Baixe Analise Nodal e outras Provas em PDF para Engenharia de Alimentos, somente na Docsity! Método de Análise Nodal 1. Introdução Conforme visto anteriormente, a solução de um circuito elétrico contendo b ramos requer a determinação de 2b incógnitas, as quais são a corrente e a tensão de cada ramo. Também foi mostrado que a aplicação das Leis de Kirchoff e a consideração das relações tensão-corrente de cada ramo permite estabelecer as equações necessárias para a solução do circuito. No entanto, a solução fica mais simples quando se utiliza um conjunto de variáveis distinto das variáveis de ramo. No caso da análise de nós serão utilizadas as tensões dos nós do circuito em relação a um nó de referência, ao invés da tensão de ramo (tensão entre os terminais de cada ramo). Desta forma será obtido um sistema de equações tendo como incógnitas as tensões dos nós do circuito em relação ao nó de referência, o qual pode ser escolhido como qualquer nó do circuito. A aplicação sistemática deste procedimento é denominada Análise Nodal e é descrita resumidamente a seguir. Maiores detalhes são obtidos na bibliografia indicada. 2. Procedimento Básico A análise nodal envolve sempre os cinco passos descritos a seguir. 2.1 Seleção do Nó de Referência Inicialmente deve ser selecionado um nó qualquer do circuito como nó de referência, em relação ao qual todas as tensões serão determinadas. O potencial deste nó será assumido como zero, motivo pelo qual ele muitas vezes também é denominado de nó de terra. Em seguida os demais nós são numerados de 1 a (n-1), sendo n o número total de nós do circuito incluindo o nó de referência. As demais tensões dos nós serão designadas como 1n321 vvvv −K,, . 2.2 Aplicação da LCK aos Nós Após a escolha do nó de referência e numeração dos nós restantes, deve-se aplicar a Lei de Kirchhoff para os (n-1) nós. A LCK não necessita ser aplicada para o nó de referência, uma vez que resultará numa equação a mais do que o necessário para a solução do circuito. Deve- se adotar uma convenção de sinal de acordo com o sentido das correntes em relação aos nós. Geralmente, são consideradas positivas as correntes que entram no nó, enquanto que correntes que saem são consideradas negativas. Como resultado desta etapa, haverá (n-1) equações que representam os somatórios das correntes que incidem e saem dos (n-1) nós. 2.3 Consideração das Relações Tensão-Corrente dos Ramos As equações da etapa anterior foram escritas em função das correntes de nós. No entanto, as incógnitas são tensões de nó. Deve-se, portanto, utilizar as relações de tensão-corrente para substituir as correntes de nós por relações envolvendo as tensões de nó. Como resultado desta etapa, obtém-se (n-1) equações envolvendo as tensões de nó. Deve-se atentar que existe uma relação tensão corrente para cada ramo, existindo portanto b relações deste tipo. 2.4 Solução do Sistema de Equações Após a obtenção das equações de nó, deve-se utilizar algum método de solução de sistemas de equações e determinar as (n-1) incógnitas. Num caso geral, obtém-se um sistema de equações íntegro-diferenciais, cuja solução é assegurada caso o circuito seja composto apenas de elementos lineares e invariáveis no tempo. Caso o circuito seja composto apenas PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - 9/8/2004 página 2/8 + - xv yv ki kR Figura 1 - Tensão e corrente de ramo de resistores, obtém-se um sistema de (n-1) equações algébricas onde os coeficientes são obtidos a partir das resistências do circuito, sendo a solução neste caso mais fácil, uma vez que as equações não envolvem integrais e derivadas. 2.5 Obtenção das Correntes e Tensões de Ramos Deve-se atentar para o fato que, depois de solucionado o sistema de equações, pode-se obter todas as correntes e tensões de ramo do circuito a partir das tensões de nó. Por exemplo, a tensão do ramo k, conectado entre os nós x e y do circuito conforme a Figura 1, pode ser obtida pela seguinte equação: yxxyk vvvv −== (1) Considerando-se os sentidos associados, a corrente no ramo k que circula do nó x para o nó y será dada como: ( ) kyx k yx k GvvR vv i ⋅−= − = (2) k k R 1 G = (3) kR - resistência do ramo k (ohms, )Ω kG - condutância do ramo k (siemens, S) 3. Exemplo de Aplicação O método exposto será ilustrado por meio de um exemplo simples ilustrado na Figura 2, onde todos as etapas citadas serão realizadas. 3.1 Seleção do Nó de Referência Para o circuito mostrado na Figura 2 existem 3 nós, sendo que o nó inferior será escolhido como nó de referência (nó de terra). As tensões nos outros dois nós serão denominadas 1v e 2v , respectivamente. As correntes nos resistores 1R , 2R e 3R serão denominadas de 1i , 2i e 3i . 3.2 Aplicação da LCK aos Nós Aplicando-se a LCK para os nós 1 e 2 resulta, respectivamente: 21ba21ba iiII0iiII +=−+⇔=−−−+ (4) 23b23b iiI0iiI −=⇔=+−+ (5) 3.3 Consideração das Relações Tensão-Corrente dos Ramos Considerando os sentidos associados as relações tensão-corrente para os resistores 1R , 2R e 3R serão: + _ 1i 2i 3i + _ + _ aI bI 1v 2v 1 2 0 3R 2R 1R Figura 2 - Circuito de exemplo PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - 9/8/2004 página 5/8 + _ R R E I = v + _ E i v i ( a ) ( b ) + _ R Figura 3 - Equivalência de fontes kjjk GG = = soma das condutâncias conectadas entre os nós j e k Deve-se observar que os elementos fora da diagonal principal serão valores negativos na matriz de condutâncias. O sistema de equações terá a seguinte forma geral:               =               ⋅               −− −− −− N 2 1 N 2 1 NNN2N1 N22212 N11211 I I I v v v GGG GGG GGG MMMMMM L L (22) [ ] [ ] [ ]IVG =⋅ (23) [ ] [ ]TN21 IIII L= (24) [ ] [ ]TN21 vvvV L= (25) kI - somatório das fontes das fontes de corrente que estão conectadas ao nó, sendo que as fontes entrando no nó são consideradas positivas e as saindo negativas. Baseado nas propriedades acima, pode-se montar diretamente as equações de nó do circuito, atentando-se para o fato que o circuito contenha apenas fontes de corrente independentes e resistores lineares. Pode-se comprovar esta afirmação para o exemplo anterior obtendo-se diretamente as equações de nó do circuito. 5. Transformação de Fontes A análise de nós é mais simples quando todas as fontes que existem são fontes de corrente. Quando isto não ocorrer, pode-se transformar fontes de tensão em série com um resistor (Figura 3a) em fontes de corrente com o resistor em paralelo (Figura 3b), de acordo com as relações que seguem. R E IIRE =⇔⋅= (26) Por meio das transformações de fonte pode-se, exceto em casos especiais, obter um circuito onde apenas aparecem fontes de corrente e análise nodal pode ser facilmente realizada. Deve- se também atentar para o fato que nem sempre é possível converter facilmente todas as fontes de tensão do circuito para fontes de corrente. PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - 9/8/2004 página 6/8 + - xv yv ki E + _ kix y figura 4 - Fonte de tensão entre dois nós 6. Análise Nodal com Fontes de Tensão A análise nodal, sendo um método geral de análise, pode também ser empregada quando o circuito contiver fontes de tensão sejam elas dependentes ou independentes. As fontes de tensão impõem uma determinada diferença de potencial entre dois nós, não sendo possível determinar a corrente da mesma antes de solucionar o circuito. Estas características devem ser consideradas quando do estabelecimento das equações do circuito. Existem diversas formas de considerar o efeito das fontes de tensão, sendo que uma delas é descrita a seguir. Considerando que a fonte de tensão está conectada entre os terminais x e y conforme a Figura 4, observa-se que a corrente da fonte aparecerá nas equações de ambos os nós do circuito onde a fonte está conectada. Como não há uma relação entre a corrente da fonte e a sua tensão pode-se manter a corrente ki da fonte como uma incógnita a ser determinada. Por outro lado, as tensões dos nós x e y estão relacionados da seguinte forma. yx vvE −= (27) Desta forma, foi acrescentada uma incógnita ao sistema de equações, mas também foi acrescentada uma equação, sendo ainda possível solucionar o circuito. No total existirá, assim, n equações. Também pode-se eliminar a corrente da fonte do sistema de equações isolando-se a corrente ki na equação do nó x, por exemplo, e substituindo-a na equação do nó y. Desta forma, elimina-se a equação do nó x, ficando o sistema novamente com (n-1) equações. Caso a fonte de tensão estiver conectada entre o nó x e o nó de terra, significa que a tensão do nó está imposta, podendo-se neste caso desconsiderar a equação deste nó estabelecer o seguinte valor para a tensão do nó: xvE = (28) O procedimento delineado corresponde ao tratamento dos dois nós onde a fonte está conectada por como se fossem um único nó e aplicando-se a LCK para este nó composto, também chamado de super-nó ou nó generalizado (vide bibliografia). O exemplo mostrado na Figura 5 ilustra o procedimento. Para este circuito as equações de nós são as seguintes: nó 1: f31a31fa IiiI0iiII −+=+⇔=−−++ (29) nó 2: f23b2bf3 IiiI0iIIi −−=+⇔=−−−+ (30) As relações tensão corrente são as seguintes: 1 1 1 1 1 R v R 0v i = − = ou 111 Gvi ⋅= (31) PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - 9/8/2004 página 7/8 + _ 1i 2i 3i + _ + _ aI bI 1v 2v 1 2 0 E 1R 2R 3R fI Figura 5 - Análise nodal com fonte de tensão 2 2 2 2 2 R v R 0v i = − = ou 222 Gvi ⋅= (32) 3 21 3 R vv i − = ou ( ) 3213 Gvvi ⋅−= (33) A equação adicional considerando a fonte de tensão é: 21 vvE −= (34) substituindo as relações (31) a (34) obtém-se finalmente as equações do circuito. Deve-se notar que a corrente da fonte de tensão aparece como uma incógnita a mais, havendo também uma equação a mais (equação (34)). ( ) f32111a IGvvGvI −⋅−+⋅=+ ( ) f32311a IGvGGvI −⋅−+⋅=+ (35) ( ) f22321b IGvGvvI −⋅−⋅−=+ ( ) f32231b IGGvGvI −+⋅−⋅=+ (36) Multiplicando-se a última equação por (-1), resulta: ( ) f32231b IGGvGvI ++⋅+⋅−=− (37) As equações (34), (35) e (36) são portanto as equações básicas do circuito, sendo as incógnitas 1v , 2v e fI . De forma matricial , o sistema de equações pode ser escrito como: