O risco de fusão do #1 na conceção de armários eléctricos

Introdução

Todos os armários eléctricos são maravilhas de uma complexidade ordenada. Quer sejam as arestas vivas do esquema ou as linhas limpas das condutas de fios, um projeto bem feito é uma demonstração da capacidade do engenheiro e da sua visão. Escolhe-se cuidadosamente cada elemento do painel de controlo, calculam-se todas as cargas e certifica-se de que todas as ligações são seguras. Ainda assim, apesar da implementação impecável destes fundamentos, pode haver uma ameaça silenciosa que se esconde no fundo - um risco que não existe numa lista de materiais ou num diagrama de cablagem, mas que pode destruir todo o seu sistema.

Esta ameaça é um ataque gradual, insidioso e invisível ao desempenho dos sistemas eléctricos até estes falharem completamente.

Neste artigo, encontrará um guia detalhado sobre como garantir que os seus projectos resistem a este risco. Primeiro, vamos estabelecer uma base sólida, voltando aos fundamentos absolutos de um bom design de armário elétrico. Depois, com este conhecimento, revelaremos o segredo principal que muitos engenheiros não consideram e forneceremos um plano, englobando o conhecimento do nível de especialista, que pode ser posto em prática e executado para o eliminar, de modo a que os seus sistemas sejam não só bem concebidos, mas também mais robustos e fiáveis ao longo da vida útil.

As pedras angulares de um design de armário elétrico sólido

Devemos aprender o básico antes de nos podermos proteger contra a maior ameaça. Todos os armários eléctricos sólidos e funcionais são construídos sobre estes quatro eixos. Estes devem ser feitos corretamente.

O projeto: Dominar o desenho de esquemas eléctricos

O esquema não é apenas um desenho; é a única fonte de verdade sobre todo o seu sistema. Um excelente esquema é brilhante, racional e universal. Isto deve-se à utilização de normas aceites, nomeadamente a IEC (International Electrotechnical Commission) e a NEMA (National Electrical Manufacturers Association). A norma utilizada determina as convenções dos símbolos, os nomes dos componentes e a numeração dos nomes dos fios.

Para além da normalização, um bom esquema é inteligível. A cada um dos componentes deve ser atribuída uma etiqueta única (por exemplo, K1, M1, PS1), a cada fio é atribuído um número único e cada ligação é claramente definida com a origem e o destino. Este registo detalhado é de grande valor tanto para o construtor do painel como para o técnico de campo que está a resolver um problema alguns anos mais tarde. A primeira linha de defesa contra erros e a base de uma manutenção eficaz é um esquema bem documentado, com uma lista de materiais (BOM) correta.

Seleção de componentes: Escolher o cérebro e a força bruta

A resistência de um quadro elétrico é tão boa quanto o seu ponto mais fraco. Esta seleção deve ser um compromisso intencional de desempenho, longo prazo e segurança. Isto é muito mais do que a correspondência entre a tensão e a corrente nominal.

A interface dos componentes tem de ser escolhida com cuidado, para que a comunicação entre os componentes do painel de controlo seja fácil e a funcionalidade seja maximizada. Isto inclui certificar-se de que os diferentes componentes do sistema, que incluem PLCs, relés e HMIs, são compatíveis e funcionam eficazmente como uma equipa.

• Cálculo de carga: Determinar corretamente a amperagem de carga real (FLA) de todos os motores, aquecedores e outros equipamentos. Além disso, não se esqueça de considerar as cargas do circuito de controlo devido a PLCs, HMIs e relés.
• Fator ambiental: O armário estará numa sala com clima controlado ou num chão de fábrica cheio de pó? Os componentes devem ser caracterizados pela sua temperatura e humidade ambiente, bem como pelos possíveis contaminantes que irão encontrar.
• Classificação da corrente de curto-circuito (SCCR): Trata-se de um rácio de segurança muito importante. Todos os elementos do circuito de alimentação devem ter um SCCR de, pelo menos, o mesmo valor da corrente de defeito disponível no local do painel. O SCCR baixo é um risco de segurança grave e uma das armadilhas de inspeção frequentes.
• Certificações: Para utilizar os componentes para fins comerciais e industriais, estes devem ter as certificações necessárias, incluindo UL, CE e RoHS. A chave para a segurança, conformidade e aceitação pelos organismos reguladores é utilizar componentes certificados.

A arte da disposição física e da gestão do espaço

Um esquema racional tem de ser traduzido num esquema físico racional. O objetivo é conceber um painel que seja simples de construir, simples de resolver problemas e seguro de utilizar. Isto é feito através do planeamento:

• Zoneamento funcional: Combinar peças semelhantes. Separe fisicamente os componentes de alimentação de alta tensão (VFDs, contactores) e de controlo de baixa tensão (PLCs, módulos I/O) e a distribuição de energia (disjuntores, blocos de terminais).
• Separação e segregação: Encaminhar os cabos de alimentação de alta tensão separadamente (em regra, de forma independente) em comparação com os cabos de controlo e comunicação de baixa tensão para evitar interferências electromagnéticas (EMI). Manter as condutas de cabos em condutas separadas ou mantê-las separadas.
• Espaço livre e fluxo de ar: Respeitar os requisitos de espaço do fabricante dos componentes individuais. Estes espaços não são vácuos, mas sim espaços necessários para a circulação do ar e para a absorção do calor.
• A regra 20%: Um designer inteligente nunca deixa o planeamento para o futuro. Deixar um mínimo de 20% de espaço livre na parte de trás do painel permite adicionar ou modificar o espaço sem ter de retrabalhar todo o painel.

Distribuição de energia: O batimento cardíaco do seu sistema

O sistema circulatório do seu armário é a rede de distribuição de energia. Uma solução eficiente é segura, estruturada e fácil de utilizar. Comece com um disjuntor primário de entrada ou um interrutor de corte que ofereça um ponto de interrupção. Em seguida, deve ser alimentado de forma lógica para blocos de distribuição e depois para disjuntores de derivação mais pequenos que servem cargas individuais.

Também é importante utilizar blocos de terminais bem identificados ao ligar todas as E/S de campo. Isto proporciona um ponto de demarcação limpo entre a cablagem interna do painel e as ligações externas dos dispositivos, o que torna muito mais fácil instalar, testar e descobrir o que correu mal. A parte mais importante da distribuição de energia é o aterramento adequado; uma barra de aterramento separada, ligada ao painel e ao gabinete, é necessária para fornecer proteção ao pessoal e ao equipamento.

Desmascarando o assassino silencioso: Porque é que o calor é o risco #1

Pode observar todas as melhores práticas de disposição, escolher os componentes mais fortes e até ter um esquema puro, mas mesmo assim o seu sistema pode estar condenado a uma falha prematura. O motivo? Calor descontrolado.

O pior agente destrutivo dos componentes electrónicos e eléctricos é o calor. É um subproduto inevitável da resistência eléctrica que, quando se deixa acumular numa área confinada, provoca uma reação em cadeia catastrófica. Uma lei da termodinâmica que rege a relação entre o tempo de vida dos componentes electrónicos e a temperatura é a chamada equação de Arrhenius. Uma versão demasiado simplificada desta equação é chocante:

A vida operacional de qualquer componente é reduzida para metade por cada 10 °C (18 °F) acima da temperatura nominal de funcionamento do componente.

Considere o impacto sobre os componentes que formam o cérebro do seu sistema:

Este assassino silencioso não produz um estrondo e um clarão. Também é lento, destrói o isolamento, seca os condensadores, altera os parâmetros dos semicondutores e provoca disparos incómodos e falhas inexplicáveis no sistema até que, um dia, uma peça sensível falha completamente. Essa falha é a fusão, e a sua causa começou há meses ou mesmo anos com um projeto que negligenciou a gestão térmica.

Está a transformar acidentalmente o seu armário num forno? Falhas de design comuns expostas

Apesar deste conhecimento do calor, é facilmente possível acabar por criar uma atmosfera quente devido a simples erros de conceção. Estes são dois dos pontos fracos mais comuns que retêm o calor e contribuem para o rápido desaparecimento dos componentes.

O efeito dominó de um mau planeamento térmico no layout

Tal como indicado nas pedras angulares, a localização física dos componentes tem uma grande influência no desempenho térmico. O calor sobe naturalmente. Um dos pecados capitais do design térmico é colocar os componentes com elevada produção de calor - como VFDs, transformadores e grandes fontes de alimentação - na parte superior do armário. Esta posição provoca a formação de um "teto térmico", que expõe todos os elementos por baixo (incluindo os seus delicados módulos PLC e I/O) a um fornecimento contínuo de ar quente.

A conceção ideal tira partido da convecção natural. Os produtores de calor máximo devem ser colocados o mais baixo e distante possível. Estes "fornos" não devem ter os controlos electrónicos sensíveis na parte inferior e mais fria do armário. Qualquer negligência deste princípio na sua configuração está a prejudicar a sua fiabilidade.

Quando "compacto" se torna "apertado": A armadilha do tamanho do invólucro

Numa tentativa de economizar espaço ou despesas, existe uma grande tentação de ter o invólucro com o menor tamanho possível para acomodar fisicamente os componentes. Este é um erro crítico. Um amortecedor térmico é a quantidade de ar num armário. Um armário apertado tem um volume de ar extremamente reduzido e, por conseguinte, qualquer calor produzido pelos componentes aumentará a temperatura ambiente interna de forma significativamente mais rápida.

Mesmo um armário que tenha apenas 15 por cento de espaço livre pode ganhar uma temperatura de 20-25 °C mais do que a temperatura ambiente exterior. Por outro lado, um armário com 40 % de espaço livre pode registar apenas um aumento de 10-15 °C com a mesma carga. Essa diferença de 10 °C pode ser a diferença entre um sistema com 10 anos e um com 5 anos de falha, como vimos.

Além disso, é difícil aceder a partes de um armário apertado durante a manutenção ou actualizações. Sem espaço suficiente, os futuros ajustes ou reparações podem ser desajeitados e criar tempos de inatividade desnecessários e despesas adicionais.

Calculando o verdadeiro custo de um "colapso": Para além de uma peça defeituosa

Pode-se facilmente olhar para o preço de uma substituição do VFD ou da fonte de alimentação avariada. Mais importante de medir, mas ainda mais difícil de medir, é o novo efeito de ondulação financeira dessa falha.

1. Tempo de inatividade: Este é o preço mais elevado. Uma linha de produção que não esteja a funcionar pode custar a uma organização milhares ou dezenas de milhares de dólares por hora em receitas perdidas.
2. Custos de mão de obra: Pode ser necessário um técnico e uma chamada telefónica para diagnosticar um problema e substituir uma peça, e este custo pode facilmente ser superior ao custo do próprio componente, sem contar com o tempo perdido.
3. Tempo e dinheiro perdidos: No caso de uma falha no processo, a matéria-prima pode ser descartada ou um lote de produto acabado pode ser arruinado.
4. Danos à reputação: O tempo perdido quando a sua empresa está em baixo custar-lhe-á prazos perdidos, um cliente insatisfeito e a sua reputação de fiabilidade.

Uma única fusão térmica pode facilmente causar um prejuízo financeiro 100 vezes superior ao custo de instalação uma solução de arrefecimento adequada em primeiro lugar.

Sua Primeira Linha de Defesa: Uma introdução à gestão térmica

O primeiro passo é compreender o risco. O passo seguinte é tomar medidas. A ciência da transferência de calor entre locais onde é indesejado e locais onde pode ser descarregado em segurança é conhecida como gestão térmica. Estas técnicas dividem-se, grosso modo, em arrefecimento passivo e ativo.

Arrefecimento passivo baseia-se na convecção natural e na radiação. Isto implica a utilização de aberturas de persianas, materiais condutores de calor ou apenas a garantia de que o armário é suficientemente grande. É barato e fácil, mas só pode ser utilizado num armário com uma carga térmica interna muito baixa.

Arrefecimento ativo é o movimento do calor que exige energia. A maior parte dos painéis de controlo industrial acaba aqui. Esta categoria abrange desde os ventiladores de filtro básicos até aos aparelhos de ar condicionado e permutadores de calor. Um ventilador de alta qualidade é o sistema de arrefecimento ativo mais estável e mais rentável, e o coração de uma estratégia térmica proactiva, para a grande maioria das aplicações.

A escolha do especialista: Arrefecimento proactivo com ACDCFAN

Uma boa gestão térmica não é uma questão de querer ser bem sucedido, mas uma questão de conceber a fiabilidade. É aqui que a ACDFAN pode oferecer não só um produto, mas também uma garantia de integridade operacional. Para um engenheiro de projeto, a especificação de uma ventoinha de arrefecimento não é uma questão de movimento do ar, mas uma questão de especificação de confiança.

A fiabilidade industrial faz-se sentir nos pormenores. Soluções ACDCFAN são desenvolvidos com base em rolamentos de esferas de elevada longevidade, com uma tempo médio entre falhas de mais de 70.000 horas. Isto é para garantir que o seu sistema de arrefecimento é desenvolvido para funcionar durante todo o ciclo de vida do seu sistema de controlo e não apenas nos primeiros dois anos. Para suportar o funcionamento em condições adversas, caraterísticas especializadas, tais como Encapsulamento à prova de água e poeira com classificação IP68 constituem a última linha de defesa contra as duas causas mais comuns de avaria dos ventiladores, pelo que são fiáveis nos locais onde os outros falham.

O desempenho não é apenas potência pura. As nossas ventoinhas fornecem até 30% de caudal de ar mais uniforme em todo o sistema, utilizando um design aerodinâmico avançado das pás para eliminar os pontos quentes que causam a degradação dos componentes. E para sermos mais avançados, os nossos ventiladores são a favor do controlo de velocidade inteligente PWM. Isto permite que o ventilador seja diretamente ligado ao seu PLC ou sistema de controlo e lhe proporcione um arrefecimento a pedido; é silencioso e conserva energia em cargas baixas, mas depois entra em ação quando os seus activos estão a trabalhar arduamente.

Por último, a integração suave e a conformidade proporcionam paz de espírito. Disponível em todos os tamanhos, de 25 mm a 254 mm, é possível encontrar um ajuste perfeito para qualquer projeto. Cada produto possui Certificações UL, CE, TUV e RoHSque não causam problemas de conformidade. Esta garantia de qualidade é apoiada por uma assistência especializada de alta qualidade, garantindo uma resolução técnica preliminar 12 horas mais tarde, o que faz da ACDCFAN não só um fornecedor do seu projeto, mas também um parceiro no sucesso do seu projeto.

O seu plano de ação para um armário fresco e fiável

A gestão térmica não deve ser uma reflexão posterior ao desenvolvimento de um projeto; deve ser incluída desde o início. Uma conceção ativa de um armário frio e fiável é uma conceção holística:

1. Incluir as térmicas na fase de projeção: À medida que vai colocando as peças por zonas, deve sobrepor as minhas zonas térmicas. Determine as fontes de calor e posicione-as estrategicamente de forma a facilitar o fluxo de ar de baixo para cima.
2. Computação, não estimativa: Faz um cálculo simples da carga de calor (em Watts ou BTU/hr) do seu armário. Este cálculo será utilizado para informar a classificação CFM (pés cúbicos por minuto) do seu sistema de ventilação. Adivinhar resulta em sistemas subestimados que falham ou em sistemas superestimados que custam energia e dinheiro.
3. Conceber o percurso do fluxo de ar como um sistema: Apenas um componente do sistema é o ventilador. Deve também indicar uma entrada de ar filtrado de tamanho adequado. A rota ideal aspira ar fresco e limpo a um nível baixo no armário, passa-o sobre as partes geradoras de calor e força o ar quente para fora a um nível alto com a ventoinha.
4. Especificar a fiabilidade: Escolha um solução de arrefecimento ativo com o mesmo cuidado que tem com o seu PLC ou VFD. Examine o MTBF, o tipo de rolamento, a proteção ambiental (classificação IP) e as certificações. Este é um componente tão essencial para o tempo de atividade do seu sistema como qualquer outro.

Conclusão

Uma conceção brilhante de um armário elétrico é uma combinação de bases concretas e de uma análise de risco inteligente. Os blocos básicos: esquemas, peças do painel de controlo, disposição e distribuição de energia estabelecem um sistema que pode ser reparado e é fiável. No entanto, o controlo proactivo do risco operacional número um, o calor, é o que torna um sistema realmente fiável e robusto.

O que se ganha ao saber como o calor pode destruir silenciosamente os sistemas eléctricos é a consciência de que se pode conceber conscientemente para contrariar o seu impacto, altura em que se pode levar o trabalho para além do meramente funcional para o resiliente. As actualizações para melhorar a gestão térmica e evitar o sobreaquecimento podem prolongar a vida útil do seu sistema. O teste final de um bom engenheiro é tratar a gestão térmica como um processo de design e não como uma reflexão tardia. É o investimento mais rentável que pode fazer na vida do seu sistema e na sobrevivência do seu negócio.