Um guia para tipos de armários eléctricos e controlo térmico

Uma das decisões mais importantes que pode tomar em qualquer projeto que lide com componentes electrónicos sensíveis é a seleção do tipo de caixa. É a defesa de primeira linha dos seus componentes, a armadura que os mantém fora da vista do mundo exterior. Independentemente do fim a que se destina, interior ou exterior, um invólucro realmente eficaz plano do recinto implica mais do que simplesmente fechar uma parede; significa desenvolver um microclima estável no qual o seu equipamento não só sobreviverá como também prosperará.

O guia irá levá-lo numa visita aos principais pilares da seleção de armários: aprender sobre as classificações de proteção, como a NEMA, selecionar o material mais adequado ao seu ambiente e determinar o fator de forma física apropriado. Mais importante ainda, poderemos ver a luta invisível que surge depois de um armário ter sido fechado: o calor interno. Discutiremos a razão pela qual o controlo térmico não é um fator secundário, mas sim um componente importante e integrado do desempenho e da fiabilidade a longo prazo do seu sistema.

Compreender os graus de proteção: Explicação dos tipos de invólucros NEMA

Na América do Norte, o sistema de classificação NEMA (National Electrical Manufacturers Association) é a norma mais comum utilizada para classificar os armários eléctricos. Estas classificações estabelecem os tipos de ambientes em que um armário elétrico pode ser utilizado e determinam a sua capacidade de resistir a sólidos, água, óleo e líquidos de refrigeração.

Classificações NEMA comuns para interiores (Tipo 1, 12, 13)

Em situações em que os ambientes não requerem as condições climatéricas extremas encontradas no exterior, uma determinada gama de classificações NEMA fornece o tipo certo de proteção.

• NEMA Tipo 1: O tipo mais simples de classificação. Oferece um grau de proteção ao pessoal contra a exposição a partes perigosas e protege o equipamento dentro do invólucro contra a intrusão de objectos sólidos estranhos, por exemplo, queda de sujidade. São utilizados em aplicações interiores de uso geral que não têm quaisquer condições de serviço especiais.
• NEMA Tipo 12: Uma grande melhoria, os armários do Tipo 12 foram concebidos para serem utilizados em aplicações industriais interiores. Protegem o pó flutuante, a sujidade que cai e os líquidos não corrosivos que pingam. Não têm aberturas incorporadas e, em muitos casos, têm portas com juntas para proporcionar um ajuste apertado, pelo que são adequados para um chão de fábrica onde as partículas transportadas pelo ar podem ser um problema.
• NEMA Tipo 13: Com base no Tipo 12, o NEMA Tipo 13 também foi criado para combater a pulverização e os salpicos de óleo e líquido de refrigeração não corrosivo. É por isso que é a opção preferida em aplicações onde existem lubrificantes e fluidos de maquinaria.

Classificações NEMA comuns para ambientes externos e agressivos (Tipo 3R, 4, 4X)

É necessária uma classificação mais pesada quando um armário tem de resistir aos elementos ou a produtos químicos industriais agressivos.

• NEMA Tipo 3R: Trata-se de um tipo de invólucro normalmente utilizado em aplicações de cablagem exterior e caixas de derivação. O invólucro do tipo 3R foi concebido para resistir à queda de chuva, granizo, neve e formação de gelo exterior. Não é hermético, mas oferece a proteção necessária para o equipamento exterior.
• NEMA Tipo 4: Esta especificação significa um invólucro à prova de água. É testado para resistir a salpicos de água e mesmo a uma lavagem com mangueira. Isto permite a sua utilização em formas de lavagem no exterior ou no interior, onde é efectuada muita limpeza do equipamento. Também oferece uma proteção perfeita contra poeira e sujidade.
• NEMA Tipo 4X: O "X" em 4X significa resistência à corrosão. Trata-se de um armário que oferece todas as vantagens do NEMA Tipo 4 (estanque à água e ao pó), com a vantagem adicional da proteção contra a corrosão. É normalmente feito de aço inoxidável ou fibra de vidro e é um componente essencial em instalações de processamento de alimentos, tratamento de águas residuais e no mar.

Comparação das classificações NEMA com as normas IP e UL

Embora a NEMA domine nos EUA, a norma internacional é o sistema de classificação IP (Ingress Protection). Os sistemas atribuem às classificações IP dois dígitos, o primeiro para mostrar a proteção contra sólidos (pó) e o segundo para mostrar a proteção contra líquidos (água). Os invólucros também são normalizados e certificados pela UL (Underwriters Laboratories) e seguem frequentemente uma abordagem de classificação NEMA semelhante, mas com um programa mais intensivo de testes e certificação por terceiros.

O quadro seguinte deve ajudá-lo a ver como estas normas estão mais ou menos relacionadas:

Nota: Esta tabela serve de orientação geral. Embora exista uma sobreposição significativa, as normas NEMA e IP não são diretamente equivalentes devido aos diferentes métodos de ensaio.

Como o material do armário afecta a durabilidade e a dissipação de calor

O material do armário determina o peso do armário, o custo, a resistência à corrosão e, mais importante ainda, a capacidade do armário para suportar o calor em várias condições ambientais.

Metais: Aço carbono, aço inoxidável e alumínio

• Aço carbono: A escolha mais popular e económica de invólucro para interiores (como NEMA 1 e 12). É resistente e duro, mas pode ser facilmente danificado pela ferrugem e necessita de um revestimento protetor em pó no final. O aço é um bom condutor térmico, pelo que é possível alguma dissipação passiva da superfície do armário. Combina bem com uma vasta gama de materiais em interiores.
• Aço inoxidável (304, 316): As aplicações NEMA 4X são fabricadas com aço inoxidável, que é um material muito resistente à corrosão e aos produtos químicos. O padrão é o Tipo 304, e o Tipo 316 resiste melhor aos cloretos (água salgada, sais de degelo). Não é tão condutor térmico como o aço-carbono ou o alumínio, ou seja, retém melhor o calor, e este facto deve ser tido em conta na gestão térmica quando se opera em condições ambientais adversas.
• Alumínio: O alumínio é um material mais leve do que o aço e é naturalmente resistente à corrosão, pelo que pode ser utilizado em muitas aplicações. Tem também uma elevada condutividade térmica, sendo a melhor escolha metálica para arrefecer passivamente os componentes internos. Pode ser utilizado em muitos materiais e ambientes diferentes devido à sua versatilidade

Não-metais: Policarbonato e fibra de vidro

• Policarbonato: O policarbonato é um termoplástico resistente que é leve, resistente ao impacto e oferece boa resistência à corrosão. Também é transparente ao rádio, pelo que pode alojar o equipamento sem fios. Mas é um material termorresistente, pelo que não dissipa o calor de todo e, em algumas circunstâncias ambientais, pode reter o calor de forma bastante eficaz.
• Fibra de vidro (poliéster reforçado com fibra): A fibra de vidro é resistente à química e à corrosão em certos casos, mais ainda do que o aço inoxidável. É potente, não tem peso e resiste a temperaturas extremas. É também um isolante térmico, como o policarbonato, e arrefecimento ativo é, por conseguinte, uma quase certeza para todos os componentes geradores de calor que se encontrem no seu interior e, em particular, em condições ambientais adversas.

Tipos comuns de invólucros eléctricos por fator de forma

Para além das classificações e dos materiais, a forma física e o método de montagem determinam o modo como o armário será inserido no seu projeto. Os mais populares são:

• Caixas para montagem na parede: O invólucro mais comum, utilizado em painéis de controlo e caixas de junção, e fixado a paredes ou máquinas.
• Armários de instalação livre / montagem no solo: Grandes armários autónomos, que podem ser utilizados para alojar um grande sistema de controlo, unidades de distribuição de energia ou várias peças.
• Caixas de derivação: Caixas mais pequenas que são utilizadas para proteger especificamente as ligações e uniões de cabos.
• Invólucros de interface do operador / HMI: Estas podem ter recortes, frentes articuladas ou janelas transparentes para encaixar ecrãs, botões e interruptores que permitam a interação homem-máquina.
• Armários de montagem em poste: Estes têm um hardware especial utilizado para os fixar aos postes e são utilizados em sistemas de telecomunicações e de controlo de tráfego.

O desafio invisível: Porque é que o controlo térmico no interior do seu armário é importante

Para garantir a sua VFD não está exposto a um ambiente de lavagem corrosivo, escolheu uma caixa de aço inoxidável NEMA 4X. Fechou a porta e os seus componentes não estão vulneráveis a forças exteriores. E, ao fazê-lo, criou um novo problema: um forno.

Todos os componentes electrónicos, como uma fonte de alimentação, um PLC, um acionamento, etc., produzem calor como subproduto do seu trabalho. Este calor perde-se por convecção natural num ambiente aberto. Mas dentro de um sistema fechado, particularmente um composto por materiais isolantes como fibra de vidro ou aço inoxidável menos condutor, esse calor não tem por onde escapar. A temperatura ambiente no interior aumenta gradualmente. Cada 10 °C (18 °F) acima da temperatura de funcionamento recomendada para um componente pode reduzir a sua vida útil para metade. Isto resulta em avarias inoportunas, tempo de inatividade inútil e desempenho pouco fiável.

Assim, gestão térmica ativa não é um luxo caro: é um requisito relativo à fiabilidade e ao tempo de vida do sistema que tanto se esforçou por defender.

A sua solução: Gestão térmica óptima com ACDCFAN

Este problema térmico tem de ser abordado de forma proactiva, e é aí que nós entramos. Na ACDCFAN, a nossa atividade consiste em desenvolver produtos fortes, sistemas de refrigeração fiáveis que são especificamente concebidos para se adaptarem às condições extremas dos armários eléctricos. Sabemos que um ventilador não é um ventilador; é uma apólice de seguro para as suas peças vitais.

O que é realmente diferente numa solução ACDFN é a nossa ênfase nos valores com que os projectistas e engenheiros de sistemas se preocupam:

• Sustentabilidade: O tempo de inatividade não é uma opção. O design das nossas ventoinhas incorpora a tecnologia de rolamentos de esferas duplos para atingir um MTBF (tempo médio entre falhas) muito superior a 70.000 horas, o que significa que oferecerão um arrefecimento estável e fiável durante toda a vida útil da sua máquina.
• Resistência total ao ambiente: Porquê combinar uma caixa NEMA 4X com um ventilador genérico? Fornecemos tecnologia de encapsulamento IP68 completamente à prova de água para ventiladores. Isto permite que a nossa solução de arrefecimento seja virtualmente tão resistente ao pó e à água como a sua caixa, formando um sistema de defesa total.
• Arrefecimento inteligente e a pedido: O controlo de velocidade inteligente PWM é suportado nas nossas ventoinhas DC e EC topo de gama. Isto permite que a ventoinha seja ligada diretamente aos controlos do seu sistema, proporcionando um grande fluxo de ar quando as cargas são elevadas, e também funciona de forma eficiente e silenciosa quando as cargas são baixas. É o método mais inteligente de lidar com o calor.
• Certificação Peace of Mind: o seu projeto depende da conformidade. Todos os nossos produtos têm materiais compatíveis com RoHS 2.0 e todos têm um conjunto completo de certificações UL, CE e TUV, para além das certificações, tornando as aprovações ao nível do sistema muito mais fáceis e garantindo a aceitação mundial.

Não sabe exatamente de que refrigeração necessita? As necessidades podem ser analisadas pela nossa equipa de engenharia e podemos oferecer uma solução térmica preliminar no prazo de 12 horas.

Uma lista de verificação em 4 passos para selecionar o sistema de fecho perfeito

Em suma, a seguinte lista de controlo simples ajudá-lo-á a selecionar tudo antes e depois.

1. Avaliar o seu ambiente (classificações): Trata-se de uma avaliação do local onde o compartimento vai viver. Será no interior ou no exterior? Estará sujeito a poeira, gotas de água, lavagens de alta pressão ou agentes corrosivos? Esta será a sua classificação NEMA ou IP mais baixa.
2. Avaliar os requisitos físicos e químicos (material): Identifique o seu material em função do ambiente. Necessita de uma resistência máxima à corrosão (aço inoxidável, fibra de vidro)? Depende do peso (alumínio, policarbonato)? Pretende utilizar um arrefecimento passivo (alumínio)?
3. Identificar os requisitos de espaço e acesso (fator de forma): Que equipamento tem de caber no interior e como o vai colocar? Escolha um formato: montagem na parede, independente, etc., que permita espaço suficiente para acomodar os componentes e a cablagem sem invadir a área onde o fluxo de ar pode ser mantido.
4. Planear a climatização interna (gestão térmica): Determine a quantidade total de calor que os seus componentes internos dissipam (em watts). Dependendo do tamanho, do material e da temperatura ambiente fora do seu armário, decida se pode ou não ser utilizada refrigeração passiva. Caso contrário, considere um dispositivo de arrefecimento ativo, como uma ventoinha de alta fiabilidade ou uma unidade de ventoinha/filtro, para controlar proactivamente a temperatura interna e garantir a saúde do sistema a longo prazo.

Conclusão

A escolha do invólucro elétrico é uma das acções básicas que conduzem ao estabelecimento de um sistema estável. É um malabarismo prudente entre a natureza, a ciência dos materiais e a integração física. Conhecendo os termos das classificações NEMA e IP, bem como as diferenças nas propriedades dos vários materiais, pode selecionar um armário que ofereça a proteção externa ideal para os seus componentes, quer sejam utilizados no interior ou no exterior.

No entanto, tenha em mente que a verdadeira segurança é uma abordagem omnidirecional. Nenhuma armadura pode ser mais forte sem uma estratégia para ajudar a controlar a ameaça interna do calor. Pode ter a certeza de que os seus componentes não estão apenas seguros contra o mundo exterior, mas também contra eles próprios, incorporando uma solução de gestão térmica inteligente e respeitável no seu produto logo desde o início. O princípio do holismo é o segredo para a criação de sistemas que não só são fortes, como também actuarão de forma óptima nos próximos anos.