Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Faculdade de Engenharia Engenharia
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PLANO DE AULA DA DISCIPLINA 2B
CIRCUITOS DE POTÊNCIA ATUALIZADO E REVISADO EM 25/02/2011
CODICRED 4458R-04
01 DISCIPLINA:
SÍNTESE CIRCUITOS DE POTÊNCIA
CODICRED
CRÉDITOS/HORAS AULA
DOCENTE(S) :
04/60
Professor: Fernando Soares dos Reis, Dr. Ing. 3B
CURSO(S) ATENDIDO(S)
ENGENHARIA ELÉTRICA ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO TIPOLOGIA
4458R-04
TEÓRICO
TURMA
HORÁRIOS
450
MÓDULO
0B
1/60
3JK5JK
Sala:
EMENTA:
Estudo dos componentes empregados em eletrônica de potência (diodos e tiristores). Análise de retificadores a diodo e retificadores monofásicos com filtro capacitivo. Caracterização de circuitos de comando de tiristores e retificadores a tiristor. Aplicação de inversores não-autônomos. Estudo de técnicas de comutação de tiristores. Apresentação de estruturas não-convencionais para retificadores. Definição de controladores de tensão CA (gradadores) e chaves estáticas. Introdução a Conversores CC-CC e ao estudo de inversores.
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OBJETIVOS
Gerais: Desenvolver no estudante habilidades de análise qualitativa e quantitativa de conversores estáticos de potência. Específicos: Capacitar o futuro Engenheiro para analisar, projetar e desenvolver aplicações na área da Eletrônica de Potência. Como por exemplo: 1. Transporte. Em muitos países os trens elétricos têm sido amplamente usados. Agora existe também a possibilidade de usar veículos elétricos em grandes metrópoles para reduzir a poluição. Estes também vão requerer carregadores de baterias e drivers. 2. Retificadores. Para sistemas de carga de baterias em sistemas UPS, no sistema de telefonia comercial que é alimentado em 48 V CC, na alimentação de máquinas de corrente continua, servo atuadores, etc... 3. Gradadores. Utilizados no controle do fluxo de potência em cargas de corrente alternada, como: aquecedores, controle de luminosidade em lâmpadas incandescentes, controle de velocidade de máquinas de baixa potência, circuitos limitadores da corrente de partida em máquinas CA, 4. Aplicações na Eletrotécnica. Se pode incluir equipamentos para aquecimento elétrico, galvanoplastia e aquecimento indutivo. 5. Aplicações em Alta Potência. Aplicando a linhas de transmissão (HVDC).
Conversores CA-CC e CC-CA (exemplo: ITAIPU). 6. Controle de processos e automatização industrial . Existe uma demanda crescente, no sentido de aumentar a performance oferecida pelas bombas e compressores que utilizam um drive com velocidade variável, em processos de controle. Os robôs em fábricas automatizadas são “alimentados” por servos elétricos. (Inversores, Cicloconversores) 7. Fontes comutadas e Sistemas de Alimentação Ininterruptas (SAI). Os avanços na microeletrônica que propiciaram a criação dos computadores pessoais, equipamentos de comunicações e consumo, aumentaram muito a demanda de todos estes equipamentos. 8. Conservação de energia . Com o aumento do custo da energia e a conscientização das populações com os temas ambientais. Uma das aplicações é a utilização de conversores de potência que operam a freqüências elevadas (acima de 20 kHz). (Fontes Chaveadas)
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CONTEXTO
Em termos gerais se pode dizer que a eletrônica de potência é a ciência que se dedica a processar e controlar o fluxo de energia elétrica fornecendo tensões e correntes nas formas exigidas pelas cargas. Entrada Potência
V e
de Conversor de Potência ie
Sinais controle
Controlador
Saída Potência
de Carga
v s
de
Medidas Referência
Figura 1. Diagrama de blocos de um sistema genérico de Eletrônica de Potência.
A entrada do sistema geralmente é a rede elétrica comercial com freqüências de 60 ou 50 Hz, monofásico ou trifásico. O ângulo de fase entre a tensão e a corrente depende da topologia e do controle do conversor de potência. As características de saída tais como (tensão, corrente, freqüência e o número de fases) geralmente são definidas pela carga. Se o conversor de potência opera como uma fonte de tensão o ângulo entre a tensão e a corrente normalmente vai depender do tipo de carga. Normalmente, uma realimentação é utilizada para comparar a saída real do conversor de potência e a desejada (referência), o erro resultante é minimizado pelo controlador. O fluxo de potência em tais sistemas pode ser reversível, trocando assim os papeis da entrada e saída. Nos últimos anos, o campo da eletrônica de potência tem experimentado uma ampla difusão devido a confluência de vários fatores. O controlador da figura 1 consiste de circuitos integrados lineares e/ou processadores digitais de sinal. Revolucionários avanços em microeletrônica permitiram o desenvolvimento destes controladores. Adicionalmente, esses avanços na tecnologia de fabricação dos semicondutores fizeram possível um importante aumento da capacidade de manipulação de tensão, corrente e velocidade por parte dos semicondutores, todos estes avanços possibilitaram o crescimento dos processadores de potência. Ao mesmo tempo, o mercado da eletrônica de potência tem se expandido de forma significante. Nos Estados Unidos se espera para o ano 2000 um crescimento superior a 50% das cargas elétricas, alimentadas através de conversores de
potência. Este crescimento no mercado deve ser observado também em outras partes do mundo onde o custo da energia seja significantemente maior que nos Estados Unidos. Atualmente ainda existe um grande número de conversores clássicos em operação tais como retificadores, gradadores, conversores duais, cicloconversores, compensadores estáticos, razão pela qual grande parte ou a quase totalidade da disciplina se ocupará destes conteúdos básicos os quais Quando bem sedimentados constituem uma sólida base sob a qual os demais conhecimentos podem ser construídos .
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CONTEÚDO
INTRODUÇÃO Aplicações da Eletrônica de Potência. História da Eletrônica de Potência. Dispositivos Semicondutores de Potência. Características de Controle dos Dispositivos de Potência. Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência. Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência. Efeitos Periféricos. Módulos de Potência. Módulos Inteligentes - Smart Power . Diodos Semicondutores de Potência Introdução. Curvas Características dos Diodos. Curvas Características da Recuperação Reversa. Tipos de Diodos de Potência. Efeitos dos Tempos de Recuperação Direto e Reverso. Diodos Conectados em Série. Diodos Conectados em Paralelo. Modelamento em SPICE de Diodos. Circuitos e Retificadores com Diodos Introdução. Diodos com Cargas RC e RL. Diodos com Cargas LC e RLC. Diodos de Comutação. Recuperação da Energia Armazenada Utilizando um Diodo de Comutação. Retificadores Monofásicos de Meia Onda. Parâmetros de Desempenho (Performance); Retificadores Monofásicos de Onda Completa com tap central . Retificadores Monofásicos de Onda Completa com Carga RLE. Retificadores Polifásicos em Estrela. Retificadores Trifásicos em Ponte. Retificadores Trifásicos em Ponte com Carga RLE. Projeto de Circuitos Retificadores. Tensão de Saída com Filtro LC. Efeitos das Indutâncias da Fonte e da Carga. TIRISTORES Introdução. Características dos Tiristores. Modelo com Transistores do Tiristor. Disparo de um Tiristores. Proteção Contra di/dt. Proteção Contra dv/dt ( snubber ). Desligamento do Tiristor. Tipos de Tiristores. Operação em Série de Tiristores. Operação em Paralelo de Tiristores. Circuitos de Disparo de Tiristores. Transistor de Unijunção. Transistor de Unijunção Programável. Modelamento em Spice para Tiristores. Retificadores Controlados Introdução. Princípio de Operação dos Conversores de Fase Controlada. Conversores Monofásicos Semicontrolados. Conversores Monofásicos Semicontrolados. Conversores Monofásicos Controlados. Conversores Monofásicos Controlados com Carga RL. Conversores Duais Monofásicos. Conversores Monofásicos em Série. Conversores Trifásicos de Meia Onda. Conversores Semicontrolados Trifásicos. Conversor Trifásico Semicontrolado com Carga RL. Conversores Trifásicos Controlados. Conversores Trifásicos Controlados com Carga RL. Controladores de Tensão CA Introdução. Princípio do Controle Liga-Desliga. Princípio do Controle de Fase. Controladores Monofásicos Bidirecionais com Cargas Resistivas. Controladores Monofásicos com Cargas Indutivas. Controladores Trifásicos de Meia Onda; Controladores
Trifásicos de Onda Completa. Controladores Bidirecionais Trifásicos Conectados em Triângulo. Mudança de Derivação de Transformadores Monofásicos. Cicloconversores Monofásicos. Cicloconversores Trifásicos. Projeto de Circuitos Controladores de Tensão CA. Efeitos das Indutâncias da Fonte e da Carga. Efeitos das Indutâncias da Fonte e da Carga.
CHOPPERS Introdução. Princípio da Operação Abaixadora (Step-Down). Chopper Abaixador com Carga RL. Princípio da Operação Elevadora (Step-Up). Parâmetros de Performance. Classificação dos Choppers. Reguladores Chaveados INVERSORES MODULADOS POR LARGURA DE PULSO Introdução. Princípio de Operação. Parâmetros de Performance. Inversores Monofásicos em Ponte. Inversores Trifásicos
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MÉTODO DIDÁTICO
O método didático, esta centrado na preocupação com a formação integral da pessoa humana, baseada nos princípios cristãos que norteiam esta Instituição de Ensino Superior. Assim, as aulas sempre iniciaram com uma pequena reflexão. Os estudantes são encorajados a trazerem colaborações. As relações em sala de aula serão construídas tendo em mente o seguinte princípio Marista: A simplicidade é a virtude Marista que exerce uma função vital nas relações humanas. Embora a noção de simplicidade possa ser aplicada ao modo de vida e a outros aspectos, é, a priori, uma faceta para um bom relacionamento. Ela implica tranqüilidade nas relações, que flui de uma total falta de duplicidade: a mesma face, tanto dentro quanto fora da comunidade, e a mesma voz, tanto para oração quanto para as atitudes. É a perfeita conciliação da palavra com a ação. (Ir. Gregory Ryan) Em nosso trabalho utilizaremos: • • • •
Aulas expositivas utilizando quadro negro, transparências, power point. Utilização de técnicas que permitam uma maior integração entre os estudantes (projetos propostos, solução de exercícios em aula, díade, simpósios). Utilização de aulas de laboratório para despertar interesse e/ou fixar os conteúdos vistos em aula. Como suporte as nossas aulas colocaremos a disposição uma página na internet que servirá como mural eletrônico onde vocês poderão encontrar avisos, notas, as transparências das aulas, arquivos para simulação, catálogos de fabricantes de dispositivos eletrônicos, acesso a seção Reflexões. O andamento das aulas também
poderá ser acompanhado através da seção calendário. Assim, todos os estudantes deverão possuir e-mail. O endereço da página é: http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis/index3.html . Utilizaremos um livro texto, portanto é imprescindível que todos o possuam. (ELETRÔNICA DE POTÊNCIA DO PROF. IVO BARBI) HU
•
UH
A utilização de uma calculadora científica se faz necessária durante as aulas, o uso de simuladores será de grande utilidade para fixação dos conteúdos. Trata-se de uma poderosa ferramenta de auxílio aos projetos.
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SISTEMA DE AVALIAÇÃO
- O grau de G1 será composto por três avaliações (P1, P2 e P3) sendo o grau G1 formado pela média aritmética destas três provas. As avaliações versarão sobre os conteúdos desenvolvidos: em sala de aula e nos estudos dirigidos. - No caso de falta a uma das provas (P1, P2 ou P3) a prova de substituição PS (a qual é bom lembrar versará sobre toda a matéria ministrada) terá a função de recuperar a prova perdida. Desta forma, evite faltar às avaliações. - No caso de falta a mais de uma prova ou a PS só será concedida recuperação, extra, com autorização da direção da Faculdade de Engenharia. - As condições de aprovação são as constantes do Regimento Interno da Universidade.
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No 1
Dia 01/03t
2
03/03q
3 4
08/03t 10/03q
5
15/03t
6 7 8 9
17/03q 22/03t 24/03q 29/03t
10 11 12 13 14 15 16 17
31/03q 05/04t 07/04q 12/04t 14/04q 19/04t 21/04q 26/04t
18 19
28/04q 03/05t
20 21
05/05q 10/05t
22
12/05q
23 24 25
17/05t 19/05q 24/05t
26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
26/05q 31/05t 02/06q 07/06t 09/06q 14/06t 16/06q 21/06t 23/06q 28/06t 30/06q 07/07q
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES Assunto INTRODUÇÃO A ELETRÔNICA DE POTÊNCIA. Integração do grupo e combinações para o semestre em sala de aula. Apresentação da bibliografia. Aplicações da Eletrônica de Potência. História da Eletrônica de Potência. Dispositivos Semicondutores de Potência. Características de Controle dos Dispositivos de Potência. Tipos de Circuitos em Eletrônica de Potência. Projeto de Equipamentos de Eletrônica de Potência. Efeitos Periféricos. Módulos de Potência. Módulos Inteligentes - Smart Power . Revisão de matemática. DIODOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Introdução. Curvas Características dos Diodos. Cu rvas Características da Recuperação Reversa, Tipos de Diodos de Potência. Efeitos dos Tempos de Recuperação Direto e Reverso. DIODOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Diodos Conectados em Série. Conectados em Paralelo. EXERCÍCIOS. FERIADO NACIONAL - Carnaval RETIFICADORES COM DIODOS. Meia-Onda, Center-Tape e Em Ponte. Carga Resistiva. RETIFICADORES COM DIODOS. Meia-Onda, Center-Tape e Em Ponte. Carga Resistiva e Indutiva. EXERCÍCIOS. CÁLCULO TÉRMICO. RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico de 3 pulsos. Carga Resistiva. EXERCÍCIOS. RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico de 3 pulsos. Carga Indutiva. RETIFICADORES COM DIODOS. Trifásico em Ponte de Graetz. Cargas Resistiva e Indutiva. EXERCÍCIOS. RETIFICADORES COM DIODOS. Utilização do transformador na configuração ∆ - Y. RETIFICADORES COM DIODOS. Utilização do transformador na configuração ∆ - Y. Estudo dirigido em grupos PRIMEIRA AVALIAÇÃO DE G1. Resolução da Prova. RETIFICADORES COM TIRISTORES. Meia-Onda. Carga Resistiva. RETIFICADORES COM TIRISTORES. Carga Resistiva. FERIADO NACIONAL - Tiradentes RETIFICADORES COM TIRISTORES. Em Ponte. Carga Resistiva.Trifásico de 3 pulsos. EXERCÍCIOS. RETIFICADORES COM TIRISTORES. Trifásico em Ponte de Graetz. Controladores de Tensão CA - GRADADORES. Introdução. Princípio do Controle Liga-Desliga. Controladores de Tensão CA. Controle por ângulo de disparo ( α). Controladores de Tensão CA. Controladores Trifásicos de Onda Completa. Controladores Bidirecionais Trifásicos Conectados em Estrela (Y). Controladores de Tensão CA. Controladores Trifásicos de Onda Completa. Controladores Bidirecionais Trifásicos Conectados em Estrela (Y). EXERCÍCIOS. Controladores de Tensão CA. Estabilizadores de Tensão SEGUNDA AVALIAÇÃO DE G1 Resolução da Prova. ESTUDO DA COMUTAÇÃO - CONVERSOR DUAL – CICLOCONVERSOR RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO RETIFICADORES COM FILTRO CAPACITIVO CONVERSORES CC-CC, Conversor Redutor. EXERCÍCIOS. CONVERSORES CC-CC, Conversor Redutor-Elevador CONVERSORES CC-CC, Conversor Elevador. - EXERCÍCIOS. MODULAÇÃO POR LARGURA DE PULSO. TERCEIRA AVALIAÇÃO DE G1. Resolução da Prova. INVERSORES. FERIADO MUNICIPAL – Corpus Christi INVERSORES. PROVA DE SUBSTITUIÇÃO PS. G2
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BIBLIOGRAFIA BÁSICA
Livro texto: - Dr. Ivo Barbi, Eletrônica de Potência - Edição do Autor. http://www.ivobarbi.com Obs. Existem diversos exemplares na Biblioteca central. Quem desejar pode adquirir este livro diretamente com o autor através do e-mail:
[email protected] . É interessante que a turma se organize para fazer compra única neste caso eles dão desconto, o envio é feito por SEDEX. Auxiliares: 1. Dr. Muhammad H. Rashid, ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Circuitos, Dispositivos e Aplicações um livro editado pela Makron Books. São Paulo - 1999. 2. Material deixado no Xerox e na página da disciplina: http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis/ Complementar: 1. AHMED, ASHFAQ - Eletrônica de Potência - Printice Hall. São Paulo -2000. 2. Mohan / Undeland / Robbins, Power Electronics Converters, Applications, and Design - John Wiley & Sons, Inc. 3. KASSAKIAN, John G. ; SCHLECHT, Martin F. ; VERGHESE, George C. - Principles of Power Eletronics - Ed. Addison Wesley 4. ALMEIDA, José Luiz Antunes de - Eletrônica de Potência - Ed. Érica LTDA. 5. LANDER, Cyril W. - Eletrônica Industrial , Teoria e Aplicações - Ed. McGraw-Hill 6. GUAZZELLI, M. B. Paiva - Eletrônica de Potência - Ed. da UNICAMP 7. BOSE, B. K. - Power Electronics and AC Drives - Prentice Hall HU
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[email protected]
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CORPO DOCENTE / CURRÍCULO RESUMIDO
Prof. Fernando Soares dos Reis
O professor Fernando se graduou em engenharia elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul em 1987. Neste mesmo ano ingressou no setor industrial na área de Eletrônica de Potência. Em 1990 obteve o título de mestre em engenharia pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) tendo realizado estudos na área de eletrônica de potência e acionamento elétrico. No ano de 1990 assumiu o departamento técnico de uma empresa do setor tendo coordenado vários projetos. A partir de 1991 começou a trabalhar como professor assistente junto a PUCRS. Tendo concluído o Doutoramento em Eletrônica Industrial na Universidad Politécnica de Madrid (UPM) com a Distinção de Apto Cum Laude regressou a PUCRS em 1995 onde exerce atividade profissional junto ao Departamento de Engenharia Elétrica. Pós-Doutorado na Curtin University of Technology em Energias Renováveis em 2004. Participa de vários projetos acadêmicos e de iteração com o setor industrial e órgãos governamentais de fomento a pesquisa como o CNPq e a FAPERGS, na União Européia participou do projeto TOPIC como colaborador da UPM no qual participava a renomada empresa, AlcatelEspanha.
Durante os anos de 1998 e 1999 foi coordenador do departamento de Engenharia elétrica atuando sempre em prol dos interesses dos estudantes, tendo idealizado e implantado a versão noturna do curso de engenharia elétrica. Hoje é coordenador do Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS (LEPUC). Disciplinas já lecionadas na Graduação: Eletrônica Básica, Eletrônica de Potência, Eletrônica de Potência (ECA), Laboratório de Eletrônica de Potência, Eletrônica Industrial, Amplificadores Operacionais e Circuitos Elétricos. Disciplinas lecionadas no Programa de Pós-Graduação em Eng. Elétrica (MESTRADO): Eletrônica de Potência I, Eletrônica de Potência II, Máquinas Elétricas e Conversores Ressonantes. Compatibilidade Eletromagnética. Tecnologia de Uso Final Membro de diversas associações: Conselheiro da Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, SOBRAEP. Sociedade Brasileira de Automática, SBA. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE. Power Electronics Society, PELS. Industrial Electronics Society e Electromagnetic Compatibility Society. Áreas de atuação: Eletrônica de Potência e Compatibilidade Eletromagnética (CEM). Especialmente interessado no estudo dos prerreguladores de fator de potência, reatores eletrônicos (electronic balast), Inversores, Sistemas UPS (Uninterrupted Power Systems), Sistemas eletrônicos para sistemas de energia renováveis como carregadores de baterias a partir de Paineis Solares Photovoltaicos (PVs), circuitos inversores para geração tensão alternada a partir de baterias, sistemas de conexão direta em PVs e a rede de energia etc... O estudo dos temas relacionados a compatibilidade eletromagnetica CEM nestes equipamentos. Pesquisas em desenvolvimento: Sistema de Iluminação Pública Inteligente, Reator Eletrônico de Alta Freqüência para Lâmpada de Alta Pressão de Vapor de Sódio. Sistemas de Alimentação Ininterrupta (SAIs) para cargas não lineares. Balastros eletrônicos para lâmpadas de descarga elétrica. Correção ativa do fator de potência. Método para avaliação da densidade de potência nos PFPs. Inversores para sistemas alternativos de energia. Desenvolvimento de um Conversor Softstart para partida do Motor de Indução Trifásico. Desenvolvimento de Ferramentas Didáticas para o Ensino da Eletrônica de Potência. Conte com o apoio incondicional de seu professor para orientá-lo e para ajudá-lo em tudo que diz respeito a disciplina. Contato:
_______________________________________________________________________________ Endereço: Av. Ipiranga, 6681 - PUCRS - Prédio 30 - Sala 328 Telefone: 3353 4571 (Sala do Professor), Ramais 7668, 7670 ou 7688 (LEPUC). e-mail:
[email protected] Home page: http://www.ee.pucrs.br/~fdosreis HU
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Mensagem
Lk:8:4: E, ajuntando-se uma grande multidão, e vindo de todas as cidades ter com ele, disse por parábola: Lk:8:5: Um semeador saiu a semear a sua semente e, Quando semeava, caiu alguma junto do caminho, e foi pisada, e as aves do céu a comeram; Lk:8:6: E outra caiu sobre pedra e, nascida, secou-se, pois que não tinha umidade; Lk:8:7: E outra caiu entre espinhos e crescendo com ela os espinhos, a sufocaram; Lk:8:8: E outra caiu em boa terra, e, nascida, produziu fruto, a cento por um. Dizendo ele estas coisas, clamava: Quem tem ouvidos para ouvir, ouça. Lk:8:9: E os seus discípulos o interrogaram, dizendo: Que parábola é esta? Lk:8:10: E ele disse: A vós vos é dado conhecer os mistérios do reino de Deus, mas aos outros por parábolas, para que vendo, não vejam, e ouvindo, não entendam. Lk:8:11: Esta é, pois, a parábola: A semente é a palavra de Deus; Lk:8:12: E os que estão junto do caminho, estes são os que ouvem; depois vem o diabo, e tira-lhes do coração a palavra, para que não se salvem, crendo; Lk:8:13: E os que estão sobre pedra, estes são os que, ouvindo a palavra, a recebem com alegria, mas, como não têm raiz, apenas crêem por algum tempo, e no tempo da tentação se desviam; Lk:8:14: E a que caiu entre espinhos, esses são os que ouviram e, indo por diante, são sufocados com os cuidados e riquezas e deleites da vida, e não dão fruto com perfeição; Lk:8:15: E a que caiu em boa terra, esses são os que, ouvindo a palavra, a conservam num coração honesto e bom, e dão fruto com perseverança .
Na Universidade assim como na vida a perseverança é fundamental. Não se deixe levar... Seja perseverante.
