El riesgo de fusión del #1 en el diseño de armarios eléctricos

Introducción

Todos los cuadros eléctricos son maravillas de ordenada intrincación. Ya sean los bordes afilados del esquema o las líneas limpias de los conductos de cables, un diseño bien hecho es una demostración de la habilidad del ingeniero y de su visión. Elige cuidadosamente cada elemento del panel de control, calcula todas las cargas y se asegura de que todas las conexiones sean seguras. Aun así, a pesar de la aplicación impecable de estos fundamentos, puede haber una amenaza silenciosa que se esconda en segundo plano: un riesgo que no existe en una lista de materiales ni en un diagrama de cableado, pero que puede destruir todo su sistema.

Esta amenaza es un ataque gradual, insidioso e invisible al rendimiento de los sistemas eléctricos hasta que fallan por completo.

En este artículo encontrará una guía detallada sobre cómo garantizar que sus diseños resistan este riesgo. En primer lugar, estableceremos una base sólida volviendo a los fundamentos absolutos de un buen diseño de armarios eléctricos. A continuación, una vez asentados estos conocimientos, desvelaremos el secreto a voces que muchos ingenieros no tienen en cuenta, y entregaremos un plano, que engloba los conocimientos de nivel experto, que puede ponerse en práctica y ejecutarse para eliminarlo, de modo que sus sistemas no sólo estén bien diseñados, sino que también sean más robustos y fiables durante toda su vida útil.

Las piedras angulares de un diseño de armario eléctrico sólido

Debemos aprender lo básico antes de poder protegernos contra la mayor amenaza. Todo armario eléctrico sólido y útil se construye sobre estos cuatro pivotes. Hay que hacerlos bien.

El plano: Dominio del diseño esquemático eléctrico

El esquema no es sólo un dibujo; es la única fuente de verdad sobre todo el sistema. Un esquema excelente es brillante, racional y universal. Para ello se utilizan normas aceptadas, concretamente la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) y la NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos). La norma que se utilice determina las convenciones de los símbolos, los nombres de los componentes y la numeración de los nombres de los cables.

Además de la normalización, un gran esquema es inteligible. A cada uno de los componentes debe asignársele una etiqueta única (por ejemplo, K1, M1, PS1), a cada cable se le asigna un número único y cada conexión se define claramente con el origen y el destino. Este registro detallado es de gran valor tanto para el cuadrista como para el técnico de campo que solucione un problema años más tarde. La primera línea de defensa contra los errores y la base de un mantenimiento eficaz es un esquema bien documentado, con una lista de materiales (BOM) correcta.

Selección de componentes: Elegir entre cerebro y músculo

La resistencia de un armario eléctrico es tan buena como su punto más débil. Esta selección debe ser un compromiso intencionado de rendimiento, duración y seguridad. Esto es mucho más que igualar los valores nominales de tensión e intensidad.

La interfaz de los componentes debe elegirse con cuidado para que la comunicación entre los componentes del panel de control sea fluida y se maximice la funcionalidad. Esto incluye asegurarse de que los distintos componentes del sistema, que incluyen PLC, relés e HMI, sean compatibles y funcionen eficazmente como un equipo.

• Cálculo de la carga: Determine correctamente el amperaje de carga real (FLA) de todos los motores, calentadores y otros equipos. Asegúrese también de tener en cuenta las cargas del circuito de control debidas a PLC, HMI y relés.
• Factor medioambiental: ¿El armario estará en una sala climatizada o en una fábrica llena de polvo? Los componentes deben caracterizarse por su temperatura y humedad ambiente, así como por los posibles contaminantes que vayan a encontrar.
• Corriente nominal de cortocircuito (SCCR): Es un coeficiente de seguridad muy importante. Todos los elementos del circuito de alimentación deben tener una SCCR de al menos la de la corriente de defecto disponible en la ubicación del panel. Una SCCR baja es un grave riesgo para la seguridad y uno de los errores frecuentes en las inspecciones.
• Certificaciones: Para utilizar los componentes con fines comerciales e industriales, deben contar con las certificaciones necesarias, como UL, CE y RoHS. La clave de la seguridad, la conformidad y la aceptación por parte de los organismos reguladores es utilizar componentes certificados.

El arte de la distribución física y la gestión del espacio

Un esquema racional tiene que traducirse en un esquema físico racional. El objetivo es diseñar un panel que sea sencillo de construir, sencillo de solucionar y seguro de utilizar. Esto se lleva a cabo mediante la planificación:

• Zonificación funcional: Combine piezas similares. Separe físicamente los componentes de alimentación de alta tensión (variadores de frecuencia, contactores) y de control de baja tensión (PLC, módulos de E/S) y la distribución de energía (disyuntores, bloques de terminales).
• Separación y segregación: Tienda los cables de alimentación de alta tensión por separado (por regla general, de forma independiente) en comparación con los cables de control y comunicación de baja tensión para evitar interferencias electromagnéticas (EMI). Mantenga los conductos de cables en conductos separados o manténgalos separados.
• Espacio libre y flujo de aire: Respete los requisitos de espacio libre del fabricante de los distintos componentes. Estos espacios no son vacíos, sino espacios necesarios para que circule el aire y se absorba el calor.
• La regla 20%: Un diseñador inteligente nunca deja la planificación para el futuro. Dejar un mínimo de 20% espacio libre detrás permite añadir o modificar espacio sin necesidad de rehacer todo el panel.

Distribución de energía: El latido de su sistema

El sistema circulatorio de su armario es la red de distribución de energía. Una solución eficaz es segura, estructurada y fácil de usar. Comience con un disyuntor de entrada primario o un interruptor de desconexión que ofrezca un punto de interrupción. A continuación, debe alimentarse lógicamente a los bloques de distribución y, de ahí, a disyuntores derivados más pequeños que sirvan a cargas individuales.

También es importante utilizar bloques de terminales bien etiquetados al cablear todas las E/S de campo. Esto proporciona un punto de demarcación limpio entre el cableado interno del panel y las conexiones externas de los dispositivos, lo que facilita mucho la instalación, las pruebas y la localización de fallos. La parte más importante de la distribución de energía es una conexión a tierra adecuada; es necesaria una barra de conexión a tierra separada, conectada al panel y a la caja, para proporcionar protección al personal y a los equipos.

Desenmascarar al asesino silencioso: Por qué el calor es el riesgo #1

Puede que sigas todas las mejores prácticas de diseño, elijas los componentes más potentes e incluso tengas un esquema puro, pero aun así tu sistema puede estar condenado a un fallo prematuro. ¿El motivo? Calor incontrolado.

El peor agente destructivo de los componentes electrónicos y eléctricos es el calor. Es un subproducto inevitable de la resistencia eléctrica que, cuando se permite que se acumule en un área contenida, provoca una reacción en cadena catastrófica. La ley de la termodinámica que rige la relación entre la vida útil de los componentes electrónicos y la temperatura se denomina ecuación de Arrhenius. Una versión sobresimplificada de esta ecuación es impactante:

La vida útil de cualquier componente se reduce a la mitad cada 10 °C (18 °F) por encima de la temperatura nominal de funcionamiento del componente.

Considere el impacto en los componentes que forman el cerebro de su sistema:

Este asesino silencioso no produce explosiones ni destellos. También es lento, destruye el aislamiento, seca los condensadores, altera los parámetros de los semiconductores y provoca molestos disparos y fallos inexplicables del sistema hasta que, un día, una pieza sensible falla por completo. Ese fallo es la fusión, y su causa empezó hace meses o incluso años con un diseño que pasó por alto la gestión térmica.

¿Está convirtiendo accidentalmente su armario en un horno? Defectos de diseño comunes al descubierto

A pesar de este conocimiento del calor, es fácilmente posible acabar creando una atmósfera caliente debido a simples errores de diseño. Estos son dos de los puntos débiles más comunes que atrapan el calor y contribuyen a la rápida desaparición de los componentes.

El efecto dominó de una mala planificación térmica en el diseño

Como se indica en las piedras angulares, la ubicación física de los componentes influye enormemente en el rendimiento térmico. El calor asciende de forma natural. Uno de los pecados capitales del diseño térmico es colocar los componentes con alta generación de calor -como VFD, transformadores y grandes fuentes de alimentación- en la parte superior del armario. Esta posición provoca la formación de un "techo térmico", que expone todos los elementos situados debajo (incluidos sus delicados PLC y módulos de E/S) a un suministro continuo de aire caliente.

El diseño ideal aprovecha la convección natural. Los productores de calor máximo deben situarse lo más bajo y distante posible. Estos "hornos" no deben tener los controles electrónicos sensibles en la parte inferior y más fría del armario. Cualquier descuido de este principio por su diseño está trabajando en contra de su fiabilidad.

Cuando lo "compacto" se convierte en "estrecho": La trampa del tamaño del recinto

En un intento de ahorrar espacio o dinero, existe la tentación de instalar el armario más pequeño posible para alojar físicamente los componentes. Se trata de un grave error. Un amortiguador térmico es la cantidad de aire que hay en un armario. Un armario estrecho tiene muy poco volumen de aire y, por lo tanto, cualquier calor producido por los componentes aumentará la temperatura ambiente interna significativamente más rápido.

Incluso un armario que sólo tenga un 15% de espacio libre puede ganar una temperatura de 20-25 °C más que la temperatura ambiente exterior. Por el contrario, un armario con 40 % de espacio libre puede experimentar sólo un aumento de 10-15 °C con la misma carga. Esa diferencia de 10 °C puede ser la diferencia entre un sistema que tiene 10 años y otro que falla hace 5, como hemos visto.

Además, es difícil acceder a las partes de un armario estrecho durante el mantenimiento o las actualizaciones. Sin espacio suficiente, los futuros ajustes o arreglos pueden resultar torpes y generar tiempos de inactividad innecesarios y gastos adicionales.

Calcular el verdadero coste de un "deshielo": Más allá de una pieza defectuosa

Es fácil calcular el precio de la sustitución del variador de frecuencia o la fuente de alimentación averiados. Más importante de medir, pero aún más difícil, es el nuevo efecto dominó financiero de ese fallo.

1. Tiempo de inactividad: Este es el precio más alto. Una línea de producción que no funciona puede costar a una organización miles o decenas de miles de dólares a la hora en ingresos perdidos.
2. Costes laborales: Diagnosticar un problema y sustituir una pieza puede llevar a un técnico y una llamada telefónica, y este coste puede ser fácilmente superior al del propio componente, por no hablar del tiempo perdido.
3. Tiempo y dinero perdidos: En caso de fallo del proceso, puede desecharse materia prima o arruinarse un lote de producto acabado.
4. Daños a la reputación: El tiempo perdido cuando su empresa está inactiva le costará plazos perdidos, un cliente insatisfecho y su reputación de fiabilidad.

Una sola fusión térmica puede causar pérdidas económicas 100 veces superiores al coste de instalación. una solución de refrigeración adecuada en primer lugar.

Su primera línea de defensa: Introducción a la gestión térmica

El primer paso es comprender el riesgo. Actuar es el siguiente paso. La ciencia de la transferencia de calor entre lugares donde no se desea y lugares donde se puede descargar con seguridad se conoce como gestión térmica. Estas técnicas se dividen a grandes rasgos en refrigeración pasiva y activa.

Refrigeración pasiva se basa en la convección natural y la radiación. Para ello hay que utilizar rejillas de ventilación, materiales conductores del calor o simplemente asegurarse de que el armario es lo suficientemente grande. Es barato y fácil, pero sólo puede utilizarse en un armario con una carga térmica interna muy baja.

Refrigeración activa es el movimiento de calor, que requiere mucha energía. La mayoría de los paneles de control industriales acaban aquí. Esta categoría abarca desde los ventiladores de filtro básicos hasta los acondicionadores de aire y los intercambiadores de calor. Un ventilador de alta calidad es el sistema de refrigeración activa más estable y rentable, y el corazón de una estrategia térmica proactiva, para la gran mayoría de aplicaciones.

La elección del experto: Refrigeración proactiva con ACDCFAN

Una buena gestión térmica no es cuestión de desear tener éxito, sino de diseñar fiabilidad. Es aquí donde ACDFAN puede ofrecer no sólo un producto, sino también una garantía de integridad operativa. Para un ingeniero de diseño, especificar un ventilador de refrigeración no es cuestión de movimiento de aire, sino de especificar confianza.

La fiabilidad industrial se refleja en los detalles. Soluciones ACDCFAN se desarrollan sobre la base de rodamientos de bolas de alta longevidad, que tienen un tiempo medio entre fallos superior a 70.000 horas. De este modo se garantiza que el sistema de refrigeración se desarrolle para funcionar durante toda la vida útil del sistema de control y no sólo durante los dos primeros años. Para garantizar el funcionamiento en condiciones adversas, se utilizan funciones especializadas como Encapsulado estanco al agua y al polvo con clasificación IP68 ofrecen la última línea de defensa contra las dos causas más extendidas de avería de los ventiladores y, por tanto, son fiables en los lugares donde fallan los demás.

El rendimiento no es sólo pura potencia. Nuestros ventiladores proporcionan hasta 30% de flujo de aire más uniforme en todo el sistema mediante el uso de un avanzado diseño aerodinámico de las aspas para eliminar los puntos calientes que causan la degradación de los componentes. Y para ser más avanzados, nuestros ventiladores cuentan con control de velocidad inteligente PWM. Esto permite que el ventilador se conecte directamente a su PLC o sistema de control y le proporcione refrigeración a demanda; es silencioso y conserva la energía con cargas bajas, pero luego se pone a pleno rendimiento cuando sus activos están trabajando duro.

Por último, la integración sin problemas y el cumplimiento de las normas aportan tranquilidad. Disponibles en todos los tamaños, de 25 mm a 254 mm, pueden adaptarse perfectamente a cualquier diseño. Cada producto cuenta con Certificaciones UL, CE, TUV y RoHSque no provocan quebraderos de cabeza por el cumplimiento de la normativa. Esta garantía de calidad está respaldada por una asistencia experta de alta calidad, que garantiza una resolución técnica preliminar 12 horas después, lo que convierte a ACDCFAN no solo en un proveedor de su diseño, sino en un socio para el éxito de su diseño.

Su plan de acción para un armario fresco y fiable

La gestión térmica no debe ser una ocurrencia tardía a la hora de desarrollar un diseño; debe incluirse desde el principio. El diseño activo de un armario refrigerado y fiable es un diseño holístico:

1. Incluir las térmicas en la fase de trazado: Al zonificar sus piezas, debe superponer mis zonas térmicas. Determine las fuentes de calor y también colóquelas estratégicamente para facilitar una trayectoria de flujo de aire de abajo hacia arriba.
2. Cálculo, no estimación: Realiza un sencillo cálculo de la carga térmica (en vatios o BTU/hora) de su armario. Este cálculo se utilizará para determinar el caudal nominal de pies cúbicos por minuto (CFM) de su sistema de ventilación. Las suposiciones resultan en sistemas subestimados que fallan o sistemas sobreestimados que cuestan energía y dinero.
3. Diseñe la trayectoria del flujo de aire como un sistema: Sólo un componente del sistema es el ventilador. También debe indicar una entrada de aire filtrado del tamaño adecuado. El recorrido óptimo aspira aire frío y limpio en un nivel bajo de la carcasa, lo pasa por encima de las piezas que generan calor y expulsa el aire caliente en un nivel alto con el ventilador.
4. Especifique Fiabilidad: Elija una solución de refrigeración activa con el mismo cuidado que lo hace con su PLC o VFD. Examine su MTBF, tipo de rodamiento, protección ambiental (grado IP) y certificaciones. Se trata de un componente tan esencial para el tiempo de actividad de su sistema como cualquier otro.

Conclusión

Un diseño brillante de un cuadro eléctrico es una combinación de fundamentos concretos y un análisis de riesgos inteligente. Los bloques básicos: esquemas, piezas del panel de control, disposición y distribución de la energía establecen un sistema que es útil y fiable. Sin embargo, el control proactivo del riesgo operativo número uno, el calor, es lo que hace que un sistema sea realmente fiable y robusto.

Saber que el calor puede destruir silenciosamente los sistemas eléctricos permite diseñar conscientemente para contrarrestar su impacto, con lo que el trabajo pasa de ser meramente funcional a ser resistente. Las actualizaciones para mejorar la gestión térmica y evitar el sobrecalentamiento pueden alargar la vida útil del sistema. La prueba definitiva de un buen ingeniero es tratar la gestión térmica como un proceso de diseño y no como una ocurrencia tardía. Es la inversión más rentable que puede hacer en la vida de su sistema y en la supervivencia de su empresa.