Los diferentes componentes eléctricos instalados dentro de un gabinete disipan calor, es así como el objetivo final de un sistema de gestión térmica es mantener las condiciones adecuadas de temperatura, humedad y estanqueidad dentro de este, para un correcto funcionamiento de sus componentes eléctricos y mantener las condiciones adecuadas de especificaciones del fabricante garantizando la vida útil del componente eléctrico, evitando operaciones no deseadas en los sistemas eléctricos por condiciones ajenas a las de operación.
Interruptores termomagnéticos, contactores, relés, variadores de velocidad, arrancadores suaves, PLC´s, cables, entre otros componentes disipan calor. Igualmente las condiciones de altura, humedad, temperatura media de la zona, estanqueidad del tablero, y condiciones de operación de los equipos afectan en gran medida la estabilidad de la operación y los sistemas eléctricos.
Por qué es importante conocer el calor generado
Componentes que por lo general son de alto costo y deben garantizar la continuidad del servicio, es así como se debe considerar un sistema adecuado de gestión térmica para evitar paradas intempestivas de los componentes, disparos inadecuados de las protecciones, garantizar la vida útil de los elementos, evitar riesgos por incendio o humedad, buscar la mayor eficiencia del sistema.
La apropiada selección de elementos para realizar la gestión térmica en el tablero dará como resultado un ahorro adecuado, derivado en el correcto funcionamiento de los equipos, evitando paradas no deseadas del proceso, mejorando la vida útil de los equipos, evita pérdidas por calor y garantiza la seguridad de las personas que puedan intervenir en estos tableros cuando se usa a su vez los elementos de seguridad de acuerdo con el estudio de riesgo eléctrico.
Hoy en día, desafortunadamente, en muchas de las aplicaciones que se montan en cuadros eléctricos no se tienen en cuenta el factor térmico y sus perjudiciales consecuencias.
A veces, es por la necesidad del usuario final de meter una elevada potencia, y sus respectivas pérdidas, en espacios muy ajustados. Esta concentración de pérdidas empuja a las cargas más allá del límite de su temperatura de diseño.
En tiempos recientes, los componentes eléctricos se han hecho cada vez más pequeños y densamente compactados en los tableros eléctricos. Esto genera más calor que antes y ha llevado a un constante incremento de temperatura dentro de los gabinetes industriales.
Es fácil olvidar que la disipación térmica juega un papel muy importante en la temperatura interna de los gabinetes industriales y en el funcionamiento del equipo eléctrico.
Cuánto calor disipa un tablero eléctrico
Dentro del gabinete, cada dispositivo disipa parte de la potencia que consume en forma de calor.
En electrónicos de potencia, la eficiencia define cuánto se convierte en calor (pérdidas).
La potencia térmica total del tablero corresponde a la suma de las pérdidas de sus componentes y de los elementos que contribuyen al calentamiento del conjunto. Los fabricantes de componentes electrónicos normalmente disponen de la disipación térmica de sus productos. Por lo regular, este valor se da en Vatios (Watts).
Para la selección adecuada de los sistemas de gestión térmica, se deben considerar los siguientes parámetros:
Potencia disipada
Cada componente eléctrico cuenta en sus especificaciones con la potencia en Watts que disipa y va directamente relacionada a la corriente eléctrica que circula a través de estos.
Empíricamente se han realizado ensayos en los cuales se han observado los siguientes resultados, sin embargo este dato se debe confirmar con cada uno de los componentes que se vinculan en el tablero eléctrico; 1,25W/A para tableros hasta 400 Amp, y 1 W/A para los tableros con capacidades de corriente superiores.
| Capacidad del tablero | Disipación empírica |
|---|---|
| Hasta 400 Amp | 1,25W/A |
| Superior a 400 Amp | 1 W/A |
La decisión no debe basarse sólo en la capacidad nominal.
Disipación interna: estime pérdidas térmicas (no siempre es igual a potencia nominal).
Potencia y eficiencia de equipos: lo que consumen vs. durante su operación.
Temperatura deseada
Se refiere a la temperatura óptima de funcionamiento de los componentes instalados al interior de los tableros eléctricos y que es recomendada en las tablas de características técnicas del fabricante.
Se recomienda trabajar con la condición de temperatura más exigente ante el uso de diferentes componentes eléctricos.
Es importante tomar en cuenta la temperatura máxima de funcionamiento que especifican los fabricantes de sus componentes eléctricos.
Temperatura ambiente
Es la que se determina en el sitio de instalación del tablero eléctrico y la que determina finalmente el equipo a instalar.
Además de la disipación térmica existen influencias externas o propiedades del mismo equipo que impactan la capacidad de enfriamiento requerida por su tablero. Esto puede hacer más difícil calcular la carga térmica completa de su tablero eléctrico.
Factores como la máxima temperatura ambiente, fuentes de calor cercanas y ganancia solar también deben incluirse al calcular la carga térmica.
Ganancias externas: evalúe ambiente máximo, radiación solar y fuentes cercanas.
Grado de polución y estanqueidad
Determinará la exigencia ambiental del lugar de la instalación y la estanqueidad del tablero.
Con tal de proteger sus costosos componentes eléctricos contra condiciones extremas, la mayoría consigue tableros industriales sellados y sin ventilación.
De modo cumplan con estas exigencias y protejan su equipo eléctrico, necesitan una clasificación NEMA Tipo 12, 4, o 4X.
La decisión no debe basarse sólo en la capacidad nominal. el consumo energético, el grado de protección y el mantenimiento requerido.
Cómo se produce y se elimina el calor del gabinete
Cuando los componentes eléctricos producen calor, aumenta la temperatura dentro del tablero eléctrico.
Este calor entonces se transfiere a través de las paredes del tablero hacia fuera.
Lo ideal sería que este aire exterior fuera lo suficientemente frío para mantener su tablero por debajo de la máxima temperatura permitida.
Sin embargo, rara vez ocurre semejante situación pues la capacidad de enfriamiento debe ser igual o mayor que la carga térmica del equipo eléctrico.
El tamaño de su tablero eléctrico es un factor principal en el cálculo de la disipación térmica.
Los tableros de mayor tamaño tendrán superficies más grandes por las cuales disipar calor. Esto resulta en un menor incremento de temperatura.
Sin embargo, comprarse un gabinete extra grande solo para aumentar la disipación térmica no tiene mucho sentido.
Esta fórmula incluye los seis lados de su gabinete.
El área de cualquier superficie no expuesta al aire ambiente debe restarse del área total.
Este sería el caso de un tablero montado a la pared o con la base directamente sobre el suelo.
Calor generado por los principales componentes
Interruptores y conductores
En los interruptores, los conductores son de gran tamaño y longitudes cortas por lo que la resistencia total es pequeña.
Sin embargo, la corriente puede ser mayor.
Con las pérdidas de calor variando con el cuadrado de la corriente, los grandes interruptores pueden generar una considerable cantidad de calor.
Las pérdidas de calor en interruptores varían de acuerdo con el tamaño del interruptor y de la carga.
Al igual que los transformadores, los interruptores raramente se cargan a máxima capacidad.
Los circuitos principales pueden tener una mayor carga conectada, pero las cargas reales a cualquier hora generalmente se mantienen bajas.
Transformadores
Al igual que los motores eléctricos, los transformadores presentan pérdidas en su funcionamiento por carga y sin carga.
Las pérdidas sin carga en un transformador deriva de la energía necesaria para magnetizar un núcleo o bien pérdidas debido al fenómeno de la histéresis.
La pérdida debido a la carga viene dada por la ley de Joules “I2 R”, resultado del paso de la corriente a través de los devanados del transformador.
Debido a que estas pérdidas varían con el cuadrado de la corriente eléctrica, las pérdidas debido a la carga (expresada en por ciento de la carga total) disminuye rápidamente a medida que la carga se reduce.
La figura 1 muestra las pérdidas típicas de un transformador de tipo seco, 480 Volts en el primario, 208/120 Volts en el secundario a rangos de cargas desde 0 % a 100 % de carga total.
Los datos de pérdidas presentados son típicos.
Por ejemplo, una cámara de enfriamiento de equipos eléctricos con aproximadamente un transformador de 75 KVA operando con una carga continua de 40 KVA, presenta una disipación de ganancia de calor de aproximadamente 2.5 % de la carga total del transformador, o 1875 Watts (ver figura 1).
Motores eléctricos
La ineficiencia en motores eléctricos es la diferencia entre la energía que absorbe y la cantidad de energía convertida en trabajo mecánico.
Esta ineficiencia llega a ser el calor que se disipa en el espacio refrigerado.
La eficiencia de un motor eléctrico varía en relación a la carga del mismo.
Generalmente los motores son diseñados para una eficiencia máxima de alrededor del 75 % de acuerdo a la carga de la placa de datos, con únicamente pequeñas variaciones en su eficiencia de entre el 50 % de carga y el 100 % de carga.
A cargas ligeras, la eficiencia de un motor disminuye considerablemente.
Por ejemplo, la eficiencia de un motor eléctrico de 25 HP a carga máxima es del 94.1 %, pero cuando este opera con el 25 % de carga su eficiencia disminuye aproximadamente hasta 78%.
Si el equipo accionado y/o proceso se encuentra dentro del espacio refrigerado, la energía disipada por los motores eléctricos se convierte en trabajo mecánico por lo que también formará parte de la carga térmica de enfriamiento a enfriar.
Variadores, arrancadores, contactores y electrónica
Interruptores termomagnéticos, contactores, relés, variadores de velocidad, arrancadores suaves, PLC´s, cables, entre otros componentes disipan calor.
Los fabricantes de componentes electrónicos normalmente disponen de la disipación térmica de sus productos.
En electrónicos de potencia, la eficiencia define cuánto se convierte en calor (pérdidas).
La concentración de estos equipos en espacios pequeños puede elevar rápidamente la temperatura interna, incluso cuando cada componente individual presenta una pérdida relativamente reducida.
Efecto de la temperatura sobre la vida útil
El aumento de la temperatura juega un papel importante en la degradación de los aislamientos de los conductores, semiconductores, dispositivos electrónicos, condensadores, etc. y reduce en gran medida su esperanza de vida.
Aquí la regla empírica general que se aplica es que “cada aumento de 10 °C en la temperatura del componente, acortará su vida útil a la mitad".
Esta “regla de los 10 grados” no es del todo sacada de la manga.
Proviene de la aplicación de la “ecuación de Arrhenius”, desarrollada por el premio Novel de química sueco Svante Arrhenius, la cual que relaciona la velocidad o factor de aceleración de una reacción química debido a los cambios de temperatura y una energía de activación.
Al aplicar la ecuación de Arrhenius a los componentes o dispositivos, se supone que la velocidad de reacción química corresponde al daño del dispositivo a lo largo del tiempo.
Por lo tanto, la ecuación se puede utilizar para comparar el daño acumulado a lo largo del tiempo a diferentes temperaturas de funcionamiento.
Normas para evaluar la temperatura de los tableros
Conjuntamente con las propiedades dieléctricas y seguridad ante choques eléctricos, el aumento de temperatura es uno de los aspectos fundamentales en torno al que se centra la norma de cuadros eléctricos de baja tensión: La norma internacional IEC 61439.
En general, el fabricante del conjunto debe, mediante la aplicación de los factores reducción o descalcificación necesarios, asegurar que la temperatura no exceda de las condiciones normales de operación.
Según la corriente del conjunto, la verificación del calentamiento en el interior del cuadro eléctrico debe realizarse mediante ensayo, deducción respecto a diseño ensayado y/o cálculo.
Para conjuntos con corriente asignada hasta 1600 A, se puede aplicar el método de cálculo de acuerdo a la norma IEC TS 60890:2014.
Estos cálculos pueden realizarse con RiTherm, la herramienta de diseño definitiva para la climatización de armarios, disponible también online.
El resultado es un informe según la norma IEC 61439 y con el cálculo del equipo de climatización adecuado para el cuadro eléctrico.
Selección del sistema de refrigeración
Es importante instalar el sistema de control de temperatura correcto para proteger efectivamente su valiosísimo equipo eléctrico.
La inversión en un correcto sistema de refrigeración nos permitirá evitar dichos costes técnicos y económicos derivados por los efectos de la temperatura.
Con el propósito de ayudarle a elegir el sistema de enfriamiento apropiado tenemos la Calculadora de control de temperatura para tableros eléctricos.
La Calculadora ETM (por sus siglas en inglés) le ayudará a averiguar qué necesita.
Si usted requiere un aire acondicionado, un intercambiador de calor o sencillamente un set de ventiladores con filtro, lo sabrá.
También le mostrará qué tipo y tamaño de aire acondicionado cumplirá con la capacidad de enfriamiento requerida.
La decisión no debe basarse sólo en la capacidad nominal. el consumo energético, el grado de protección y el mantenimiento requerido.
- Disipación interna: estime pérdidas térmicas (no siempre es igual a potencia nominal).
- Ganancias externas: evalúe ambiente máximo, radiación solar y fuentes cercanas.
- Considere la temperatura máxima de funcionamiento indicada por los fabricantes.
- Verifique el grado de protección y las condiciones de estanqueidad del gabinete.
- Seleccione una capacidad de enfriamiento igual o mayor que la carga térmica del equipo eléctrico.
Muchas fallas en equipos eléctricos ocurren debido al sobrecalentamiento de sus componentes.
Puede evitarse estos problemas fácilmente si planea bien qué sistema de control de temperatura empleará.
Temperatura en cámaras y espacios refrigerados
Si la cámara fría es muy grande y la ganancia de calor por equipos eléctricos es pequeña, la consideración de enfriamiento por estos accesorios no es requerido.
Cuando es el caso de que en una cámara fría se requiere de enfriamiento para equipos y/o accesorios eléctricos pero no de personal, es práctica común mantener temperaturas entre 5 ºC y 8 ºC (10 ºF y 15 ºF).
Mayor que la temperatura que se mantiene en el espacio adyacente a la cámara de los motores y/o accesorios eléctricos.
Esta condición es típica en cámaras para enfriamiento de equipos eléctricos en edificios de oficinas.
Al igual que en el enfriamiento mecánico, la cantidad de flujo de aire requerido depende del calor ganado por la cámara fría y del aumento de temperatura permisible por arriba de la temperatura del aire suministrado.
El cálculo de la carga de enfriamiento descrito está basado en condiciones permanentes y grandes períodos de operación.
Esto no toma en consideración los efectos térmicos debidos a la velocidad y/o pérdidas por conducción desde el espacio caliente al pasar por espacios no aislados a la cámara fría adyacente.
Detección del calor mediante termografía
La termografía eléctrica es una técnica fundamental del mantenimiento predictivo que, de manera no invasiva, permite detectar anomalías en sistemas eléctricos midiendo la radiación infrarroja emitida por los componentes.
La termografía infrarroja, etimológicamente «escritura con calor de lo que está por debajo del rojo», es una técnica que permite medir temperaturas a distancia y sin contacto físico, mediante la captación de la radiación infrarroja del espectro electromagnético.
Todos los objetos emiten radiación infrarroja según su temperatura.
Una cámara termográfica detecta este patrón térmico en la longitud de onda infrarroja y lo convierte en una imagen radiométrica que contiene cálculos de temperatura en todos sus puntos.
Para comprender cómo funciona la termografía, es esencial entender el espectro electromagnético.
Este abarca desde radiaciones de longitud de onda muy corta, como rayos gamma y rayos X, hasta ondas de radio de longitud de onda larga.
La atmósfera terrestre afecta la transmisión de esta radiación, lo que debe considerarse durante las mediciones en exteriores.
Además, la energía emitida por un objeto varía con su temperatura: a mayor temperatura, mayor es el pico de energía y más corta es la longitud de onda en la que ocurre este pico.
v115 TERMOGRAFIA Cualitativa en Tableros Electricos
Equipo necesario
Para realizar una inspección termográfica efectiva en tableros eléctricos, es indispensable contar con el equipo adecuado.
- Necesitarás una cámara con resolución suficiente para identificar con precisión el punto exacto de una falla.
- Se recomienda un modelo con un rango de temperatura amplio, como la cámara Hikmicro G61, que ofrece una resolución de 640×480 píxeles y puede medir hasta 650°C.
- Utiliza un software como Hikmicro Analyzer, que faciliten el diagnóstico, la interpretación y la generación de reportes profesionales a partir de las imágenes térmicas capturadas.
- Una cámara termográfica debe entregarse con su Certificado de Calibración, vinculado al modelo y número de serie.
- Se recomienda una recalibración anual en laboratorios acreditados, usando simuladores de cuerpo negro en condiciones controladas.
Procedimiento de inspección
Una inspección termográfica bien planificada no se limita a localizar puntos calientes.
Debes conocer los componentes y sus modos de falla característicos.
Capturar la imagen, guardarla y analizarla es el proceso central del termógrafo.
- Encuadre preciso: Acércate todo lo posible manteniendo una distancia segura.
- Enfoque nítido: Una imagen desenfocada dará mediciones erróneas y restará profesionalidad.
- Ajuste correcto del rango de temperatura: Fija un rango que incluya la temperatura del objeto a medir.
- Control de condiciones ambientales: La temperatura exterior, la humedad y la hora del día pueden afectar los resultados.
- Rango de temperatura: Define los límites máximo y mínimo de medición.
- Campo (contraste térmico): Es el intervalo de temperaturas visible en la imagen.
- Nivel: Es el punto medio del campo.
- Realiza la inspección con carga plena: Las fallas pueden ocultarse a baja carga.
- Elimina barreras visuales: No midas a través de acrílicos.
Procesa siempre las imágenes en software especializado para ajustar emisividad, reflejos y obtener mediciones exactas.
Patrones de fallas térmicas
Es la falla más común en las inspecciones termográficas.
Se produce por un mal ajuste en los terminales de conexión, lo que genera un punto localizado de alta temperatura debido al aumento de la resistencia eléctrica.
Aunque menos frecuente, esta falla ocurre cuando una fase o línea está sobrecargada y se calienta a lo largo de todo su recorrido.
Para detectar esta falla, es esencial conocer la temperatura normal de operación de cada componente (contactores, relés, fusibles, etc.).
En las imágenes térmicas se observa un punto caliente muy localizado en el terminal, mientras el resto del componente mantiene temperatura normal.
Se evidencia una línea o fase significativamente más caliente en todo su recorrido, comparada con las demás.
Falso contacto: Limpia y ajusta terminales.
El falso contacto es una de las fallas más comunes en tableros eléctricos, y también una de las fallas más fáciles de corregir, se debe realizar una limpieza y ajuste de terminales, y en caso la falla persista, se debe reemplazar todo el componente.
La falla en componentes eléctricos puede corregirse a tiempo, por lo que una inspección termográfica ayudará a detectarlas.
Para mantener tus instalaciones eléctricas en óptimas condiciones, se recomienda realizar una inspección termográfica cada 2 o 3 meses.
Estas imágenes que te mostramos, son para que puedas ver los patrones de falla en componentes eléctricos, sin embargo, tendrás que realizar el reporte en el software, en este el Hikmicro Analyser.
Aspectos que deben verificarse en el cálculo
La potencia disipada depende de los componentes instalados, de la corriente real, de la eficiencia de los equipos y de sus condiciones de operación.
Los componentes eléctricos producen pérdidas incluso cuando la resistencia eléctrica de conductores, interruptores y otros equipos es considerablemente muy pequeña, porque no es necesariamente cero.
La distribución de los equipos eléctricos (tableros de conexiones, conductores eléctricos, transformadores, etc.) se encuentran entre los calificados más eficientes, pero no lo son al 100%.
Al calcular la carga térmica completa del tablero deben considerarse tanto las pérdidas internas como las ganancias externas.
Si el equipo accionado y/o proceso se encuentra dentro del espacio refrigerado, la energía disipada por los motores eléctricos se convierte en trabajo mecánico por lo que también formará parte de la carga térmica de enfriamiento a enfriar.
El cálculo de la carga de enfriamiento descrito está basado en condiciones permanentes y grandes períodos de operación.
Esto no toma en consideración los efectos térmicos debidos a la velocidad y/o pérdidas por conducción desde el espacio caliente al pasar por espacios no aislados a la cámara fría adyacente.
La apropiada selección de elementos para realizar la gestión térmica en el tablero dará como resultado un ahorro adecuado, derivado en el correcto funcionamiento de los equipos, evitando paradas no deseadas del proceso, mejorando la vida útil de los equipos, evita pérdidas por calor y garantiza la seguridad de las personas que puedan intervenir en estos tableros cuando se usa a su vez los elementos de seguridad de acuerdo con el estudio de riesgo eléctrico.
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