Una panoramica sulla progettazione degli involucri elettrici

Introduzione

Nell'ambito dell'elettrotecnica e dell'integrazione dei sistemi, l'involucro non può essere descritto come una semplice scatola. È il cuscinetto iniziale contro qualsiasi danno alle parti vitali, un gel ben congegnato per garantire che l'elettronica sensibile al suo interno sia al sicuro da tutte le cose brutte che le accadono nel mondo. Un progetto di involucro elettrico mal fatto può essere insicuro, inaffidabile e di breve durata, sia che si tratti di una semplice scatola di giunzione che di un pannello di controllo industriale altamente sofisticato. Se lo fate bene, il vostro sistema potrà funzionare senza problemi nel corso degli anni. Se lo fate male, potreste avere un guasto catastrofico, subire costosi tempi di inattività e persino correre seri rischi per la sicurezza.

Questa guida alla progettazione di involucri elettronici intende accompagnarvi in ogni fase del processo di progettazione di un involucro elettrico. Passeremo, per così dire, alla fase successiva, cioè alla formulazione delle esigenze e dei requisiti delle applicazioni, e infine ci addentreremo in alcune riflessioni di fine linea sulla produzione. Sia che siate ingegneri esperti che hanno bisogno di rispolverare le basi fondamentali, sia che siate project manager con poca o nessuna esperienza nel settore, questa guida vi fornirà le strategie chiare e pratiche di cui avete bisogno per rendere il vostro concetto una realtà di successo e funzionante nel mondo reale.

Definizione della Fondazione - Scopo, ambito e requisiti

Prima ancora di realizzare qualsiasi linea in CAD, si esegue l'operazione più importante, che consiste nel determinare il cosa, il dove e il perché del vostro involucro. Questa fase iniziale consente di evitare una riprogettazione costosa e dispendiosa in termini di tempo in futuro. Tutte le decisioni successive, come ad esempio il materiale da utilizzare o il controllo del calore, saranno predeterminate da un quadro chiaro del tipo di involucro, dell'uso proposto e delle condizioni operative.

Porre le seguenti domande:

• Qual è il suo ruolo principale? Servirà come controllore logico programmabile (PLC) di una fabbrica, come unità di distribuzione dell'alimentazione di un centro dati o come gruppo di terminali di un'illuminazione esterna? Il contenitore conterrà gli elementi che protegge, le loro dimensioni minime e la loro configurazione interna, predeterminando così e influenzando in ultima analisi la strategia di progettazione del contenitore per elettronica.
• In quale posizione sarà collocato? La testa dell'ambiente gioca un ruolo importante. Un edificio climatizzato in un ambiente d'ufficio ha esigenze molto diverse rispetto a una copertura attaccata alla costa, dove sarà esposta alla nebbia salina, o a una fabbrica, dove le condizioni sono caratterizzate da temperature elevate e sostanze chimiche altamente corrosive. Questi fattori hanno un'influenza diretta sul tipo di involucro appropriato da trattare.
• Chi lavorerà con essa e su quali basi? Verrà riposto in modo permanente una volta chiuso, o i tecnici dovranno effettuare una manutenzione regolare? Ha bisogno di ritagli HMI / finestre di visualizzazione / interruttori esterni? L'interazione con l'utente determinerà aspetti quali il tipo di cerniere utilizzate sulle porte, il sistema di chiusura e la natura etichettata.

Il processo di risposta a queste domande aiuta a produrre un documento di User Requirement Specification (URS). Il documento serve ora come progetto; così, quando si ottiene il risultato finale, non solo funziona bene, ma si adatta perfettamente al lavoro previsto.

Fonte: Chris Guyatt Chris Guyatt

Scelta del materiale - Bilanciare durata, peso e costi

Il materiale della copertura è la sua armatura, realizzata con una varietà di materiali. La scelta influisce direttamente sulle capacità di protezione, sulla durata, sul peso e, naturalmente, sul budget. Le due categorie principali sono i metalli e i non metalli (polimeri), ciascuno con vantaggi distinti.

Metalli: Acciaio, acciaio inox e alluminio

Tradizionalmente si utilizzano i metalli, che sono molto resistenti e rigidi.

• Acciaio al carbonio: Si tratta del materiale più resistente nel settore delle coperture. È un materiale durevole, facilmente fabbricabile e molto conveniente; per questo è ampiamente utilizzato nella costruzione di edifici generici all'interno di una casa. Il suo principale punto debole è la facile formazione di ruggine, che di solito viene coperta da una resistente verniciatura a polvere.
• Acciaio inossidabile: L'acciaio inossidabile è la soluzione quando è necessaria la resistenza alla corrosione. Le due forme più diffuse sono il 304 e il 316. Il tipo 304 è molto utilizzato nella lavorazione degli alimenti e nelle applicazioni di lavaggio. Quando l'applicazione (o l'esposizione al sale, come i cloruri) è pesante (le applicazioni marine fanno spesso uso del tipo 316, a volte indicato come grado marino), la maggiore resistenza alla corrosione del tipo 316 è un nobile punto di investimento.
• Alluminio: Le custodie in alluminio hanno un ottimo rapporto resistenza-peso, cioè circa un terzo della massa dell'acciaio. Questo li qualifica perfettamente in quelle applicazioni che devono tenere conto del peso, come quelle su palo o anche le apparecchiature portatili. Le custodie in alluminio sono inoltre naturalmente resistenti alla corrosione e possono quindi adattarsi a un'ampia gamma di ambienti ostili o atipici o di applicazioni mobili.

Non metalli: Policarbonato e fibra di vetro

I materiali polimerici presentano vantaggi specifici, soprattutto in caso di agenti corrosivi o wireless. Nei casi in cui le condizioni ambientali rappresentano un problema (ad esempio, il potenziale contatto con sostanze chimiche o l'umidità), le custodie non metalliche sono spesso in grado di affrontare meglio la sfida della progettazione delle custodie per elettronica.

• Policarbonato: È altamente resistente agli urti (IK10 nella maggior parte dei casi), leggero e facile da modificare. È un ottimo isolante ed è trasparente alle radiofrequenze, il che lo rende ideale come involucro per le apparecchiature dotate di antenne Wi-Fi o cellulari. Nella progettazione compatta di involucri elettronici o di altri dispositivi elettronici orientati alle comunicazioni, il policarbonato può essere una delle opzioni di galvanizzazione più efficienti.
• Fibra di vetro (FRP): L'elevata resistenza chimica e la fantastica resistenza alla corrosione rendono il poliestere rinforzato con fibra di vetro resistente alla corrosione persino all'acciaio inossidabile in alcune applicazioni acide. È forte, leggero e in grado di resistere a condizioni ambientali molto diverse; pertanto, è un materiale durevole da utilizzare negli impianti di trattamento delle acque reflue, negli impianti chimici e negli stabilimenti all'aperto.

Dimensionamento e layout - Pianificazione delle custodie

Un involucro "sufficientemente grande" è in realtà troppo piccolo. Un dimensionamento e una pianificazione efficaci del posizionamento sono necessari per facilitare l'installazione, garantire l'equilibrio termico del sistema e renderlo a prova di futuro.

Determinazione dello spazio interno dei componenti

Per prima cosa, iniziate a disegnare tutti i vostri componenti principali, PLC, alimentatori, contattori, morsettiere, nel vostro software CAD. Ma non fermatevi qui. Lo spazio vuoto è altrettanto importante. Procedete come segue:

• Liquidazione nei componenti: Tutti i componenti che producono calore devono avere un ampio spazio per consentire il libero movimento dell'aria. Schede tecniche: Consultate le schede tecniche del produttore e verificate quali sono le raccomandazioni relative alle distanze.
• Condotto di cablaggio e gestione dei cavi: Designare i canali di cablaggio. Quando l'armadio è ben gestito, è più facile risolvere i problemi e più sicuro da utilizzare. Il flusso d'aria può essere limitato da cavi congestionati, che producono punti caldi.
• Raggio di curvatura: I cavi non devono presentare curve a 90 gradi. Tenere conto del raggio di curvatura di tutti i cavi di alimentazione e dati per evitare danni e perdite di segnale.

Una regola empirica è quella di calcolare l'ingombro totale dei componenti, quindi aggiungere un buffer di 20-25% per consentire il cablaggio e il flusso d'aria.

Possibilità di espansioni e modifiche future

Le esigenze di oggi potrebbero non essere quelle di domani. Un design intelligente prevede i cambiamenti del futuro.

• Spazio aggiuntivo per guida DIN: Se si dispone di guide DIN, riservare una capacità di guida DIN di almeno il 25%. L'installazione futura di un nuovo modulo o relè sarà un esercizio banale, piuttosto che un ricablaggio completo.
• Pannelli posteriori modulari: La creazione di un sottopannello o di un pannello posteriore facilmente rimovibile consente di assemblare e testare il complesso gruppo su un banco, quindi di inserirlo nella custodia, semplificando notevolmente l'installazione e la manutenzione.
• Piastre di chiusura/giunzione di ricambio: Nel caso in cui si desideri installare altri cavi in futuro, si può pensare di utilizzare una piastra passacavi rimovibile piuttosto che praticare fori separati. In questo modo si ottiene la massima libertà di modifica degli I/O in futuro.

Soddisfare gli standard - Navigare tra le classificazioni NEMA e IP

Esistono standard che mirano a sviluppare un linguaggio comune di sicurezza e protezione. Per quanto riguarda le custodie elettriche, i due tipi di standard più comuni sono le classificazioni NEMA e le classificazioni IP. Essi definiscono la capacità di un involucro di impedire l'ingresso di corpi solidi (come la polvere) e liquidi (come l'acqua) nel materiale contenuto.

Comprendere i rating IP

IP è uno standard internazionale (IEC 60529) del sistema di classificazione Ingress Protection. Si compone di due caratteri:

• Prima cifra (solidi): Grado di protezione da parti del corpo di grandi dimensioni (1) a polveri sottili (6). Il grado di protezione IP6X significa che l'impugnatura è totalmente a prova di polvere.
• Seconda cifra (liquidi): Le classificazioni proteggono dai liquidi, compresi i getti d'acqua (1), l'immersione breve o permanente (7 e 8). Un IPX5 significa che è sicuro in presenza di getti d'acqua, mentre IPX7 significa che può essere immerso in un metro d'acqua per 30 minuti.

A titolo di esempio, un involucro con classificazione IP68 è totalmente impermeabile alla polvere e resistente ai soggetti in immersione prolungata, una delle classificazioni più importanti.

Navigazione negli standard NEMA (Associazione nazionale dei produttori elettrici)

Il sistema di classificazione NEMA è diffuso soprattutto in Nord America. Sebbene le classificazioni IP siano in parte sovrapponibili, gli standard NEMA impongono requisiti aggiuntivi su aspetti quali la resistenza alla corrosione e le pratiche edilizie. Non è possibile sostituire direttamente l'uno con l'altro.

Alcuni tipi tipici di NEMA sono i seguenti:

• NEMA 1: per applicazioni generiche in ambienti interni, proteggendo dal contatto accidentale e dalla caduta di sporcizia.
• NEMA 12: In ambienti interni, protegge da polvere, sporco e gocce di liquidi non corrosivi. Tipico del controllo di macchinari industriali.
• NEMA 4: Il telaio può essere utilizzato come involucro a tenuta stagna contro l'acqua, la neve e l'acqua diretta da un tubo.
• NEMA 4X: Tutta la protezione del NEMA 4, con l'aggiunta di una grande resistenza alla corrosione. È lo standard preferito negli ambienti di lavorazione alimentare, marini e chimici.

L'elemento critico, spesso trascurato: la gestione termica

Avete realizzato un involucro robusto, perfettamente dimensionato e conforme alle norme. Tuttavia, rendendola ermetica per evitare che venga spolverata e annaffiata, l'avete anche trasformata in un forno. Tutti gli elementi al suo interno producono calore e, in assenza di un mezzo di trasferimento del calore, la temperatura può aumentare fino a raggiungere livelli elevati che portano al guasto dei componenti, all'arresto improvviso del sistema e a una radicale riduzione della durata complessiva dell'apparecchiatura. Gestione termica non deve essere un accessorio, ma una parte centrale del progetto.

Soluzioni efficaci di raffreddamento e ventilazione

Nelle applicazioni a bassa potenza, il raffreddamento passivo (convezione naturale e irraggiamento) può essere sufficiente. Tuttavia, quando la densità di potenza è elevata, raffreddamento attivo è d'obbligo. A tal fine si può utilizzare un dispositivo che provoca il movimento dell'aria o il pompaggio attivo del calore fuori dall'involucro. Il più diffuso è un sistema ad aria forzata con ventole di raffreddamento dell'involucro.

Grazie a un'adeguata progettazione dei ventilatori, è facile ottenere un flusso d'aria prevedibile, con l'aria fredda e filtrata che entra nell'involucro dalla parte inferiore e l'aria calda che esce dalla parte superiore. In questo modo si garantisce che l'aria ambiente venga utilizzata per spostare continuamente l'aria calda interna, assicurando che l'aria calda sia sempre presente. i componenti stessi non si surriscaldano.

Scelta della giusta soluzione di raffreddamento con ACDCFAN

L'efficacia del sistema di gestione termica dipende interamente dalla qualità e dall'idoneità della ventola di raffreddamento scelta. È qui che la collaborazione con uno specialista può fare la differenza.

Come produttore dedicato con oltre 20 anni di esperienza, ACDCFAN sa che una ventola in un involucro industriale non è solo un altro componente, ma una risorsa critica per l'affidabilità. Forniamo ventilatori assiali e radiali CA, CC e CE progettati per risolvere le sfide specifiche del raffreddamento degli ambienti.

Quale valore apporta al vostro progetto?

• Affidabilità e durata ineguagliabili: L'obiettivo di un involucro è la protezione a lungo termine. La ventola di raffreddamento deve essere all'altezza di questa longevità. Le nostre ventole di raffreddamento per quadri elettrici sono progettate per una vita utile di 70.000 ore anche a una temperatura di esercizio di 40℃. Per le applicazioni ad alto calore, i nostri ventilatori assiali CA interamente in metallo funzionano in modo affidabile a temperature fino a 150°Cgarantendo che il sistema rimanga fresco quando la pressione è alta. Si tratta di un aspetto cruciale per le applicazioni in ambienti ad alta quota, dove le nostre ventole di filtraggio vantano un MTBF (Mean Time Between Failures) di oltre 3 anni, superando di gran lunga la media del settore.
• Prestazioni sotto pressione: Costruiamo le nostre ventole per la stabilità. Il telaio è realizzato con materiale di alluminio di alto livello, arricchito con rame, per garantire la massima stabilità. 30% prestazioni della ventola più stabili e resistenza alle vibrazioni rispetto alle offerte standard. Questa struttura robusta garantisce un flusso d'aria costante anche in ambienti industriali difficili.
• Certificato e protetto a livello globale: Il vostro progetto deve essere conforme agli standard internazionali, così come i suoi componenti. I prodotti ACDCFAN sono riconosciuti a livello internazionale Certificazioni CE, UL, RoHS e EMC. Inoltre, per gli ambienti più esigenti, offriamo soluzioni con Livelli di protezione IP fino a IP68garantendo una tenuta totale contro la polvere e l'acqua.
• Partnership tecnica esperta: Non siete sicuri della quantità di flusso d'aria (CFM) di cui avete bisogno? È una domanda comune e critica. Il nostro team di esperti può aiutarvi. In base alle dimensioni dell'involucro, alla dissipazione di potenza interna (carico termico) e alla temperatura ambiente, possiamo eseguire calcoli termici per consigliare il modello di ventilatore e la strategia di installazione più adatti.. In questo modo si eliminano le congetture e si garantisce l'efficacia del sistema di gestione termica fin dal primo giorno.

Scegliere ACDCFAN significa non limitarsi ad acquistare raffreddatori per armadi, ma integrare una soluzione di raffreddamento professionale, altamente affidabile e supportata da decenni di esperienza.

Progettazione per la produzione (DFM) - Preparazione alla produzione

Un progetto che funziona benissimo sullo schermo ma che non può essere costruito, o che ha molti costi inferiori al progetto, è considerato un fallimento. Il Design for Manufacturing (DFM) prevede l'adozione di misure proattive online per progettare il prodotto in modo che sia facile da produrre.

Tenere conto delle seguenti linee guida DFM per la progettazione degli involucri:

• Semplificare il design: Due componenti possono farne uno? È possibile utilizzare viti e fori di dimensioni comuni? Il risparmio di tempo e denaro si ottiene riducendo la complessità.
• Dettagli in lamiera: Se si utilizza la lamiera, è necessario prestare attenzione al disegno, per non ignorare il carattere del materiale. Rastremare le curve del progetto in modo che siano almeno pari allo spessore del materiale per evitare crepe. Collocate i fori di posizionamento a una distanza di sicurezza dalle curve e dai bordi.
• Standardizzare i componenti: Ove possibile, utilizzare elementi di fissaggio, cerniere e chiusure standard. Anche i pezzi personalizzati sono costosi e i tempi di consegna sono molto lunghi.
• Piano di cablaggio: Come può un tecnico collegare le parti? L'accesso fisico e visivo è sufficiente? L'applicazione del processo di assemblaggio in fase di progettazione aiuterà a evitare grossi problemi in fabbrica.

Conclusione

La creazione di un quadro elettrico è un'avventura fatta di scelte prudenti e precauzioni ragionevoli. Si tratta di un approccio progettuale strutturato, che parte da una comprensione completa delle esigenze e degli intenti dell'applicazione per arrivare a un prodotto sicuro, affidabile e assemblabile.

Questa guida illustra la creazione di un involucro, delineando un approccio passo dopo passo che va oltre la semplice creazione di un involucro: vi aiuterà a creare un involucro, sapendo tutto ciò che dovete sapere per assicurarvi che l'involucro funzioni sia dal punto di vista tecnico che commerciale. State creando le basi del successo del vostro sistema. State creando uno spazio ristretto in cui i vostri componenti importanti non solo sono collocati, ma sono custoditi, conservati e pronti per essere consegnati durante tutto il loro periodo di lavoro. Questo è lo schema di un progetto di successo.