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02_Comportamento das cargas RLC no domínio complexo de Steinmetz

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(1)

Eletricidade Industrial

Eletricidade Industrial

FATEC MAUÁ

FATEC MAUÁ

REPRESENTAÇÃO DAS GRANDEZAS

REPRESENTAÇÃO DAS GRANDEZAS

PROFESSOR: Ms VOLPIANO

PROFESSOR: Ms VOLPIANO

REPRESENTAÇÃO DAS GRANDEZAS

REPRESENTAÇÃO DAS GRANDEZAS

ELÉTRICAS NO DOMÍNIO DO TEMPO

ELÉTRICAS NO DOMÍNIO DO TEMPO

E NO DOMÍNIO COMPLEXO DE

E NO DOMÍNIO COMPLEXO DE

STEINMETZ

STEINMETZ

Charles

Charles ProteusProteus SteinmetzSteinmetz Karl August Rudolf

(2)

Poucas pessoas possuíam o conhecimento matemático e físico necessário para compreender a corrente alternada, em 1893 Charles Proteus Steinmetz apresentou um método matemático de calculo chamado de transformada de Steinmetz aplicado a circuitos elétricos em corrente alternada utilizando números complexos que simplificou o entendimento e a aplicação da corrente alternada.

Nos circuitos em corrente alternada as tensões e as correntes são variáveis no tempo e os métodos matemáticos utilizados para a resolução de circuitos elétricos em função do tempo são extremamente complexos, para simplificar

Introdução

elétricos em função do tempo são extremamente complexos, para simplificar esta análise é aplicada a transformada de Steinmetz.

Na transformada de Steinmetz as grandezas no domínio do tempo são transformadas para o domínio complexo e as operações matemáticas como soma, subtração, multiplicação e divisão inerentes a análise de circuitos elétricos são efetuadas de uma forma mais simples.

Após a obtenção dos valores de corrente e tensão do domínio complexo de Steinmetz é possível voltar para o domínio do tempo aplicando a anti-transformada de Steinmetz.

(3)

Os procedimentos a seguir demonstram a transformada e a

anti-transformada de Steinmetz.

A TRANSFORMADA DE STEINMETZ.

A transformada de Steinmetz consiste em converte a tensão ou a corrente no domínio do tempo para o domínio complexo de Steinmetz desta forma a tensão v(t) é representada de acordo com a equação

(

±

)

=

(

+

°

)

=

V

.

sen

.

t

v

(

t

)

311

,

13

V

sen

.

t

45

)

t

(

v

:

tempo

do

domínio

No

max

ω

θ

ω

°

=

°

=

°

=

°

=

45

V

220

V

45

2

13

311

V

2

V

V

ef

V

V

Steinmetz

de

domínio

No

,

max

θ

θ

(4)

O mesmo processo pode ser aplicado para a corrente elétrica i(t).

(

±

)

=

(

+

°

)

=

Steinmetz

de

domínio

No

30

t

.

sen

A

28

,

28

)

t

(

i

t

.

sen

.

I

)

t

(

i

tempo

do

domínio

No

max

ω

φ

ω

°

=

°

=

=

=

30

I

20

A

30

2

28

,

28

I

2

I

I

ef

I

I

Steinmetz

de

domínio

No

max

φ

φ

(5)

Representação das impedâncias resistiva, indutiva e capacitiva no

domínio complexo de Steinmetz .

Para a carga resistiva a corrente esta em fase com a tensão portanto o ângulo de carga (φ) sempre será igual a (0°).

(

)

°

=

+

=

0

R

ZR

Polar

Forma

j

0

R

ZR

Retangular

Forma

Na carga indutiva a corrente esta atrasada em relação à tensão portanto o Na carga indutiva a corrente esta atrasada em relação à tensão portanto o ângulo de carga (φ) sempre será positivo.

(

)

°

<

ϕ

<

°

°

ϕ

=

+

=

90

0

Z

ZL

Polar

Forma

j

XL

Rb

ZL

ngular

Reta

Forma

(6)

Na carga capacitiva a corrente esta adiantada em relação à tensão portanto o ângulo de carga (φ) sempre será negativo.

(

)

°

<

ϕ

<

°

°

ϕ

=

=

90

0

Z

ZC

Polar

Forma

j

XC

Rc

ZC

Retangular

Forma

Exemplo de aplicação:

Calcule o valor da impedância na forma retangular e polar no domínio

Calcule o valor da impedância na forma retangular e polar no domínio

complexo de Steinmetz para cada um dos componentes sendo o valor

da freqüência igual a 60 Hz e o valor de cada componente representado

abaixo:

Resistor → R = 10Ω ; Indutor → Rb = 2,5Ω e L = 11,49mH

Capacitor → Rc = 0,87Ω e C = 266µF.

(7)

Resolução:

Impedância Resistiva ZR Forma Retangular

(

)

(

j

)

ZR

j

R

ZR

0

10

0

+

=

+

=

Forma Polar

(

)

(

+

)

=

°

=

°

=

+

=

0

10

0

10

0

0

ZR

P

R

conversão

j

ZR

R

ZR

P

R

conversão

j

R

ZR

Impedância Indutiva ZL Impedância Indutiva ZL Forma Retangular Forma Polar

(

)

(

Rb

XLj

)

ZL

(

2

5

4

33

j

)

ZL

33

4

XL

10

49

11

60

2

XL

L

f

2

XL

XLj

Rb

ZL

3

,

,

,

.

,

.

.

.

.

+

=

+

=

=

=

=

+

=

π

π

(

)

(

+

)

=

°

=

ϕ

=

+

=

60

5

33

,

4

5

,

2

j

conversão

R

P

ZL

ZL

Z

ZL

P

R

conversão

XLj

Rb

ZL

(8)

Impedância Capacitiva ZC Forma Retangular

(

)

(

Rc

XCj

)

ZC

(

j

)

ZC

XC

XC

C

f

XC

XCj

Rc

ZC

10

87

,

0

10

10

.

266

.

60

.

2

1

.

.

2

1

6

=

=

=

π

=

π

=

=

Forma Polar

(

)

=

ϕ

=

Rc

XCj

conversão

R

P

ZC

Z

ZC

(

)

(

)

=

°

=

ϕ

=

=

85

10

10

87

,

0

j

conversão

R

P

ZC

ZC

Z

ZC

P

R

conversão

XCj

Rc

ZC

(9)

ANTI - TRANSFORMADA DE STEINMETZ.

A anti-transformada de Steinmetz permite converter um valor de tensão ou corrente no domínio complexo de Steinmetz para o domínio do tempo, as equações representam esta transformação.

(

)

(

+

°

)

=

=

=

=

±

=

°

=

±

=

60

t

.

sen

.

V

13

,

311

)

t

(

v

V

13

,

311

V

220

.

2

V

ef

V

.

2

V

t

.

sen

.

V

)

t

(

v

tempo

do

Domínio

60

V

220

V

ef

V

V

Steinmetz

de

complexo

Domínio

max max max max

ω

θ

ω

θ

(

+

°

)

=

311

,

13

V

.

sen

.

t

60

)

t

(

v

ω

Para a conversão da corrente tem-se:

(

)

(

°

)

=

=

=

=

±

=

°

=

±

=

45

t

.

sen

.

A

20

)

t

(

i

A

20

I

14

.

14

.

2

I

ef

I

.

2

I

t

.

sen

I

)

t

(

i

tempo

do

Domínio

45

A

14

,

14

I

ef

I

I

Steinmetz

de

complexo

Domínio

max max max max

ω

φ

ω

φ

(10)

SEQUÊNCIA DE FASE NA REDE DE ALIMENTAÇÃO

A seqüência de fase determina a ordem da passagem do vetor tensão (V) no sentido de rotação anti-horário a partir de um ponto de referência por exemplo o ponto de origem em (0°).

Se o vetor tensão (V) rotacionar no sentido anti-horário com velocidade angular (ω) estará na seqüência direta ou positiva se o mesmo rotacionar no sentido horário com velocidade angula (ω) estará na seqüência inversa ou negativa.

(11)

Matematicamente a eletrotécnica não utiliza ângulos maiores que (180°) para a seqüência positiva ou maiores que (-180°) para a seqüência negativa,

existe esta preocupação com os valores dos ângulos para não incorrer em respostas angulares acima de (360°), pois estas não possuem representação física.

Toda vez que um ângulo ultrapassar o limite angular de 180° a seqüência de fase e a representação angular devem ser invertidas, observe os exemplos. Na figura 1 o vetor tensão (V) esta na seqüência de fase positiva, sentido anti-horário com um ângulo igual a (210°), a representação correta consiste em inverter a seqüência de fase de positiva para negativa alterando o valor do ângulo para a seqüência negativa calculando seu complemento, observe o diagrama fasorial

o diagrama fasorial

(12)

Na figura 2 o vetor corrente (I) esta na seqüência de fase negativa, sentido

horário com um ângulo igual a (-240°), a representação correta consiste em

inverter a seqüência de fase de negativa para positiva alterando o valor do

ângulo para a seqüência positiva calculando seu complemento, observe o

diagrama fasorial.

(13)

ANÁLISE DE CIRCUITO EM CORRENTE ALTERNADA UTILIZANDO A TRANSFORMADA E A ANTI-TRANSFORMADA DE STEINMETZ COM COMPONENTES REAIS

Circuito RLC série.

O circuito da figura abaixo é alimentado por uma fonte de tensão alternada senoidal igual à v(t) = 311,13V sen (wt + 60°) com freqüência de 60 Hz sendo:

R = 5Ω , L = (Rb = 5Ω e Lb = 23mH) , C = (Rc = 0,436Ω e C = 533µF) De acordo com os valores:

a-) Calcule a impedância em cada um dos componentes do circuito módulo e ângulo. b-) Calcule a impedância total do circuito módulo e ângulo e verifique qual dos

componentes predominou no circuito.

c-) Calcule a corrente solicitada da fonte de alimentação no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

d-) Calcule a queda de tensão em cada um dos componentes no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

Steinmetz e no domínio do tempo.

e-) Desenhe o diagrama fasorial da tensão da fonte e da tensão em cada componente do circuito em função da corrente.

VR VL

VC I

(14)

a-) Calculo da impedância em cada um dos componentes do circuito módulo e ângulo Impedância Resistiva ZR

(

)

(

)

(

)

=

°

+

=

+

=

0

5

0

5

0

ZR

P

R

Conversão

j

ZR

j

R

ZR

Impedância Indutiva ZL

(

)

(

)

+

=

=

π

=

π

=

ω

=

+

=

)

67

,

8

5

(

67

,

8

10

.

23

.

60

.

2

.

.

2

.

3

j

ZL

XL

XL

L

f

XL

L

XL

XLj

Rb

ZL

(

R

P

)

ZL

=

10

60

°

Conversão

Impedância Capacitiva ZC

(

)

(

)

=

°

=

=

π

=

π

=

ω

=

=

85

5

)

98

,

4

436

,

0

(

98

,

4

10

.

533

.

60

.

2

1

.

.

2

1

.

1

6

ZC

P

R

Conversão

j

ZC

XC

XC

C

f

XC

C

XC

XCj

Rc

ZC

(15)

b-) Calculo da impedância total do circuito módulo e ângulo.

(

) (

) (

)

(

)

(

)

→ = Ω∠ ° + = − + + + + = + + = 5 , 19 07 , 11 69 , 3 436 , 10 98 , 4 436 , 0 67 , 8 5 0 5 ZT P R Conversão j ZT j j j ZT ZC ZL ZR ZT

Como o ângulo da impedância total é positivo (19,5°) a predominância foi do indutor, portanto a corrente total do circuito estará atrasada em relação à tensão da fonte em (19,5°).

c-) Calculo da corrente solicitada da fonte de alimentação no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

No domínio complexo de Steinmetz

°

=

°

°

=

=

°

=

°

=

=

°

+

=

5

,

40

A

87

,

19

I

5

,

19

07

,

11

60

V

220

I

ZT

V

I

60

V

220

V

60

2

13

,

311

V

2

V

V

)

60

t

.

(

sen

.

V

13

,

311

)

t

(

v

max

θ

ω

No domínio complexo de Steinmetz

No domínio do tempo

(

)

(

+

°

)

=

=

=

=

+

=

5

,

40

t

.

sen

A

1

,

28

)

t

(

i

A

1

,

28

I

2

.

87

,

19

I

2

.

ef

I

I

t

.

sen

I

)

t

(

i

max max max max

ω

φ

ω

(16)

d-) Calculo da queda de tensão em cada um dos componentes no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

No domínio complexo de Steinmetz Tensão no resistor

°

=

°

°

=

=

ZR

.

I

VR

(

5

0

)

.

(

19

,

87

A

40

,

5

)

VR

99

,

35

V

40

,

5

VR

Tensão no indutor

°

=

°

°

=

=

ZL

.

I

VL

(

10

60

)

.

(

19

,

87

A

40

,

5

)

VL

198

,

70

V

100

,

5

VL

Tensão no capacitor

°

=

°

°

=

=

ZC

.

I

VC

(

5

85

)

.

(

19

,

87

A

40

,

5

)

VC

99

,

35

V

44

,

5

VC

No domínio do tempo

2

.

)

.

(

.

)

(

t

V

max

sen

t

V

max

Vef

v

=

ω

±

θ

=

Tensão no resistor

)

5

,

40

t

.

(

sen

.

V

5

,

140

)

t

(

vR

)

5

,

40

t

.

(

sen

.

2

.

35

,

99

)

t

(

vR

)

t

.

(

sen

.

V

)

t

(

vR

max

°

+

=

°

+

=

±

=

ω

ω

θ

ω

(17)

Tensão no capacitor

)

5

,

44

t

.

(

sen

.

V

5

,

140

)

t

(

vC

)

5

,

44

t

.

(

sen

.

2

.

35

,

99

)

t

(

vC

)

t

.

(

sen

.

V

)

t

(

vC

max

°

=

°

=

±

=

ω

ω

θ

ω

)

5

,

100

t

.

(

sen

.

V

281

)

t

(

vL

)

5

,

100

t

.

(

sen

.

2

.

7

,

198

)

t

(

vL

)

t

.

(

sen

.

V

)

t

(

vL

max

°

+

=

°

+

=

±

=

ω

ω

θ

ω

Tensão no indutor

A tensão total da fonte é igual à somatória da queda de tensão em cada um dos componentes.

°

=

+

=

+

+

+

+

=

°

+

°

+

°

=

+

+

=

9

59

V

81

219

V

P

R

conversão

j

13

190

31

110

V

j

64

69

86

70

j

37

195

21

36

j

4

64

66

75

V

5

44

V

35

99

5

100

V

7

198

4

40

V

35

99

V

VC

VL

VR

V

,

,

)

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

(18)

e-) Diagrama fasorial da tensão da fonte e da tensão em cada componente do circuito em função da corrente.

(19)

Condutância (G) é o inverso da Resistência (R).

)

(

1

S

R

G

=

A admitância (Y) é o inversor da impedância (Z).

)

(

1

S

Z

Y

=

Suceptância indutiva (BL) é o inverso da reatância indutiva (XL).

Circuito RLC Paralelo.

Suceptância indutiva (BL) é o inverso da reatância indutiva (XL).

)

(

1

S

XL

BL

=

Suceptância capacitiva (BC) é o inverso da reatância capacitiva (XC).

)

(

1

S

XC

BC

=

A unidade da condutância, da admitância e da suceptância indutiva e capacitiva é o Siemens (S).

(20)

O circuito da figura é alimentado por uma fonte de tensão alternada senoidal igual à v(t) = 179,60V sen (wt – 45°) com freqüência igual a 60 Hz sendo:

R = 2,5Ω, L = (Rb = 2,5Ω e Lb = 11,48mH), C = (Rc = 0,8716Ω e C = 266µF) De acordo com os valores:

a-) Calcule a impedância em cada um dos componentes do circuito módulo e ângulo.

b-) Calcule a impedância total do circuito módulo e ângulo e verifique qual dos componentes predominou no circuito.

c-) Calcule a corrente solicitada da fonte de alimentação no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

d-) Calcule a corrente em cada um dos componentes no domínio complexo de

Exemplo de Aplicação.

d-) Calcule a corrente em cada um dos componentes no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

e-) Desenhe o diagrama fasorial da tensão da fonte em função da corrente total e da corrente em cada um dos componentes do circuito.

IR I

IC IL

(21)

Resolução

a-) Calculo da impedância em cada um dos componentes do circuito módulo e ângulo.

Impedância Resistiva ZR

(

)

(

)

(

)

→ = Ω∠ ° + = → + = 0 5 , 2 0 5 , 2 0 ZR P R Conversão j ZR j R ZR

Impedância Indutiva ZL

(

+

)

=

Rb

XLj

ZL

(

)

(

)

=

°

+

=

=

π

=

π

=

ω

=

+

=

60

5

)

33

,

4

5

,

2

(

33

,

4

10

.

48

,

11

.

60

.

2

.

.

2

.

3

ZL

P

R

Conversão

j

ZL

XL

XL

L

f

XL

L

XL

XLj

Rb

ZL

Impedância Capacitiva ZC

(

)

(

)

=

°

=

=

π

=

π

=

ω

=

=

85

10

)

972

,

9

8716

,

0

(

972

,

9

10

.

266

.

60

.

2

1

.

.

2

1

.

1

6

ZC

P

R

Conversão

j

ZC

XC

XC

C

f

XC

C

XC

XCj

Rc

ZC

(22)

b-) Calculo da impedância total do circuito módulo e ângulo.

(

) (

) (

)

(

+

) (

+ −

) (

+ +

)

→ =

(

)

= → → ° ∠ + ° − ∠ + ° ∠ =       ° − ∠ Ω +       ° ∠ Ω +       ° ∠ Ω = + + = → + + = 1 07358 , 0 50872 , 0 1 09962 , 0 008716 , 0 1732 , 0 1 , 0 0 4 , 0 1 85 1 , 0 60 2 , 0 0 4 , 0 1 85 10 1 60 5 1 0 5 , 2 1 1 1 1 1 1 j ZT j j j ZT R P conversão S S S ZT ZT ZC ZL ZR ZT YC YL YR YT ° ∠ Ω = → ° − ∠ = ° − ∠ = → → 23 , 8 946 , 1 23 , 8 5140 , 0 1 23 , 8 5140 , 0 1 ZT ZT ZT P R conversão

Como o ângulo da carga da impedância total é positivo (8,23°) a

predominância foi do indutor, portanto a corrente total do circuito estará atrasada em relação à tensão da fonte em (8,23°).

(23)

c-) Calculo da corrente solicitada da fonte de alimentação no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo.

No domínio complexo de Steinmetz

No domínio do tempo ° − ∠ = → ∠ ° − ∠ = → = ° − ∠ = → ° − ∠ = → ∠ = → ° − = 23 , 53 A 26 , 65 I 23 , 8 946 , 1 45 V 127 I ZT V I 45 V 127 V 45 2 60 , 179 V 2 V V ) 45 t . ( sen . V 60 , 179 ) t ( v ω max θ No domínio do tempo

(

)

(

°

)

=

=

=

=

=

23

,

53

t

.

sen

A

3

,

92

)

t

(

i

A

3

,

92

I

2

.

26

,

65

I

2

.

ef

I

I

t

.

sen

I

)

t

(

i

max max max max

ω

φ

ω

(24)

d-) Calculo da corrente em cada um dos componentes no domínio complexo de Steinmetz e no domínio do tempo

No domínio complexo de Steinmetz Corrente no resistor

°

=

°

°

=

=

50

,

8

45

0

5

,

2

45

127

A

IR

V

IR

ZR

V

IR

Corrente no indutor

°

=

°

°

=

=

25

,

4

105

60

5

45

127

A

IL

V

IL

ZL

V

IL

°

60

5

ZL

Corrente no capacitor

°

=

°

°

=

=

12

,

7

40

85

10

45

127

A

IC

V

IC

ZC

V

IC

(25)

No domínio do tempo

2

.

)

.

(

.

)

(

t

I

max

sen

t

I

max

Ief

i

=

ω

±

φ

=

Corrente no resistor

)

45

t

.

(

sen

.

A

84

,

71

)

t

(

iR

)

45

t

.

(

sen

.

2

.

8

,

50

)

t

(

iR

)

t

.

(

sen

.

I

)

t

(

iR

max

°

=

°

=

±

=

ω

ω

φ

ω

Corrente no indutor

)

105

t

.

(

sen

.

A

92

,

35

)

t

(

iL

)

105

t

.

(

sen

.

2

.

4

,

25

)

t

(

iL

)

t

.

(

sen

.

I

)

t

(

iL

max

°

=

°

=

±

=

ω

ω

φ

ω

)

105

t

.

(

sen

.

A

92

,

35

)

t

(

iL

)

105

t

.

(

sen

.

2

.

4

,

25

)

t

(

iL

=

ω

°

=

ω

°

Corrente no capacitor

)

40

t

.

(

sen

.

A

96

,

17

)

t

(

iC

)

40

t

.

(

sen

.

2

.

7

,

12

)

t

(

iC

)

t

.

(

sen

.

I

)

t

(

iC

max

°

+

=

°

+

=

±

=

ω

ω

φ

ω

Corrente total do Circuito

(

) (

) (

)

(

) (

) (

)

(

)

=

°

=

+

+

+

=

°

+

°

+

°

=

+

+

=

24

,

53

A

29

,

65

I

P

R

conversão

j

304

,

52

076

,

39

I

j

16

,

8

73

,

9

j

534

,

24

574

,

6

j

93

,

35

92

,

35

I

R

P

conversão

40

A

7

,

12

105

A

4

,

25

45

A

8

,

50

I

IC

IL

IR

I

(26)

e-) Desenhe o diagrama fasorial da tensão da fonte em função da corrente total e da corrente em cada um dos componentes do circuito

Referências

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