Circuitos Elétricos 2. Circuitos Elétricos Aplicados

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1 Circuitos Elétricos 2 Circuitos Elétricos Aplicados Prof. Dr.-Ing. João Paulo C. Lustosa da Costa (UnB) Departamento de Engenharia Elétrica (ENE) Caixa Postal 4386 CEP , Brasília - DF Homepage: 1

2 Informações sobre o docente Formação acadêmica Doutorado em Eng Ele pela TU Ilmenau na Alemanha em 2010 Mestrado em Eng Ele pela UnB em 2006 Graduação em Eng Elo pelo IME em 2003 Áreas de pesquisa Processamento de Sinais em Arranjos Multidimensionais Sistemas MIMO, estimação de parâmetros, álgebra multilinear, análise de componentes principais Mais informações Contato (marcar reuniões) joaopaulo.dacosta@ene.unb.br 2

3 Área de Pesquisa 1: Áudio Localização de fontes sonoras Fonte sonora 1 Arranjo de microfones Fonte sonora 2 Aplicações: prótese auditiva inteligente (PAI), interfaces entre humanos e robôs, e processamento de dados. 3

4 Área de Pesquisa 2: Telecomunicações Modelagem de canal Direction of Departure (DOD) Arranjo transmissor: 1-D ou 2-D Direction of Arrival (DOA) Arranjo receptor: 1-D ou 2-D Freqüência Delay Tempo Doppler shift 4

5 Tema na área de UAVs (1) Project title: Communication schemes for UAVs Description: In this work, the students have to research on the literature the state-of-the-art communication schemes applied by UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) and also used in cooperative MIMO communcation. Depending on the complexity leve, some of these communication schemes can be simulated in MATLAB. Difficulty level of the theory: High Difficulty level of the programming: Medium Tutor: João Paulo C. L. da Costa 5

6 Tema na área de UAVs (2) Project title: Channel estimation for UAVs Description: In this work, the students have to research on the literature types of communication channels of UAVs. Moreover, it will be important if the students could try to obtain measurements for the channel and compare them to the channels in the literature. Difficulty level of the theory: Medium Difficulty level of the programming: Medium Tutor: João Paulo C. L. da Costa 6

7 Tema na área de UAVs (3) Project title: Viability of Multiple Antennas in UAV for aligment estimation Description: In this work, the students have to check the viability of including antennas in different parts of an UAV in order to estimate its aligment with respect to the base station. The impotant poits: if there is some electronic device for that in the market. Furthermore, the cost, the size and the weight of such device should be specified. The understanding of basic anntena array concepts is important here as well as UAV concepts. Difficulty level of the theory: Medium Difficulty level of the programming: Easy Tutor: João Paulo C. L. da Costa 7

8 Tema na área de UAVs (4) Project title: Estimation of Aligment of UAVs via Multiple Antennas Description: In this work, the students have to consider a real UAV and estimate its aligment by using multiple antenna schemes. Several schemes in MATLAB are already available and the student can use them. Difficulty level of the theory: Medium Difficulty level of the programming: Hard Tutor: João Paulo C. L. da Costa 8

9 Tema na área de UAVs (5) Project title: Filtering of magnetometer signals to acquire a better aligment estimation Description: In this work, the students will analyze the signals of a magnetometer and will to propose a filter in order to have the signals with less noise. Difficulty level of the theory: Medium Difficulty level of the programming: Medium Tutor: João Paulo C. L. da Costa 9

10 Tema na área de microphone array (1) Project title: Understanding the TRINICON algorithm Description: In this work, the students have to understand how the TRINICON algorithms works and try to implement it in MATLAB. Difficulty level of the theory: High Difficulty level of the programming: High Tutor: João Paulo C. L. da Costa 10

11 Tema na área de microphone array (2) Project title: Finding the multi-dimensional structure of microphone array signals Description: In this work, the students have to search for a multidimensional structure of microphone array signals. There is already some code developed in MATLAB. Difficulty level of the theory: High Difficulty level of the programming: High Tutor: João Paulo C. L. da Costa 11

12 Informações sobre o docente Jayme Milanezi Junior Formação acadêmica Mestrando em Eng Ele pela UnB Graduação em Eng Elétrica - IME / 2004 Áreas de pesquisa Reciclagem de Energia por meio de painéis FV Sistemas motrizes 2 pedidos no INPI Qualidade de Energia Elétrica / Eficiência Energética Atuação Profissional Especialista em Regulação na ANEEL Lotado na SPE Superintendência de P&D e Eficiência Energética Mais informações Contato (marcar reuniões) jmilanezi@gmail.com 12

13 Informações sobre a disciplina no site Login e senha thevenin 13

14 Objetivo da disciplina Capacitar os alunos a resolverem problemas envolvendo circuitos elétricos no domínio da freqüência utilizando técnicas espectrais como análise de Fourier e Laplace Modelar subsistemas lineares utilizando variáveis de circuito 14

15 Bibliografia [1] [2] J. D. Irwin e R. M. Nelms, Análise Básica de Circuitos para Engenharia, 9 a edição, editora LTC. [3] Notas e artigos a serem entregues durante o curso. [4] J. D. Irwin, Análise Básica de Circuitos para Engenharia, 7 a edição, editora LTC. [5] J. O Malley, Schaum s Outline of Theory and Problems of Basic Circuit Analysis, editora McGraw-Hill,

16 Notas A menção final é dada pela seguinte composição: 10 % da nota do trabalho final; 20 % da nota do laboratório; 70 % da nota das provas. 16

17 Trabalho da disciplina Os alunos poderão escolher três temas da lista indicada no site colocando a ordem de prioridade e deverão entregar por até o dia 11/04/2013. Os alunos poderão sugerir um tema de pesquisa e deverão entregar uma descrição sobre o conteúdo a ser apresentado. Máximo de dois alunos por tema Trabalho em MATLAB ou então utilizando PSPICE Próximo ao término da disciplina apresentação dos trabalhos entrega de resumo com duas páginas (de preferência no idioma inglês) sobre o trabalho o resumo deverá conter no formato IEEE (a ser disponibilizado na página da disciplina) abstract, introduction, data model, technique description, simulations, and conclusions 17

18 Provas Preparação através de slides das aulas; livro [1] principalmente com os exercícios recomendados 18

19 Ementa de Circuitos Elétricos 1 Conceitos básicos Circuitos resistivos Lei de Kirchhoff das correntes (LKC) Lei de Kirchhoff das tensões (LKT) Técnicas de análise nodal e dos laços Técnicas adicionais de análise Superposição Teoremas de Thévenin e de Norton Teorema de Potência Máxima Capacitância e indutância (Não foi incluída a parte com amplificadores operacionais) Circuitos transientes de primeira e segunda ordens 19

20 Ementa de Circuitos Elétricos 2 Análise do regime estacionário em circuitos AC Análise da potência no regime estacionário Amplificadores operacionais Redes magneticamente acopladas Desempenho das redes em função da freqüência Transformada de Laplace Aplicação da transformada de Laplace na análise de circuitos Técnicas de análise através das séries de Fourier Transformada de Fourier Quadripolos 20

21 Link: final de CE 1 e início de CE 2 Circuitos transientes de primeira e segunda ordens Análise do regime estacionário em circuitos AC Tensão de entrada é chaveada, degrau,... Tensão de entrada senoidal Aplicação em redes elétricas, principalmente industriais Regime estacionário sem a parte transitória (exponencial decrescente) 21

22 Exemplo em MATLAB Regime senoidal NP vs Regime senoidal P Usando MATLAB 2 o harmônico da rede elétrica 22

23 Resultado gráfico: RSNP vs RSP 23

24 Conclusão sobre a comparação Circuitos transientes de primeira e segunda ordens Análise do regime estacionário em circuitos AC requer a resolução de uma Equação Diferencial Ordinária (EDO) onde a entrada é senoidal. em segundos qualquer estudante fazendo operações simples pode encontrar a solução alta complexidade o próprio MATLAB sofre um tempo processando! a informação do transitório é desprezada comum em muitos projetos de engenharia exemplo: correção do fator de potência 24

25 Efeito da CA em elementos de circuitos Caso resistivo Caso capacitivo Na engenharia elétrica de potência se diz que o capacitor adianta a corrente em relação à tensão. No caso puramente capacitivo, a corrente é adiantada de 90 o em relação à tensão. 25

26 Efeito da CA em elementos de circuitos Caso indutivo Na engenharia elétrica de potência se diz que o indutor adianta a tensão em relação à corrente. No caso puramente indutivo, a tensão é adiantada de 90 o em relação à corrente. Aula em inglês sobre a defasagem entre tensão e corrente 26

27 Checando fase no exemplo em MATLAB Caso resistivo indutivo espera-se um desvio de fase entre 0 o e -90 o calculando -48,5 o 27

28 Regime Senoidal Permanente: solução 1 Informações importantes a freqüência é fixa deseja-se obter duas informações amplitude fase (defasagem entre tensão e corrente) A primeira forma de resolver o problema assumindo uma fonte senoidal ou cossenoidal Exemplo 8.3 da referência [1]. quase uma página de solução! 28

29 Regime Senoidal Permanente: solução 1 A primeira forma de resolver o problema assumindo uma fonte senoidal ou cossenoidal Assume-se a forma de solução: Logo, substituindo Identidades trigonometricas 29

30 Regime Senoidal Permanente: solução 1 Seno e cosseno são funções ortogonais. Projetando seno no cosseno resulta em zero e vice-versa. Portando, pode-se separar a equação nos termos seno e cosseno: Cancelando termos diferentes de zero. Indutor: fase negativa? OK! 30

31 Regime Senoidal Permanente: solução 1 Lembrando que se deseja calcular: Usando a primeira equação? OK Cancelando termos diferentes de zero. 31

32 Regime Senoidal Permanente: solução 1 Logo: A equação da corrente é dada por: 32

33 Regime Senoidal Permanente: solução 2 A melhor forma de resolver o problema assumindo uma fonte do tipo exponencial complexa Lembrando que: No mundo real não existem fontes elétricas com sinais complexos. Todos os sinais são sempre reais. Superposição de uma fonte real cossenoidal com uma fonte imaginária senoidal. Exemplo 8.4 da referência [1]. metade da página de solução. 33

34 Regime Senoidal Permanente: solução 2 A melhor forma de resolver o problema assumindo uma fonte do tipo exponencial complexa Assume-se a forma de solução: 34

35 Regime Senoidal Permanente: solução 2 A melhor forma de resolver o problema Aplicando o operador real se obtem a solução 1. 35

36 Notação Fasorial No regime senoidal permanente assume-se a freqüênca é constante com isso a notação pode ser simplificada representação através de fasores Na solução 2 notar que: Representado elementos na forma fasorial Em caso de soma e subtração usar forma retangular. Preparando para forma fasorial: módulo e fase 36

37 Notação Fasorial Forma fasorial Em caso de produto e divisão usar a forma polar. Uma vez que os fasores tensão e impedância são calculados, a corrente pode ser facilmente encontrada por Mesma resultado das soluções 1 e 2, porém na forma fasorial. 37

38 Criador da Notação Fasorial Charles Proteus Steinmetz (*04/09/ /10/1923) Diploma pela Universidade de Breslau ( ) Presidente do AIEE ( ), atualmente IEEE Doutorado incompleto fugiu para os EUA (Universidade de Cornell) Matemático alemão-americano e engenheiro eletricista formulou teorias matemáticas para engenheiros; apoiou o desenvolvimento da energia alternada possibilitando a expansão da indústria de potência; fez descobertas inovadoras sobre histerese. 13 livros, 60 artigos e 200 patentes Ninguém se torna tolo, até parar de fazer perguntas. 38

39 Cálculo de Impedância Equivalente via Impedância e Admitância No regime senoidal permanente Circuito AC Impedância Parte imaginária, ou reativa Parte real, ou resistiva Forma polar Forma retangular 39

40 Cálculo de Impedância e Admitância Equivalentes Impedâncias em série Impedâncias em paralelo Admitância Admitâncias em série Parte imaginária, ou susceptância Parte real, ou condutância Admitâncias em paralelo 40

41 Vantagens Mais aulas complementares no youtube sobre fasores outra didática e uma visão diferente sobre o mesmo assunto checar série Phasors for the Impatient do L. R. Linares (Canadá) PHASOR 01: Complex Numbers (A non-conventional Introduction) familiarizar com o vocabulário técnico em inglês cuidado com aulas de universidades da Índia quanto à pronúncia [y.1] - Aula sobre aritmética com números complexos (calculadora HP) [y.2] - Valor RMS e valor efetivo de corrente e tensão [y.3] - Aula sobre fasores (nível revisão) [y.4] - Exemplo de resolução de circuitos com tensores 41

42 Revisão das técnicas de Circuitos Elétricos 1 com fasores Conceitos básicos Circuitos resistivos Lei de Kirchhoff das correntes (LKC) Lei de Kirchhoff das tensões (LKT) Técnicas de análise nodal e dos laços Técnicas adicionais de análise Superposição Teoremas de Thévenin e de Norton Teorema de Potência Máxima Capacitância e indutância Amplificadores operacionais Circuitos transientes de primeira e segunda ordens 42

43 Exemplo de problemas com fasores Exemplo 8.15 da p. 335 cap. 8 da referência [1] Soluções via análise nodal, análise dos laços, princípio da superposição, troca de fonte, teorema de Thévenin e teorema de Norton. Análise nodal 43

44 Exemplo de problemas com fasores Análise nodal (continuação) MATLAB Logo, Continua 44

45 Exercícios selecionados Referência [1] Ex Ex. 8.40, Ex e Ex Ex Ex Ex Ex Ex. 8EP-1, Ex. 8EP-2, Ex. 8EP-3, Ex. 8EP-4, e Ex. 8EP-5 45