Mecânica: eletroeletrônica para mecânica

87 Pages·2011·18.254 MB·Portuguese

by  Egmar Accetto, Warney Fernando Testa

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A
Excelência no ensino profi ssional
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Administrador da maior rede estadual de educação profi ssional do país, o
I
Centro Paula Souza tem papel de destaque entre as estratégias do Governo
de São Paulo para promover o desenvolvimento econômico e a inclusão N
m
social no Estado, na medida em que capta as demandas das diferentes
e
regiões paulistas. Suas Escolas Técnicas (Etecs) e Faculdades de Tecnolo- c
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gia (Fatecs) formam profi ssionais capacitados para atuar na gestão ou na c
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linha de frente de operações nos diversos segmentos da economia. n
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Um indicador dessa competência é o índice de inserção dos profi ssionais o
eã
no mercado de trabalho. Oito entre dez alunos formados pelas Etecs e E
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Fatecs estão empregados um ano após concluírem o curso. Além da ex-
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celência, a instituição mantém o compromisso permanente de democra- M l
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tizar a educação gratuita e de qualidade. O Sistema de Pontuação Acres- a
cida benefi cia candidatos afrodescendentes e oriundos da Rede Pública. o m H
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Mais de 70% dos aprovados nos processos seletivos das Etecs e Fatecs taa
vêm do ensino público. bilinic
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O Centro Paula Souza atua também na qualifi cação e requalifi cação de
trabalhadores, por meio do Programa de Formação Inicial e Educação
Continuada. E ainda oferece o Programa de Mestrado em Tecnologia, re-
comendado pela Capes e reconhecido pelo MEC, que tem como área de
concentração a inovação tecnológica e o desenvolvimento sustentável.
3
Eletroeletrônica
para Mecânica
3
MEC3_CAPA.indd 2 25/7/2011 18:38:34

Mecânica
Volume 3
Mecânica
Eletroeletrônica
para mecânica
Egmar Accetto
Warney Fernando Testa
(autores)
Vera Regina Gomes Luduvice Antunes
(coautora)
2011
Presidência GOVERNADOR
João Sayad Geraldo Alckmin
Vice-presidência
Ronaldo Bianchi, Fernando Vieira de Mello VICE-GOVERNADOR
Guilherme Afif Domingos
DIRETORIA DE PROJETOS EDUCACIONAIS
SECRETáRIO DE DESENVOlVIMENTO
Direção: Fernando José de Almeida Coordenação editorial: Luiz Marin
ECONôMICO, CIêNCIA E TECNOlOGIA
Gerência: Monica Gardelli Franco, Júlio Moreno Edição de texto: Miguel Angelo Facchini
Paulo Alexandre Barbosa
Coordenação Técnica: Maria Luiza Guedes Secretário editorial: Antonio Mello
Equipe de autoria Centro Paula Souza Revisora: Maria Carolina de Araujo
Coordenação geral: Ivone Marchi Lainetti Ramos Direção de arte: Bbox Design
Coordenação da série Mecânica: Meire Satiko Diagramação: LCT Tecnologia
Fukusawa Yokota Ilustrações: Luiz Fernando Martini
Autores: Egmar Accetto, Warney Fernando Testa Pesquisa iconográfica: Completo Iconografia
Coautora: Vera Regina Gomes Luduvice Antunes Capa Presidente do Conselho Deliberativo
Revisão técnica: Marcos Paulo Marin Plez Fotografia: Eduardo Pozella, Carlos Piratininga Yolanda Silvestre
Equipe de Edição Tratamento de imagens: Sidnei Testa Diretora Superintendente
Coordenação geral: C arlos Tabosa Seabra, Abertura capítulos: © James King-Holmes/Science Photo
Laura Laganá
Rogério Eduardo Alves Library/SPL DC/Latinstock
Vice-Diretor Superintendente
César Silva
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. Chefe de Gabinete da Superintendência
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, Elenice Belmonte R. de Castro
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Coordenadora da Pós-Graduação,
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Agradecemos as pessoas retratadas ou que tiveram trechos de obras reproduzidas neste trabalho, bem como a seus herdeiros e representantes legais,
Coordenador do Ensino Superior
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. de Graduação
Angelo Luiz Cortelazzo
Coordenador de Ensino Médio e Técnico
O Projeto Manual Técnico Centro Paula Souza – Coleção Técnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de São Paulo, resulta de um
Almério Melquíades de Araújo
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 diferen- Coordenadora de Formação Inicial e
tes enfoques, pontos de vista e ideologias, bem como o conhecimento técnico de cada colaborador, de forma que o conteúdo exposto pode não
Educação Continuada
refletir as posições do Centro Paula Souza e da Fundação Padre Anchieta.
Clara Maria de Souza Magalhães
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Coordenador de Desenvolvimento
(Bibliotecária Silvia Marques CRB 8/7377) e Planejamento
João Carlos Paschoal Freitas
S586 Coordenador de Infraestrutura
Rubens Goldman
Accetto, Egmar
Mecânica: eletroeletrônica para mecânica / Egmar Accetto, Coordenador de Gestão Administrativa
Warney Fernando Testa (autores); Vera Regina Gomes Luduvice e Financeira
Antunes (coautora); Marcos Paulo Marin Plez (revisor); Meire Satiko Armando Natal Maurício
Fukusawa Yokota (coordenadora). -- São Paulo: Fundação Padre
Coordenador de Recursos Humanos
Anchieta, 2011 (Coleção Técnica Interativa. Série Mecânica, v. 3)
Elio Lourenço Bolzani
Manual técnico Centro Paula Souza
Assessora de Comunicação
ISBN 978-85-8028-041-8 Gleise Santa Clara
1. Mecânica 2. Eletroeletrônica I. Testa, Warney Fernando II. Procurador Jurídico Chefe
Antunes, Vera Regina Gomes Luduvice III. Plez, Marcos Paulo Marin Benedito Libério Bergamo
IV. Yokota, Meire Satiko Fukusawa V. Título
CDD 607
Apresentação
Desde que passou a conhecer as propriedades elétricas e magnéticas, a humani-
dade vem progredindo, por meio de estudos e pesquisas, rumo a descobertas que
visam aplicações cada vez mais avançadas.
Dos elétrons livres ao armazenamento das cargas elétricas, do fluxo de elétrons
ao efeito magnético visto com o uso de uma bússola, da compreensão das linhas
de campo à utilização de transformadores e motores elétricos, tudo seguiu um
caminho lógico e fundamentado. Apoiando-se em estudos científ icos, as pesqui-
sas empregam equipamentos e instrumentos de leitura e medição cada vez mais
avançados, que aferem os resultados e procuram elucidar os mistérios que, mesmo
nos dias atuais, o universo da eletricidade ainda nos traz.
Neste livro será vista parte dessa história. A estrutura atômica básica, a interação de
campos eletromagnéticos, os princípios e conceitos sobre as propriedades elétricas
da matéria, tais como resistência, corrente e tensão, a análise dos circuitos elétricos
e suas leis serão alguns dos temas estudados.
A fusão desses conhecimentos levará à compreensão dos sistemas de conversão de
energia, tais como os geradores e motores elétricos; às conf igurações estrela-triân-
gulo e sua importância em aplicações industriais; e, posteriormente, ao estudo e
desenvolvimento dos circuitos de comando, os quais permitem a integração lógica
desses elementos, formando a base do controle de uma planta industrial.
Ao finalizar essa apresentação não podemos nos esquecer de agradecer pela ajuda
dos muitos amigos, colegas e familiares na confecção desse livro. Em especial aos
professores: Jun Suzuki, Meire S. F. Yokota (por nos direcionarem a essa obra),
Valter N. Mori (pela ajuda com os inversores de frequência), Tera Miho S. Parede,
Renato T. Koganezawa e Gelson J. Colli (pelo auxílio com a bibliografia), ao pes-
soal da Fundação Padre Anchieta e por fim aos nossos Mestres (em mais de um
plano), por nos guiarem até aqui.
Bons estudos!
Os autores
Sumário
15 Capítulo 1 1.6 Instrumentos de medição das
a
Princípios de eletricidade grandezas elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 c
i
1.1 Grandezas elétricas fundamentais . . . . . . . . . . . . 16 1.6.1 Multímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 n
A
VErSh/ShuttErStock 1.2 A111...s111 ...1l23e isOAR de cpesoi osOrttrêehennmncctii e.aa l . eee.llélé.étt.trr.riicic.caa.o ... e... ...a... t...e...n...s...ã...o... e...l...é...tr...ic...a... .... .... .... 11116789 1.7 S111i...s766t...1e23 m OAWa mtgaretpitfreáíamrsdíimceootrer todtrre .oif . áea.snl.iiecc.ora.gt ..eia.. . .... .... .... .... .... .... ....ACdsrglUnFctcMvOtCccirieoooeiêiaeondzaoemdag ....lmcamn ta bnhêmCn iSaieimc(r õnaasta e ticãFee dibrl niel nacsoennn nhadodsoe i drdn titete ua aeen cPPserrpiaodsed , acta..o..aecf aatda7n ruadoradçfisã uuuEaoe0 s )dãrcaPooicldlin E les%oa.nooafan ii p tsoteçosa d uEs ra,oaxeSet rãmp tr edla cldd oimo....paidcaadap staonpoeut oriue.aúneg,arns SoCrsaz r iSasmrobde mvo da nçlaaaabupgplai ãêumaapt tipdaaaaçrceop eczu eionlãsrdaoe..o..rmamo rohsi oomiatmfomo t E.orcoeovç a eaesfi pt rsaoõsar.p d ti eece sdae nuuravdecieaOcso edpoedstamndotief clé reoe..ê.. ria aoennso mt tol onPn s eolo aoanqendó docrsa nm T sPhmuootiegodeie oaéa serd gias bnsed e ccdoc c c rliécséqtanoaeiiv....gpueae arnmddps uoeminrmneraeptcoaaró eo s ladvíaasop madd snnqcodioecspc reeen adduinlcaesaedo(.ztvs oe i epltEa....se someiOqcdose namedo tdeteeus eagle iFc nosn uM uSsaedp cme loMstsvcalnuisns er iroEsooare)spefietí omet iç llrorCn oae..pe..sncvesadeãi attrm atiu,sesmoeerfiFofa mçiç eracnmo eqv ã aasãmpr odassoe rduoc ooçdatrdtmnnossu aoeãr uona ec tôa Ineiol....sfiada eod dutnot em P emdredaé sdaracrisn mosecgnossasinodou ic tqin oiTs oneasa seEaaRod ut.ct esnl ospp t uea gd oaecl....A eeamdndesree naldem cli lol esotça ofieéasidd dátE fioãa mlsãT c GviPioeooe. ds fanoee máE segú ouçlpc cAFdirr.iotãvbocnleo aaeaaecuoeua5a4lnní,octc rir55 sç s eercelastrn,nãdãdoxcae e asiooooaeeesss-----. 1190 MECÂNICHabilitação técnica em MecâHabilitação técnica em3 Eletroeletrônica
para Mecânica
1.2.1 Primeira lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.7.2 Conexões típicas de um gerador trifásico . 52
3
1.2.2 Segunda lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.7.3 Sistema trifásico equilibrado . . . . . . . . . . . . 53 Capa: Mayara Barbosa Silva e
Pierre Diniz Bellotti, alunos
1.3 Associação de resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.7.4 Potência em sistemas trifásicos . . . . . . . . . 59 do Centro Paula Souza
Foto: Eduardo Pozella e Carlos
1.3.1 Associação em série . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Piratininga
61 Capítulo 2
1.3.2 Associação em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . 22
Motores elétricos
1.3.3 Associação mista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
kc
o
tSrEttu 1.3.4 Transformação de resistências 2.1 Classificação dos motores elétricos . . . . . . . . . . 62
hS/pSSu estrela-triângulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2 Características gerais dos motores elétricos . . . 63
cinocriZ 1.4 E1n.4e.1rg iPao et êpnoctiêan ecmia reeléstisrticoarse s. .co. .m.e.r.c.ia.i.s .. .. .. .. .. .. .. 3209 2.3 mProintcoírpeios se dléet rfiucnocsi odnea cmoernreton tdeo asl t ernada . . . . . . 63 wEg braSil
©
2.4 Princípios de funcionamento do
1.4.2 Convenção de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
motor de indução trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.4.3 Rendimento energético . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.1 Partes constituintes de um
1.5 Corrente contínua versus corrente alternada . . . 32
motor de indução trifásico . . . . . . . . . . . . . 65
1.5.1 O fasor – uma ferramenta útil . . . . . . . . . . 34 ck
o
1.5.2 Comportamento de resistores, indutores 2.5 Princípios de funcionamento do uttErSt
h
e capacitores em corrente alternada . . . . . 36 motor monofásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 aS/S
n
Ya
2.5.1 Ligação dos enrolamentos dos motores
1.5.3 Impedância – uma extensão da
monofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Ekipaj/ShuttErStock 1.5.4 Potência em corrente alternada . . . . . . . . . 41 ZotoV/ShuttErStock uttErStock
achESlaV a. n DmitrY/Sh
Vi gi
a
h
c
h
VErES
Sumário
ck 2.6 Escolha e especificação do motor trifásico . . . . . 70 2.9.4 Outros tipos de ligações ou partidas . . . . 113 ck
o o
uttErSt 2.6.1 Especificações de motores elétricos . . . . . 72 2.9.5 Comandos de partida e reversão de giro 117 uttErSt
h h
ot/S 2.6.2 Tempo De Rotor Bloqueado E 2.9.6 Uso da chave soft-starter para comando uk/S
trEkanDSho Temperatura Limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 de partida e reversão . . . . . . . . . . . . . . . . 121 arEk pawlucZ
2.6.3 Tempo de aceleração (t ) . . . . . . . . . . . . . . 83 2.9.7 Uso de inversores de frequência para m
a
2.6.4 Carcaça como invólucro de proteção . . . . 84 comandos de partida e reversão . . . . . . . 125
2.7 Operação e manutenção de motores elétricos . 86
149 Capítulo 3
cE ck 2.7.1 Carregamento conveniente dos motores . 86 ck
no o
aphY/SciEc/latinSt 2.7.2 Ventilação adequada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 lógica digital para aplicação huttErSt
ambErt photogroto librarY/Spl D 22..77..43 CCuoindtardoole c doam t eams vpaerriaatçuõreas admeb tieennstãeo . .. .. .. .. .. 8877 e3m.1 eCloentsrtoanptnees ue mvaráitáviceais booleanas . . . . . . . . . . . 151 mYcola/S
w lph 2.7.5 Degradação dos isolantes térmicos . . . . . . 88 3.2 Tabela verdade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
DrE
n
a 2.7.6 Fixação correta dos motores e 3.3 Porta E (ou AND) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
eliminação de vibrações . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.4 Porta OU (ou OR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.7.7 Lubrificação correta dos mancais . . . . . . . . 89 3.5 Inversor ou operação NÃO (ou NOT) . . . . . . . 154
2.7.8 Valores de placa de um motor . . . . . . . . . . 90 3.6 Porta NAND (NÃO E ou NE) . . . . . . . . . . . . . 155
2.8 Dispositivos elétricos de manobra e proteção . . 92 3.7 Porta NOR (NÃO-OU ou NOU) . . . . . . . . . . . 156
2.8.1 Fusíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.8 Implementando circuitos e tabela-resumo . . . . 157
2.8.2 Contatores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.9 Minimização de expressões booleanas pelo
2.8.3 Botoeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 uso dos mapas de Karnaugh . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.8.4 Relés de sobrecarga ou térmicos. . . . . . . 101 3.9.1 Regras para a simplificação de mapas K
2.8.5 Disjuntores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 (de Karnaugh) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
2.9 Acionamentos de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
165 Referências bibliográficas
2.9.1 Partida direta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.9.2 Partida por meio da chave
estrela-triângulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 ck
o
2.9.3 Partida por meio de chave uttErSt
h
noV/ShuttErStock compensadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 gEnY korShEnkoV/S
mo EV
oV Fili
ak
i
Capítulo 1
Princípios de
eletricidade
MECâNICA 3 CAPÍTULO 1
1.1 Grandezas elétricas fundamentais Figura 1.2
analogia entre potencial
Ao enunciar o conceito de campo elétrico (E), o cientista inglês Michael Fa- gravitacional (a) e
raday (1791-1867) demonstrou que ao redor de uma carga elétrica existe um hA VA potencial elétrico (b).
campo elétrico. O campo elétrico E é representado por um vetor, um segmento
F F
gravidade elétrica
de reta orientado, que sai das cargas positivas e entra nas cargas negativas. Uma
carga (q) colocada nesse campo elétrico f ica sujeita a uma força elétrica (F). Se E
a carga for positiva, a força F tem a mesma direção do campo elétrico E. Se for
negativa, a força tem direção contrária à do campo, de acordo com a fórmula
expressa na equação 1.1 e representada na f igura 1.1.
h V
B B
F = q · E (1.1) (a) (b)
Figura 1.1
campo elétrico e força
sobre uma carga positiva. Nos dois casos (gravitacional e elétrico), é necessária uma diferença de potencial
E E
para haver o deslocamento natural (do corpo e da carga). Em relação à carga
elétrica, temos uma diferença de potencial (ddp), com maior potencial em A e
F F
menor em B. A ddp, também chamada tensão elétrica (U), é a diferença entre os
dois potenciais, como mostrado na equação 1.2.
U = V = (V – V ) (1.2)
AB A B
Unidade que A unidade de medida da tensão elétrica ou ddp, no SI, é o volt (V).
corresponde à
força que faz um 1.1.2 A corrente elétrica
objeto de 1 kg ser No Sistema Internacional de Unidades (SI), a força F é medida em newton (N)
acelerado a 1 m/s. e a carga q é medida em coulomb (C). Portanto, a unidade do campo elétrico No ano de 1796, Alessandro Volta (1745-1827), professor e cientista italiano,
E é dada em N/C. construiu a primeira pilha (bateria) utilizando discos de cobre e zinco separados
por um material que continha uma solução ácida. Com isso produziu o primei-
1.1.1 O potencial elétrico e a tensão elétrica ro fluxo de cargas elétricas em laboratório. Considerando a pilha da f igura 1.3,
Quantidade de carga em cujos terminais foi ligado um f io condutor (cobre, alumínio, ouro, prata ou
que atravessa a seção Para o entendimento do signif icado de potencial elétrico, fazemos uma analogia outros metais que possuem elétrons “livres”), seu polo positivo estabelece um
transversal de um com a força da gravidade e o campo gravitacional. Um corpo qualquer, ao ser campo elétrico capaz de atrair elétrons livres da extremidade do f io a que está
condutor durante abandonado no ar, é levado, pela força da gravidade, de um ponto mais alto (h ), ligado, ao mesmo tempo que o polo negativo gera um campo elétrico que repele
A
1 s, produzindo uma de maior energia potencial, para um ponto mais baixo (h ), de menor energia elétrons na outra extremidade do f io.
B
corrente elétrica de
potencial.
1 A (ampere). Figura 1.3
Também dizemos que
Do mesmo modo, uma carga elétrica positiva, ao ser abandonada em um cam- Elétrons movimentando-
1 C = 6,28 · 1018 elétrons/s.
po elétrico, f ica sujeita à ação de uma força elétrica que a leva de um ponto de -se no condutor ligado
potencial elétrico mais alto e positivo (V ) para um de potencial elétrico mais aos polos de uma pilha.
A
baixo e negativo (V ). Se a carga é negativa, o deslocamento se dá em sentido
B
contrário. O exemplo dessa comparação é visto na f igura 1.2.
Diz-se também que o deslocamento ocorre naturalmente porque o corpo possui
energia potencial (de posição) maior na posição mais alta (h ). Assim, o corpo
A
se desloca da posição h , de maior energia potencial (E ), para a posição h , de
A PA B
menor energia potencial (E ). Da mesma forma, a carga elétrica (positiva) se No interior do condutor, o campo elétrico força os elétrons a se movimentarem.
PB
desloca da posição de maior potencial elétrico para a de menor potencial elétrico. Os elétrons se movimentam de átomo para átomo e, ao avançarem para o átomo
16 17