(Parte 1 de 7)

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Máquinas e Instalações Elétricas

Eletrônica Volume 3

Eletrônica Máquinas e instalações elétricas

Giuseppe Giovanni Massimo Gozzi

Tera Miho Shiozaki Parede (autores)

Edson Horta (coautor)

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Bibliotecária Silvia Marques CRB 8/7377)

Gozzi, Giuseppe G. M.

Eletrônica: máquinas e instalações elétricas / Giuseppe Giovanni

Massimo Gozzi, Tera Miho Shiozaki Parede (autores); Edson Horta (coautor); Jitsunori Tsuha (revisor); Jun Suzuki (coordenador). – São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011 (Coleção Técnica Interativa. Série Eletrônica, v. 3)

1. Eletrônica -- máquinas 2. Instalações elétricas -- máquinas I.

Parede, Tera Miho Shiozaki I. Horta, Edson II. Tsuha, Jitsunori IV. Suzuki, Jun V. Título CDD 607

DIRETORIA DE PROJETOS EDUCACIONAIS Direção: Fernando José de Almeida Gerência: Monica Gardelli Franco, Júlio Moreno Coordenação Técnica: Maria Luiza Guedes Equipe de autoria Centro Paula Souza Coordenação geral: Ivone Marchi Lainetti Ramos Coordenação da série Eletrônica: Jun Suzuki

Autores: Giuseppe Giovanni Massimo Gozzi, Tera Miho Shiozaki Parede

Coautor: Edson Horta

Revisão técnica: Jitsunori Tsuha Equipe de Edição

Coordenação geral: Carlos Tabosa Seabra, Rogério Eduardo Alves

Coordenação editorial: Luiz Marin Edição de texto: Roberto Matajs Secretário editorial: Antonio Mello Revisão: Conexão Editorial Direção de arte: Bbox Design Diagramação: LCT Tecnologia Ilustrações: Carlos Grillo e Carlos Campoy Pesquisa iconográfica: Completo Iconografia Capa Fotografia: Eduardo Pozella, Carlos Piratininga Tratamento de imagens: Sidnei Testa Abertura capítulos: © Lize Streeter/Dorling Kindersley/ Getty Images

Presidência João Sayad

Vice-presidência Ronaldo Bianchi, Fernando Vieira de Mello

O Projeto Manual Técnico Centro Paula Souza – Coleção Técnica Interativa oferece aos alunos da instituição conteúdo relevante à formação técnica, à educação e à cultura nacional, sendo também sua finalidade a preservação e a divulgação desse conteúdo, respeitados os direitos de terceiros. O material apresentado é de autoria de professores do Centro Paula Souza e resulta de experiência na docência e da pesquisa em fontes como livros, artigos, jornais, internet, bancos de dados, entre outras, com a devida autorização dos detentores dos direitos desses materiais ou contando com a permissibilidade legal, apresentando, sempre que possível, a indicação da autoria/crédito e/ou reserva de direitos de cada um deles. Todas as obras e imagens expostas nesse trabalho são protegidas pela legislação brasileira e não podem ser reproduzidas ou utilizadas por terceiros, por qualquer meio ou processo, sem expressa autorização de seus titulares. Agradecemos as pessoas retratadas ou que tiveram trechos de obras reproduzidas neste trabalho, bem como a seus herdeiros e representantes legais, pela colaboração e compreensão da finalidade desse projeto, contribuindo para que essa iniciativa se tornasse realidade. Adicionalmente, colocamo-nos à disposição e solicitamos a comunicação, para a devida correção, de quaisquer equívocos nessa área porventura cometidos em livros desse projeto.

GOVERNADOR Geraldo Alckmin

VICE-GOVERNADOR Guilherme Afif Domingos

SECRETáRIO DE DESENVOlVIMENTO ECONôMICO, CIêNCIA E TECNOlOGIA Paulo Alexandre Barbosa

Presidente do Conselho Deliberativo Yolanda Silvestre

Diretora Superintendente Laura Laganá

Vice-Diretor Superintendente César Silva

Chefe de Gabinete da Superintendência Elenice Belmonte R. de Castro

Coordenadora da Pós-Graduação, Extensão e Pesquisa Helena Gemignani Peterossi

Coordenador do Ensino Superior de Graduação Angelo Luiz Cortelazzo

Coordenador de Ensino Médio e Técnico Almério Melquíades de Araújo

Coordenadora de Formação Inicial e Educação Continuada Clara Maria de Souza Magalhães

Coordenador de Desenvolvimento e Planejamento João Carlos Paschoal Freitas

Coordenador de Infraestrutura Rubens Goldman

Coordenador de Gestão Administrativa e Financeira Armando Natal Maurício

Coordenador de Recursos Humanos Elio Lourenço Bolzani

Assessora de Comunicação Gleise Santa Clara

Procurador Jurídico Chefe Benedito Libério Bergamo

O Projeto Manual Técnico Centro Paula Souza – Coleção Técnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de São Paulo, resulta de um esforço colaborativo que envolve diversas frentes de trabalho coordenadas pelo Centro Paula Souza e é editado pela Fundação Padre Anchieta. A responsabilidade pelos conteúdos de cada um dos trabalhos/textos inseridos nesse projeto é exclusiva do autor. Respeitam-se assim os diferentes enfoques, pontos de vista e ideologias, bem como o conhecimento técnico de cada colaborador, de forma que o conteúdo exposto pode não refletir as posições do Centro Paula Souza e da Fundação Padre Anchieta.

Sumário

15 Capítulo 1

1.1 Breve histórico16
1.1.1 Propriedades magnéticas16
1.1.2 Carga elétrica19
1.1.3 Campo elétrico21
1.2 A relação entre eletricidade e magnetismo2
1.2.1 Campo magnético dos ímãs25
1.2.2 Campo magnético da Terra27
1.2.3 Vetor indução magnética29

Eletromagnetismo

condutor retilíneo31
1.2.6 Campo magnético de um solenoide32

1.2.4 Campo magnético de um 1.2.5 Campo magnético de uma espira circular .31 1.2.7 Aplicações práticas do campo magnético .3

1.3 Força magnética e suas aplicações35
1.3.1 Força magnética sobre cargas elétricas35
imerso em campo magnético37

1.3.2 Força magnética sobre condutor

paralelos38
1.3.4 Aplicações práticas da força magnética39
1.4 Indução eletromagnética45
1.4.1 Lei de Lenz49
1.4.2 Autoindução50

1.3.3 Força magnética entre condutores

eletromagnética52
1.5 Circuitos magnéticos60
1.5.1 Substâncias magnéticas61
1.5.2 Circuitos magnéticos lineares65
1.5.3 Circuitos magnéticos não lineares67
1.6 Transformadores74
1.6.1 Transformador monofásico74
1.6.2 Transformador ideal78
1.6.3 Transformador real83
1.6.4 Autotransformador92
1.6.5 Princípio da transformação trifásica93

1.4.3 Aplicações práticas da indução

do fluxo magnético96
1.7.1 Onda eletromagnética97
1.7.2 Espectro eletromagnético100

1.7 Geração de campo elétrico pela variação

107 Capítulo 2

2.1 Segmentos do sistema elétrico de potência112
2.1.1 Geração de energia elétrica113
2.1.2 Subestações114
2.1.5 Classificação das tensões elétricas118

Sistemas elétricos de potência 2.1.3 Rede de transmissão de energia elétrica ..115 2.1.4 Rede de distribuição de energia elétrica ..116

em baixa tensão118
2.2 Eletricidade119
2.2.1 Carga elétrica119
2.2.2 Grandezas elétricas fundamentais120
2.2.4 Regimes de fornecimento de tensão123
2.2.5 Características da tensão AC125

2.1.6 Distribuição de energia elétrica 2.2.3 Lei básica da eletricidade. Lei de Ohm ..122

Capa: Rafael Aparecido Bragante, aluno do Centro Paula Souza Foto: Eduardo Pozella e Carlos Piratininga

Photoresearchers/Photoresearchers/Latinstock

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Sumário

monofásico126
2.2.7 Sistema AC trifásico127

2.2.6 Potências elétricas no regime AC

2.3.1 Ética profissional129
2.3.2 Responsabilidade técnica profissional130
2.3.3 Competência profissional130
2.3.4 Partes componentes de um projeto130
2.3.5 Recomendações e normas técnicas132
2.3.6 Concessionária local133

2.3 Introdução ao projeto de instalação elétrica ..129

instalação elétrica133

2.3.7 Critérios para a elaboração do projeto de

de instalação elétrica133
2.4.1 Informações preliminares133
2.4.2 Quantificação do sistema134
2.4.4 Desenho das plantas134
2.4.5 Dimensionamentos134

2.4 Etapas da elaboração de um projeto 2.4.3 Determinação do padrão de atendimento .134

diagramas135
2.4.7 Elaboração dos detalhes construtivos135
2.4.8 Memorial descritivo135
2.4.9 Memorial de cálculo135
2.4.1 Elaboração da lista de material135
2.4.12 ART136
2.4.13 Análise da concessionária136
2.4.14 Revisão do projeto136
2.4.15 Termo técnico136
2.5 Glossário136
2.6 Simbologia para instalações elétricas137
instalações elétricas146
2.8 Condutores: cores padronizadas147

2.4.6 Quadro de previsão de cargas e 2.4.10 Elaboração das especificações técnicas .135 2.7 Caminhos da eletricidade nas

e lâmpada incandescente148
2.9.2 Dimmer157
2.9.3 Minuteria157
2.9.4 Tomadas157

2.9 Diagramas esquemáticos de instalação elétrica .147 2.9.1 Circuito elétrico com interruptor

161 Capítulo 3

3.1 Padrão de entrada166

Projetos de instalações elétricas residenciais 3.1.1 Dimensionamento do padrão de entrada 168

circuito de distribuição196
3.2 Divisão dos circuitos terminais200
planta baixa202
3.4 Traçado dos eletrodutos204
3.5 Representação da fiação205
terminais207
terminais208

3.1.2 Dimensionamento dos condutores do 3.3 Localização dos pontos elétricos da instalação na 3.6 Dimensionamento dos condutores dos circuitos 3.6.1 Correção da corrente calculada dos circuitos

circuitos terminais210

3.6.2 Seção dos condutores para cada um dos

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3.7 Dimensionamento dos eletrodutos214
de proteção217
3.8.1 Disjuntor termomagnético218
3.8.2 Dispositivos DR225

Sumário 3.8 Dimensionamento dos dispositivos

surtos (DPS)227

3.8.3 Dispositivos de proteção contra

elétrica residencial230
3.10 Prumada elétrica230
3.1 Especificação técnica do material232
3.12 Lista de materiais234
3.13 Projeto de instalação telefônica residencial235
3.14 Projeto para TV a cabo248
3.15 Esquemas de aterramento249
3.15.1 Esquema TN249
3.15.2 Esquema T250
3.15.3 Esquema IT251
3.15.4 Aterramento elétrico252
3.15.5 Aterramento elétrico residencial253

3.9 Diagrama unifilar da instalação

para múltiplas funções254
3.15.7 Conexões aos eletrodos255
3.15.8 Ligação equipotencial255

3.15.6 Emprego do sistema de aterramento

3.17 Ferramentas computacionais257
3.18 Ferramentas, equipamentos e materiais258
3.19 Emendas em instalações259

3.16 Instalações de redes de dados em residências .255

261 Capítulo 4

4.1 Breve histórico262
4.2 Motores de corrente contínua267
corrente contínua269
4.3 Motores de corrente alternada277
4.4 Motores trifásicos277
4.5 Motores assíncronos279
4.5.1 Princípio de funcionamento280

Motores elétricos 4.2.1 Principais tipos de motores de

de indução281

4.5.2 Componentes de um motor

de indução283
4.5.4 Perdas e rendimento286

4.5.3 Circuito equivalente de um motor

de indução287
4.6 Motores monofásicos291
4.6.1 Motor comutador291
4.6.2 Motor de indução292
4.6.3 Motor síncrono294

4.5.5 Curva característica de um motor

297 Capítulo 5

5.1 Dispositivos elétricos299
5.2 Dispositivos de manobra299
5.3 Dispositivos de acionamento300
5.4 Dispositivos de proteção303
5.5 Simbologia304

Dispositivos e acionamentos elétricos rynio Productions/shutterst ock

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Capítulo 1

Eletromagnetismo

5.6 Comandos elétricos305
5.6.1 Funções lógicas306
5.6.2 Formas de atuação dos contatos307

Sumário 5.6.3 Diagramação de circuitos de comando ..310

5.7 Partida de motores elétricos310
5.7.1 Métodos de partida311
força312
5.8 Chaves de partida de motores tipo soft-starter317
5.8.1 Princípio de funcionamento318

5.7.2 Tipos de partida: circuitos de comando e

-starter320
5.8.3 Recursos de um soft-starter323
5.8.4 Instalação de soft-starters324
5.8.5 Limitações no uso de soft-starters325
5.9 Inversores de frequência325
5.9.1 Princípio de funcionamento326
5.9.2 Partes de um inversor de frequência326
5.9.3 Inversores escalar e vetorial330
5.9.4 Instalação do inversor330
5.9.5 Parametrização331
5.9.6 Dimensionamento3

5.8.2 Sequência de funcionamento do soft-

347 Apêndice B 353 Referências bibliográficas

Lyf1/shutterst ock

CAPÍTULO 1ELETRôNICA 3

1.1 Breve histórico

Antigamente, a eletricidade e o magnetismo eram tratados de maneiras separadas, pois não havia se estabelecido relação entre essas duas áreas de conhecimento. As primeiras descobertas referentes aos fenômenos elétricos foram feitas na Grécia antiga, e, com algumas exceções, eram vistas como entretenimento, e não como ciência.

Os gregos observaram que, ao atritar o âmbar (resina fossilizada de árvores, amarelada e semitransparente) com outras substâncias, como a lã, manifestava-se entre esses corpos forças de atração e de repulsão.

As informações históricas sobre o magnetismo indicam que os primeiros ímãs foram encontrados na Ásia, em um distrito da Grécia antiga chamado Magnésia, daí o termo “magnetismo”. Com base nessas primeiras observações, diversos estudiosos e cientistas passaram a propor teorias para explicar os fenômenos elétricos e magnéticos.

No início do século XIX, constatou-se que os fenômenos magnéticos são causados por cargas elétricas em movimento, e, com isso, surgiu mais uma área de estudo, denominada eletromagnetismo.

1.1.1 Propriedades magnéticas

No século XIII, o monge francês Petrus Peregrinus fez observações muito importantes a respeito dos fenômenos magnéticos:

• Ao aproximar pregos de ferro de um ímã, eles são fortemente atraídos pelas extremidades do ímã (figura 1.1).

Figura 1.1 Ímã natural.

• Essas extremidades, conhecidas como polos do ímã, apresentam características contrárias, pois, aproximando dois ímãs distintos, percebe-se ora uma manifestação de força de atração, ora uma de repulsão (figura 1.2).

• Ainda que um mesmo ímã seja dividido várias vezes, não é possível separar essas extremidades (figura 1.3).

Tais observações foram documentadas e posteriormente observadas no século XVII pelo médico inglês William Gilbert, que realizava experiências nesse campo. Uma das inúmeras contribuições de Gilbert para os estudos do magnetismo foi a descoberta de que a temperatura influencia a magnetização dos ímãs. Ele também escreveu o livro De magnete, apresentando suas teorias sobre corpos magnéticos e atrações elétricas. Entre as informações encontradas nessa obra destaca-se uma de grande importância, comprovada cientificamente: o planeta Terra se comporta como um gigantesco ímã (figura 1.4).

a) b)

Figura 1.2 Ímãs: (a) força de atração e (b) força de repulsão.

Figura 1.3 inseparabilidade dos polos.

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CAPÍTULO 1ELETRôNICA 3

Tal descoberta finalmente explicava um fato observado pelos chineses no século I a.C.: por que um ímã em forma de barra, suspenso pelo centro e livre de giro, sempre se orienta na direção norte-sul da Terra (figura 1.5)?

Levando em conta que a Terra é um grande ímã, ela atrai a extremidade que aponta para o norte; o mesmo acontece com a outra extremidade, que aponta para o sul. Assim, convencionou-se chamar a extremidade do ímã que aponta para o norte geográfico da Terra de polo norte, e a outra, de polo sul (figura 1.6).

Figura 1.4 a terra é um grande ímã.

Figura 1.5

Princípio da bússola magnética.

Figura 1.6 Ímãs em forma de barra.

Portanto, conclui-se que as propriedades magnéticas são:

• Todos os ímãs possuem a capacidade de atrair o ferro. • Polos opostos se atraem; polos iguais se repelem.

• Os polos de um ímã são inseparáveis.

• Altas temperaturas podem anular o magnetismo.

• Todos os ímãs, quando suspensos e livres de giro, orientam-se na direção norte-sul.

Antes de estudarmos os fenômenos magnéticos relacionados à corrente elétrica, vamos relembrar alguns conceitos e fenômenos elétricos.

1.1.2 Carga elétrica

As primeiras descobertas referentes a fenômenos elétricos são atribuídas aos antigos gregos. O filósofo Tales de Mileto observou que um pedaço de âmbar, depois de atritado com pele de carneiro, adquiria a propriedade de atrair corpos leves (palhas e pequenas sementes secas).

William Gilbert também estudou fenômenos de atração entre corpos diferentes do âmbar. Como a palavra grega correspondente a âmbar é elektron, ele passou a utilizar o termo “eletrizado” em situações nas quais os corpos eram atraídos depois de atritados. Isso pode ser comprovado com o simples experimento de atritar um pente ou uma régua plástica em uma flanela seca e atrair pequenos pedaços de papel ou fios de cabelo.

Como sabemos, os corpos são constituídos de átomos e estes possuem partículas subatômicas. No núcleo do átomo estão os nêutrons, de carga elétrica nula, e os prótons, de carga elétrica positiva; na eletrosfera localizam-se os elétrons, de carga elétrica negativa (figura 1.7). Portanto, a explicação para esses fenômenos de eletrização é a transferência de elétrons entre os corpos atritados.

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de medida da carga elétrica é o coulomb (C), em homenagem ao físico francês Charles Augustin de Coulomb.

Nêutron

Figura 1.7 Átomo.

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CAPÍTULO 1ELETRôNICA 3

Os elétrons foram identificados pelo físico britânico John Joseph Thompson em 1897, enquanto estudava descargas elétricas emitidas por um tubo de raios catódicos. A descoberta dos prótons se deu em 1911, quando o cientista inglês Ernest Rutherford percebeu que as descargas elétricas que ocorriam dentro de um tubo, criado pelo físico alemão Eugene Goldstein, em 1886, contendo hidrogênio possuíam a menor carga elétrica positiva então conhecida. Embora a massa do próton (1,6 · 10–27 kg) seja maior que a do elétron (9,10 · 10–31 kg), ambos possuem a mesma carga elétrica. Assim, todo átomo que possui a mesma quantidade de prótons e de elétrons é considerado neutro.

Finalmente, os nêutrons, que não possuem carga elétrica, foram descobertos em 1932 pelo físico britânico James Chadwick. Essas partículas são importantes para manter a estabilidade dos núcleos atômicos.

Os corpos são eletrizados quando sofrem perda ou ganho de elétrons: os que perderam elétrons adquirem carga elétrica positiva (uma vez que o número de prótons é maior), e os que ganharam elétrons, carga elétrica negativa.

A eletrostática então se fundamenta basicamente em dois princípios:

• Princípio da atração e da repulsão – Cargas de natureza elétrica oposta (sinais opostos) se atraem, enquanto cargas de mesma natureza elétrica (mesmo sinal) se repelem (figura 1.8).

• Princípio da conservação das cargas elétricas – Se um sistema elétrico não trocar cargas elétricas com um meio exterior, a soma algébrica das cargas positivas e negativas desse meio elétrico é sempre constante.

É importante ressaltar que não se associam os termos “positivo” e “negativo” aos polos magnéticos dos ímãs, uma vez que as cargas elétricas positivas e negativas se manifestam separadamente, do mesmo modo que não existe um ímã sem dois polos magnéticos.

Figura 1.8 atração e repulsão eletrostática.

1.1.3 Campo elétrico

Para compreendermos o que é campo elétrico, vamos imaginar a seguinte situação: uma carga Q está fixa em determinada posição e sucessivamente tentamos aproximar em diferentes pontos uma carga q. Nessas tentativas, observamos que há uma força atuando em q exercida por Q. Podemos admitir, então, que uma carga elétrica puntiforme altera a região que a envolve, fazendo com que, ao aproximarmos outra carga elétrica em um ponto dessa região, colocada a uma distância d da primeira carga, manifesta-se uma força de natureza elétrica.

Na figura 1.9, as cargas q1 e q2 estão à distância de d entre si. O campo elétrico está representado por

E e a força elétrica, por F. A expressão que determina a identidade da carga elétrica é:

• q é a carga elétrica, medida em coulomb (C); • n, o número de elétrons em excesso ou em falta de um corpo eletrizado;

• e, a carga elementar de um elétron.

Retomando a figura 1.9, podemos notar que entre as duas cargas puntiformes existe uma força de atração ou de repulsão eletrostática que depende dos sinais das cargas. Charles Coulomb, utilizando um dispositivo chamado balança de torção, realizou experimentos que comprovaram que essa força é inversamente proporcional à distância d e diretamente proporcional ao produto do valor de suas cargas. Além disso, constatou que o meio em que os experimentos são realizados influencia o valor do resultado. Essas observações ficaram conhecidas como lei de Coulomb, cuja expressão é:

(Parte 1 de 7)

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