v(V<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
t(ms)<br />
Prof.: José Antônio Rosa<br />
b-I2KHz c<br />
a- 5Ops b<br />
a freqüência de uma tensão periádica com 12 ciclos em 46ms. Resp.:<br />
a freqüência e o número de ciclos mostrados para a onda mostrada<br />
j
5) Dado o gráfico de uma tensão em função do tempo a seguir, pede-se:<br />
a) período em ms;<br />
b) freqüência em Hz;<br />
c) o valor de pico ou máximo em vo.lts;<br />
d) o valor eficaz Vef ou Vrms em volts;<br />
e) a potência média dissipada sobre um resistor de 11(0 em mW;<br />
f) o valor da tensão no tempo t = 3Oms. Resp.: 2092V<br />
v(V)<br />
11<br />
6) Converter os seguintes ângulos em graus para ângulos em radianos: a- 490 b- 1300 c- 4350<br />
a) 0,855 rad; b) -2,27 rad c) 7,59 rad<br />
7) Converter os seguintes ângulos em radianos para ângulos em graus: a- 3-~—rad b- — 0,562rad<br />
c- 4rad<br />
Resp.: a) 10° b) -32,2° c) 229<br />
8) Encontre o período e a freqüência das correntes senoidais que possuem as sebuintes<br />
2 freqüências radianas: a- 9mad/s b- 0,O42rad/s c- l3Mrad/s Resp.: a) 0,222s; b)<br />
iSca c)0,483~s<br />
9) Encontre a amplitude e a freqüência de: a- 42,lsen(377t + 30°) b- —6,39 cos(i o5 t — 20°)<br />
Resp.: a) 60Hz b) 159 kHz<br />
10) Calcular a freqüência de uma onda senoidal de tensão que tem um• pico de 45V e que aumenta<br />
continuamente de 0V em t = O seg. Para 24V em t = 46,2niseg. Resp.: 1,94 Hz<br />
11) Uma onda cossenoidal de tensão fem um pico de 20V em t = O seg. e se esta tensão demora um<br />
mínimo de 0,123 seg. para diminuir de 20V para 17V, calcular a tensão em t = 4,12 seg. Resp.:<br />
193V<br />
12) Se 43,7V é a tensão de pico induzida no condutor de um alternador, calcular a tensão induzida<br />
depois que o condutor girou através de um ângulo de 430 em relação a sua posição horizontal.<br />
Resp.:29,8V<br />
13) Se o condutor de um alternador está girando em 400Hz e se a tensão induzida tem um pico de<br />
23V, calcule a tensão induzida 0,23 mseg depois que o condutor passar por sua posição vertical.<br />
Resp.: 19,2V<br />
14) Calcule: a- v 200x sen[33931 +~]. V e b- 1 = 67 x cos(3016t — 42°). mÁ em É =1,lms<br />
Resp.: a) -172V; b) -56,9 mA.<br />
15) Esboce um ciclo de v 30 x sen(754t + 60°). V para o período iniciando em Oseg. Indique as<br />
três unidades da abscissa — tempo, radianos e graus.<br />
16) Calcular as relações de fases para os seguintes pares de senóide:<br />
17) a- V= 6xsen(30t—40j’Vi i =sen[301_}mÁ Resp.:v avança i em 20°<br />
b- vl=._8xsen(40t_80°>V v2=_lOxsen(40t_50°).V Resp.: vi atrasav2 em 30°<br />
c- i1=4xcos(70.t—40°)~fl1A , i2=_óxcos(70t+80°).mA. Resp.: ii avançai2em 60°.<br />
d- v = 150 cos(377t +45°)V, e 1 4,55 sen(377t ÷ 45°)A Resp. : v avança i em 90°.<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
12<br />
ANÁLISE MATEMÁTJCA.DE SINAIS ALTERNADOS<br />
Revisão de Álgebra Complexa e Fasores<br />
Os números complexos<br />
imaginários.<br />
são formados pelos números reais e os números<br />
Números Imaginários são como os reais comuns. Os números imaginários foram<br />
inventados quando se tornou necessário ter números que fossem raízes quadradas<br />
de números negativos.<br />
Utiliza-se a representação<br />
ji=~/ET Togo j2=~CT.<br />
Regras para operações matemáticas com<br />
• Soma e subtração. j3 + j9 = j1 2;<br />
• Multiplicação e divisão.<br />
Imaginário x Imaginário = Real : j2 . j6 = -12;<br />
Real x Imaginário = Imaginário: 3 . j5 = JI 5;<br />
Imaginário! Imaginário = Real: j8 /j4=2;<br />
Real / Imaginário e Imaginário [Real = Imaginário:<br />
Potenciação<br />
j2 = -1~ pois j2 = = —1;<br />
Números Complexos na Forma Retangular<br />
Exemplos: 3 + j4;<br />
do número imaginário a letra i senda<br />
números imaginários.<br />
j4 . (-j3) = 12; -j5 . (-j4) =j5 . j4 = -20<br />
-j5,5 .(4)=-j22,0<br />
j3 = j2~ ~1 -i i4 =yil)=y-i)=1<br />
t ~‘<br />
Real Imaginária<br />
Essa é a melhor forma para somar e subtrair números complexos.<br />
Representação no Plano Complexo.<br />
2° Quadrante<br />
3° Quadrante<br />
-4 +<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
6 - j8<br />
j12,5-j3,5=jg,o j6,25-j8,4=-j2,15<br />
4~j2<br />
~20) 1 (-uDO) = -0,2<br />
016)14=14; 20/(j5)=-4<br />
1° Quadrante<br />
-2 - j3 4° Quadrante<br />
Números complexos<br />
conjugados.<br />
4 ~- j2 conjugado de 4-j2<br />
ou vice-versa<br />
Prof.: José António Rosa
Operações Matemáticas<br />
• somaesubtração:(3+j4)+(2+j6)5+i1O;(3+i7)-(4-i2)-l +j9<br />
• Multiplicação:(2+j4)x(3+j4)6+i8+i12-16-1O+J20<br />
(3+j4)(3-j4) = 9 + 16 = 32 + 42 = 25<br />
• Divisão:<br />
1O+j24 (10+j24)x(è—j4)<br />
6+j4 (6 +j4)(6 —j4)<br />
13<br />
156 +j104 156 +j104<br />
— 62+42 — 52<br />
Números Complexos na Forma Polar e Exponencial<br />
A e~9 = A ze —. forma polar<br />
t forma exponencial<br />
Exemplos: 4 e~5° = 4/45°; — 8e~60° = —8/60°<br />
3 +j2<br />
A = Módulo do N°. Complexo<br />
II<br />
O = Ângulo<br />
e = 2,718 n° de Euler (base do logarítmo natural ou<br />
neperiano)<br />
As formas polar e exponencial são as melhores formas para multiplicar e dividir.<br />
Representação no Plano Complexo<br />
Ae~° =AZ9<br />
7 e~30~ = 7/30°<br />
Relações Trigonométricas<br />
Eixo Imaginário<br />
coso=(x/A) =~x=A . cose =7. cos3O°=~x=6,06<br />
senø=(yIA)=’ y=A.senO=7.sen30°~’y3,5<br />
A2 =x2 ~y2 ~A=4x2 ÷~2<br />
sen O<br />
tgO= cos O<br />
x +jy= 6,06 +j3,5<br />
Eixo real<br />
tg9=~:. tg9=X~ o = tg’ sendo “ y” imaginário e “x” real.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
x<br />
7<br />
y<br />
Prof.: José Antônio Rosa
Conversão da forma polar ou exponencial na forma retangular<br />
Identidade de Euler:<br />
14<br />
Ae~° =A/9—A.cosø+jA.senø<br />
Ex’ A e~0 =A /0 =A.cosü +jA.senø (forma geral)<br />
7 e~30° = 7/30° = 7. cos 3Q° + j7 sen3O° = 6,06 + j3,5<br />
Conversão da forma retangular em polar ou exponencial<br />
Exemplo: Dada a forma retangular 6,06 ÷ 1 3,5 converter nas formas polar e<br />
exponencial.<br />
Módulo: A=Jx2 ~2 :.A=,J6,062 ~352 .‘.A~~J4~:.A=7<br />
Ângulo: tge=X~e=tg_1(X)~e=tg~~j]:.e=ioo<br />
Logo 6,06 +j 3,5 = 7/30°=7e~30°<br />
x +j y = AL0=A&° formageral<br />
Operações Matemáticas<br />
• Multiplicação:<br />
Sejaniosn°.complexos: Ae~0 e<br />
A e B e ~= AB ~j(9+P) ~. AZO • BL~ = A.azo + f3<br />
Exemplo: (3/25°) x (4L~6O0 = 3.4 L25°+(-60°) = 12L-35°<br />
• Divisão:<br />
Ae3e÷BaeJ1~=~e ~(~ç~) A/O ~~/9~J3<br />
B B/~B<br />
Exemplo: (81/45°) (3/16°) (81+3) L45°-16°) 27 /29°<br />
Os números complexos conjugados - partes reais iguais e imaginárias iguais em<br />
módulo e sinais contrários ( ângulos iguais em módulo e sinais contrários).<br />
4L<br />
jS ._~ 6+j5=7,81 /39,80<br />
X~ ~39,80<br />
-j5 .., N~ 6-j5 7,81/-39.8°<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
o<br />
Representações Temporal, Fasorial e Complexa de um Sinal CA<br />
15<br />
Um sinal alternado senoidal pode ser convertido diretamente nas representações<br />
fasorial e complexa equivalentes.<br />
Mas, se a sua expressão for cossenoidal, ela deve ser convertida em senoidal por<br />
meio da identidãdõ tii~onométrica cos x =sen(x+9Q°) antes das conversões.<br />
Exemplos:<br />
Temporal: Forma de Onda: Expressão : v(t) = 20. ‘~J5 sen(377t+30°) V<br />
v(t)[V]<br />
20j~<br />
14,14<br />
-20<br />
Fasor - E’ um número complexo associado a uma onda senoidal defasada.<br />
Usaremos V e 1 em negrita ou “e para os simbolos fasoriais de tensão e corrente.<br />
O fasor correspondente a onda v(t)~ 20. 45 sen(377t+30°) V será V = 20 /30° V.<br />
o módulo do fasor é o valor(eficaz(rms) do sinal alternado senoidal e seu ângulo<br />
é a fase da onda senoidal defasada.<br />
Exemplo: A expressão senoidal para a corrente de freqüência f =<br />
representada pelo fasor 1 = 0,439 /-27° A será i(t) = 0,621 sen(754t - 27°)<br />
=lmi -.J~ =0,439 ~ lm=0,439. -.J~ =0,621 A<br />
e ~=2.~.f=2.~.120~ ~-754rad/s<br />
Notações:<br />
• 1 = 1 = 1 representam o módulo do fasor<br />
• Alguns autores utilizam o valor de pico para o módulo dos fasores tensão e<br />
corrente, que correspondem às ondas cossenoidais.<br />
• VeV* representam o conjugado de um n°. complexo.<br />
• É errado expressar 3/30° 34’~sen(ot+30°), mas 3/30D= 3J~sen(øt+30°).<br />
Fasores podem ser expressos na forma polar, retangular (algébrica) ou em<br />
qualquer uma das formas de números complexos.<br />
Nem todos os números complexos são fasores.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
[rns]<br />
120 Hz<br />
A, pois, 1<br />
Prof.: José António Rosa
o<br />
O<br />
O<br />
O<br />
o<br />
o oooo<br />
16<br />
Fasorial: Diagrama Fasorial ou Diagrama do Fasor<br />
Tensão Eficaz:<br />
Fase:<br />
co = 377 radls<br />
20V<br />
30° adiantada<br />
20V<br />
ref<br />
Complexa: V = 20/30° co = 377 rad/s<br />
Im<br />
20V<br />
‘~Re<br />
Adição e Subtração entre Sinais CÁ.<br />
rad/s<br />
Consideremos duas tensões senoidais de mesma freqüência:<br />
via). = 141 .sen (377t + W4)V<br />
v2a) = 99 sen (377t + 5W6)V<br />
Vi = 100V; 01 = 45°<br />
V2 =70V;02=150°<br />
Essas operações podem ter resoluções descritas à seguir:<br />
Vi=1 00/ 45°[V]<br />
V2=70/150 °[Vj<br />
Temporal Gráfica - É necessário que os gráficos das formas de onda estejam em<br />
escala para que as formas de onda resultantes possam obtidas pela adição e<br />
pela subtração de diversos valores instantâneos, como rfrnstram as figuras a<br />
seguir:<br />
Adição Gráfica: va(t) = vi(t) + v2(t)<br />
v(t) N<br />
150<br />
100<br />
50<br />
-50<br />
-100<br />
-150<br />
vi<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa<br />
t(ms)
Subtração Gráfica : vb(t) = vi(t) - v2(t)<br />
-50<br />
-100<br />
-150<br />
-200<br />
• Temporal Analítica<br />
Para realizar essas mesmas operações analiticamente, é necessário utilizar<br />
identidades trigonométricas, tornando os cálculos muito trabalhosos. A seguir são<br />
mostrados os resultados após os desenvolvimentos matemáticos:<br />
Adição analítica:<br />
5it/6) =~<br />
v(t) [V<br />
150<br />
100<br />
50<br />
o<br />
Va(Q = vi(t) + v2a,) ~ Va = 141 seri(377t + it/4) + 99sen(377t +<br />
Va = 150,2 sen(377t ÷ 1,48 mci) = 150,2 sen(377t + 84,6°) V<br />
Subtração analítica:vb(t) = via) - v2(t) ~ Vb = 141 sen(377t - irJ4) - 99sen(377t + 5it/6)<br />
~ vb = 192,5 sen(377t + 0,27 rad) = 192,5 sen(377t + 15,21°) V<br />
Resolução por Composição Fasorial<br />
Adição Gráfica: Va = VI + V2<br />
Subtração Gráfica: Vb = VI - V2<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
vb<br />
V2 150’<br />
17<br />
Vay Va<br />
v2x Vax Vi<br />
V2 150’<br />
vi<br />
vi VI<br />
Ref.<br />
V2y vbx<br />
-v2<br />
t(ms)<br />
Vb<br />
Ref.<br />
Prof.: José Antônio Rosa
Resolução por Números Complexos<br />
Consideremos os fasores Vi e V2 na forma complexa.<br />
18<br />
Adição analítica: Va = VI + V2 ~ Va = 100/45° + 70/160° ~ Va = 70,7-bj70,7 + (-<br />
60,62 + 135)<br />
Va = 10,08 ±j105,7 => Va = 106,18/84,6°f’.’].<br />
Subtração analítica:<br />
Vb = VI - V2 =~ Vb = 100/45° - 70/150° ~ Vb = 70,7+ j70,7 -(-60,62 + j35)<br />
Vb = 131,32 + j35,7 z~ Vb = 136,09/1 5,21°[V].<br />
Convertendo Vb em vb(t): vb(t) = 192,5 sen(377t+15,21°) [VJ = 192,5 sen(377t+Q,27<br />
rad)tV]<br />
Observações: -.<br />
• As operações podem ser realizadas com mais segurança e de modo mais prático<br />
por meio dos números complexos.<br />
• Após os cálculos as forma~ de onda poderão ser representadas, para se ter<br />
noção do que será visualizado no osciloscópio.<br />
• A adição e subtração de sinais alternados ( tensão e corrente ) de mesma<br />
freqüência co produzem como resultado a mesma grandeza elétrica e com a<br />
mesma freqüência co. Portanto, os operadores e o resultado da operação podem<br />
ser rêpresentados em um mesrho diagrama fasorial.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Resistor<br />
19<br />
RESPOSTAS DO RESISTOR, CAPACITOR E INDUTOR EM CORRENTE<br />
ALTERNADA<br />
A seguir é representada a resposta temporal do resistor quando submetido a uma<br />
tens ão<br />
v(t) = Vm sen (cot+O°) V<br />
O resistor quando submetido a uma tensão alternada possui um comportamento<br />
ôhmico resistivo e não reage às vailações da tensão como acontece com o capacitor<br />
e indutor. A sua resistência é uma constante R em ohms [Qj, independente da<br />
velocidade de variação da tensão aplicada, ou seja, de sua freqüência.<br />
v(t)<br />
Temporal<br />
v(t)<br />
Vm<br />
iR(t)<br />
lRm<br />
vR<br />
iR(t)<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada<br />
+<br />
vR(t)<br />
T<br />
t<br />
t<br />
Devido a isso, a tensão e a corrente<br />
estão sempre em fase no resistor,<br />
ou seja, O°v = 09.<br />
A corrente iR(t) no resistor<br />
acompanha a tensão da fonte v(t) ou<br />
vR(t), como mostram as figuras ao<br />
lado.<br />
Portanto, num circuito puramente<br />
resistivo, a defasagem<br />
e°v -<br />
e°i= o~.<br />
Prof.: José Antônio Rosa
20<br />
Análise Matemática do Comportamento do Resistor em CA.<br />
Se um resistor de R ohms tem uma tensão v = Vm sen (cot + 90) sobre ele, segundo<br />
a lei de Ohm teremos i = vIR = (Vm/R) sen (ot + 0°).<br />
(VmIR) = Im é o valor máximo ou de pico da corrente sobre o resistor.<br />
A potência instantânea dissipada pelo resistor é:<br />
p = v.i = [Vm sen(cot÷0)]x [Im sen(cot+e)]= Vm ~Im sen2(o~t +0).<br />
A potência de pico é pm = Vm Im ocorre sempre que sen2(cot + 0) = ±1.<br />
Temos sen2x=(1—cos2x)/2.<br />
Logo a expressão da potência instantânea é:<br />
Vm.Im Vm.Im<br />
2 — 2 .eos(2o~t+20)<br />
Vrnlm . .<br />
O valor medio e Pmed= 2 pois a potencia media do 2° termo e igual a zero.<br />
Capacitor<br />
O capacitor e o indutor reagem às variações de corrente e tensão sobre eles. Por<br />
isso são, considerados dispositivos reativos. São, ainda, duais pois têm<br />
comportamentos opostos em relação à variação da tensão e corrente.<br />
A oposição (reação) às variações de corrente no capacitor e no indutor é<br />
denominada reatância X, cuja unidade é o ohm [~2].<br />
No capacitor, a reatância Xc surge devido à capacidade de armazenamento de<br />
cargas, de modo que a tensão entre as suas placas não atinge o valor máximo<br />
instantaneamente.<br />
Quando ocorre uma variação de tensão sobre o capacitor inicialmente varia a<br />
corrente e em seguida varia tensão.<br />
Quanto mais brusca a variação da corrente, menor é a reatância capacWva Xc.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
21<br />
A seguir é representada a resposta temporal do<br />
tensão<br />
v(t) = Vm sen (oat+O°) V.<br />
+<br />
Temporal<br />
v(t)<br />
Vm<br />
ic(t)<br />
cm<br />
vc<br />
ic(t)<br />
90°L.4_ T/2<br />
Análise de Circuitos em corrente Alternada<br />
+<br />
vc (t)<br />
t<br />
capacitor quando submetido a uma<br />
A corrente do capacitor está<br />
adiantada em relação a tensão<br />
em 900, ou a corrente avança a<br />
tensão em 90~.<br />
A corrente ic(t) no capacitor<br />
acompanha a tensão da fonte v(t),<br />
como mostram as figuras ao lado.<br />
Portanto, num circuito puramente<br />
capacitivo, a defasagem<br />
0°v - 001= ~9Q0•<br />
Prof.: José Antônio Rosa
- Análise Matemática do Comportamento do Capacitor em CA.<br />
22<br />
Se um capacitor de C farads tem uma tensão v = Vm sen (cot + 9°) sobre ele, terá<br />
ic(t) = = c. d[Vm . senQnt + e)]<br />
uma corrente dada por dt dt<br />
ic(t) = (DCVm. cos(0t + o) = cOCVm.SenQnt + o + 9o°)<br />
O valor máximo ou de pico da corrente sobre o capacitor (Im).<br />
= coCVm~ .YE!~ =~ (Vmflm) é o valor da reatância capacitiva ‘Xc’.<br />
‘m (DC<br />
A expressão da reatância capacitiva é x0 = —1-- ou = Unidade ohm [C2].<br />
(DC oC<br />
O sinal negativo refere-se a defasagem da corrente em relação a tensão.<br />
A potência instantânea absorvida pelo ‘capacitor é:<br />
p =•v.i = [Vm sen(oyt + O)] x [Im cos(cot + 9)] = Vm Im sen (cot + O). cosQot + e)<br />
mas 2sen(x).cos(x)=sen2x.<br />
• Vrn~Im<br />
Logo p = vi = 2 .sen (2cot+20). ou p = VRMSJRMS sen (2cot+29)<br />
A potência média absorvida pelo capacitor é zeiã~ Em um período o capâcitor libera<br />
a mesma energia que ele absorve<br />
Indutor<br />
A oposição (reação) às variações de corrente no indutor é denominada reatância X,<br />
cuja unidade é o ohm [C2j.<br />
No indutor, a reatância XL surge devido a oposição às variações de corrente que<br />
circula no mesmo, com o objetivo de opor às variações do campo magnético no seu<br />
interior.<br />
Quando ocorre uma variação de tensão sobre o indutor, inicialmente varia a tensão<br />
e em seguida varia a corrente.<br />
Quanto mais brusca for a variação da tensão, maior é a reatância indutiva XL.<br />
Análise de Circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
23<br />
A seguir é representada a resposta temporal do indutor quando submetido a uma<br />
tensão<br />
v(t) = Vm sen (cot+9°) V.<br />
+<br />
v(t)<br />
Temporal<br />
v(t)<br />
vm<br />
1L(t)<br />
vL<br />
1L(t)<br />
Análise de Circuitos em corrente Alternada<br />
+<br />
vL(t)<br />
T12 t<br />
t<br />
A corrente no indutor está<br />
atrasada em relação a tensão em<br />
900, ou a tensão avança a corrente<br />
em 900.<br />
A tensão vL(t) no indutor<br />
acompanha a tensão da fonte v(t),<br />
como mostram as figuras ao lado.<br />
Portanto, num circuito puramente<br />
indutivo, a defasagem<br />
e0v - 9°i 900.<br />
Prof.: José Antônio Rosa
• Análise Matemática do Comportamento do Indutor em CA.<br />
24<br />
Se um indutor de L henry tem uma corrente i = Im sen (0t + 0°) passando por ele,<br />
terá uma tensão dada por: -<br />
vL(o=L.~_=L.[md~~<br />
VL (t) = Lci)I~.cos(o)t + e)= wLlmsen(wt + e +90°)<br />
O valor máximo ou de pico da tensão sobre o indutor (Vm) é:<br />
V ~-<br />
V,~ =úLIm~—~-=cL, (Vm/Im) é o valorda reatânciaeapasltWa’XL’.<br />
A expressão da reatância indutiva é XL = coL. Unidade ohm [fli.<br />
A potência instantânea absorvida pelo indutor é:<br />
p =v.i = [Vm cos(cot + 0)]x [Im sen(cot + 0)] = Vm Im sen (cot + e). cosQot + o)<br />
mas 2sen(x).cos(x) = sen2x.<br />
Vm•Im<br />
Logo p = vi = 2 . sen (2cot + 20). ou p = VRMS ~‘RMS sen (2wt + 20)<br />
Um indutor excitado senoidalmente absorve potência média zero, pois o valor médio<br />
de uma senóide é zero.<br />
Quando a senóide for positiva o indutor absorve energia e quando for negativa o<br />
indutor devolve a energia absorvida ao circuito e funciona como fonte. Num período<br />
ele libera tanta energia quanto absbrve.<br />
Exercícios resolvidos:<br />
1) A tensão sobre um único componente de um circuito é v = 40 sen(400t + 10°)<br />
V e a corrente-que passa por ele é i = 34,1 sen (400t + 10°) mA.<br />
a) Identificar o componente.<br />
b) Calcular o seu valor.<br />
Solução:<br />
a) A corrente e a tensão estão em fase, logo o componente é um resistor.<br />
b) R=Vm/lm R= 4Q ~ R=1,17kQ.<br />
34,1x103<br />
(é-) ~ /‘<br />
Análise de circuftos em Corrente Alternada •- Prof.: José Antônio Rosa
25<br />
2) A tensão sobre um resistor de 62 (2 é v = 30 sen(377t + 300) V. Calcular:<br />
a) A corrente que circula sobre o resistor.<br />
b) A potência média absorvida por ele.<br />
a) Im = (Vrfl/R) ~ Im = 30/62 ~ Im = 0,484A =,i = 0,484 sen(377t + 30°)A<br />
b) Pmrl = (1/2). (Vm2/ R) ~ Pm = (1/2). (302)162 ~ Pm = 7,26W.<br />
3) Calcule a corrente eficaz que passa sobre um capacitor de 0,1 iF e que tem 200V<br />
eficaz em 400Hz sobre ele.<br />
1m (Vm /Xc) ~ 1 =(lm 1 ~.J5J) ~ 1 = [(Vm)/(1/coC)] +<br />
= (Vm/~J~). coC ~ 1 = 200 x 2jt.400 x 0,1 x106 ~ 1 = 50,3 mA.<br />
4) A tensão v = 30 sen (200irt+30°)V está sobre um capacitor que tem reatância de 62<br />
(2. Mostrar a expressão da corrente.<br />
Im = Vm/Xc ~‘ Im = 30/62 =‘lm = 0,484 A<br />
A corrente está adiantada em relação a tensão em 90°, logo a expressão da corrente<br />
será:<br />
= 0,484 sen (2007tt+30°+90°)A ~ i = 0,484 cos(200ict+30°)A<br />
5) Calcular a tensão eficaz sobre um indutor de 30 mH que tem um corrente de 40 mA e<br />
60 Hz passando por ele.<br />
A corrente eficaz é 4OmA.<br />
Vm=XL.lm =~(Vm/4~)Om/.~h).oxL V=l.coi<br />
V = 4ox10~.2..n.G0.30x103 ~ V = 0,452V<br />
6) A tensão v = 30 sen (200itt + 30°) V está sobre um indutor que tem uma reatância de<br />
62 (2. Determinar a expressão da corrente no indutor.<br />
Vm=XL. lm =, Im=Vm/XL 1m30/62 =~‘ Im =0,484A.<br />
No indutor a corrente está atrasada em relação a tensão em 90°, portanto a<br />
expressão da corrente será:<br />
= 0,484 sen (200itt + 30°-90°) = 0,484 sen (200~’tt - 60°) A<br />
7) Abaixo estão escritos três pares de expressões de tensão e corrente de três circuitos<br />
diferentes alimentados por tensões alternadas. Cada um deles tem ou resistor ou<br />
capacitor ou indutor. Identifique e escreva o circuito resistivo puro, indutivo puro ou<br />
capacitivo puro, por meio de seus pares de expressões e justifique.<br />
Circuito a) v = 150 sen(377t -it/6)V ei 4,55 sen(377t + 60°)A.<br />
Diferença entre fases: (377t - 30°) - (377t + 60°) - 900. v atrasa i e.m 90° ~ Circuito<br />
Capacitivo Puro<br />
Circuito b) v = 150 cos(377t +45°)V e i 4,55 sen(377t + 45°)A.<br />
Passando v para a forma senoidal: v = 150 sen(377t + 45°+90°) 150 sen(377t + 135°)<br />
Diferença entre fases: (377t + 135°) - (377t + 45°) 90°. v adianta i em 90° ~ Circuito<br />
Indutivo Puro<br />
Circuito c) v 150 cos(377t +itI4)V e i = 4,55 cos(377t + 45°)A.<br />
Diferença entre fases: (377t + 45°) - (377t + 45°) = 0° . v em fase com i.~ Circuito Resistivo<br />
Puro<br />
Anãlise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Exercícios Propostos<br />
26<br />
1) calcule a potência média absorvida por um componente de uni circuito que tem uma tensão v<br />
= 10V aplicada sobre ele quando uma corrente i = 5 + 6cos33t A circula por ele. Resp.:<br />
50W.<br />
calcule os valores máximo e mínimo da corrente. Resp. lmax = 1 lA, mm. = -1 A.<br />
2) Calcule a condutância de um resistor que tem uma tensão v= 50,lsen(200itt + 30°)V sobre<br />
ele quando uma corrente = 6,78 sen(200tt + 30°)mA circula por ele. Resp.:1 35 jiS<br />
3) Calcule a corrente sobre um resistor de 33 kQ, se a tensão sobre ele é<br />
v150 cos(377t+45°)~~’~ Resp.:i = 4,55 cos(377t +45°)mA.<br />
4) Calcular a potência média absorvida por um resistor de 910 f2 que uma tem uma corrente<br />
= 9,76 sen(754t - 36°) passando por ele. Resp.:43,3 mW<br />
5) Calcular a leitura de um amperímetro de corrente alternada que está em série com um<br />
resistor de 4700 e que tem uma tensão v = 150 cos(377t + 30°)V sobre ele. Resp.: 226<br />
mA.<br />
6) Calcular a freqüência na qual um capacitor de 0,1j.tF e um indutor de 120 mH têm a mesma<br />
grandeza de reatância. Resp.:1 45kHz<br />
7) calcular a capacitância de um capacitor que solicita 150 rnA quando ligado a uma fonte de<br />
tensão de 400 Hz e 100V. Resp.:0,597 1.zF<br />
8) Calcular as correntes que passam por capacitor de 0,5 1.tF para as tensões do capacitor de:<br />
a) v = 190 sen(377t + 1 5°)V; b) v = 200 cos(1 000t - 40°)V<br />
Resp.:a) i = 35,8 cos(377t + 1 5°)mA b) i = 0,1 cos(l000t + 50°) A<br />
9) Calcular as tensôes sobre um capacitor de 2p.F para as correntes de a) i = 7 sen(754t + 1 5°)mA e<br />
b) i = 250 cos( 10~ t - 30°)mA. Resp.: a) v = 4,64 sen (754t-75°)V, b) v = 125 sen(103t -30°)<br />
V<br />
10) Calcular a corrente rms que passa por um indutor de 80 mH que tem l2OVrms e 60Hz sobre ele.<br />
Resp.:3,98 A<br />
11) Calcular as correntes que passam num indutor de 500 mH para as tensões no do indutor de:<br />
a) v = 170 sen(400t + tI6)V e b) v = 156 cos(1 000 + 1 0°)V.<br />
Resp.:a) i = 0,85 sen(400t - 60°)A, b) i = 0,312 sen(l000t + 10°)<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada - Prof.: José Antônio Rosa
27<br />
IMPEDÂNCIA- ANÁLISE DE CIRCUITO SÉRIE EM CA<br />
Na análise de um circuito de corrente alternada, os fasores da tensão<br />
são usados com resistências e reatáncias, da mesma maneira que<br />
corrente são usadas com resistências na análise de um circuito<br />
contínua.<br />
e da corrente<br />
a tensão e a<br />
de corrente<br />
O circuito original de corrente alternada no domínio do tempo é transformado<br />
em um circuito no domínio da freqüência.<br />
Características de um circuito no domínio da freqüência:<br />
> Usa -se fasores de tensão e corrente ao invés de correntes e tensões<br />
~ Troca-se as indutâncias e capacitâncias pela suas respectivas<br />
indutivas e iDy!s~.<br />
~ As resistências permanecem inalteradas.<br />
~ Na análise de circuitos CA, resistências e reatâncias combinam-se<br />
maneira com que os resistores se combinam numa análise de circuito<br />
contínua.<br />
> Todos os conceitos da análise de circuitos em CC se aplicam<br />
àircuitos CA no domínio da freqüência, mas são usados números<br />
invés de números reais.<br />
Elementos de circuito no domínio da freqüência<br />
Resistores<br />
No domínio do tempo:<br />
v(t) = Vm sen(cot + O) V<br />
No domínio datreqüência:<br />
Relação entre o fasor tensãb e o fasor corrente:<br />
• R.Im~90<br />
v~Ji<br />
• iEzeo<br />
Representação Fasorial<br />
+<br />
~X=R<br />
1<br />
Ref.<br />
VR V<br />
iR(t) =Im sen(cot + O) A<br />
senoidais.<br />
reatâncias<br />
da mesma<br />
de corrente —<br />
a análise de<br />
complexos ao<br />
+<br />
vR(t) = Rim sen(ot + O) V<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
• Indutores:<br />
No domínio do tempo:<br />
v(t) = Vm cos(o* + e) V<br />
No domínio da freqüência:<br />
Relação entre o fasor tensão e o fasor corrente no indutor:<br />
. .<br />
No circuito v(t) = VL(t) ~ V = Vi<br />
xLImZOO900<br />
VL= ‘Ji~<br />
28<br />
= X~Z9O°Ç2 = coLZ9O°fl —* forma polar<br />
IL<br />
mas coL/90°fl = coL(cos900 + jsen9O°) = joLf2 = JXL<br />
IL<br />
b~JcÜLQJX<br />
Representação Fasorial<br />
VLj<br />
a Capacitores:<br />
No domínio do tempo:<br />
—* forma retangular<br />
IL<br />
v(t) Vm cos(cot + O) V<br />
XLIm<br />
Ref.<br />
1m sen(cot + O) A<br />
Im ZO0+9O0~~O0<br />
+<br />
vL(t) = XLIm cos(cot + O) V ~<br />
v(t) = XLIm sen(cnt + O+9O°)V<br />
1m cos(cot + e) A coCVm sen((cot + e + 9Q0) A<br />
+<br />
vC(t) Vm sen (cot + O) V<br />
Análise de Circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
No domínio da freqüência:<br />
Relação entre o fasor tensão e o fasor corrente no capacitor:<br />
Vm~90<br />
29<br />
=YE.~ï~0c_0o_90o=-Y!L~_9o~<br />
• 1m790 90° ~ Im Vm<br />
‘C 7= + Xc<br />
= XcZ — 90°Q = — 90°Q ~ forma polar<br />
mas — 90°0 = —1—(cos—90° ÷jsen— 9oj= _~_L0 = —jXc<br />
0)0 coO coC<br />
= = —jXcfl ~ forma retangular<br />
Representação Fasorial<br />
vc’’<br />
Observações:<br />
Ic<br />
) r Ref.<br />
~‘(p =..900<br />
co<br />
a) A fase das reatáncias indutiva e capacitiva corresponde à defasagem p<br />
provocadas por elas entre a tensão e a corrente fornecidas pela fonte como<br />
mostraram as representações temporal e fasorial anteriores.<br />
b) Em circuito CA enquanto o indutor adianta a tensão, o capacitor a atrasa e<br />
suas reatâncias possuem fases contrárias.<br />
c) A reatância indutiva aumenta com a freqüência, enquanto a reatância<br />
capacitiva diminui.<br />
d) Devido a esses motivos, o indutor e capacitor são ditos de comportamentos<br />
duais. Essa dualidade propociona inúmeras aplicações desses dispositivos.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Exemplo de análise de circuito em série em CÁ.<br />
+VR<br />
L=2H<br />
____ +<br />
v40 ..Jisen(4t+20°)V Vc_r C1l16F<br />
Circuito no Domínio do Tempo<br />
XLtjo)L ~‘ XLJ4x2 ~ XLj8Q<br />
Xc-jl/(coC) =~<br />
Aplicando a lei das tensões de Kirchhoff (LVK):<br />
V = Vr~ + VL ÷ Vc e substituindo VR = 6 1,<br />
40/20° = 61 +j8 I-j4l =(6+j4)I<br />
logo 1 = (40/20°) ÷ (7,21 /33,7°)<br />
\ Portanto,VR = 6 x5,547 /-13,7°<br />
IMPEDÂNCIA<br />
VL = 8/90° ~5,547 /-13,7° ~<br />
Vc = 4 /-9O°~5,547 /-13,7° r~<br />
Conceito : A impedância Z ou<br />
número complexo que reflete<br />
alternada e a defasagem total<br />
Xc=-j1 /[fx(1/1~)]<br />
=~ Xc-j40<br />
VL=j81, Vc=-j41<br />
~‘ 40/20° = 7,21 /33,7°l,<br />
= 5,547 /-13,7° A~<br />
~ VR33,3/~13,7°V~<br />
VL=44,4/76,3°V<br />
Vc = 22,2 2-103,7v~<br />
tem-se:<br />
z, em ohm [O], de um dispositivo ou circuito é um<br />
a oposição total oferecida a passagem da corrente<br />
provocada entre a tensão e a corrente.<br />
Símbolo: Z ou Z A impedância possue um<br />
resistência R e uma parte<br />
reatância X.<br />
30<br />
Z = R + jX (forma retangular)<br />
Z Z /(p (forma polar)<br />
R=6Q j8f2<br />
Circuito no Domínio da Freqüência<br />
parte real denominada<br />
imaginária denominada<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa<br />
-j4K2
Im<br />
31<br />
Z=4R2+X2=~...móduhdeZ<br />
te z<br />
Z/’ (p=arctgj—I=’ fasedeZ<br />
JX ~ ÇR)<br />
L /)(p R=Zcosç e X=Zsenq<br />
Re<br />
R<br />
Enquanto o módulo de Z é responsável pela oposição à corrente alternada, a fase cp<br />
é responsável pela defasagem da tensão em relação à corrente. Conhecendo em<br />
detalhes uma impedância torna possível prever o comportamento elétrico de um<br />
dispositivo ou circuito, bem como da fonte de alimentação.<br />
A resistência é devida a oposição natural dos materiais à passagem da corrente.<br />
Refere-se ao resistores.<br />
A reatância é a reação, isto é, oposição à variação, da corrente, sendo uma<br />
característica dos indutores e capacitores.<br />
o nbme impedância tem origem no verbo impedir e significa a oposição tanto à<br />
passagem quanto à variação da corrente, sendo uma característica geral~~ de<br />
t~ualquer circuito elétrico em CA formado, em principio, por resistores, indutores e<br />
capacitores.<br />
A componente resistiva R da impedância, somente assume valores positivos.<br />
A componente reativa x é resultado da soma das reatâncias indutiva JXL e capacitiva<br />
-jXc, ou seja, jX = j (XL - Xc) e pode assumir valores positivos ou negativos.<br />
Através do sinal do ângulo de fase da impedância pode-se concluir:<br />
• Se a Fase for positiva significa jX> O ~ XL >Xc~ sendo o circuito indutivo, logo a<br />
tensão de entrada adianta à corrente de éntrada<br />
• Se a Fase for negativa significa que jX < O ~ XL < Xc, séndo o circuito capacitivo,<br />
logo a tensão de entrada atrasa à corrente de entrada.<br />
• Se a Fase for zero significa que jX = O z~ XL = Xc, sendo o circuito resistivo, logo<br />
a tensão de entrada está em fase com a corrente de entrada.<br />
• Representação no plano complexo.<br />
Im<br />
~ Impedância Indutiva<br />
1 Q
• Lei de Ohm parã Circuito CA<br />
Considerando o Circuito CA<br />
•<br />
VouV<br />
+<br />
1 ou 1<br />
32<br />
A Lei de Ohm aplicada ao circuito é<br />
dada por:<br />
ZouZ • V<br />
Z = Vil ~ módulo da impedância Z<br />
.<br />
lZG~ p =.( 0v-O i)~fase da impedância Z.<br />
• Associação Série de Impedâncias.<br />
A corrente 1 é a mesma em todas as impedâncias em série, mas a tensão V se<br />
subdivide entre elas, de modo que, pela Lei de Kirchhoff para as tensões CA:<br />
V = VI + V2 +V3.+..+ Vii<br />
Logo a impedância equivalente Zeq = ZI + Z2 + Z3 + + Zn<br />
. Divisor de Tensão e<br />
+V1 ouVi<br />
4<br />
li ou Zi<br />
±1 +<br />
VOuVH Z2ouZ2 ~ou~<br />
• Associação Paralela de Impedâncias.<br />
(1/Zeq )= (1/ZI)+ (1/Z2) + (1/Z3) + ...Z+ ( 1/Zn)<br />
Para dois componentes em paralelo,<br />
Zeq (ZI . Z2) 1 ( ZI + Z2)<br />
e Divisor de Corrente.<br />
1.<br />
4’ 12<br />
•<br />
Z2 ouZ2<br />
.<br />
z=— .<br />
Considerando a tensão complexa genérica e a corrente complexa genérica, a lei de<br />
Ohm resulta:<br />
vze v<br />
Z= V=_z(ev_ei)~zzzP,<br />
•<br />
~1<br />
Zl+Z2<br />
.<br />
V2=( Z2<br />
Zi+ Z2<br />
• •<br />
• Z2 • z~<br />
Ii =( • • ). 1; 12 ( • •<br />
Zj+Z2 z1+z2<br />
Análise de Circuitos em corrente Alternada ProL: José Ant6nio Rosa
Exemplo: No circuito série mostrado anteriormente a impedância total será<br />
33<br />
ZT= 6 +j (8-4) ~ ZT= 6 +j4f2 = 721 /33,7° £2.<br />
O fasor corrente será dado por 1 = V/ Z =~ 1 = (40/20°) 1(7,21 /33,7°) ~<br />
= 5,547 /-13,27° A<br />
Diagrama de Impedâncias<br />
A seguir está representado o diagrama da impedância ZT anterior.<br />
1° quadrante ( circuito indutivo )<br />
6 ~R[f2]<br />
4° quadrante ( circuito capacitivo)<br />
Triângulo de Impedância - Contem os vetores que representam R, jX e Z.<br />
Exemplo: 1)z = 6+j8 = 10/53,1°Q 2) z=6 -j8 O = 10/-53,1°O<br />
6≤2<br />
z jX Z= 10Z53,1°C2 j8Q<br />
R<br />
j4<br />
o<br />
Z= 1OZ-531°Q<br />
Exemplo. 1) Dados v = 311 sen ( 2.500t + 170°) V e i = 15,5 sen (2500t - 145°) A.<br />
a) Os diagramas de fasores.<br />
b) O diagrama de impedância.<br />
c) Calcular os componentes do circuito.<br />
• 311<br />
a) Fasores: V = —/170° 220/170°V,<br />
v<br />
-7<br />
- 145°<br />
• 155<br />
l=—~--/—145°=11/—145°A<br />
co 2.500 rad/s<br />
Anãlise de circuitos em corrente Alternada ProL: José Antônio Rosa<br />
ref.<br />
-jS
)<br />
34<br />
= 220/1700 ~ Z = 20L315°Q ~ Z = 20/—45°Q = 14J4—j14J4 O<br />
11/—145°<br />
jX[ü] 14,140<br />
450<br />
-j14,14[01 •~~J.~gqo<br />
e<br />
z<br />
R[üJ<br />
c) A corrente está adiantada em relação a tensão. Logo o circuito é capacitivo RC.<br />
R = 14,14 O Xc = 1/ wC = 14,14 O ~ C = lI(oXc)=~~<br />
C1/(2500. 14,14) ~ C28,3,uF<br />
• Exercícios propostos<br />
1) Considere um circuito com v = 50 sen(2000t - 25°) V e i = 8 sen(2000t + 5°) A. Trace<br />
utilizando os eixos abaixo:<br />
a) o diagrama de fasores;<br />
b) o diagrama de impedância.<br />
Obs: traçado sem escalas;<br />
o traçado dos ângulos e dos módulos podem ser aproximados;<br />
o valor dos módulos devem ser escritos junto aos fasores.<br />
lrn 900(_2700) jX(fl)<br />
180°(-180°) Ref 0°<br />
R(Q)<br />
90°(270°)<br />
2) Um circuito C.A tem uma impedância total Z = 20 + ii 00 ((2). Determine:<br />
a) a defasagem entre a tensão e a corrente provocada pela impedância;<br />
b) escreva se o circuito é indutivo, capacitivo ou resistivo.<br />
3) Estão em série um resistor de 300(2, um indutor de 1H e um capacitor de 11.tF. Calcule a<br />
impedância na forma polar e escreva se o circuito é indutivo capacitivo ou resistivo para:<br />
a) co= 833 rad/s; b) co 1000 rad/s c) co 1200 rad/s<br />
Resp. a) 474Z-50,8°f2, capacitivo; b) 300Z0°≤2, c) 474Z50,7°Q, indutivo.<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada ProL: José Antônio Rosa
35<br />
4) 1, ia caiga tem uma tensão de 240/75° V e uma corrente de 20/60°A numa freqüência de<br />
60 Hz. Calcular os elementos em série que a carga poderia ser.<br />
Resp.: resistor de 1160 e um indutor de 824 mH.<br />
5) Dois elementos de um circuito em série solicitam uma corrente de i = 16 sen(200t + 35°) A em<br />
resposta a uma tensão aplicada de v = 80 cos(200t)V. Determine os dois elementos.<br />
Resp.: resistor de 2,870 e um indutor de 20,5 mH.<br />
6) Para o circuito mostrado à seguir, calcular os fasores 1, VR e Vc e as quantidades senoidais<br />
correspondentes se a freqüência é de 50 Hz. Calcular a potência média liberada pela fonte.<br />
200<br />
+<br />
240/30°V Vc<br />
Resp.:<br />
l=7,5/81,3°A Pmed = 1,12kW<br />
Vc1 87/-8,66°V<br />
VR 150/81 ,3°V<br />
vR 212sen(314t+ 81,3°)V<br />
= 10,6 sem(314t + 81 ,3°)A<br />
vc = 26Ssem(314t -8,66°)V<br />
7) Uma fonte de tensão de 340 sen(l000t + 25°)V, um resistor de 20, um indutor de 1H e um<br />
capacitor de 1 LIF estão em série. Calcule a corrente do circuito e as quedas de tensão do<br />
resistor, do indutor e do capacitor.<br />
Resp. vR = 340 sen(l000t + 25°)V<br />
= 170 sen(1 000t + 25°)A<br />
vc =170 sen(l000t - 65°)kV<br />
vL =170 sen(l000t + 65°)kV<br />
8) Um tensão que tem um fasor de 200/40° V é aplicada sobre um resistor e um capacitor que<br />
estão em série. Se a tensão rms do capacitor é de 120V, determine o fasor tensão do resistor.<br />
Resp.: 160Z-3,13° V<br />
9) Calcule a corrente 1 para o circuito mostrado.<br />
1 -j200 3500<br />
+<br />
v<br />
Resp.: 1 = 9,52/458° A<br />
10) Use o divisor de tensão duas vezes para calcular V no circuito do exercício n.° 9.<br />
Resp.: V 81,20/6,04° V/<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
36<br />
ADMITÂNCIA - ANÁLISE DE CIRCUITO PARALELO EM CA<br />
Exemplo de análise de circuito em paralelo em CA.<br />
1(t) = 10 ‘Ji~sen5000tA +<br />
Circuito no Domínio do Tempo<br />
XL = j ~L = j (5.000 x 0,5 ) = j 2.6000<br />
Xc=-j(1/o)C)=-j(1/5000x0,2x106)=-jl0000<br />
Aplidando a Lei das Correntes de Kirchhoff temos: 1 = IR + IL + lc<br />
ADMITÂNCIA<br />
R=1000fl —~-— c = 0,2 ~aF e<br />
L=0,5H’<br />
( i i ‘1~]<br />
10/00= .3, + .3’ __ __<br />
+ =Vx[ +1 +<br />
1.000 j2.500, —j1.000 1.000 ~j2.500 —j1.000jj<br />
.<br />
logo<br />
1ozoo=~x[o.oo1+(_J4x1o—4÷i1o_3)~<br />
10400 10/0°<br />
[o,ooi +j0,0006j 1166x103Z31°<br />
lc<br />
1000~2<br />
Circuito no Domínio da Freqüência<br />
10/00 = Vx [0,001 + j 0,00061—e<br />
=8,6x10~Z—31° V e<br />
V =8,6Z—31°kV<br />
v=8,6.-&sen(5000t-31°)kV=12,l6sen(S000t-31°)kV<br />
A admitância é o inverso ( recíproco ) da impedância:<br />
YouY= 1 /Z[siemensjou[S]. Portanto seV=Z.I=>I=V/Z<br />
A admitância em CA corresponde a condutância em CC.<br />
Expressão geral : Y = G + jB —* Forma retangular<br />
Y Yflp —÷ Forma polar<br />
A parte real G é a condutância.<br />
Expressão: G = 1 1 R<br />
A parte imaginária B é a ~Liscetância. Capacitiva: jBc = .j wC<br />
-1 -~ ~ Indutiva : -iBL = - ii 1 wL<br />
-~ c<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa<br />
~1<br />
—<br />
L_.í~
Para o circuito dci exemplo anterior<br />
• 1 (1 1<br />
+1 +<br />
1.000 ~J 2.500 —i 1.000 G = 0,001 Se 6 = 0,0006S<br />
Y = 0,001 + j0,0006 5<br />
Admitância expressa na forma polar: 3ç~C2<br />
~=4G2+s2ztg1(B/~) q, •~AA<br />
37<br />
•<br />
Dmódulodaadmitância Y =~G2 +B2.<br />
O ângulo de fase da admitância p = tg1 (%)<br />
v = 4(o,ooi)~ +(o,0006)2z tg_1(0.000,%’001)<br />
-r<br />
.Y=1,166x1C3 /31° 5<br />
Sendo a admitância a recíproca da impedância o ângulo de fase da admitância é o<br />
negativo do ângulo de fase da impedância. Através do sinal do ângulo de fase da<br />
admitância pode-se concluir:<br />
• Se a Fase for positiva significa que o circuito é capacitivo.<br />
• Se a Fase for negativa significa que o circuito é indutivo.<br />
• Se a Fase for zero o circuito é r~sistivo.<br />
• Representação no plano complexo.<br />
Im<br />
Admitância capacitiva<br />
‘1’ O
D<br />
D<br />
D<br />
o<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Divisor de Corrente.<br />
1.<br />
+ 12<br />
Y2 ou Y2<br />
Associação Série de Admitâncias.<br />
(1/Yeq)(1/Y1)+(1/Y2)+(1/Y3)+<br />
Para dois componentes em série,<br />
Yeq=(Y1 .Y2)I(Y1 +Y2)<br />
38<br />
+( 1/Yn)<br />
• Pode -se traçares diagramas de admitâncias e os triângulos de admitâncias.<br />
• Exemplo: Usar o divisor de corrente para calcular a corrente lY2 no ramo, de<br />
5/30°S do circuito representado a seguir.<br />
1 =4Z30°A<br />
-* e e<br />
YT = 6/-70° + 5/30° + 7/50° + 9/450 ~<br />
‘4<br />
9/450 S<br />
YT = (2,05 - j5,64) + ( 4,33 + j2,5) + ( 3,5 + j6,06 ) + (6,36 + j6,36) ~<br />
Y’r= 16,24+j 9,28 = 18,7 / 29,7° 5<br />
lY2 = ( ‘(2/ YT) x 1 ~ 1Y2 = ( 5/30°)/18,7/ 29,7°) x 4/ 30° =~<br />
lv2=1,07/30,03°A<br />
e<br />
~=(-~‘~ )‘T; I2(~~)I<br />
YT - YT<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Exercícios propostos:<br />
39<br />
1. Um resistor de lkD, um indutor de 1 H e um capacitor de 14F estão em paralelo. Calcular a<br />
admitância total na forma polar em a) 500 radls, b) l000radJs, c) 5000 rad/s.<br />
a) 18/-563° mS b) 1/0° mS c)4,9 /782° rnS<br />
2. Um indutor e um resistor em paralelo têm uma admitância de 100z-30° mS em 400 Hz.<br />
Calcular a indutância e a resistência. Resp. 796 mH, 11,5 (2.<br />
3. Dado o circuito paralelo à seguir, calcular:<br />
a) a admitância de entrada Y em [S];<br />
b) a corrente 1 em [A].<br />
c) a corrente sobre indutor usando o divisor de corrente.<br />
V=120/0°Çy 4 5(2 ~3J2r21-J4o<br />
4. Dois elementos em um circuito paralelo têm uma admitância de 2,5 /30° mS em 400Hz. Calcule<br />
os dois elementos. Resp.: resistor de 4620 e um capacitor de 0497 psF.<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Absorção de Potência<br />
40<br />
POTÊNCIA EM CIRCUITOS EM CORRENTE ALTERNADA<br />
v(t) = Vm sen(cot + p) V<br />
1(t) Im sen((cot ) A<br />
ZLpQ<br />
A potência instantânea absorvida pelo circuito representado acima será:<br />
p = v.i = Vm sen(cot + p) x Im sen(cot)<br />
Das relações trigonométricas temos:<br />
cos(a - b) = cosa. cosb + sena . senb<br />
cos(a + b) = cosa . cosb - sena . senb<br />
cos( a - b ) -<br />
cos (a + b) = 2 sena senb<br />
logo sena~ senb=[cos(a-b)-cos(a + b)1/2 ,se a=wt+9 eb—ojt então,<br />
p = (Vm Irn)/2 [cos Qp) - cos (2cot+ p).<br />
Vm•lm Vm Im -<br />
Mas, = . — = Vrms Irms entao a potencia nstantanea pode ser<br />
2<br />
expressa por:<br />
p = Vrms.lrms [cos ~ - cos (2cot + cp)]<br />
Potência Complexa - 5<br />
Símbolo: S ou 5 Unidade: volt - amperê [VA]<br />
Consideremos um gerador V = V Z 9v, fornecendo uma corrente 1 = 1 / Gi a uma<br />
impedânciaZR±jX ouZZ/±9.<br />
VV/Ov.<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada<br />
1=1/ei<br />
+<br />
VR<br />
+<br />
Vx<br />
Prof.: José Antônio Rosa
A Potência Complexa pode ser obtida multiplicando o fasor<br />
pelo conjugado do fasor tensão V<br />
*<br />
.<br />
41<br />
ouV.<br />
Desenvolvendo a expressão da potência complexa, temos:<br />
*<br />
. . .<br />
s=v~<br />
.<br />
S = V~ Irn,sZ — cp OU<br />
S = vi cos(—p) + JV .I~ sen(—w) z~ S = VI. coe p — jV .1. sen cp<br />
.<br />
5 =P—jQ<br />
Outras expressões para a Potência Complexa:<br />
A fase de S corresponde numericamente à fase p da impedância<br />
invertido ou a defasagem entre .V e 1 com o sinal invertido.<br />
OU<br />
Y<br />
corrente de entrada 1<br />
O módulo de S é o produto dos módulos de V e 1, ou seja, Vrms e Irms.<br />
A componente real de S é a potência ativa P Portanto:<br />
A componente imaginária de S é a potência reativa Q. Portanto<br />
rJ=-Vrms.lrms.senQ 1<br />
O módulo de S é a potência aparente N. Portanto:<br />
Portanto: S=NZ-q 1<br />
Potência Média, Ativa, Real, ou Útil - P<br />
com o sinal<br />
PVrms.lrms.cosw<br />
HiI = N = Vrms. lrms 1<br />
A potência média, é conhecida como potência ativa ou potência real<br />
circuito sendo simbolizada por P.<br />
ou útil de um<br />
O valor médio de p Vrms.lrms [cos ~ - cos (2cot + p)], é igual a soma dos valores<br />
médios dos dois termos. O primeiro termo é uma constante, mas o valor médio do<br />
segundo termo é zero por ser cossenoidal, portando a potência média será:<br />
1 vrms.irms cos ~ Vrms<br />
lrms corrente<br />
tensão eficaz<br />
eficaz<br />
de<br />
de<br />
entrada<br />
entrada<br />
Unidade: watts [W 1<br />
cp ângulo de defasagem entre tensão e corrente. Para um circuito que não possui<br />
fontes independéntes é o mesmo ângulo da impedância.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
Prof.: José Antônio Rosa
42<br />
Quando o circuito for resistivo puro, p = 00 ~ cos 00 = 1<br />
~ P = Vrms.Irms cos (~ = Vrms.lrms ou Simplesmehte P = VI.<br />
• Quando o circuito for indutivo puro, p = 90° ~ cos 900 =<br />
~ P = Vrms.lrms cos cp = O W. Portanto o circuito não absorve potência média.<br />
• Quando o circuito for capacitivo puro, p = -90° ~ cos ~9O° =<br />
=~ P = Vrms.lrms cos cp = O W . Portanto o circuito não absorve potência média.<br />
• Fator de Potência<br />
O cos cp é chamado de fator de potência de símbolo FP<br />
O cp chama-se ângulo do FP sendo o ângulo da impedância. O ângulo do fator de<br />
potência tem sinais diferentes para circuitos indutivos e capacitivos, mas como<br />
cos p = cos (-p), conclui-se:<br />
• Para circuitos indutivos o FP é chamado de fator de retardamento da pot4nçia,<br />
• FP indutivo ou atrasado.<br />
• Para circuitos capacitivos o E? de potência é chamado de fator de avanço da<br />
potência, FP capacitivo ou adiantado.<br />
Potência Ativa - P<br />
A potência ativa P, em watt [Wj, é obtida do produto da corrente pela parcela da<br />
tensão de entrada em fase com elá. Portanto:<br />
P = V.l . cos q, mas como VR = V. cos ~. Portanto:<br />
P=VRJ_j ou PR.l2 ou J PV2R,.R<br />
Diagrama Esquemático<br />
v<br />
1=1<br />
Vx<br />
• A parcela ativa da potência total fornecida pela fonte CA é consumida pela<br />
componente resistiva da impedância.<br />
• A potência ativa é convertida em calor por efeito Joule, sendo utilizada para<br />
realizar trabalho.<br />
• A potência ativa total fornecida pela fonte CA é a soma das potências ativas<br />
dissipadas pelas componentes resistivas do circuito.<br />
• A potência ativa pode ser medida por um instrumento chamado wattímetro.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
Prof.: José Antõnio Rosa
Potência Reativa - O<br />
43<br />
Símbolo Q - Unidade: volt - ampère reativo [VAR 1<br />
É obtida pelo produto da corrente com a parcela da tensão em quadratura com ela.<br />
r~ =<br />
- Vrms.lrms sen<br />
Diagrama Esquemático<br />
v<br />
..__~ 1=1<br />
Vrms = tensão eficaz de entrada<br />
Irms = corrente eficaz de entrada<br />
= ângulo do fator de potência<br />
sen p = Fator Reativo - FR, sendo positivo para<br />
cargas indutivas e negativo para as cargas<br />
capacitivas.<br />
+ç~_ P~4<br />
VR “<br />
+<br />
X Vx<br />
A impedância usa pequena parte da<br />
potência reativa. fornecida pela fonte<br />
para armazenar energia em sua<br />
reatância e a outra parte é devolvida à<br />
fonte. Conclui-se que a potêncip<br />
reativa Q é totalmente perdida, pois<br />
não realiza trabalho útil.<br />
• A reatância indutiva armazena energia sob a forma de campo magnético. Sendo<br />
p positiva, provoca um atraso na corrente, logo no armazenamento de energia.<br />
Portanto, a potência reativa indutiva é negativa e expressa por:<br />
Q=-VL.IL ou Q=~XL.lL2 ou Q=-VL2IXL<br />
• A reatância capacitiva armazena energia sob a forma de campo elétrico. Sendo cp<br />
negativa, provoca um avanço na corrente, logo no armazenamento de energia.<br />
Portanto, a potência reativa capacitiva é positiva e expressa por:<br />
FQ=+vc.lc ou Q=÷Xc.1c2 ou Q=÷Vc2lXc<br />
• A potência reativa total fornecida pela fonte CA é a soma algébrica das potências<br />
reativas dissipadas pelas componentes reativas do circuito.<br />
• Alguns autores representam a potência reativa por PREAT ou PQ<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
Prof.: José Antônio Rosa
D<br />
D<br />
D<br />
o<br />
Potência Aparente - N<br />
44<br />
Símbolo N Unidade: volt - ampère [VA]<br />
A Potência AØarente total fornecida por uma fonte é obtida pelo produto da tensão<br />
total da fonte pela corrente fornecida<br />
N = Vrms.lrms<br />
Diagrama Esquemático<br />
—.4. 1 =<br />
Triângulo das Potências<br />
Vrms = tensão eficaz de entrada<br />
lrms = corrente eficaz de entrada<br />
Outras expressões para N:<br />
N=Z.12 ou N=V2/Z<br />
As equações das potências média, reativa e aparente<br />
geométricamente pelo triângulo das potências.<br />
Circuito Indutivo<br />
• Circuito Capacitivo<br />
N=4 P2 ~<br />
+<br />
X Vx<br />
V Icos P = V. 1 co:<br />
1 cosp<br />
p-arctg(Q/P)<br />
• A potência aparente é o módulo da<br />
potência cornplex S. N = 1 S 1<br />
• Alguns autores representam a<br />
potência aparente por PAP ou 5.<br />
P = V. 1 coscp<br />
podem ser obtidas<br />
lsenw Q-V.lsenp<br />
Atrasado<br />
N = V.l<br />
N=V.I<br />
Q = V. 1 sen cp<br />
1 sen p Adiantado<br />
PN.coscp Q-N.senç<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada ProL: José Antônio Rosa
Resumo:<br />
• Potência Complexa - S [VAI<br />
S=V*.l;S=(V2/Z)Z~p; SZ.12L-p<br />
• Potência Aparente - N [VA<br />
N = 1 S 1; N = V. 1; N = J2 Z; N = V2 / Z<br />
• Potência Média; Ativa; Real ou Útil -<br />
45<br />
P [W]<br />
P = V .1 cosp; P = ViU ; P = R.12; P = V2R!.R; P = parte real de S<br />
• Potência Reativa - Q[ VAR 1<br />
Q = - V. 1 sen cp Q = Xc. 12; Q = ~J2/ X; Q = parte imaginária de S<br />
• Fator de Potência - FP<br />
FP = RIZ; FP = P/N ; FP =cosç<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Exemplo: Dado um circuito de impedância Z = 3 i-j4 [O] e uma tensão aplicada<br />
V = 100/ 30° [V]. Traçar o triângulo das potências.<br />
Solução: Cálculo a corrente: 1 = V/Z = 100/ 30°! 6 / 53,1° =~<br />
= 20 / -23,1°[A].<br />
Método 1<br />
46<br />
P = R.12 = (20)2. 3 = 1.200 [W]<br />
Q = X.i2 = (20)2. 4 = 1.600 [VAR] (atrasada)<br />
N = Z.12 = (20)2. 5 = 2.000 [VA]<br />
FP = RJZ = 3/5 = 0,6 atrasado<br />
Método 2<br />
N = V.l = 100 . 20 = 2.000 [VA]<br />
P = N.cosw 2.000. cos 53,1 °= 1.200 [W]<br />
Q N.sernp = 2.000. sen 63,1.° = 1.600 [VAR] (atrasada)<br />
F.P = cosp = cos 53,1° =0,6 ( atrasado)<br />
Método 3<br />
S = V~. 1 = 100/ -30° .20 / -23,1° = 2.000/ -53,1°[VA) = 1.200 -i 1.600 [VA]<br />
N = 2.000 [VA]; P = 1.200[W]; Q = 1.600 [VAR] atrasada<br />
FP = P/N ~ FP = 1.200! 2.000 =~ FP = 0.6 (atrasado).<br />
Método 4<br />
VR = 1 . R = 20/ -23,1° . (3) = 60/ -23,1°[V]<br />
Vx = 1 . jX = 20/ -23,1° . (4/ 90°) = 80/ 66,9°[V}<br />
P (VR2/ R = 5Q2/3 = 1.200 [W]<br />
Q = (Vxy/ ix 802/4 = 1.600 [VAR] atrasada<br />
N = (V)2/Z = 1002/5 = 2.000[VA]<br />
Triângulo das Potências<br />
P = 1.200 [WL<br />
\. )w=53,1°<br />
N=2.000[V2}\\~<br />
Q = - 1.600 [VAR] (atrasado)<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
o<br />
Exercícios Propostos<br />
1) A potência instantânea absorvida por um circuito é p =10+8 sen (377t + 40°)W.<br />
47<br />
Calcular as potência média, mínima e máxima absorvida.<br />
Resp. 10W, pmin = 2W, pmax 18W<br />
2) Calcular o fator de potência e a potência média absorvida para cada par de tensão e<br />
corrente das cargas:<br />
a) v = 170 sen(SOt -40°) V,<br />
b) v = 340 cos(377t - 50°) V<br />
= 4,3 sen (50t + 10°)A. Resp.: 0,643 avançado, 235W<br />
= 6,1 sen (377t + 30°)A Resp.:0,985 atrasada, 1.037W<br />
3) Considerando o circuito à seguir, calcular: a) as potências ativa P [WJ, reativa Q<br />
[VAR] e aparente N [VA]; Resp.: 300W, 400VAR, 500 VA, 0,6 atrasado<br />
b) o fator de potência FP.<br />
c) Construir o triângulo das pctências.<br />
V =50/- 90°V<br />
f60 Hz<br />
4) Sobre um circuito quando aplicada uma tensão v = 200 sen (cot + 11 0°)V, circula uma<br />
corrente i = 5 sen (cd + 20°)A. Calcular as potências, P , Q e N.<br />
Resp.: 0W, 500VAr atrasada e 500 VA<br />
5) Duas impedâncias ZI = 4/-30°≤2 e Z2 = 5Z60°0 estão em paralelo e submetidas ao<br />
fasor V = 20/0°V. Calcular os FP’s e as potências S, P, Q e N de cada braço e<br />
totais. Resp.: S1 100/30°VA; S280/-60° VA; ST 173,89/43,3°VA<br />
6) Calcular o fator de potência de um motor de indução de 5 HP, completamente<br />
carregado, que opera com um rendimento de 85% e solicita 15A de uma linha de<br />
480V. Resp.: 0,609 atrasado<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada<br />
+<br />
30<br />
j6í2<br />
- j 20<br />
Prof.: José Antônio Rosa
48<br />
CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA<br />
Nas aplicações residenciais e industriais comuns, as cargas são indutivas e a<br />
corrente é atrasada em relação à tensão aplicada. A potência média ou ativa,<br />
fornecida à carga, é uma medida do trabalho útil por unidade de tempo que a carga<br />
pode executar. Essa potência é fornecida pelas concessionárias de energia elétrica,<br />
sendo usualmente transmitida por intermédio de linhas de distribuição e<br />
transformadores.<br />
Os transformadores são especificados em KVA e utilizados na maioria das vezes<br />
com tensão fixa, portanto , os KVA indicam a corrente máxima permitida.<br />
Teoricamente um transformador poderia ser totalmente carregado com uma carga<br />
indutiva ou capacitiva pura e, consequentemente a potência média ou ativa<br />
fornecida seria nula. Essa situação não é desejável pelas concessionárias, pois elas<br />
arrecadam pela potência média fornecida.<br />
No consumo de uma grande quantidade de potência ativa é desejável um elevado<br />
fator de potência, pois, para uma potência ativa P tt’ansmitida, quanto maior for o FP<br />
menor será a corrente ‘i’, já que:<br />
1= ~ __<br />
V•cosp V•FP<br />
Para aumentar, ou seja, corrigir o fator de potência instala-se capacitores sobré a<br />
linha, ou em paralelo com a carga, para fornecer os VAR’s consumidos pela carga<br />
indutiva. Esses capacitores fornecem a corrente aos indutores da carga, cuja<br />
corrente sem os capacitores, teria de ser suprida pela linha de transmissão<br />
Método para correção do fator de potência.<br />
1. Calcular a Potência Reativa Inicial consumida pela carga - ‘ Q/1<br />
Qi = P tg pi, sendo pi o ângulo inicial da impedância da carga.<br />
2. Calcular o ângulo final da impedância ‘ cpf’ para o fator de potência final desejado<br />
‘FPf’:<br />
pf cos’(FPf).<br />
3. Calcular a Potência Reativa Final - Qf. A potência média ou ativa permanece a<br />
mesma.. Logo:<br />
Qf = P . tg cpf<br />
4. Calcular a Potência Reativa que deve ser fornecida pelos capacitores - zlQ.<br />
AQ = Qf - Qi o resultado é negativo pois Qf < Qi, portanto para o cálculo do item 5<br />
considera-se 1 ~Q 1.<br />
5. Cálculo da Capacitância Total - Ct necessária para fornecer o AQ:<br />
/0) rms<br />
V coCtVrms2<br />
coCt<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
49<br />
6. Cálculo do número ( N ) de capacitores de determinada capacitância - C<br />
necessários para fornecer a Capacitância Total - Ct será:<br />
N = Ct / C<br />
Exemplos: 1)<br />
possui o triângulo<br />
após a correção e<br />
v = 100. .ji .sen(377t + 30°)V.<br />
Cálculo de Qi<br />
P = 1.200W<br />
pi = cos1(P/N1)~’ cpl = cos1(1.200/2.000) cpi = 53,1°<br />
Qi = P . tg pi Qi = 1.200 . tg 53,1° Qi = 1.598,25 VAR.<br />
> Cálculã de pf<br />
O Fator de Potência Final desejado<br />
cos(pf = 0,9 ~ cpf = cos1 0,9 (~f = 25,84°.<br />
>~ Cálculo de Qf.<br />
A Potência P = 1.200 W não altera.<br />
Qf = P . tg cpf ~. Qf = 1.200 . tg 25,84° =~ Qf = 581 VAR.<br />
> Cálculo da Potência fornecida pelos Capacitores.<br />
AQ = Qi - Qf = 1.598,25 - 581 => AQ = 1.017,25 VAR<br />
> Cálculo de CT.<br />
O fasor tensão V = 100 Z30°V.<br />
Ct =~/<br />
/ coVrms<br />
Corrigir para 0,9 atrasado o fator de potência do circuito que<br />
de potências mostrado a seguir. Calcular a potência aparente Nf<br />
a capacitância total necessária, sabendo-se que:<br />
_1.01725/<br />
2 /377.1002 z,Ct =269,8jiF<br />
é FPf = 0,9. Logo<br />
Usando capacitores de C = lOOpF o número (N) de capacitores necessários será:<br />
N = CT/C N =269,8/10=> N~3 capacitores<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José António Rosa
)> Cálculo da Potêndia Aparente Final - Nf fornecida pela rede de alimentação.<br />
P = Nf. FPf=~ Nf= P/ FPf<br />
:.Nf= 1.200/0,9 Nf 1.333 VA.<br />
50<br />
Comparando as Potências Aparentes Ni e Nf pode-se concluir sobre as correntes<br />
elétricas fornecidas pela rede de alimentação antes e depois da correção do FP:<br />
li = Ni / V Ii = 2.000/100 li = 20 A<br />
lf = Nf / V If = 1.333/100 =~ lf = 13,33 A.<br />
Portanto a mesma Potência Média de 1.200 W pode ser fornecida com uma<br />
redução de corrente de 6,67 A, que representa 33,4%.<br />
2) Um transformador de 25 KVA fornece 12 KW a urna carga com o FP = 0,6<br />
atrasado. Calcular a porcentagem da carga. nonimal fornecida pelo.<br />
transformador.<br />
a) . Desejando-se completar a carga total do transformador, com cargas de fator<br />
de potência unitário, calcular a potência ativa adicional em KW poderá se<br />
acrescentada.<br />
b) Calcular o fator de potência após acrescida a carga.<br />
Solução: a) Pi = Ni . coswi =~‘ Ni = 12/0.6=> Ni = 20 KVA.<br />
Como a caga nominal que pode ser fornecida pelo transformador é Nn = 25 KVA,<br />
então (20/25). 100 = 80%<br />
b)<br />
~;<br />
_______________________<br />
Pi AQ<br />
Com FP = 0,6 teremos<br />
1<br />
= cos 0,6 = 53,13°.<br />
Q = Ni.sencpi =~ Q = 20 sen53,13°<br />
Q=16KVAR<br />
Q não se altera. Logo para<br />
Nf =Nn = 25 KVA tem-se:<br />
=Nn Pf=gNfl2_Q2=g252_162<br />
Pf =19,2KW<br />
Portanto a carga adicional será: à? = Pf- P1 = 19,2-12 = 7,2 KW.<br />
c) O FPf = Pf/Nn =~ FPf 19,2/25 =~FPf = 0,77 atrasado.<br />
O (Pf = cos1 077 = 39,83°.<br />
Conclui -se que o FP pode, também, ser melhorado acrescentando -se cargas<br />
com fator de potência unitário.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
51<br />
Exercícios propostos: 1) Calcular a capacitância CT necessária para corrigir<br />
para 0,95 atrasado o FP do circuito mostrado.<br />
+<br />
V=1 20/0°<br />
2) Um transformador de 250 KVA está operando a plena carga com fator de<br />
potência total de 0,5 atrasado. O FP é melhorado acrescentando-se<br />
capacitores em paralelo com a carga até que o novo FP seja de 0,9 atrasado.<br />
Calcular: a) A potência reativa capacitiva necessária. Resp.: 61 KVAR<br />
b) A capacitância total necessária sabendo que a tensão eficaz no<br />
secundário do transformador é 220V e a freqüência 60 Hz.<br />
Resp.: 8.5501.tF<br />
c) A potência aparente final Nf. Resp.: 138,9 kVA<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada ProL: José Antônio Rosa
Introdução<br />
Quase toda energia elétrica é gerada e distribuída por meio de circuitos trifásicos.<br />
Os geradores de tensão trifásicos em C.A, também chamados de alternadores<br />
trifásicos, produzem três tensões senoidais idênticas, exceto por uma defasagem de<br />
120°. A energia elétrica gerada é transmitida sob três ou quatro fios.<br />
Geração de Tensão Trifásica<br />
A figura a seguir mostra uma seção transversal de um alternador trifásico com um<br />
estator estacionário e um rotor que gira no sentido anti-horário. O rotor tem um<br />
enrolamento de campo no qual circula uma corrente CC produzindo um campo<br />
magnético. Os pólos do campo magnético girante do rotor, passam junto aos três<br />
enrolamentos do estator, induzindo em cada um deles, uma tensão alternada. O três<br />
enrolamentos do estator estão distanciados entre si de 120°, portanto as tensões<br />
trifásicas estão defasadas entre si de 1200 conforme mostra a figura a seguir.<br />
vaa’ = Vm sen(cot); vbb’ = Vm sen(cot -120°) ; vcc’ = Vm sen(cot + 120°)<br />
Fonte cc enrolamento de campo<br />
enrolamento do estator (bobina)<br />
vaa’ Vbb’ Vcc’<br />
As ondas atingem seus valores máximos ou de pico com distância de um terço do<br />
período ou 120°.<br />
Seqüência de fases - É<br />
52<br />
CIRCUITOS TRIFÁSICOS<br />
C<br />
a ordem na qual as tensões ou<br />
valores máximos.<br />
correntes atingem os seu<br />
Na seqüência considerada positiva ABC, a tensão na bobina A (vaa’) atinge o<br />
máximo em primeiro lugar, seguida pela bobina B (vbb’) e depois pela C (vcc’) - ver<br />
diagrama de fasores à seguir.<br />
Invertendo o sentido de rotação do rotor ou trocando a marca de dois enrolamentos<br />
a seqüência de fase torna-se CBA - ver diagrama de fasores à seguir.<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Diagrama de Fasores<br />
Vaa’ = Vz0°; Vbb = VZ—120°<br />
.<br />
v cc’<br />
.<br />
120° Vaa’<br />
Ref.<br />
Seqüência CBA<br />
= VZO°;. Vbb’ = VZ120°; V~’ = VZ—120°<br />
Vcc’<br />
120<br />
Vbb’<br />
Vbb’<br />
1;<br />
Seqüência ABC<br />
-120°<br />
e<br />
120° Vaa’<br />
Ref.<br />
-120°<br />
Ligações dos Enrolamentos dos Alternadores<br />
As ligações das extremidades dos enrolamentos<br />
ligação estrela (Y).<br />
As ligações dos enrolamentos A e C’, A’ e B<br />
triângulo (A).<br />
A IL<br />
Ligação Estrela - Y<br />
lc IL<br />
Vcc’ = VZ120°<br />
53<br />
. . .<br />
Soma Vaa’-i- Vbb’+ Voo’ = O<br />
•<br />
Vaa’<br />
•__<br />
..\!.<br />
Vaa’ ~* Vbb’<br />
• . .<br />
Soma Vaa’+Vbb’+Vcc’ =0<br />
Vaa’<br />
•__<br />
..\/•<br />
Vbb’ ‘* Vcc’<br />
A’, B’ e C’, ou A, 3 e O resulta na<br />
B’ e C resulta na ligação deita ou<br />
—~* IA<br />
Ligação Triângulo ou Deita - A<br />
O ponto comum às três bobinas na ligação Y é chamado de Neutro (N).<br />
As tensões sobre as bobinas são chamadas Tensões de Fase (VF) e as tensões<br />
entre os terminais (extremos) das bobinas são chamadas Tensões de Linha. (VL).<br />
As correntes sobre as bobinas são chamadas Correntes de Fase (iF) e as Correntes<br />
que saem dos terminais das bobinas são chamadas Correntes de Linha (IL).<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada<br />
c’ A<br />
-jc<br />
Prof.: José Antônio Rosa
o<br />
Na ligação Y:<br />
54<br />
~ As tensões Vr são VAN, VBN e VcN.<br />
> As correntes de fase IF ( IAN, IBN e IcN ) são as mesmas correntes de linha IL (IA,<br />
IBe IC).<br />
> As tensões VL é a soma fasorial das tensões VF.<br />
B<br />
VBc<br />
VAB VCA<br />
Pela representação fasorial acima observa-se qL.ie existe<br />
fasóres tensão Vsc e VBN sendo VBc = VCN + VBN.<br />
A<br />
um ângulo de 3Q° entre os<br />
No triângulo retângulo CDN<br />
V80/ r<br />
cos3o°= /2 ~~J3_ V3~<br />
VcN 2 2VcN VcN<br />
VBc~J~.VcN ou VL=,J~.VF<br />
~ As tensões de fase Vr ( VAN, VBN e VcN ) são as mesmas tensões de linha VL<br />
(VAB, VcA e VBc).<br />
~ As correntes IL são a soma fasorial das correntes Ir.<br />
Aplicando-se a LCK em um dos nós da ligação A, tem - se IA = IcA - lAR. O diagrama<br />
fasorial está representado à seguir<br />
~o12Oo3oG<br />
c<br />
Para circuitos equilibrados os módulos VAN = VcN = VBN, portanto VAB = VAC = Vsc.<br />
Logo o triângulo BCN é isósceles, consequentemente vale as relações abaixo.<br />
B c<br />
> As tensões de linha VL são ~ vezes as tensões de fase VF.<br />
Na ligação A:<br />
IA<br />
~ Existe um ângulo de 33Õ entre cada corrente IF e a corrente de linha IL mais<br />
próxima, nesse exemplo IA e IAB.<br />
Análise de circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Para circuitos equilibrados os módulos IAB = lBC = ICA, portanto IA = IB = Ic.<br />
Logo o triângulo é isósceles, consequentemente vale as relações abaixo.<br />
55<br />
IA/2 No triângulo retângulo<br />
A/ r<br />
cos30°=-~~-=$-~-= A<br />
AB 2 2•’AB 1AB<br />
A = ‘J~~AB OU = ~J~.lp<br />
> As correntes de linha IL são 4’ã~ vezes as correntes de fase lF.<br />
CIRCUITO EQUILIBRADO Y<br />
O circuito trifásico equilibrado comporta-se como três circuitos interligados mas<br />
separados. A diferença nas respostas dos três circuitos é uma diferença de ângulos<br />
de 1200. O método de análise comum consiste achar a tensão ou corrente desejada<br />
numa fase, e usá-la com a seqüência de fase para obter as tensões ou correntes<br />
correspondentes nas outras duas fases. A escolha de umá tensão de referência com<br />
ângúlo de fase nulo determina os ângulos de fase de todas as outras tensões dos<br />
sistema. -.<br />
Exemplo: Um sistema CBA trifásico a quatro condutores, 208 V (tensão de linha),<br />
alimenta uma carga equilibrada em estrela, constituída por impedâncias 20/ -30° Q<br />
Calcular as correntes de linha e traçar o diagrama de fasores.<br />
Solução para a seqüência CBA<br />
Para determinar as fases das tensões considera - se para Vsc na referência.<br />
vcA\<br />
vcN ~VBN<br />
vAB<br />
‘1<br />
VAN ‘i,<br />
1<br />
1<br />
1<br />
Ref.<br />
VAB VL /2400 V<br />
VBc=VL/O° V<br />
VcA=VLZ12O°V<br />
VAN=VL/ ‘15 /(240°÷30°)V=VL/ ‘15 /-90°V<br />
VBN=VL/ ‘15 /(O°+30°)V=VL/ ‘15 /30°V<br />
VcN=VL/ .J5 z120°+30°V=VL/ ‘IS /150°V<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
Cálculo das correntes de linha:<br />
208/ /—90°<br />
?A=~N±= ~<br />
• 20/—30°<br />
z<br />
;~ ~ _________<br />
• 20L—30°<br />
z<br />
• VcN •<br />
Ic =—;--~ I~<br />
z<br />
As correntes de linha retornam pelo condutor neutro. Aplicando a LCK no ná N:<br />
56<br />
• 120 •<br />
‘A =- -Z—60° IA =ftO/—60°A<br />
8 = 120 /600 ~ = 6,0/ 60°A<br />
120/150° ~ Ic=6,0/180°A<br />
— 20/—30°<br />
IN + IA + IB + lc = O ~. IN = - (IA + Is + lc) ~ lr~i = - ( 6,0/-60° + 6,0/ 60°+6,0/180°)=’<br />
lN = 0:<br />
Conclusão: Em circuitos trifásicos com cargas equilibradas a corrente do condutor<br />
neutro é igual a zero.<br />
Diagrama de fasores:<br />
VAS<br />
VCA<br />
VcN VBN VcN<br />
Observações: - As correntês de linha são iguais às correntes de fase<br />
- As correntes de linha estão equilibradas e adiantadas em relação as tensões de<br />
fase de 30°, pois as cargas (impedâncias) são capacitivas.<br />
Exercício: Resolver o mesmo sistema considerando a seqüência ABC.<br />
Ângulo de fase das tensões para ABC.<br />
VAB k~<br />
vcN<br />
VcA<br />
30° VAN<br />
1<br />
1<br />
1<br />
‘<br />
.°JtJ \<br />
%%\~ Vsc<br />
Ref.<br />
VAN<br />
18<br />
VBN<br />
VAB=VL/120°V<br />
VBc=VL/0° V<br />
VCA=VL/240°V<br />
VANVLb,Jã/(1200_300)=VLb,J~/(900)V<br />
ref.<br />
VBN = VLI ~ /(0°- 30°) VL/ J~ /- 30°V<br />
VcN=VLJ 4ã~ /(240°-30°)=VL/ ~ /-150°V<br />
Análise de Circuitos em Corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa
57<br />
CIRCUITO EQUILIBRADO A<br />
Exemplo: Um sistema ABC trifásico à três condutores, 110V, alimenta uma carga<br />
em triângulo, constituída por três impedâncias iguais de 5Z45°Ç2. Calcular as<br />
correntes de linha IA, IB e lc. Traçar o diagrama de fasores.<br />
Cálculo das correntes de fase:<br />
z<br />
A<br />
VCA<br />
110/240°<br />
c<br />
— 110/120° —<br />
— 5/45°<br />
IA<br />
22/75° A =<br />
isc = Veo = 110/O = 22/ — 45° A =<br />
• 5/450<br />
z<br />
(5,7 + 12125 )A<br />
(15,56—j15,56)A<br />
VcA<br />
IcA = •<br />
z<br />
110~2400—22/195°A<br />
= 5/45~<br />
.(—21,25—j5,69)A<br />
Aplicação da lei das correntes de Kirchhoff<br />
• .<br />
=IcA—I~c =22/195°—22Z—45°=38,11/165°A<br />
Diagrama de Fasores:<br />
B<br />
lA = lAR— lcA =22/75°—22Z195°~38j 1/45° A<br />
lB — AB + lBc = —22/75° + 22/ — 45° = 38,1 IZ — 75° A<br />
lc<br />
As correntes de linha estão<br />
equilibradas e defasadas de<br />
120° e de módulos 1J~ das<br />
correntes de fase.<br />
VF VL eL ,Ji IF<br />
Ic<br />
)1<br />
Análise de circuitos em corrente Alternada Prof.: José Antônio Rosa<br />
VAB<br />
VCA<br />
IB<br />
IA<br />
Vsc
58<br />
POTÊNCIA TRIFÁSICA<br />
A potência total absorvida por uma carga trifásica é a soma das potências individuais<br />
absorvidas nas impedâncias totais de cada uma das fases, ou seja, é soma das<br />
absorvidas pelas cargas monofásica~.<br />
As potências ativa, reativa e aparente, desenvolvidas nas cargas monofásicas, já<br />
foram analisadas anteriormente. Resta anahsá-Ias em sistemas trifásicos formados<br />
por cargas em estrela e triângulo.<br />
Relembrando, as cargas indutivas possuem<br />
cargas capacitivas possuem potência reativa<br />
Potências Ativas, Reativas e Aparente<br />
Cada impedância da carga trifásica<br />
tensão de fase VF e uma corrente de<br />
IF<br />
ZF~F<br />
potência reativa negativa, enquanto as<br />
positiva.<br />
Assim as potências ativa e reativa das fases ou absorvidas pelas impedâncias são<br />
dadas por<br />
PF = VF.IF.coswF e QF = - VF.IF.sen pF<br />
As potências ativas e reativas totais absorvidas pela carga trifásica são dadas pela<br />
soma das respectivas potências nas impedâncias:<br />
PTPF1+PF2+PF3 QT QFI + QF2 + QF3<br />
Finalmente a potência aparente total e o fator de potência total da carga trifásica são<br />
dados por<br />
NT=JPT2+QT2<br />
e FP~=~<br />
_____________________ NT<br />
Anáise de Circyitos em corrente Alternada<br />
possui uma fase pF e está submetida a uma<br />
fase IF.<br />
Prof.: José Antônio Rosa