Sebenta · Efetuar desenhos esquemáticos de eletricidade (UC02892)

Introdução

Um técnico de desenho e projeto de moldes trabalha frequentemente com máquinas que precisam de ser eletrificadas: prensas de injeção, sistemas de refrigeração de molde, tapetes de extração de peças. Não é preciso ser eletricista para desenhar bem estes esquemas, mas é obrigatório perceber a linguagem: as grandezas elétricas, a simbologia normalizada e a segurança envolvida.

Esta sebenta segue as duas realizações do referencial da UC: analisar as especificações e requisitos do desenho esquemático e preparar e desenhar esquemas elétricos. Para isso, percorre-se todo o caminho, desde os conceitos básicos de eletricidade até ao esquema completo de uma máquina real, com os seus dois circuitos: potência e comando.

O exemplo que atravessa toda a sebenta é uma prensa de injeção de moldes, com dois motores trifásicos: M1, a bomba hidráulica que gera a pressão de fecho do molde, e M2, o tapete que extrai as peças moldadas. Os cálculos, os esquemas e os exercícios desta UC constroem-se sempre em torno destes dois motores, para que as referências e os valores sejam sempre os mesmos, do primeiro ao último capítulo.

1. Eletricidade: conceitos básicos e grandezas elétricas

A eletricidade é o movimento ordenado de cargas elétricas (eletrões) num condutor. Um circuito elétrico é o percurso fechado por onde essas cargas circulam, e precisa sempre de três elementos: uma fonte de energia, condutores e uma carga (o recetor que consome energia). Se o percurso se interromper, o circuito fica aberto e a corrente para.

As quatro grandezas elétricas fundamentais, que se usam ao longo de toda a UC:

O circuito elétrico elementar reduz-se sempre a: fonte, condutor, aparelho de comando ou de proteção, carga, e o condutor de retorno até à fonte. Todo o esquema desta UC, por mais complexo, decompõe-se neste circuito elementar repetido e combinado.

2. Lei de Ohm e Lei de Joule

A Lei de Ohm

Relaciona tensão, resistência e corrente num circuito resistivo:

U = R × I

A Lei de Joule

Calcula a energia dissipada em calor quando a corrente atravessa uma resistência:

P = R × I² e E = P × t

A Lei de Joule é a razão física por trás de todas as proteções elétricas: uma sobrecorrente sustentada aquece o condutor, e se não for interrompida a tempo, danifica o isolamento e pode provocar um incêndio. Um fusível ou um relé térmico existem precisamente para cortar antes de esse calor se tornar perigoso.

3. Trabalho, energia e potência elétrica

Trabalho é a transferência de energia quando uma força desloca algo; energia é a capacidade de realizar esse trabalho; potência é a rapidez a que essa energia é transferida:

P = E / t, ou de forma equivalente, E = P × t

Em corrente contínua e em corrente alternada puramente resistiva: P = U × I. Em corrente alternada com cargas indutivas (motores, bobinas, transformadores), entra o fator de potência (cos φ), que traduz o desfasamento entre tensão e corrente:

P = U × I × cos φ (monofásico)

Para cargas trifásicas equilibradas, como os motores desta UC, a fórmula ganha o fator √3:

P = √3 × U × I × cos φ, ou, isolando a corrente: I = P / (√3 × U × cos φ)

Onde U é a tensão composta (entre fases) e I a corrente de linha. Esta última fórmula é usada constantemente no Capítulo 5, para calcular a corrente nominal dos motores M1 e M2.

4. Corrente contínua e corrente alternada; monofásica e trifásica

A rede elétrica pública portuguesa é alternada (CA), a 50 Hz: a corrente inverte o sentido de forma sinusoidal, 100 vezes por segundo. Muitos circuitos de comando de máquinas usam, em contraste, corrente contínua (CC) a 24 V, obtida de um transformador ou de uma fonte de alimentação, precisamente por ser mais segura para o operador.

Dentro da corrente alternada, distingue-se ainda monofásica (uma fase e um neutro, 230 V em Portugal, para iluminação e pequenos equipamentos) de trifásica (três fases desfasadas 120° entre si, 400 V, para motores industriais). A relação entre as duas tensões, num sistema ligado em estrela, é:

U_linha = √3 × U_fase

Uma máquina industrial como uma prensa de injeção usa motores trifásicos porque, para a mesma potência, a corrente é menor (cabos mais finos), os motores são mais simples e mais robustos (arrancam sozinhos), e a potência entregue por um sistema equilibrado é constante no tempo, ao contrário da pulsação típica da monofásica.

5. Motores elétricos

Tipos e onde aparecem numa máquina

Existem motores de corrente contínua, assíncronos trifásicos (os mais comuns na indústria) e monofásicos (pequenos equipamentos). A prensa de injeção usada como exemplo nesta UC tem dois:

• M1: motor trifásico da bomba hidráulica, que gera a pressão de fecho do molde.
• M2: motor trifásico do tapete transportador que extrai as peças moldadas.

A chapa de características

Toda a informação para calcular um motor está na sua chapa de características:

O rendimento (η) traduz as perdas do motor: a potência elétrica absorvida da rede é sempre superior à potência mecânica útil, disponível no veio.

Exemplo resolvido: corrente nominal de M1

Passo 1. Potência absorvida:

P_abs = P_útil / η = 5500 / 0,87 = 6321,84 W

Passo 2. Corrente nominal, pela fórmula trifásica do Capítulo 3:

I_n = P_abs / (√3 × U × cos φ) = 6321,84 / (1,7321 × 400 × 0,86) = 6321,84 / 595,83 = 10,61 A

Este valor (10,61 A) é o que vai dimensionar o cabo, o relé térmico e o disjuntor de M1, nos capítulos seguintes.

Potência elétrica vs binário (torque)

A potência mecânica de um motor relaciona-se com o binário (T) e a velocidade angular (ω):

P = ω × T, com ω = 2 × π × n / 60

Para a mesma potência, um motor mais lento entrega mais binário, e um motor mais rápido entrega menos: é uma troca (trade-off), nunca um ganho gratuito.

6. Cabos e condutores

Constituição e cores normalizadas

Um cabo é composto por condutor (tipicamente cobre) e isolamento. As cores dos condutores são normalizadas e têm de se respeitar sempre:

Dimensionar a secção do condutor

A secção final de um cabo tem de satisfazer dois critérios em simultâneo, e escolhe-se sempre o maior dos dois:

1. Ampacidade: o cabo tem de suportar a corrente nominal sem aquecer acima do limite do isolamento.
2. Queda de tensão: a tensão na carga não pode cair mais do que o limite admissível (tipicamente 4%).

Fórmula da secção mínima por queda de tensão, em trifásico:

S = (√3 × L × I × cos φ) / (56 × ΔU)

onde L é o comprimento em metros, I a corrente em ampere, e 56 a condutibilidade do cobre em m/Ω·mm².

7. Circuitos elétricos e simbologia (IEC 60617)

A IEC 60617 é a norma internacional que define os símbolos gráficos para esquemas elétricos e eletrónicos. Garante que qualquer técnico, em qualquer país, lê o esquema da mesma forma. Regra da casa nesta UC: um esquema, uma norma, sem misturar IEC com a norma americana ANSI.

Os símbolos essenciais usados de forma consistente em toda esta UC:

Letras de referência por classe de componente

Cada componente tem uma referência única: a letra da sua classe seguida de um número sequencial. É a tabela que todos os esquemas desta UC seguem sem exceção:

Massa vs terra de proteção

Esta distinção é de segurança, não de nomenclatura:

• Massa (referência de sinal, 0 V): o ponto de referência elétrica de um circuito, a partir do qual se medem outras tensões. Não tem função de segurança certificada.
• Terra de proteção (PE): o condutor verde-amarelo que liga as partes metálicas acessíveis da máquina à terra física, permitindo que uma proteção diferencial atue em caso de defeito de isolamento.

8. Circuitos de comando, de potência, e sistemas de proteção

Todo o projeto elétrico de uma máquina divide-se em dois esquemas distintos, que nunca se misturam na mesma folha de desenho:

O contactor K faz a ponte entre os dois esquemas: a sua bobina vive no esquema de comando, os seus contactos principais vivem no esquema de potência.

Exemplo resolvido: esquema de potência de M1

L1,L2,L3 → [Q1 disjuntor geral] → [F2 relé térmico, 10,6 A] → [K1 contactos principais] → M1
                                                                                              └─ PE

Q1 corta manualmente e por curto-circuito toda a alimentação do quadro; F2, ajustado à corrente nominal calculada de M1 (10,61 A, ver Capítulo 5), protege contra sobrecarga sustentada; K1 liga e desliga a alimentação do motor por comando elétrico.

Exemplo resolvido: esquema de comando de M1

+24V → [S0 emergência NF] → [S2 paragem NF] → [S1 marcha NA] → [K1 bobina] → 0V
                                                     │
                                        [K1 contacto auxiliar NA em paralelo com S1]

S0, se premido, corta a alimentação da bobina de imediato, antes de qualquer outra lógica. S1 (marcha, NA) e S2 (paragem, NF) fazem o comando normal. O contacto auxiliar de K1, em paralelo com S1, é a selagem: mantém a bobina alimentada depois de largar o botão de marcha, dando "memória" ao circuito.

Aparelhos de manobra e de proteção

O relé térmico e o fusível são complementares, não substitutos um do outro: o fusível atua depressa em curtos-circuitos, o relé térmico atua devagar em sobrecargas prolongadas, exatamente o efeito descrito pela Lei de Joule no Capítulo 2.

9. Esquemas unifilares e multifilares

O esquema unifilar representa um grupo de condutores por uma única linha, dando uma visão de conjunto simplificada. Usa-se sobretudo na distribuição geral do quadro:

[Rede] ──[Q0 geral]──┬──[Q1 + F2]── M1 (bomba hidráulica)
                      └──[Q2 + F3]── M2 (tapete extração)

O esquema multifilar desenha cada condutor e cada ligação de forma individual: é o esquema de detalhe, usado nos esquemas de potência e de comando do Capítulo 8. Permite seguir o percurso exato de cada sinal, essencial para montar e diagnosticar avarias.

Um dossiê técnico completo de uma máquina inclui os dois, cada um com a sua função: não é uma escolha de "um ou outro".

10. Quadros elétricos e painéis de comando

Constituição de um quadro elétrico

Um quadro elétrico industrial organiza-se em elementos normalizados: calha DIN (fixa disjuntores, contactores, relés e bornes), canaletas (conduzem e protegem os condutores), régua de bornes X1 (liga cabos internos a externos) e placa de montagem.

O painel de comando

O painel de comando é a interface entre o operador e a máquina: botoneiras, seletores, lâmpadas piloto. Inclui sempre o botão de paragem de emergência (S0), bem visível e acessível, e a sua disposição segue critérios ergonómicos.

Posicionar quadro, painel e cabos na máquina

Corresponde diretamente ao critério de desempenho "adequando o posicionamento de painéis de comando, cabos elétricos, quadros elétricos e seus periféricos sobre a estrutura da máquina":

• Acessibilidade: alcançável para operação e manutenção, sem desmontar partes da máquina.
• Afastamento de calor e vibração: proteger a aparelhagem de zonas quentes (junto ao molde) ou muito vibradas (junto à bomba hidráulica).
• Grau de proteção (IP) adequado: poeira, óleo hidráulico e humidade exigem um IP mais elevado.
• Percurso dos cabos: fixo, protegido mecanicamente, sem cruzar zonas móveis.

11. Paragem de emergência e segurança elétrica

Paragem de emergência vs paragem simples

As cinco regras de ouro do trabalho sem tensão

Antes de qualquer intervenção num quadro ou numa máquina, seguem-se sempre, por esta ordem:

1. Separar: desligar a fonte de alimentação (abrir Q1 ou o seccionador geral).
2. Bloquear e sinalizar: cadeado no aparelho de corte e cartão de aviso.
3. Verificar a ausência de tensão: com verificador adequado, em todos os condutores, incluindo entre fases e entre fase e terra.
4. Ligar à terra e em curto-circuito: sobretudo em instalações de média/alta tensão, elimina tensões induzidas residuais.
5. Delimitar a zona de trabalho: sinalizar fisicamente a área de intervenção.

A regra da segunda vítima e o 112

O equipamento de proteção individual (EPI), luvas isolantes, calçado de segurança e óculos de proteção, é obrigatório em qualquer intervenção em quadros elétricos, e a consignação (as cinco regras de ouro) tem de anteceder qualquer trabalho de manutenção, mesmo tarefas aparentemente simples como substituir um relé térmico.

12. Normas, software CAD e o processo de desenho

• IEC 60617: simbologia gráfica dos esquemas elétricos.
• EN 60204-1: segurança de máquinas, equipamento elétrico, categorias de paragem e identificação de condutores.
• Diretiva Máquinas (2006/42/CE), transposta para direito português, exige que a documentação elétrica cumpra requisitos essenciais de segurança.
• Normas de segurança e saúde no trabalho, incluindo as regras de trabalho sem tensão do Capítulo 11.

Os esquemas desenham-se em software CAD elétrico, com bibliotecas de símbolos IEC já prontas, numeração automática de folhas, referências e bornes, e por vezes simuladores lógicos que testam a sequência de comando sem energizar a máquina real. O software é uma ferramenta: quem desenha continua a precisar de saber o que cada símbolo significa e onde colocar cada referência.

O processo completo, que sintetiza as duas realizações do referencial:

1. Analisar as especificações e requisitos: que máquina é, que motores tem, que ambiente, que normas se aplicam.
2. Calcular as grandezas elétricas de cada motor (corrente nominal, secção de cabo, calibre de proteção).
3. Escolher a simbologia e as referências e mantê-las consistentes do início ao fim.
4. Preparar e desenhar o esquema de potência e o esquema de comando, separados.
5. Verificar segurança, normas aplicáveis e posicionamento físico no quadro e na máquina.

Erros comuns

• Usar a fórmula monofásica P = U × I × cos φ para um motor trifásico, esquecendo o √3.
• Esquecer o rendimento (η) e usar a potência útil em vez da potência absorvida no cálculo da corrente nominal.
• Entregar a secção de cabo calculada em bruto (ex.: 0,44 mm²), sem arredondar para a série normalizada nem verificar a ampacidade.
• Trocar a letra de referência de um componente entre o esquema de potência e o de comando (ex.: "K1" num sítio e "KM1" noutro).
• Confundir massa (0 V, referência de sinal) com terra de proteção (PE), um erro de segurança e não só de nomenclatura.
• Tratar a paragem de emergência (S0) como se fosse igual a uma paragem simples (S2), sem lhe dar prioridade no circuito nem bloqueio mecânico.
• Saltar as regras de ouro do trabalho sem tensão "porque é só um minuto de intervenção".
• Socorrer uma vítima de choque elétrico sem primeiro cortar a energia.

Glossário

• Ampacidade · capacidade máxima de corrente que um condutor suporta sem aquecer acima do limite do isolamento.
• Binário (torque) · a força de rotação de um motor, medida em N·m.
• Cos φ (fator de potência) · o desfasamento entre tensão e corrente numa carga indutiva.
• Diretiva Máquinas · legislação europeia que define os requisitos essenciais de segurança das máquinas.
• EN 60204-1 · norma de segurança de máquinas para o equipamento elétrico.
• ERC · verificação elétrica de regras num esquema, feita pelo software CAD.
• IEC 60617 · norma internacional de simbologia gráfica para esquemas elétricos.
• Massa · ponto de referência elétrica de um circuito (0 V), sem função de segurança certificada.
• Multifilar · esquema que representa cada condutor e ligação individualmente.
• NA / NF · contacto normalmente aberto / normalmente fechado.
• PE (terra de proteção) · condutor verde-amarelo que liga as massas metálicas à terra, por segurança.
• Régua de bornes (X1) · elemento do quadro que liga cabos internos a cabos externos.
• Rendimento (η) · a razão entre a potência útil e a potência absorvida de um motor.
• Selagem · contacto auxiliar de um contactor que mantém o próprio contactor ligado (memória).
• Unifilar · esquema que representa um grupo de condutores por uma única linha.

Síntese

O desenho esquemático de eletricidade parte sempre das mesmas grandezas (tensão, corrente, resistência, potência) e das mesmas leis (Ohm, Joule), aplicadas com a fórmula trifásica P = √3 × U × I × cos φ para dimensionar motores, cabos e proteções. A simbologia IEC 60617 e as referências por classe (F, K, M, Q, S, T, X) mantêm-se sempre consistentes, do esquema de potência ao de comando, dois desenhos distintos que nunca se misturam. Duas distinções de segurança atravessam toda a UC: massa não é terra de proteção, e paragem de emergência não é paragem simples. As cinco regras de ouro do trabalho sem tensão e a regra da segunda vítima fecham o percurso, porque um esquema tecnicamente perfeito só serve se quem o usar trabalhar em segurança.

Exercícios resolvidos

1. Um motor trifásico tem P_útil = 3 kW, U = 400 V, cos φ = 0,84 e η = 0,85. Calcula a corrente nominal.

Resolução: P_abs = 3000 / 0,85 = 3529,41 W. I_n = 3529,41 / (1,7321 × 400 × 0,84) = 3529,41 / 582,0 = 6,06 A.

2. A bobina de um contactor de 24 V DC absorve 40 mA em regime nominal. Qual é a resistência da bobina?

Resolução: pela Lei de Ohm, R = U / I = 24 / 0,04 = 600 Ω.

3. Um cabo com 0,02 Ω de resistência é percorrido por 12 A durante 8 segundos numa falha de proteção. Calcula a potência e a energia dissipadas.

Resolução: P = R × I² = 0,02 × 144 = 2,88 W. E = P × t = 2,88 × 8 = 23,04 J.

4. Porque é que, no esquema de comando de M1, S0 e S2 são contactos NF e S1 é NA?

Resolução: para que a falta de energia ou um fio partido resultem sempre em paragem, nunca em arranque inesperado. Um contacto NF interrompe o circuito se falhar; um contacto NA (como S1) não o fecha sozinho.

5. Um técnico vai substituir o relé térmico F2 do quadro de M1. Enumera, pela ordem correta, as regras de ouro que deve seguir antes de tocar no quadro.

Resolução: 1) Separar (abrir Q1); 2) Bloquear e sinalizar (cadeado e cartão); 3) Verificar a ausência de tensão; 4) Ligar à terra e em curto-circuito (quando aplicável); 5) Delimitar a zona de trabalho.