Recorrido por el diseño de armarios eléctricos

Introducción

En el ámbito de la ingeniería eléctrica y la integración de sistemas, la carcasa difícilmente puede describirse como una simple caja. Es el amortiguador inicial contra cualquier daño a sus piezas vitales, un gel bien pensado para asegurarse de que la electrónica sensible que contiene está a salvo de todas las cosas feas que le ocurren en el mundo. Un diseño de armario eléctrico mal hecho puede ser inseguro, poco fiable y de corta duración, tanto si se trata de una simple caja de conexiones como de un panel de control industrial muy sofisticado. Hágalo bien, y su sistema podrá funcionar sin problemas a lo largo de los años. Si lo hace mal, puede tener un fallo catastrófico, sufrir costosos tiempos de inactividad e incluso correr graves riesgos de seguridad.

Este recorrido por las directrices de diseño de armarios electrónicos pretende guiarle a través de cada paso del proceso de diseño de armarios eléctricos. Pasaremos, por así decirlo, a la siguiente fase, que es la formulación de las necesidades y requisitos de las aplicaciones y, por último, nos adentraremos en algunas reflexiones finales sobre la fabricación. Tanto si es usted un ingeniero con mucha experiencia que necesita repasar los fundamentos básicos como si es un gestor de proyectos con poca o ninguna experiencia en este campo, esta guía le proporcionará las estrategias claras y prácticas que necesita para convertir su concepto en una realidad que funcione y tenga éxito en el mundo real.

Definición de la Fundación - Finalidad, alcance y requisitos

Antes incluso de hacer cualquier trazo en CAD, se lleva a cabo la tarea más importante, que es determinar el qué, el dónde y el por qué de su recinto. La fase inicial ayuda a evitar el costoso y largo rediseño en el futuro. Cualquier decisión posterior, como qué material utilizar o cómo controlar el calor, estará predeterminada por una imagen clara del tipo de armario, su uso propuesto y las condiciones de funcionamiento.

Plantea las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es su función principal? ¿Servirá como controlador lógico programable (PLC) de una fábrica, como unidad de distribución de energía de un centro de datos o como conjunto de terminales de una luz exterior? Contendrá los elementos que protege, así como su tamaño mínimo y su configuración interna, lo que predeterminará y, en última instancia, afectará a su estrategia de diseño de armarios para componentes electrónicos.
• ¿En qué lugar se colocará? La cabeza del entorno desempeña un papel importante. Un edificio con climatización controlada en un entorno de oficinas tiene necesidades muy distintas a las de un cerramiento adosado a la costa, donde estará expuesto a niebla salina, o una fábrica, donde las condiciones se caracterizan por altas temperaturas y productos químicos muy corrosivos. Estos factores influyen directamente en el tipo de cerramiento adecuado.
• ¿Quién va a trabajar con él y sobre qué base? ¿Se guardará permanentemente cuando esté cerrado o los técnicos tendrán que realizarle un mantenimiento periódico? ¿Necesita recortes HMI/ventanas de visualización/interruptores externos? Debido a la interacción con el usuario, determinará cosas como el tipo de bisagras utilizadas en las puertas, el sistema de cierre y la naturaleza etiquetada del mismo.

El proceso de responder por completo a estas preguntas ayuda a elaborar un documento de especificación de requisitos de usuario (URS). Este documento le servirá de anteproyecto para que, cuando obtenga el resultado final, no solo funcione bien, sino que encaje a la perfección en el trabajo esperado.

Fuente: Chris Guyatt

Selección de materiales: equilibrio entre durabilidad, peso y coste

El material de su caja es su armadura, fabricada con diversos materiales. Su elección influirá directamente en su capacidad de protección, vida útil, peso y, por supuesto, presupuesto. Las dos categorías principales son los metales y los no metales (polímeros), cada uno con ventajas distintas.

Metales: Acero, acero inoxidable y aluminio

Tradicionalmente se utilizan metales, que son muy resistentes y rígidos.

• Acero al carbono: Es el bruto del oficio de cerramientos. Es un material duradero, se fabrica con facilidad y es muy rentable; de ahí que se utilice mucho en la construcción de un edificio de uso general dentro de los edificios de una casa. Su principal punto débil es que se oxida con facilidad, lo que suele cubrirse con un acabado duradero de pintura en polvo.
• Acero inoxidable: El acero inoxidable es la solución cuando se necesita resistencia a la corrosión. Los dos tipos más populares son el 304 y el 316. El tipo 304 tiene una gran aplicabilidad en el procesamiento de alimentos y en aplicaciones de lavado. Cuando la aplicación (o la exposición a la sal, como en el caso de los cloruros) es pesada (las aplicaciones marinas utilizan con frecuencia el tipo 316, a veces denominado grado marino), la mayor resistencia a la corrosión del tipo 316 es un punto de inversión noble.
• Aluminio: Las cajas de aluminio tienen una gran relación resistencia-peso, es decir, aproximadamente un tercio de la masa del acero. Esto las cualifica perfectamente en aquellas aplicaciones en las que hay que tener en cuenta el peso, como las de un poste o incluso equipos portátiles. Además, las envolventes de aluminio son naturalmente resistentes a la corrosión, por lo que pueden adaptarse a una amplia gama de entornos hostiles o atípicos, o a aplicaciones móviles.

No metálicos: Policarbonato y fibra de vidrio

Los materiales poliméricos tienen ventajas específicas, especialmente cuando son corrosivos o cuando son inalámbricos. En los casos en los que las condiciones ambientales suponen un problema (por ejemplo, un posible contacto con productos químicos o condiciones de humedad), las carcasas no metálicas suelen resistir mejor los retos que plantea el diseño de carcasas electrónicas.

• Policarbonato: Es muy resistente a los golpes (IK10 en la mayoría de los casos), ligero y fácil de modificar. Es un gran aislante y es transparente a las radiofrecuencias, lo que lo hace ideal como carcasa para equipos que tengan antenas Wi-Fi o celulares. En el diseño compacto de carcasas para equipos electrónicos u otros dispositivos electrónicos orientados a las comunicaciones, el policarbonato puede ser una de las opciones más eficaces de galvanizado.
• Fibra de vidrio (FRP): Su alta resistencia química y su fantástica resistencia a la corrosión hacen que el poliéster reforzado con fibra de vidrio sea más resistente incluso que el acero inoxidable en determinadas aplicaciones ácidas. Es fuerte, ligero y capaz de soportar condiciones ambientales muy diversas; por lo tanto, es un material duradero para utilizar en plantas de tratamiento de aguas residuales, plantas químicas y establecimientos al aire libre.

Dimensionado y disposición - Planificación de armarios

Una caja "lo suficientemente grande" es demasiado pequeña. Para facilitar la instalación, garantizar el equilibrio térmico del sistema y garantizar su seguridad en el futuro, es necesario planificar el tamaño y la ubicación de forma eficaz.

Determinar el espacio interno de los componentes

En primer lugar, empiece a dibujar todos sus componentes principales, PLC, fuentes de alimentación, contactores, bloques de terminales, en su software CAD. Pero no se detenga ahí. El espacio vacío es igual de importante. Haz lo siguiente:

• Despeje en componentes: Todos los componentes que producen calor deben tener un espacio amplio para permitir la libre circulación del aire. Fichas técnicas: Consulta las hojas de datos del fabricante y comprueba las recomendaciones relativas a las distancias.
• Conducto de cableado y gestión de cables: Designe canales de cableado. Cuando el armario está bien gestionado, da más problemas y es más seguro de manejar. El flujo de aire puede verse limitado por cables congestionados, que producen puntos calientes.
• Radio de curvatura: Los cables no tendrán curvas de 90 grados. Tenga en cuenta el requisito de radio de curvatura de todos los cables de alimentación y datos para evitar daños y pérdidas de señal.

Una regla empírica consiste en calcular el espacio total que ocupan los componentes y añadir un búfer de 20-25% para permitir el cableado y el flujo de aire.

Permitir futuras ampliaciones y modificaciones

Las necesidades de hoy pueden no ser las de mañana. Un diseño inteligente prevé los cambios del futuro.

• Espacio adicional para carril DIN: En caso de que disponga de carriles DIN, reserve una capacidad de carril DIN de al menos el 25 por ciento. La futura instalación de un nuevo módulo o relé será un ejercicio trivial, en lugar de un ejercicio de recableado completo.
• Paneles traseros modulares: La creación de un subpanel o panel trasero fácilmente desmontable permite montar y probar el complejo conjunto en un banco y, a continuación, introducirlo en la caja, lo que simplifica enormemente la instalación y el mantenimiento.
• Placas de prensaestopas de repuesto: En caso de que desee instalar más cables en el futuro, piense en utilizar una placa de prensaestopas extraíble en lugar de taladrar orificios independientes. Esto ofrece la máxima libertad en futuras modificaciones de E/S.

Cumplimiento de las normas: navegación por las clasificaciones NEMA e IP

Existen normas cuyo objetivo es desarrollar un lenguaje común de seguridad y protección. En el caso de los armarios eléctricos, los dos tipos de normas más comunes son las clasificaciones NEMA y las clasificaciones IP. Indican la capacidad de una caja para impedir la entrada de sólidos (como el polvo) y líquidos (como el agua) en el material que contiene.

Clasificación IP

IP es una norma internacional (IEC 60529) del sistema de clasificación Ingress Protection. Tiene dos caracteres:

• Primer dígito (Sólidos): Índices de protección contra partes grandes del cuerpo (1), hasta polvo fino (6). La clasificación IP6X significa que la empuñadura es totalmente estanca al polvo.
• Segunda cifra (Líquidos): Las clasificaciones protegen contra líquidos, incluido el goteo de agua (1) y la inmersión breve o permanente (7 y 8). Un IPX5 significa que es seguro en chorros de agua, mientras que IPX7 significa que puede sumergirse en un metro de agua durante 30 min.

Por ejemplo, una carcasa con clasificación IP68 es totalmente estanca al polvo y resistente a los objetos en inmersión prolongada, que es una de las principales clasificaciones.

Navegación por las normas NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos)

El sistema de clasificación NEMA es el más común en Norteamérica. Aunque las clasificaciones IP se solapan en parte, las normas NEMA imponen requisitos adicionales en aspectos como la resistencia a la corrosión y las prácticas de construcción. La sustitución directa de una por otra no es posible.

Algunos tipos NEMA típicos son los siguientes:

• NEMA 1: aplicaciones de uso general en interiores, protegiendo contra el contacto accidental y la caída de suciedad.
• NEMA 12: En interiores, protege contra el polvo, la suciedad y los goteos de líquidos no corrosivos. Típico del control de maquinaria industrial.
• NEMA 4: una caja cerrada apta para interior/exterior, el marco puede utilizarse como cerramiento estanco contra el agua, la nieve y el agua dirigida por una manguera.
• NEMA 4X: Toda la protección de NEMA 4, con una gran resistencia a la corrosión añadida. Es la Norma de elección en entornos de procesamiento de alimentos, marinos y químicos.

El elemento crítico que a menudo se pasa por alto: la gestión térmica

Ya tienes una caja robusta, perfectamente dimensionada y conforme a las normas. Sin embargo, al hacerla hermética para evitar que se llene de polvo y agua, también la has convertido en un horno en ciernes. Todos los elementos que la componen producen calor y, si no existe un medio de transferencia de calor, la temperatura puede aumentar hasta niveles que provoquen el fallo de los componentes, la parada repentina del sistema y una reducción radical de la vida útil de los equipos. Gestión térmica no debe ser un accesorio, sino una parte central del diseño.

Soluciones eficaces de refrigeración y ventilación

En aplicaciones de baja potencia, la refrigeración pasiva (convección natural y radiación) puede ser suficiente. Sin embargo, cuando la densidad de potencia es elevada, refrigeración activa es imprescindible. Para ello se puede utilizar un dispositivo que provoque el movimiento del aire o el bombeo activo del calor fuera de la carcasa. El más extendido es el sistema de aire forzado con ventiladores.

Mediante un diseño adecuado del ventilador, es fácil conseguir un patrón de flujo de aire predecible, con el aire frío y filtrado entrando en la carcasa por la parte inferior y el aire caliente saliendo por la parte superior. De este modo se garantiza que el aire ambiente se utilice para desplazar continuamente el aire caliente interno, asegurando que el los propios componentes no se sobrecalientan.

Elegir la solución de refrigeración adecuada con ACDCFAN

La eficacia de su sistema de gestión térmica depende totalmente de la calidad y la idoneidad del ventilador de refrigeración elegido. Aquí es donde asociarse con un especialista puede marcar la diferencia.

Como fabricante especializado con más de 20 años de experiencia, ACDCFAN entiende que un ventilador en un armario industrial no es un componente más, sino un activo de fiabilidad crítico. Ofrecemos ventiladores axiales y radiales de CA, CC y EC diseñados para resolver los retos específicos de la refrigeración de armarios.

¿Qué valor aporta esto a su diseño?

• Fiabilidad y vida útil inigualables: El objetivo de una caja es la protección a largo plazo. Su ventilador de refrigeración debe estar a la altura de esa longevidad. Nuestros ventiladores para armarios eléctricos están diseñados para una larga vida útil. vida útil de 70.000 horas incluso a una temperatura de trabajo de 40℃. Para aplicaciones de alta temperatura, nuestros ventiladores axiales de CA totalmente metálicos funcionan de forma fiable a... temperaturas de hasta 150°Cgarantizando que su sistema se mantenga frío cuando la presión es alta. Esto es crucial para aplicaciones en entornos de gran altitud, en los que nuestros ventiladores con filtro para armarios cuentan con un MTBF (tiempo medio entre fallos) de más de 3 años, muy superior a la media del sector.
• Rendimiento bajo presión: Construimos nuestros ventiladores de recinto para la estabilidad. El marco está fabricado con material de aluminio de primera calidad mejorado con cobre, lo que da como resultado 30% Rendimiento del ventilador más estable y resistencia a las vibraciones en comparación con las ofertas estándar. Esta robusta construcción garantiza un flujo de aire constante incluso en entornos industriales exigentes.
• Certificado y protegido en todo el mundo: Su diseño debe cumplir las normas internacionales, y también sus componentes. Los productos ACDCFAN cumplen las normas Certificaciones CE, UL, RoHS y EMC. Además, para los entornos más exigentes, ofrecemos soluciones con Niveles de protección IP hasta IP68garantizando su total estanqueidad al polvo y al agua.
• Asociación técnica de expertos: ¿No está seguro de cuánto caudal de aire (CFM) necesita? Esta es una pregunta común y crítica. Nuestro equipo de expertos puede ayudarle. En función de las dimensiones de la caja, la disipación de potencia interna (carga térmica) y la temperatura ambiente, podemos realizar cálculos térmicos para recomendar el modelo de ventilador y la estrategia de instalación precisos. Esto elimina las conjeturas y garantiza que su sistema de gestión térmica sea eficaz desde el primer día.

Elegir ACDCFAN significa que no sólo está comprando refrigeradores para armarios, sino que está integrando una solución de refrigeración de ingeniería profesional y alta fiabilidad respaldada por décadas de experiencia.

Diseño para la fabricación (DFM) - Preparación para la producción

Un diseño que funciona muy bien en la pantalla pero que no se puede fabricar, o que tiene muchos costes por debajo del diseño, se considera un fracaso. El diseño para la fabricación (DFM) implica tomar medidas proactivas en línea para diseñar su producto de tal manera que resulte fácil de fabricar.

Tenga en cuenta las siguientes directrices DFM relativas al diseño de armarios:

• Simplifique el diseño: ¿Pueden dos componentes hacer uno? ¿Se podrán utilizar tamaños de orificios y tornillos comunes? Se ahorra tiempo y dinero reduciendo la complejidad.
• Detalles de chapa: Si se va a utilizar chapa metálica, tenga cuidado con el diseño para no ignorar el carácter del material. Marque un radio en las curvas del diseño que sea al menos igual al grosor del material para evitar que se agriete. Sitúe los orificios de colocación a una distancia segura de las curvas y los bordes.
• Estandarizar componentes: Siempre que sea posible, utilice cierres, bisagras y pestillos estándar. Las piezas a medida también son caras, y los plazos de entrega muy largos.
• Plan de cableado: ¿Cómo puede un técnico conectar las piezas? ¿Tiene suficiente acceso físico y visual? La aplicación del proceso de reflexión sobre el montaje en la fase de diseño ayudará a evitar grandes quebraderos de cabeza en la planta de producción.

Conclusión

La creación de un armario eléctrico es una aventura de decisiones prudentes y precauciones sensatas. Se trata de un enfoque de diseño estructurado, que comienza con un conocimiento exhaustivo de las necesidades y el propósito de la aplicación y continúa con un producto seguro, fiable y fácil de montar.

Esta guía recorre el proceso de creación de un recinto, esbozando paso a paso algo más que la simple creación de un recinto: le ayudará a crear un recinto, sabiendo todo lo que necesita saber para asegurarse de que el recinto funciona tanto desde el punto de vista técnico como comercial. Está sentando las bases del éxito de su sistema. Está creando un espacio restringido en el que sus piezas importantes no sólo están colocadas, sino que están protegidas, guardadas y listas para funcionar durante todo su periodo de trabajo. Este es el plano de un diseño de éxito.