Eletricidade A - ENG04474 AULA IX Senóides Período : T Tempo necessário para se percorrer um ciclo Freqüência: f = 1/T Ciclos por segundo Freqüência Angular: w = 2p f Amplitude: VM Exemplo: Qual é a amplitude, a freqüência, o período e a freqüência angular da senóide abaixo 8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Fase Se quisermos expressar as senóides abaixo na forma v=VMsen(wt+ ) quais são os valores de para as três senóides, tomando uma senóide v=VPsen(wt) como referência. 8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Fase em Atraso ou em Adianto x1 (t ) X M1 coswt x2 (t ) X M 2 coswt x1(t) está adiantado em relação a x2(t) de - x2(t) está atrasado em relação a x1(t) de - Se fossemos desenhar estas curvas, qual das senóides passaria de negativo para positivo antes? Circuitos RLC com Excitação Senoidal Resposta Transitória e de Regime Permanente Exemplo (RL - fonte senoidal) R + - i(t) L V1 Vpcos(wt) it L Vp R 2 wL 2 V cos Lt coswt p iL 0 e R 2 2 R w L Resposta Permanente A Amplitude da corrente depende da amplitude da fonte, de R, de L e da freqüência w da fonte A corrente está defasada em atraso radianos em relação a cossenóide da fonte di Ri Vp coswt dt wL R Reposta Transitória ou Natural Circuitos RLC com Excitação Senoidal Exemplo - Forma de onda da Resposta it Vp R 2 wL 2 V cos Lt coswt p iL 0 e R 2 2 R w L Regime Transitório V1(t) i(t) wL R Regime Permanente 5 4 Forma de onda da Fonte V1(t) 3 2 1 0 -1 Forma de onda da Corrente i(t) -2 -3 -4 -5 0 50 100 150 200 250 300 t Circuitos RLC com Excitação Senoidal Em REGIME PERMANENTE todo Circuito RLC excitado com fontes senoidais de freqüência “w” terá todas as correntes e tensões em seus dispositivos possuindo forma de onda senoidal de freqüência “w” igual a das fontes defasadas radianos em atraso ou adianto com relação as fontes depende da estrutura e dos elementos do circuito amplitudes dependentes da freqüência w, da amplitude das fontes e dos valores dos dispositivos R, L e C Sabendo disso, seria possível obter a Resposta em Regime Permanente para Excitação Senoidal sem precisar resolver uma equação diferencial ??? Circuitos RLC - RP com Excitação Senoidal Para determinar uma tensão ou corrente em regime permanente, tudo o que precisamos saber é sua amplitude e sua fase em relação a senóide da fonte. A freqüência e a forma de onda já se sabe qual será. Fonte Vpsen(wt) CIRCUITO RLC Tensão ou Corrente do circuito em RP AP sen( wt + ) Fase ? Amplitude ? Usualmente, tensões ou correntes em regime permanente são obtidas de uma solução particular da equação diferencial do circuito. Preciso escrever e resolver uma Equação diferencial!!?? Circuitos RLC - RP com Excitação Senoidal Boas Novas!!! Não é preciso escrever a equação diferencial do circuito nem ao menos resolve-la para se obter a amplitude e fase de uma tensão ou corrente em RP em um circuito com excitação senoidal. Ao invés disso usaremos o conceito de FASORES e IMPEDÂNCIAS COMPLEXAS Fasores e Impedâncias Complexas convertem um problema envolvendo equações diferenciais em um problema envolvendo equações algébricas FASORES FASOR é um NÚMERO COMPLEXO que representa a amplitude e a fase de uma tensão ou corrente senoidal X M coswt X X M Domínio Tempo Domínio Freqüência Impedância Complexa A Impedância Complexa descreve a relação entre a tensão sobre um elemento R, L ou C (expressa como Fasor) e a corrente no elemento (expressa como Fasor) A impedância é um número complexo O valor da impedância normalmente depende da freqüência Fasores e Impedâncias Complexas nos permitem utilizar a Lei de Ohm com números complexos para determinar tensões a partir de correntes e correntes a partir de tensões Como? Melhor ver esses Números Complexos... Números Complexos eixo imaginário x é a parte real y é a parte imaginária z é a amplitude ou magnitude é a fase y eixo real x Coordenadas Polares: A = z Coordenadas Retangulares: A = x + jy PR x z cos RP z x y 2 2 y z sen y tan x 1 Representando Formas de Onda Senoidais como Fasores Fasor (domínio freqüencia) é um número complexo X = z = x + jy Um sinal senoidal é uma função do tempo x(t) = z cos (wt + ) Exemplo: Encontre a representação no domínio tempo para os seguinte fasores: X = -1 + j2 V = 104V - j60V A = -1mA - j3mA Aritmética com Números Complexos Para se determinar FASORES de Tensão ou Corrente é necessário que saibamos proceder operações aritméticas básicas com números complexos: Soma Subtração Multiplicação Divisão Será que lembro disso? É melhor dar uma olhada! Soma e Subtração (melhor na forma retangular) Soma Subtração Subtração é mais facilmente feita em coordenadas retangulares A = x + jy B = z + jw A = x + jy B = z + jw A + B = (x + z) + j(y + w) eixo imag. A - B = (x - z) + j(y - w) eixo imag . A+B B A B eixo real A A-B eixo real. Multiplicação e Divisão (melhor na forma polar) Multiplicação Divisão Multiplicação é mais facilmente feita em coordenadas polares Divisão é mais faclmente feita em em coordenadas polares A = AM B = BM A = AM B = BM A B = (AM BM) ( ) A / B = (AM / BM) ( ) eixo imag. eixo AB imag. B B A A eixo real eixo real A/B Exponencial Complexa Uma senoide, função do tempo, pode ser representada como a parte real de uma exponencial complexa Exponenciais Complexas nos propiciam a ligação entre as funções senoidais do tempo e os fasores. Exponenciais Complexas tornam a análise de um circuito RLC em regime permanente para excitação senoidal um problema algébrico Exponenciai s Complexas Funções Senoidais FASORES Exponenciais Complexas Um número complexo (FASOR) A = z pode ser representado como: A = z = z ej = z cos + j z sen A exponencial complexa básica é: ejwt = cos wt + j sen wt O que você obtêm ao multiplicar A por ejwt e tomar a parte real deste produto? Exponenciais Complexas Aejwt = z ej ejwt = z ej(wt+ z ej(wt+ = z cos (wt+ + j z sen (wt+ Re[Aejwt] = z cos (wt+ Senóides, Exponenciais Complexas e Fasores Senóide: z cos (wt+ Exponencial Complexa: Aejwt = z ej(wt+ O que se ganha com tudo isso??? Fasor: A=z z cos (wt+ Re{z ej(wt+}= Re{Aejwt} Relações entre os Fasores associados aos Bipolos de um Circuito Os Fasores nos pertimem expressar a relação entre tensão e corrente em Indutores e Capacitores de forma bastante semelhante a que usamos para expressar a relação entre tensão e corrente em Resistores. A exponencial complexa é a ferramenta matemática utilizada para obter tais relações. COMO?? ? Relação V-I Fasorial para o Capacitor i(t) + v(t) C dv(t ) i(t ) C dt Suponha que v(t) seja uma senóide: v(t) = VM cos(wt+ ) = Re[VM ej(wt+] Re[Vejwt] Determine i(t): Calculando a Corrente dReVM e jwt j ] RedVM e jwt j ] dv(t ) i(t ) C C C dt dt dt i(t ) Re jwCV M e jwt j Re jwCVe jwt Re Ie jwt Representando na forma FASORIAL i(t) + v(t) - v(t ) ReVM e jwt j C I i(t ) RejwCV M e jwt j V VM I jwC V A derivada na relação entre i(t) e v(t) (capacitor) tornase uma multiplicação por jwC na relação entre I e V + V - C Exemplo Sendo: v(t) = 120V cos(377t + 30) C = 2mF Qual é a representação Fasorial de v(t) e i(t) e a expressão de i(t)? V=? I=? i(t)=? Quantos graus v(t) está defasado de i(t)? Quem está adiantado em relação a quem? Relação V-I no Indutor i(t) + v(t) L di(t ) v(t ) L dt Representando na forma FASORIAL i(t) + v(t) - i(t ) ReI M e jwt j L v(t ) RejwLI M e jwt j I I I M V jwL I A derivada na relação entre v(t) e i(t) (indutor) torna-se uma multiplicação por jwL na relação entre V e I + V - L Exemplo Sendo: i(t) = 1mA cos(2p 9.15 107t + 30) L = 1mH Qual é a representação Fasorial de i(t) e v(t) e a expressão de v(t)? I=? V=? v(t)= ____cos(2p 9.15 107t + ____) Quantos graus v(t) está defasado de i(t)? Quem está adiantado em relação a quem? Relação V-I no Resistor i(t) + R v(t) v(t ) Ri(t ) Representando na forma FASORIAL i(t) + v(t) - i(t ) ReI M e jwt j R v(t ) ReRI M e jwt j I I I M V RI A multiplicação por R na relação entre v(t) e i(t) torna-se uma multiplicação por R na relação entre V e I + V - R Impedância A análise de um circuito com excitação senoidal, em regime permanente, usando FASORES, nos permite expressar as relações entre corrente e tensão nos elementos R, L e C com uma fórmula similar a utilizada na lei de Ohm. V=ZI Z é chamada de IMPEDÂNCIA Resistor Indutor V=RI V=jwLI Z=R Z= jwL Capacitor 1 V= I jwC Z= 1 jwC Reflexões sobre IMPEDÂNCIA Impedância (geralmente) depende da freqüência Impedância (geralmente) é um número complexo Impedância NÃO É um FASOR (Porque?) O conceito de Impedância e Fasor nos permite analisar circuitos RLC lineares com excitação senoidal, em regime permanente, com as mesmas técnicas empregadas para analisar circuitos puramente resistivos. SERÁ mesmo que se pode? Para isso as leis de Kirchhoff deveriam ser respeitadas na operação com FASORES. Será que são? Leis de Kirchhoff e Fasores n Leis das Tensões nos Laços. i i 1 - vn(t) + v2(t) + + v1(t) - v t 0 v1 t v2 t vn t 0 ReVM 1e jwt j 1 ReVM 1e jwt j 2 ReVMn e jwt jn 0 Re V1 V2 Vn ]e jwt 0 V1 V2 Vn 0 n v t 0 i i 1 n V 0 i i 1 É equivalente!! Leis de Kirchhoff e Fasores n Lei das Correntes nos Nós i1(t) i t 0 i i 1 in(t) i1 t i2 t in t 0 i2(t) ReI M 1 e jwt j 1 ReI M 2 e jwt j 2 ReI Mn e jwt jn 0 Re I1 I2 In ]e jwt 0 I1 I2 In 0 n i t 0 i i 1 É equivalente!! n I i 1 i 0 Exemplo Sendo as correntes no Nó A i1(t), i2(t) e i3(t), onde i1(t) = 1A cos(2p 60 t + 30) i2(t) = 3A cos(2p 60 t + 60) Qual é a representação Fasorial de i1(t), i2(t) e i3(t)? I1=? I2=? I3= I1 + I2 = ? Qual é a expressão de i3(t)? i3(t)=____cos(2p 60 t + ____) i1(t) i2(t) i3(t) Diagrama Fasorial Um diagrama fasorial é apenas um gráfico de vários fasores representados no plano complexo (usando os eixos real e imaginário) Um diagrama fasorial nos ajuda a visualizar as relações entre tensões e correntes em um circuito (suas amplitudes e defasagens) Exemplo: Eixo Imaginário Freqüência = 60Hz I=2mA 40 + 1mF 1kW + VC + I I = 2mA 40 VR = 2V 40 V VR - VC = 5.31V -50 V = 5.67V -29.37 - Eixo Real VR V VC VR Diagrama Fasorial Análise de Circuitos RLC usando os conceitos de Fasor e Impedância Obs.: Este método de análise somente é válido para excitações senoidais, estando o circuito em regime permanente Exemplo - Determine vc(t) : FASORES + vR(t) V1(t)=10 cos(377t) + 20k 1uF - V1= 100º + vC(t) - IMPEDÂNCIAS ZR= 20kW ZC = 1/(j377.1.10-6) =-j2,65k W Divisor de Tensão 100º + 20k -j2,65k 1uF - + VC - j2,65k 2,65k 90 VC 100 100 20k j2,65k 20,17k 7,54 VC 1,31 82,46 vC t 1,31V cos377t 82,46