La integridad de cualquier sistema eléctrico radica en su envolvente, un componente muy infravalorado que desempeña un papel muy importante a la hora de salvaguardar los delicados componentes electrónicos frente a riesgos operativos, ambientales y daños físicos. Un armario correctamente especificado será fiable y durará mucho tiempo, pero una decisión equivocada será desastrosa. Esta guía es una guía detallada para aprender el proceso de diseño, incluidos los principios básicos del proceso, como el dimensionamiento, la elección de materiales y las normas industriales (NEMA/IP). A continuación, pasaremos a los problemas más sofisticados de las condiciones industriales difíciles y proporcionaremos a ingenieros y diseñadores los conocimientos necesarios para desarrollar soluciones sólidas que protejan los elementos vitales.
Consideraciones clave antes de empezar
Antes de calcular las dimensiones o especificar los materiales, hay que analizar detenidamente el uso previsto. Todas las decisiones de diseño vienen determinadas por el entorno operativo. Esta investigación preliminar desempeña un papel crucial para garantizar que la no consideración de un aspecto pueda socavar todo el sistema.
Aplicación interior vs. exterior
En primer lugar, hay que identificar la posición y el tipo de recinto. Las instalaciones exteriores deben hacer frente a una gran variedad de factores ambientales, como la lluvia, la nieve, el sol directo y el viento. Por eso hay que prestar especial atención a la resistencia a la intemperie, la estabilidad de los materiales frente a los rayos UV y el sellado contra la entrada de agua. En cambio, una unidad interior puede tener otros problemas, como el polvo en el aire debido a un proceso de fabricación, el goteo de líquidos o el lavado a alta presión en una sala estéril.
Exposición química y corrosiva
A continuación, determine la existencia de agentes corrosivos. ¿La caja estará sometida a disolventes industriales, agentes de limpieza agresivos, niebla salina en un entorno marítimo u otros productos químicos agresivos? Esta es una de las principales razones para la elección del material, ya que la resistencia a la corrosión es primordial para evitar fallos estructurales en una fase temprana y asegurar la estabilidad de la envolvente y sus elementos internos al tiempo que se bloquean eficazmente las radiofrecuencias. La respuesta a esta pregunta informará la decisión sobre el uso de acero al carbono revestido, aluminio y ciertos grados de acero inoxidable.
Temperatura de funcionamiento
Otro factor importante es el rango de temperatura ambiente del entorno de funcionamiento de un dispositivo electrónico. Una caja de fundición estará sometida a un intenso calor externo, mientras que una caja de un almacén frigorífico tendrá que trabajar a temperaturas bajo cero. La estabilidad térmica no sólo depende del propio material de la caja, sino también del rendimiento de las juntas (que pueden volverse frágiles o degenerar) y de la eficacia general de cualquier sistema de gestión del calor.
La falta de una consideración adecuada de estos factores subyacentes provoca directamente fallos típicos y costosos del sistema, como:
- Sobrecalentamiento: Un control térmico inadecuado reduce el rendimiento y disminuye considerablemente la vida útil de los componentes eléctricos.
- Cortocircuitos: La causa es la entrada de humedad o polvo conductor debido a un sellado inadecuado.
- Fallo estructural: Se trata de un fallo provocado por la corrosión en caso de desajuste entre un material y un entorno químico agresivo.
- Interferencia de señales: Vulnerabilidad a las interferencias electromagnéticas (EMI), que pueden afectar al funcionamiento de equipos electrónicos sensibles y al cumplimiento de la normativa.
Dimensione su recinto para el éxito
El dimensionamiento correcto de un armario eléctrico es un compromiso entre los requisitos de corriente, la gestión térmica y la escalabilidad, especialmente para proteger los componentes electrónicos sensibles. Un armario pequeño causará problemas inmediatos con la disipación del calor y la accesibilidad para el mantenimiento, mientras que un armario grande supondrá gastos de producción innecesarios y el desaprovechamiento de espacio. El dimensionado se realiza sistemáticamente para garantizar la funcionalidad y la eficiencia.
El cómputo comienza con los componentes internos de los cuadros de control industrial. Elabore una lista de materiales (BOM) detallada que contenga todas las piezas que se instalarán en el armario: PLC, fuentes de alimentación, bloques de terminales, placas de circuitos, carriles DIN y transformadores. Identifique el tamaño real de cada componente y determine el área total que cubrirá en el subpanel o la placa posterior. Es importante tener en cuenta no sólo los componentes en sí, sino también la distancia de seguridad necesaria entre ellos, tal como exigen las normas del sector para evitar la formación de arcos eléctricos y permitir un acceso seguro.
En segundo lugar, hay que tener en cuenta la gestión térmica de los recintos electrónicos. El principal enemigo de los componentes electrónicos es el calor. La caja debe tener espacio suficiente para permitir la convección natural del aire. Otra regla general es que siempre debe quedar al menos un 25% de espacio libre después de montar todos los componentes. Cuando la producción de calor de los componentes internos es superior a la capacidad de refrigeración pasiva de la caja, serán necesarios métodos de refrigeración activa como ventiladores, disipadores de calor o aire acondicionado. Estas máquinas ocupan espacio físico y deben tenerse en cuenta en el cálculo del tamaño original.
Por último, piensa en la posibilidad de crecimiento en el futuro, sobre todo en electrónica de consumo. Es mucho más barato incluir espacio adicional en el diseño original que sustituir toda una caja en una fase posterior. Un enfoque de diseño inteligente es diseñar con un 15-25% extra de espacio para permitir futuros componentes, cambios o actualizaciones. Esta visión hace que la caja sea un componente viable del sistema durante su ciclo de vida previsto.
Selección del material adecuado para la caja
La selección de materiales para armarios es una decisión crítica que afecta directamente a la durabilidad de la unidad, su peso, coste y rendimiento frente a los factores ambientales. La elección tiene que ser un acto consciente, en función de los requisitos de la aplicación que se hayan determinado durante la evaluación preliminar. Ambos materiales presentan un perfil de sus puntos fuertes y débiles.
Acero al carbono: Muy utilizado en interiores de uso general porque es muy resistente mecánicamente y barato. Puede fabricarse fácilmente en recintos a medida. Su principal punto débil es su escasa resistencia a la corrosión, por lo que no puede utilizarse en entornos húmedos o contaminados por productos químicos a menos que se le aplique un recubrimiento en polvo duradero.
Acero inoxidable: Muy resistente a la corrosión, por lo que es la opción preferida cuando se trata de industrias muy exigentes como la alimentaria, la médica y la naval.
- Acero inoxidable 304 ofrece un buen grado de resistencia a la corrosión en la mayoría de las condiciones de lavado y al aire libre.
- Acero inoxidable 316/316L contiene molibdeno que le confiere una mayor resistencia a los cloruros y a otros productos químicos industriales severos, y es necesario en plantas químicas y aplicaciones costeras. Es una materia prima cara que resulta más costosa de fabricar.
Las propiedades de aluminio que lo convierten en un material deseable son su ligereza, su resistencia a la corrosión y su buena conductividad térmica, que contribuye a la disipación pasiva del calor. Tiene una elevada relación resistencia-peso, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que el peso es un problema. Las carcasas de los equipos de pruebas portátiles y de telecomunicaciones suelen ser de aluminio.
Policarbonato, una forma de envolvente de plástico, se fabrica mediante moldeo por inyección. Tiene una resistencia superior al impacto, una resistencia moderada a la humedad y una resistencia intrínseca a la radiación UV en grados estabilizados. Es un aislante eléctrico, lo que puede ser una ventaja para la seguridad. Sin embargo, podría ser menos estable térmicamente y resistente a los productos químicos que los metales.
Fibra de vidrio(poliéster reforzado con fibra de vidrio o PRFV) ofrece una solución fuerte y muy resistente a la corrosión y a los productos químicos, por lo que puede utilizarse como alternativa al acero inoxidable en la mayoría de las condiciones duras. Es ligero y resistente, aunque puede ser propenso a la delaminación o a la proliferación de fibras debido a la exposición a los rayos UV con el paso del tiempo, a menos que se recubra adecuadamente.
La siguiente tabla ofrece una comparación clara de estos materiales de cerramiento habituales:
| Material | Coste relativo | Resistencia a la corrosión | Peso | Resistencia mecánica |
| Acero al carbono | Bajo | Bajo | Pesado | Muy alta |
| Acero inoxidable 304 | Medio | Alta | Pesado | Muy alta |
| Acero inoxidable 316 | Alta | Excelente | Pesado | Muy alta |
| Aluminio | Medio | Muy buena | Luz | Medio |
| Policarbonato | Medio-Bajo | Bien | Muy ligero | Alto (Impacto) |
| Fibra de vidrio | Medio | Excelente | Luz | Alta |
Clasificación NEMA e IP
Para normalizar el grado de protección que ofrece una caja, se emplean dos sistemas principales: Las clasificaciones NEMA, establecidas por la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Norteamérica, y las clasificaciones IP, establecidas por la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). Estas clasificaciones son importantes para comprender el cumplimiento de la normativa y la adecuación de los armarios al entorno. Para elegir la norma adecuada, hay que conocer las principales diferencias entre Clasificación NEMA e IP debate.
Las clasificaciones NEMA abarcan un ámbito más amplio de normas que las clasificaciones IP, como la protección contra la entrada de objetos sólidos y agua, la corrosión y los detalles de construcción. Las clasificaciones más comunes son:
- NEMA 3R: Diseñado para su uso en exteriores. Protege contra las precipitaciones; no se daña por el crecimiento externo de hielo en el recinto. No es resistente al polvo arrastrado por el viento. (Equivale aproximadamente a IP24).
- NEMA 4: Está diseñado para utilizarse tanto en interiores como en exteriores. Protege contra el polvo y la lluvia, las salpicaduras de agua y el agua dirigida por mangueras. (Equivale aproximadamente a IP66).
- NEMA 4X: Proporciona el mismo nivel de protección que NEMA 4, pero con mucha resistencia a la corrosión. Es el estándar para entornos de lavado, marinos y plantas químicas. (Equivale aproximadamente a IP66).
- NEMA 12: Diseñado para ser utilizado en una industria de interior. Protege contra el goteo de líquidos no corrosivos, la caída de suciedad y la circulación de polvo. (Equivalente aproximado a IP54).
Las clasificaciones IP se componen de dos dígitos. El número inicial (0-6) representa el grado de protección contra objetos sólidos, empezando por grandes partes del cuerpo, hasta polvo microscópico. El segundo número (0-8) muestra la resistencia a la intrusión de agua, desde el goteo de agua hasta la inmersión total y sostenida. Cuanto mayor es el número, mayor es la protección. Una caja con clasificación IP66, como ésta, es totalmente estanca al polvo (6) y puede soportar fuertes chorros de agua (6).
Elección de herrajes para mayor seguridad, estanqueidad y longevidad
Aunque el cuerpo de la envolvente constituye el escudo principal, su herraje determina su funcionalidad, es decir, su capacidad de cierre, sujeción y supervivencia. Pestillos, bisagras, asas y cerraduras no son accesorios, sino piezas mecánicas activas que constituyen los puntos de fallo más frecuentes en el diseño de un armario eléctrico. La elección del hardware adecuado es uno de los procesos de ingeniería más importantes que influye directamente en la seguridad, el rendimiento de sellado y la fiabilidad a largo plazo.
Es aquí donde la colaboración con un experto en hardware industrial como KUNLONG supondrá un beneficio estratégico. KUNLONG ofrece soluciones dirigidas a abordar tres retos básicos con un fuerte énfasis en la ingeniería y producción de estos elementos esenciales:
1. Garantizar un sellado perfecto: De nada sirve tener una clasificación IP o NEMA elevada cuando la puerta no encaja perfectamente contra la junta. Para ello se utilizan cierres de compresión de alta calidad y sistemas de cierre multipunto, que ejercen una presión uniforme en todo el perímetro de la puerta. Este diseño podrá garantizar que la junta no se rompa y que el polvo y el agua no entren en el dispositivo durante miles de ciclos de apertura y cierre.
2. Ofrecer una seguridad sólida: La defensa inicial contra el acceso no autorizado es el hardware. La dificultad radica en que es necesario elegir mecanismos de cierre que no sólo sean resistentes a la manipulación y a la entrada forzada, sino que también se adapten a las condiciones de trabajo. Puede tratarse de mecanismos tan sencillos como pomos con llave hasta manillas de acceso electrónicas más avanzadas que pueden incorporarse a un sistema de seguridad para todo el recinto, lo que no sólo ofrecería disuasión física sino también una pista de auditoría electrónica.
3. Gestión de altas vibraciones y tensiones mecánicas: Los recintos ferroviarios, de transporte y de la industria pesada, como las prensas de mecanizado CNC o de estampación, están expuestos a vibraciones y pueden sufrir impactos físicos en cualquier momento. Esta fuerza mecánica continua puede provocar con el tiempo el aflojamiento de los elementos de fijación y tornillería estándar, lo que socava la estanqueidad y la integridad. La respuesta está en la especificación de los herrajes diseñados para trabajar en tales condiciones. Los pestillos de compresión de alto rendimiento incluyen una presión constante para contrarrestar el aflojamiento por vibración. Del mismo modo, las bisagras deben ser fuertes y resistentes para evitar el pandeo de las puertas y también para que el mecanismo de cierre quede perfectamente alineado. Los herrajes deben estar hechos no sólo para encajar, sino para soportar las fuerzas dinámicas particulares de la aplicación.
Tomando la selección del hardware como un proceso de diseño, los ingenieros pueden evitar los fallos más generalizados y hacer que la envolvente funcione satisfactoriamente durante toda su vida útil.
Garantizar el blindaje EMI/RFI y la integridad del sellado
Además de proteger los componentes contra riesgos físicos, uno de los principales objetivos de la mayoría de las cajas actuales es proteger los componentes electrónicos delicados contra riesgos invisibles: las interferencias electromagnéticas (EMI) y las interferencias de radiofrecuencia (RFI). Se trata del ruido electrónico ambiental producido por todas las cosas, como líneas eléctricas, motores, señales inalámbricas, etc., y puede perjudicar el rendimiento, corromper los datos e incluso provocar el fallo completo del dispositivo. Un buen apantallamiento es, por tanto, una consideración de diseño en aplicaciones de telecomunicaciones, dispositivos médicos y automatización industrial. Blindaje EMI.
Este principio de protección es la jaula de Faraday, un blindaje conductor continuo que encierra los componentes. La jaula de Faraday se construye naturalmente con una envolvente metálica bien diseñada, aunque su integridad de blindaje depende sólo del punto más débil. Para crear un blindaje eficaz, es necesario prestar atención a dos aspectos:
1. Continuidad eléctrica: La pantalla debe ser eléctricamente continua. Cualquier discontinuidad o rotura en el trayecto conductor puede servir de antena y filtrar interferencias. Esto implica que todos los paneles, puertas y puntos de acceso deben estar unidos eléctricamente al cuerpo principal de la caja. Esto se suele hacer mediante el uso de juntas conductoras, normalmente de malla metálica o elastómeros conductores, que se colocan en la interfaz de la puerta y otras aberturas para sellar cualquier posible brecha en el blindaje conductor.
2. Integridad del sellado al blindaje: En este caso, la integridad del sellado no sólo consiste en impedir la entrada de polvo y agua, sino también en completar el circuito de la jaula de Faraday. La mayor brecha posible es la puerta. Un sistema de cierre multipunto es esencial para proporcionar una presión constante y consistente en la junta conductora para proporcionar una ruta continua y de baja impedancia entre la puerta y el cuerpo de la caja. Cualquier otra abertura, incluidos los cables o la ventilación, también debe cubrirse con prensaestopas apantallados, paneles de ventilación de nido de abeja u otros elementos especiales que permitan el paso sin comprometer el apantallamiento.
Por último, la caja debe estar bien conectada a tierra. La jaula de Faraday evita las interferencias conduciéndolas por el exterior de la carcasa. Una conexión a tierra segura ofrece una ruta segura a través de la cual esta energía captada puede disiparse para que no se acumule y vuelva a irradiarse, inutilizando así el blindaje.
Principales retos de diseño para los armarios de infraestructuras críticas
El diseño de armarios para albergar infraestructuras críticas como centros de datos, redes eléctricas y redes de telecomunicaciones es una categoría especial de retos de alto riesgo en la que el fallo del sistema no es una opción. El énfasis no está en la mera protección, sino en la estrategia integral que abarque los siguientes problemas fundamentales:
- Seguridad multicapa: El diseño no debe limitarse a una simple cerradura, sino que debe estar integrado para ofrecer protección contra amenazas avanzadas. Esto incluye la construcción reforzada, el cierre multipunto y, en muchos casos, el control de acceso electrónico con supervisión y registros de auditoría.
- Gestión térmica de alta densidad: Estos armarios contienen equipos muy concentrados y de gran potencia que producen un calor intenso y concentrado. La cuestión es diseñar sistemas de refrigeración de circuito cerrado altamente eficientes y fiables que puedan utilizarse para evitar eficazmente el desbocamiento térmico y garantizar un rendimiento óptimo.
- Fiabilidad a largo plazo: Dado que la vida útil requerida suele ser de décadas, todas las piezas deben elegirse con la máxima durabilidad. El diseño debe centrarse en reducir el mantenimiento y emplear herrajes, incluidas bisagras y juntas, que hayan demostrado resistir sin fallos el estrés ambiental y el uso de ciclos elevados.
- Escalabilidad y garantía de futuro: La tecnología de estos armarios cambia a gran velocidad. Una de las principales cuestiones es desarrollar una plataforma modular y flexible con posibilidades de estanterías ajustables y puntos de entrada de cables móviles, de modo que el armario pueda adaptarse a futuras actualizaciones de los equipos sin necesidad de sustituirlo por otro caro.
Lista de comprobación esencial para el diseño de armarios eléctricos
Esta lista de control proporciona un marco estructurado para guiar el proceso de diseño desde su concepción hasta su finalización.
- Fase 1: Análisis de requisitos
- Definir aplicación: ¿Interior o exterior?
- Evaluar los factores ambientales: Rango de temperatura, humedad, exposición a la radiación solar.
- Identifique los agentes químicos/corrosivos: Niebla salina, aceites, soluciones de limpieza, etc.
- Determinar el cumplimiento de la normativa: NEMA, IP, UL, normas específicas del sector.
- Evaluar las tensiones físicas: Riesgos de vibración, choque o impacto.
- Evaluar las necesidades de seguridad: Nivel de protección contra accesos no autorizados.
- Fase 2: Selección de componentes y materiales
- Finalización de la lista de materiales de todos los componentes internos.
- Calcule la huella y las distancias de los componentes.
- Seleccione el material de la caja en función de las necesidades ambientales y de la aplicación.
- Especifique la clasificación NEMA/IP que cumpla o supere los requisitos.
- Fase 3: Trazado y planificación térmica
- Planifique la disposición de los componentes para que el cableado y el acceso de mantenimiento sean lógicos.
- Calcular la carga térmica total (en vatios) de los componentes internos.
- Determinar la estrategia de gestión térmica: Convección, aire forzado o refrigeración activa.
- Finalice las dimensiones de la caja, incluido el espacio para la gestión térmica y futuras ampliaciones.
- Planificar la gestión de cables: Enrutamiento de cables, puntos de entrada y alivio de tensión.
- Fase 4: Hardware y accesorios
- Seleccione las bisagras adecuadas para el peso de la puerta y las condiciones ambientales.
- Elija pestillos/cerraduras que garanticen una correcta compresión y seguridad del cierre.
- Especifique el material de la junta compatible con la temperatura y la exposición química.
- Seleccione los accesorios necesarios: Carriles DIN, kits de ventanas, pernos de conexión a tierra.
- Fase 5: Revisión y verificación
- Realizar una revisión del diseño para garantizar que se cumplen todos los requisitos.
- Verifique las certificaciones de los materiales y las fichas técnicas de los componentes.
- Si se trata de prototipos, realice pruebas de tolerancia y pruebas de verificación IP/NEMA.
- Garantizar que la documentación final del diseño sea completa y precisa.
Conclusión
Un diseño eficaz de armarios eléctricos es el resultado de un procedimiento riguroso y sistemático. Comienza con un conocimiento exhaustivo del entorno de la aplicación y avanza a través de un proceso consciente de toma de decisiones en términos de dimensionamiento, ciencia de los materiales y cumplimiento de las normas industriales establecidas. En el caso de aplicaciones en industrias exigentes, como hemos visto, las soluciones estándar no siempre son suficientes, y el diseño se ve abocado a soluciones especializadas y a medida.
La fiabilidad final de una caja es una cualidad combinada, en la que la fuerza de la chapa, la resistencia del recubrimiento en polvo y la integridad de los herrajes se unen para crear un sistema fuerte. Esta actitud integral, la combinación de principios fundamentales con la adaptación al entorno y la excelente elección de componentes, es lo que convierte a una caja simple en una fortificación de sistemas eléctricos vitales.
Para garantizar que su próximo proyecto sea de la máxima calidad, colabore con los expertos en herrajes industriales que conocen estas complejidades. La amplia gama de modelos 3D y la experiencia de primera mano de los KUNLONG de ingeniería puede proporcionar a los ingenieros una salida fácil de una tarea difícil para obtener un producto final fuerte, estable y seguro.
