Um passo a passo do design de armários eléctricos

Introdução

No âmbito da engenharia eléctrica e da integração de sistemas, a caixa dificilmente pode ser descrita como uma mera caixa. É o amortecedor inicial contra quaisquer danos nas suas partes vitais, um gel bem pensado para garantir que os componentes electrónicos sensíveis nele contidos estão seguros contra todas as coisas feias que lhes acontecem no mundo. Uma conceção mal feita de um armário elétrico pode ser insegura, pouco fiável e de curta duração, quer se trate de uma simples caixa de junção ou de um painel de controlo industrial altamente sofisticado. Se o fizer bem, o seu sistema pode funcionar sem problemas ao longo dos anos. Se o fizer mal, pode falhar de forma catastrófica, passar por períodos de inatividade dispendiosos e até correr sérios riscos de segurança.

Estas diretrizes de conceção de armários electrónicos destinam-se a guiá-lo através de cada passo do processo de conceção de armários eléctricos. Passaremos, por assim dizer, à fase seguinte, que é a formulação das necessidades e dos requisitos das aplicações e, por fim, entraremos numa reflexão final sobre o fabrico. A razão pela qual digo isto é que, quer seja um engenheiro altamente experiente com necessidade de aperfeiçoar as bases fundamentais ou um gestor de projectos com pouca ou nenhuma experiência no terreno, este guia dar-lhe-á as estratégias claras e práticas de que necessita para tornar o seu conceito uma realidade bem sucedida e funcional no mundo real.

Definição da Fundação - Objetivo, âmbito e requisitos

Antes mesmo de fazer quaisquer linhas em CAD, é efectuada a tarefa mais importante, que consiste em determinar o quê, onde e porquê do seu recinto. A fase inicial ajuda a evitar um redesenho dispendioso e demorado no futuro. Quaisquer outras decisões, tais como o material a utilizar e a forma de controlar o calor, serão pré-determinadas por uma imagem clara do tipo de armário, da sua utilização proposta e das condições de funcionamento.

Colocar as seguintes questões:

• Qual é o seu papel principal? Será o controlador lógico programável (PLC) de uma fábrica, uma unidade de distribuição de energia de um centro de dados ou um conjunto de terminais de uma luz exterior? O armário conterá os elementos que protege, bem como a sua dimensão mínima e configuração interna, predeterminando e afectando, em última análise, a sua estratégia de conceção de armários electrónicos.
• Em que local será colocado? O tipo de ambiente desempenha um papel importante. Um edifício climatizado num ambiente de escritório tem necessidades bastante diferentes das de um armário ligado à costa, onde estará exposto à maresia, ou de uma fábrica, onde as condições se caracterizam por temperaturas elevadas e produtos químicos altamente corrosivos. Estes factores têm uma influência direta no tipo de armário adequado a utilizar.
• Quem é que vai trabalhar com ela e em que base? Será guardado permanentemente quando fechado, ou os técnicos precisam de efetuar uma manutenção regular do mesmo? Necessita de recortes HMI / janelas de visualização / interruptores externos? Devido à interação com o utilizador, determinará coisas como o tipo de dobradiças utilizadas nas portas, o sistema de fecho e a natureza rotulada da mesma.

O processo de resposta a estas perguntas ajuda a produzir um documento de Especificação dos Requisitos do Utilizador (URS). O documento serve agora de modelo; assim, quando obtiver o resultado final, este não só funcionará bem, como também se enquadrará perfeitamente no trabalho esperado.

Fonte: Chris Guyatt

Seleção de materiais - Equilíbrio entre durabilidade, peso e custo

O material do seu armário é a sua armadura, feita de uma variedade de materiais. A sua escolha terá um impacto direto nas suas capacidades de proteção, vida útil, peso e, claro, orçamento. As duas categorias principais são os metais e os não-metais (polímeros), cada um com vantagens distintas.

Metais: Aço, aço inoxidável e alumínio

Tradicionalmente, são utilizados metais, que são muito fortes e rígidos.

• Aço carbono: É o material mais resistente do sector das cercas. É um material durável, de fácil fabrico e muito económico; por isso, é muito utilizado na construção de um edifício de uso geral no interior dos edifícios de uma casa. O seu principal ponto fraco é o facto de ser facilmente afetado pela ferrugem, o que é normalmente coberto por um acabamento de revestimento em pó durável.
• Aço inoxidável: O aço inoxidável é a solução quando é necessária resistência à corrosão. Os dois tipos de aço mais populares são o 304 e o 316. O tipo 304 tem uma grande aplicabilidade no processamento de alimentos e em aplicações de lavagem. Quando a aplicação (ou a exposição ao sal, como no caso dos cloretos) é pesada (as aplicações marítimas utilizam frequentemente o Tipo 316, por vezes referido como grau marítimo), a resistência à corrosão melhorada do Tipo 316 é um ponto de investimento nobre.
• Alumínio: As caixas de alumínio têm uma óptima relação resistência-peso, ou seja, cerca de um terço da massa do aço. Este facto qualifica-os perfeitamente para as aplicações que necessitam de ter em conta o peso, como as de um poste ou mesmo os equipamentos portáteis. Os invólucros feitos de alumínio são também naturalmente resistentes à corrosão e podem, assim, adaptar-se a uma vasta gama de ambientes hostis ou atípicos ou a aplicações móveis.

Não-metais: Policarbonato e fibra de vidro

Os materiais poliméricos têm vantagens específicas, especialmente quando são corrosivos ou quando não têm fios. Nos casos em que as condições ambientais constituem um problema (por exemplo, potencial contacto com produtos químicos ou condições de humidade), os invólucros não metálicos são frequentemente mais capazes de resistir ao desafio da conceção de invólucros para eletrónica.

• Policarbonato: É muito resistente ao impacto (IK10 na maioria dos casos), leve e fácil de alterar. É um ótimo isolante e é transparente às frequências de rádio, o que o torna ideal como invólucro para equipamentos com antenas Wi-Fi ou celulares. Na conceção compacta de invólucros electrónicos ou outros componentes electrónicos orientados para as comunicações, o policarbonato pode ser uma das opções de galvanoplastia mais eficientes.
• Fibra de vidro (FRP): A elevada resistência química e a fantástica resistência à corrosão tornam o poliéster reforçado com fibra de vidro resistente à corrosão, mesmo em relação ao aço inoxidável, em determinadas aplicações ácidas. É forte, leve e capaz de suportar condições ambientais muito diversas; por isso, é um material durável para utilizar em estações de tratamento de águas residuais, fábricas de produtos químicos e estabelecimentos ao ar livre.

Dimensionamento e disposição - Planeamento de armários

Um armário "apenas suficientemente grande" é, de facto, demasiado pequeno. O dimensionamento eficaz e o planeamento da colocação são necessários para facilitar a instalação, garantir o equilíbrio térmico do seu sistema e preparar o seu sistema para o futuro.

Determinação do espaço de componentes internos

Em primeiro lugar, basta começar a desenhar todos os seus principais componentes, PLCs, fontes de alimentação, contactores, blocos de terminais, no seu software CAD. Mas não se fique por aí. O espaço vazio é igualmente importante. Faça o seguinte:

• Apuramento em componentes: Todos os componentes que produzem calor devem ter um espaço amplo para permitir a livre circulação do ar. Folhas de dados: Consulte as fichas de dados do fabricante e veja qual é a recomendação no que respeita às folgas.
• Conduta de cablagem e gestão de cabos: Designar os canais de cablagem. Quando o armário é bem gerido, é mais fácil de resolver problemas e mais seguro de utilizar. O fluxo de ar pode ser limitado por fios congestionados, que produzem pontos quentes.
• Raio de curvatura: Os cabos não terão curvas de 90 graus. Tenha em consideração os requisitos de raio de curvatura de todos os cabos de alimentação e de dados para evitar danos e perda de sinal.

Uma regra geral é calcular a área total dos seus componentes e, em seguida, adicionar um buffer de 20-25% para permitir a cablagem e o fluxo de ar.

Permitir futuras expansões e modificações

As necessidades de hoje podem não ser as necessidades de amanhã. Uma conceção inteligente prevê as mudanças no futuro.

• Espaço adicional para calha DIN: Caso disponha de calhas DIN, reserve uma capacidade de calha DIN de pelo menos 25 por cento. A futura instalação de um novo módulo ou relé será um exercício trivial, em vez de um exercício de cablagem completo.
• Painéis traseiros modulares: A criação de um subpainel ou painel traseiro facilmente amovível permite que o conjunto complexo seja montado e testado numa bancada e depois colocado no armário, simplificando enormemente a instalação e a manutenção.
• Peças de encaixe/prótons de substituição: Caso pretenda instalar mais cabos no futuro, pense em utilizar uma placa de bucim amovível em vez de fazer furos separados. Isto dá-lhe a máxima liberdade em futuras alterações de E/S.

Cumprir as normas - Navegar pelas classificações NEMA e IP

Existem normas que visam desenvolver uma linguagem comum de segurança e proteção. No caso dos armários eléctricos, os dois tipos de normas mais comuns são as classificações NEMA e as classificações IP. Estes descrevem a capacidade de um armário para impedir a entrada de sólidos (como pó) e líquidos (como água) no material contido.

Compreender as classificações IP

IP é uma norma internacional (IEC 60529) do sistema de classificação da proteção de ingresso. Tem dois caracteres:

• Primeiro dígito (sólidos): Índices de proteção contra partes grandes do corpo (1), até poeiras finas (6). Uma classificação de IP6X significa que o punho é totalmente à prova de pó.
• Segundo dígito (líquidos): As classificações protegem contra líquidos, incluindo gotas de água (1), imersão breve ou permanente (7 e 8). Um IPX5 significa que é seguro em jactos de água, enquanto um IPX7 significa que pode ser imerso num metro de água durante 30 minutos.

Por exemplo, um invólucro com classificação IP68 é totalmente estanque ao pó e resistente a objectos em imersão prolongada, o que é uma das classificações mais importantes.

Navegar pelas normas NEMA (Associação Nacional de Fabricantes Eléctricos)

O sistema de classificação NEMA é mais comum na América do Norte. Embora as classificações IP se sobreponham em parte, as normas NEMA impõem requisitos adicionais em partes como a resistência à corrosão e as práticas de construção. Não é possível a substituição direta de uma pela outra.

Alguns tipos típicos de NEMA são os seguintes:

• NEMA 1: aplicações gerais em interiores, protegendo contra o contacto acidental e os riscos de queda de sujidade.
• NEMA 12: No interior, protege contra poeiras, sujidade e gotas de líquidos não corrosivos. Típico do controlo de máquinas industriais.
• NEMA 4: uma caixa fechada adequada para o interior/exterior, a estrutura pode ser utilizada como um invólucro estanque contra a água, a neve e a água dirigida por uma mangueira.
• NEMA 4X: Toda a proteção do NEMA 4, com uma grande resistência à corrosão adicionada. É o padrão de escolha em ambientes de processamento de alimentos, ambientes marinhos e químicos.

O elemento crítico, muitas vezes negligenciado - Gestão térmica

Agora tem um armário robusto, de dimensões perfeitas e em conformidade com as normas. No entanto, ao torná-lo hermético para evitar que seja polvilhado e molhado, também o transformou num forno. Todos os elementos no seu interior são elementos produtores de calor e, quando não existem meios de transferência de calor, a temperatura pode aumentar para níveis elevados que conduzem à falha dos componentes, ao encerramento súbito do sistema e a uma redução radical da vida útil global do equipamento envolvido. Gestão térmica não deve ser um acessório; é uma parte central do design.

Soluções eficazes de arrefecimento e ventilação

Em aplicações de baixa potência, o arrefecimento passivo (convecção natural e radiação) pode ser suficiente. No entanto, quando a densidade de potência é elevada, arrefecimento ativo é indispensável. Isto pode ser feito através da utilização de um dispositivo que provoque o movimento do ar ou o bombeamento ativo do calor para fora do armário. O mais comum é um sistema de ar forçado com ventoinhas de arrefecimento do armário.

Através de uma conceção adequada do ventilador, é fácil criar um padrão de fluxo de ar previsível, com o ar fresco e filtrado a entrar no armário na parte inferior e o ar quente a sair pela parte superior. Isto serve para garantir que o ar ambiente é utilizado para deslocar continuamente o ar quente interno, assegurando que o os próprios componentes não sobreaquecem.

Escolher a solução de arrefecimento correta com o ACDCFAN

A eficácia do seu sistema de gestão térmica depende inteiramente da qualidade e adequação da ventoinha de arrefecimento escolhida. É aqui que a parceria com um especialista pode fazer toda a diferença.

Como fabricante dedicado com mais de 20 anos de experiência, ACDCFAN compreende que um ventilador num armário industrial não é apenas mais um componente - é um ativo de fiabilidade crítica. Fornecemos ventiladores AC, DC e EC axiais e radiais concebidos para resolver os desafios específicos do arrefecimento de armários.

Que valor é que isto traz ao seu projeto?

• Fiabilidade e vida útil inigualáveis: O objetivo de um armário é a proteção a longo prazo. A sua ventoinha de arrefecimento deve corresponder a essa longevidade. As nossas ventoinhas de arrefecimento de armários eléctricos são concebidas para uma vida útil de 70.000 horas mesmo a uma temperatura de trabalho de 40℃. Para aplicações de alto calor, nossos ventiladores axiais CA totalmente metálicos operam de forma confiável em temperaturas até 150°CO nosso ventilador de filtro de armário tem uma capacidade de refrigeração de 1,5 litros, assegurando que o seu sistema se mantém fresco quando a pressão é elevada. Isto é crucial para aplicações em ambientes de elevada altitude, onde as nossas ventoinhas com filtro de armário apresentam um MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 3 anos, excedendo largamente a média da indústria.
• Desempenho sob pressão: Construímos as ventoinhas da nossa caixa para garantir a estabilidade. A estrutura é fabricada com material de alumínio de primeira qualidade reforçado com cobre, resultando em 30% desempenho mais estável do ventilador e resistência à vibração em comparação com as ofertas padrão. Esta construção robusta garante um caudal de ar consistente, mesmo em ambientes industriais exigentes.
• Certificado e protegido a nível mundial: O seu projeto tem de cumprir as normas internacionais, tal como os seus componentes. Os produtos ACDCFAN são reconhecidos internacionalmente Certificações CE, UL, RoHS e EMC. Além disso, para os ambientes mais exigentes, oferecemos soluções com Níveis de proteção IP até IP68garantindo a sua total vedação contra o pó e a água.
• Parceria técnica especializada: Não tem a certeza de qual o caudal de ar (CFM) de que necessita? Esta é uma questão comum e crítica. A nossa equipa de especialistas pode ajudar. Com base nas dimensões do seu armário, na dissipação de energia interna (carga térmica) e na temperatura ambiente, podemos efetuar cálculos térmicos para recomendar o modelo exato de ventilador e a estratégia de instalação. Isto elimina o trabalho de adivinhação e assegura que o seu sistema de gestão térmica é eficaz desde o primeiro dia.

Escolher a ACDCFAN significa que não está apenas a comprar arrefecedores de caixas; está a integrar uma solução de arrefecimento altamente fiável e concebida profissionalmente, apoiada por décadas de experiência.

Conceção para fabrico (DFM) - Preparação para a produção

Um projeto que funciona muito bem no ecrã, mas que não pode ser construído, ou que tem muitos custos que o prejudicam, é considerado um fracasso. A conceção para fabrico (DFM) implica a tomada de medidas proactivas em linha para conceber o seu produto de modo a que seja fácil de fabricar.

Ter em conta as seguintes diretrizes DFM relativas à conceção de armários:

• Simplificar o design: Dois componentes podem formar um? Será possível utilizar tamanhos de orifícios e parafusos comuns? Poupa-se tempo e dinheiro através da redução da complexidade.
• Detalhes de chapa metálica: Se for utilizada chapa metálica, tenha cuidado com o seu desenho, para não ignorar o carácter do material. Faça o raio das curvas do desenho de modo a que sejam, pelo menos, iguais à espessura do material para evitar fissuras. Coloque os orifícios de colocação a uma distância segura das curvas e dos bordos.
• Normalizar componentes: Sempre que possível, utilize fixadores, dobradiças e fechos normalizados. As peças personalizadas também são dispendiosas e os prazos de entrega são muito longos.
• Plano de cablagem: Como é que um técnico pode ligar as peças? O acesso físico e visual é suficiente? A aplicação do processo de pensamento de montagem na fase de conceção ajudará a evitar grandes dores de cabeça no chão de fábrica.

Conclusão

Criar um armário elétrico é uma aventura sobre escolhas cautelosas e precauções sensatas. É uma abordagem de conceção estruturada, que começa com uma compreensão abrangente das necessidades e intenções da aplicação e prossegue para um produto seguro, fiável e montável.

Este guia percorre a criação de um recinto, delineando uma abordagem passo a passo para mais do que simplesmente criar um recinto: ajudá-lo-á a criar um recinto, sabendo tudo o que precisa de saber para garantir que o recinto funciona tanto a nível técnico como empresarial. Está a estabelecer a base para o sucesso do seu sistema. Está a criar um espaço restrito onde as suas peças importantes não só são colocadas, como também são guardadas, mantidas e estão prontas a funcionar durante todo o período de trabalho. Este é o modelo de um design de sucesso.