O que é a eletricidade

A eletricidade é o movimento ordenado de cargas elétricas (eletrões) num material condutor. Sem esse movimento não há corrente, e sem corrente não há máquina a funcionar.

• Um circuito elétrico é o percurso fechado por onde a corrente circula.
• Precisa sempre de três elementos: uma fonte de energia, um condutor e uma carga (o recetor que consome a energia).
• Se o percurso se interromper em qualquer ponto, deixa de haver corrente: é um circuito aberto.

Esta UC ensina a desenhar esse percurso de forma normalizada, para qualquer técnico o poder ler sem ambiguidade.

Grandezas elétricas fundamentais

• Tensão: a diferença de potencial que "empurra" as cargas.
• Corrente: a quantidade de carga que passa por segundo.
• Resistência: a oposição do material à passagem da corrente.

Estas quatro grandezas são a base de todos os cálculos desta UC.

O circuito elétrico elementar

Qualquer circuito, por mais complexo que pareça num quadro elétrico, reduz-se a este esquema elementar:

[Fonte] ──(condutor)── [Aparelho de comando/proteção] ──(condutor)── [Carga] ──(condutor de retorno)── [Fonte]

• Fonte: bateria, gerador ou a rede elétrica.
• Aparelho de comando ou proteção: interruptor, disjuntor, fusível.
• Carga (recetor): lâmpada, motor, resistência de aquecimento.
• Condutores: fecham o percurso entre todos os elementos.

Todo o esquema desta UC, por mais complexo, é este circuito elementar repetido e combinado.

A Lei de Ohm

A Lei de Ohm relaciona as três grandezas fundamentais de um circuito resistivo:

U = R × I

Também se escreve I = U / R ou R = U / I, conforme o que se procura.

Este valor (50 mA) é o que dimensiona o contacto do relé ou do autómato que vai comandar a bobina.

A Lei de Joule

A Lei de Joule calcula a energia dissipada em forma de calor quando a corrente atravessa uma resistência:

P = R × I² e E = P × t

Esta é a razão física por trás de todas as proteções elétricas: uma sobrecorrente sustentada aquece o condutor até o poder danificar.

Porque estas duas leis governam o desenho esquemático

• A Lei de Ohm dimensiona correntes de comando (bobinas, sensores, lâmpadas piloto).
• A Lei de Joule justifica porque existem fusíveis e relés térmicos: cortam antes de o calor gerado danificar o cabo ou o isolamento.
• Todo o cálculo de secção de cabo e de calibre de proteção, mais à frente nesta UC, parte destas duas leis.

Um esquema tecnicamente correto não é só simbologia certa: são também os valores por trás de cada componente a bater certo.

Trabalho, energia e potência: conceitos

• Trabalho: a transferência de energia quando uma força desloca algo.
• Energia: a capacidade de realizar esse trabalho; em eletricidade mede-se em joule (J) ou, na fatura da luz, em quilowatt-hora (kWh).
• Potência: a rapidez a que a energia é transferida, ou seja, energia por unidade de tempo.

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

Um motor com mais potência não faz necessariamente "mais força": faz o mesmo trabalho mais depressa.

Potência elétrica em corrente contínua e monofásica

Em corrente contínua: P = U × I

Em corrente alternada monofásica, entra o fator de potência (cos φ), que traduz o desfasamento entre tensão e corrente numa carga indutiva (como um motor ou uma bobina):

P = U × I × cos φ

• cos φ = 1 numa carga puramente resistiva (uma resistência de aquecimento).
• cos φ < 1 numa carga indutiva (motores, transformadores, bobinas de contactores).

Ignorar o cos φ leva a subestimar a corrente real de uma carga indutiva.

Potência elétrica trifásica

Para cargas trifásicas equilibradas, como os motores desta UC:

P = √3 × U × I × cos φ

Onde U é a tensão composta (entre fases, tipicamente 400 V) e I é a corrente de linha.

Rearranjando para obter a corrente, o que se faz constantemente ao dimensionar um motor:

I = P / (√3 × U × cos φ)

Esta fórmula é usada em quase todos os cálculos do Bloco 5, sobre motores elétricos.

Corrente contínua vs corrente alternada

A rede elétrica pública em Portugal é alternada, a 50 Hz. Muitos circuitos de comando de máquinas usam CC a baixa tensão (24 V), obtida de um transformador ou de uma fonte de alimentação, precisamente por segurança.

Monofásica vs trifásica

• Monofásica: uma fase e um neutro, tensão nominal 230 V em Portugal. Usa-se em iluminação, tomadas e pequenos equipamentos.
• Trifásica: três fases desfasadas 120° entre si, tensão composta nominal 400 V. Usa-se em motores industriais e máquinas de maior potência.

A relação entre as duas tensões, num sistema em estrela, é:

U_linha = √3 × U_fase

Verificação: 230 × √3 = 230 × 1,732 ≈ 398,4 V, arredondado à tensão nominal normalizada de 400 V.

Porque as máquinas industriais usam trifásica

• Para a mesma potência, a corrente trifásica é menor do que seria em monofásica, o que permite cabos mais finos.
• Os motores trifásicos são mais simples, mais robustos e arrancam sozinhos (sem condensador de arranque).
• A potência entregue por um sistema trifásico equilibrado é constante no tempo, ao contrário da monofásica, que pulsa.

Por isto, uma prensa de injeção, um compressor ou um tapete transportador industrial são sempre acionados por motores trifásicos.

Tipos de motores e onde aparecem numa máquina

• Motor de corrente contínua (CC): velocidade fácil de variar, hoje mais raro em máquinas novas.
• Motor assíncrono trifásico: o mais comum na indústria, robusto e económico.
• Motor monofásico: pequenos equipamentos, baixa potência.

Exemplo desta UC, uma prensa de injeção de moldes:

• 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 o motor está na chapa de características, afixada na carcaça:

O rendimento (η) traduz a perda de energia do motor: a potência elétrica absorvida é sempre maior do que a potência mecânica útil.

Calcular a corrente nominal de M1

Passo 1. Potência absorvida (elétrica), a partir da potência útil e do rendimento:

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

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

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

Este é o valor que dimensiona o cabo, o relé térmico e o disjuntor de M1, nos blocos seguintes.

Potência elétrica vs binário (torque)

A potência mecânica de um motor relaciona-se com o binário (torque, 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; um motor mais rápido entrega menos binário.

Constituição e cores normalizadas

Um cabo é composto por condutor (cobre, a maioria das aplicações industriais) e isolamento (PVC, borracha).

Cores normalizadas dos condutores, a respeitar sempre no desenho e na instalação:

O condutor verde-amarelo nunca transporta corrente de trabalho: está reservado exclusivamente à proteção de pessoas.

Dimensionar a secção do condutor

A secção final de um cabo tem de satisfazer dois critérios em simultâneo:

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

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 (m/Ω·mm²).

Exemplo resolvido: secção do cabo de M1

Dados: I_n = 10,61 A, L = 25 m, cos φ = 0,86, ΔU máx = 4% de 400 V = 16 V.

S = (√3 × 25 × 10,61 × 0,86) / (56 × 16) = 395,12 / 896 = 0,44 mm²

Este valor é inferior à secção mínima normalizada para instalações fixas (1,5 mm²), pelo que a queda de tensão não é o fator limitante aqui. A ampacidade de um condutor de 1,5 mm² (tipicamente entre 13 e 18 A, conforme o método de instalação) já cobre com folga os 10,61 A de M1.

Secção final adotada: 1,5 mm².

A norma IEC 60617

A IEC 60617 define os símbolos gráficos normalizados para esquemas elétricos e eletrónicos, usados internacionalmente.

• Garante que o esquema é lido da mesma forma em qualquer país e por qualquer técnico.
• É a base das bibliotecas de símbolos do software CAD.
• Regra da casa nesta UC: um esquema, uma norma. Usamos sempre a IEC 60617, nunca se mistura com a norma americana ANSI.

Sem esta normalização, cada projetista desenharia à sua maneira e o esquema deixaria de servir para comunicar.

Símbolos essenciais desta UC

Estes são exatamente os símbolos usados em todos os esquemas desta UC, sem variação de bloco para bloco.

Letras de referência por classe de componente

Cada componente tem uma referência única: a letra da sua classe seguida de um número sequencial (ex.: K1, M2). Esta UC usa consistentemente:

A mesma referência designa sempre o mesmo componente em todos os esquemas desta UC, do esquema de potência ao de comando.

Massa vs terra de proteção: não são a mesma coisa

• Massa (referência de sinal, 0 V): o ponto de referência elétrica de um circuito, a partir do qual se medem as 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, para que uma proteção diferencial atue em caso de defeito de isolamento.

Confundir estes dois conceitos é erro de segurança, não de nomenclatura: uma massa de sinal ligada por engano como se fosse PE pode deixar uma carcaça sob tensão sem qualquer proteção a atuar.

Esquema de potência vs esquema de comando

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 é a ponte entre os dois: a sua bobina vive no esquema de comando, os seus contactos principais vivem no esquema de potência.

O circuito de potência: exemplo M1

Esquema de potência do motor M1 (bomba hidráulica), da rede até ao motor:

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

• Q1: corta manualmente e por curto-circuito toda a alimentação do quadro.
• F2: relé térmico ajustado a 10,6 A (a corrente nominal calculada de M1), protege contra sobrecarga sustentada.
• K1: os três contactos principais ligam e desligam a alimentação do motor por comando elétrico.

O circuito de comando: exemplo M1

Esquema de comando de M1, a 24 V DC:

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

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

Aparelhos de manobra e de proteção

O relé térmico e o fusível têm funções complementares: o fusível atua depressa em curtos-circuitos, o relé térmico atua devagar em sobrecargas prolongadas, como as que a Lei de Joule explica no Bloco 2.

Selagem, memória e sinalização

• A selagem (visto no Bloco 8) é o mecanismo mais comum de memória num circuito de comando: um contacto auxiliar do próprio contactor mantém-no ligado.
• Lâmpadas piloto e outros sinalizadores informam o operador do estado da máquina (verde: em funcionamento; vermelho: avariada ou parada; amarelo: em espera).
• Um relé auxiliar pode replicar um sinal para vários destinos sem sobrecarregar os contactos originais, ou introduzir um pequeno atraso (temporização).

Comando bem desenhado é comando legível: o operador sabe sempre em que estado está a máquina.

O transformador de comando

Muitos quadros usam um transformador de comando (T1), tipicamente 400/24 V, para alimentar o circuito de comando a uma tensão mais baixa e mais segura do que a potência.

• Reduz o risco de choque elétrico para quem opera botoneiras e sensores.
• Isola galvanicamente o circuito de comando do circuito de potência.
• É frequente ligar o secundário (0 V) à terra num só ponto, por razões de segurança e de imunidade a interferências, sem que isso o transforme em condutor PE.

Este é mais um exemplo de massa (0 V do secundário) que não é terra de proteção, mesmo estando ligada à terra num ponto.

O esquema unifilar

O esquema unifilar representa um grupo de condutores por uma única linha, dando uma visão de conjunto simplificada.

• Usa-se sobretudo para a distribuição geral do quadro: da entrada de energia até cada disjuntor de saída.
• Mostra a hierarquia da instalação sem detalhar cada ligação individual.
• É o primeiro esquema a consultar para perceber "de onde vem" a alimentação de uma máquina.

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

O esquema multifilar

O esquema multifilar desenha cada condutor e cada ligação de forma individual: é o esquema de detalhe.

• É o formato usado nos esquemas de potência e de comando do Bloco 8: cada fio de L1, L2, L3, e cada fio de comando, aparece separado.
• Permite seguir o percurso exato de cada sinal, essencial para montar e para diagnosticar avarias.
• Cada ligação tem uma referência de fio (ex.: -W1, -W2) para facilitar a montagem no quadro.

O unifilar mostra a estrutura; o multifilar mostra a ligação exata que o eletricista tem de fazer.

Quando usar cada um no projeto de uma máquina

Um dossiê técnico completo de uma máquina inclui os dois, cada um com a sua função.

Constituição de um quadro elétrico

Um quadro elétrico industrial organiza-se em elementos normalizados:

• Calha DIN: onde se fixam disjuntores, contactores, relés e bornes.
• Canaletas (calhas de cablagem): conduzem e protegem os condutores dentro do quadro.
• Régua de bornes (X1): liga os cabos internos aos cabos externos, de forma organizada e substituível.
• Placa de montagem: suporte metálico onde tudo é fixado.

Um quadro bem construído lê-se como um esquema bem desenhado: por blocos, da esquerda para a direita, de cima para baixo.

O painel de comando

O painel de comando é a interface entre o operador e a máquina: botoneiras, seletores, lâmpadas piloto e, muitas vezes, um ecrã.

• Deve incluir sempre o botão de paragem de emergência (S0), bem visível e acessível.
• A disposição dos comandos segue a lógica de operação: marcha e paragem próximas, sinalização visível a distância.
• A altura e o ângulo do painel têm de respeitar critérios ergonómicos, para operação confortável e segura.

O painel é tão parte do projeto elétrico como o quadro: a sua posição e ligação também se desenham e documentam.

Posicionar quadro, painel e cabos na máquina

O critério de desempenho "adequar o posicionamento" exige decisões concretas na estrutura da máquina:

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

Paragem de emergência vs paragem simples

Não são a mesma função, apesar de ambas pararem o motor:

S0 é uma função de segurança, S2 é apenas um comando de operação normal.

As cinco regras de ouro do trabalho sem tensão

Antes de intervir num quadro ou 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, para que ninguém o volte a ligar.
3. Verificar a ausência de tensão: com um verificador de tensão adequado, em todos os condutores, incluindo entre fases e entre fase e terra.
4. Ligar à terra e em curto-circuito: aplicável sobretudo em instalações de média/alta tensão, elimina tensões induzidas residuais.
5. Delimitar a zona de trabalho: sinalizar fisicamente a área de intervenção.

Estas regras aplicam-se sempre antes de qualquer manutenção, incluindo a simples substituição de um componente do quadro desta UC.

A regra da segunda vítima e o 112

• Nunca tocar diretamente numa pessoa em contacto com um condutor sob tensão: quem socorre pode tornar-se a segunda vítima.
• Primeiro, cortar a energia (desligar o disjuntor ou o seccionador geral); só depois se pode aproximar da vítima.
• Se não for possível cortar a energia de imediato, afastar a vítima usando um material isolante e seco (nunca com as mãos nuas nem com um objeto metálico).
• Chamar de imediato o 112 e, enquanto se aguarda ajuda, prestar os primeiros socorros que se souber prestar com segurança.
• Equipamento de proteção individual (EPI): luvas isolantes, calçado de segurança e óculos de proteção são obrigatórios em qualquer intervenção em quadros elétricos.

Normas aplicáveis

• IEC 60617: simbologia gráfica para esquemas elétricos (Bloco 7).
• EN 60204-1: segurança de máquinas, equipamento elétrico de máquinas, incluindo categorias de paragem e regras de identificação de condutores.
• Diretiva Máquinas (2006/42/CE), transposta para direito português, exige que a documentação elétrica da máquina cumpra requisitos essenciais de segurança.
• Normas de segurança e saúde no trabalho, incluindo as regras de trabalho sem tensão do Bloco 12.

Aplicar normas não é burocracia: é o que torna um esquema interpretável, seguro e legal.

Software CAD e simuladores

Os esquemas desta UC desenham-se em software CAD elétrico, não à mão, para garantir consistência e permitir alterações rápidas.

• Bibliotecas de símbolos IEC 60617 já prontas, evitando desenhar símbolos de raiz.
• Numeração automática de folhas, referências e bornes.
• Alguns programas incluem simuladores lógicos, que testam a sequência de comando (marcha, selagem, paragem, emergência) sem energizar a máquina real.
• Exportação para PDF e para a documentação final da máquina.

O software não substitui o conhecimento da simbologia e das normas: só o aplica de forma mais rápida e consistente.

Do requisito ao esquema: o processo de desenho

Metodologia que resume as duas realizações desta UC:

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 (F, K, M, Q, S, T, X) 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 (S0, regras de ouro), normas aplicáveis e posicionamento físico no quadro e na máquina.