Diseño de equipos: ventajas de los dispositivos de distribución de energía NEC Clase 2

May 31, 2023

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Los diseños de sistemas de maquinaria y equipos industriales generalmente se basan en materiales y métodos probados para garantizar resultados finales confiables y efectivos. Esto es especialmente cierto cuando se trata de circuitos de control y distribución de circuitos derivados de energía eléctrica, donde los productos disponibles en el mercado están maduros y las prácticas de diseño se guían en gran medida por códigos. Pero de vez en cuando, aparece una nueva opción disponible para mejorar el rendimiento, reducir costos y aumentar la seguridad.

Tal es el caso de un tipo relativamente nuevo de dispositivo de distribución de energía construido para aprovechar una clasificación especial del Código Eléctrico Nacional (NEC) denominada circuito “Clase 2”. Para equipos y sistemas automatizados destinados al mercado norteamericano, la Clase 2 tiene muchos beneficios para circuitos de control de bajo voltaje.

Los diseños de distribución de energía de circuitos de control tradicionales utilizan fusibles, disyuntores y conductores para cumplir con los estándares y requisitos. Aunque cumplir con todos los códigos es esencial, este enfoque clásico de protección de circuitos es ineficiente en algunos aspectos para las cantidades relativamente pequeñas de energía involucradas.

La Clase 2 reconoce los bajos niveles de energía asociados con muchas aplicaciones de control y señalización, y proporciona una opción mejorada para que los diseñadores utilicen materiales y métodos específicos para estas situaciones. La implementación de los principios de Clase 2 con los dispositivos adecuados brinda beneficios funcionales, reduce el costo total de instalación y mejora la seguridad para los usuarios y los equipos.

Diferentes regiones del mundo adoptan directivas, códigos y estándares específicos que deben observarse para el diseño, los productos y las instalaciones eléctricas. En consecuencia, los productos eléctricos normalmente se fabrican para cumplir con uno o más de estos requisitos. A continuación se presentan algunos documentos relevantes para fuentes de alimentación dentro de equipos industriales:

Los diseñadores e ingenieros deben estar familiarizados con las pautas aplicables para la ubicación final donde se instalará e inspeccionará el equipo. Las normas europeas y norteamericanas no están necesariamente armonizadas, lo que añade complejidad.

Las normas relacionadas con el suministro y la distribución de energía generalmente tienen como objetivo proteger al personal y prevenir incendios o cualquier otra condición insegura o dañina. Los principios de diseño y los productos aplicables se comprenden bien, pero a veces los estándares se actualizan o aparecen productos más nuevos, lo que brinda opciones de mejora.

En los términos más simples, un circuito Clase 2 es de voltaje y corriente tan bajos y, por lo tanto, de baja potencia, que no presenta riesgo de incendio o descarga eléctrica para el personal. Los diseños que garantizan que la energía disponible sea limitada tienen muchos beneficios de ingeniería, regulatorios, de instalación y operativos.

Los dispositivos tradicionales cableados, como los arrancadores de motores, a menudo consumen demasiada energía para que los circuitos de Clase 2 sean prácticos. Pero los dispositivos digitales de bajo consumo, que son cada vez más frecuentes, como los controladores lógicos programables (PLC), las interfaces hombre-máquina (HMI) y otros componentes inteligentes, funcionan bien cuando se alimentan con circuitos de Clase 2. Además, gran parte de las comunicaciones, redes y señalización de entrada/salida asociadas pueden ser suministradas por circuitos de Clase 2.

En Norteamérica, el NEC es el estándar principal para instalaciones eléctricas. Los paneles de control y los circuitos dentro de ellos están cubiertos por UL 508A, mientras que UL 1077 y 2367 están dirigidos a la protección de circuitos derivados.

El NEC define específicamente un circuito de control de energía limitada de Clase 2 en el artículo 725-121 como:

Estas condiciones deben mantenerse incluso en caso de cortocircuito o durante condiciones de falla. También existen restricciones sobre qué clases de circuitos pueden enrutarse juntos. Generalmente, los circuitos de Clase 2 deben enrutarse por separado de otras clases de circuitos en paneles de control y canalizaciones. Tenga en cuenta que la Clase 2 solo se aplica dentro de América del Norte.

Hay muchos beneficios cuando los proveedores y diseñadores de productos cumplen con los requisitos de Clase 2. Los circuitos y dispositivos posteriores que funcionan bajo la Clase 2 no requieren protección adicional contra riesgos de descargas eléctricas o incendios. Desde un punto de vista práctico, esto significa que los dispositivos y conductores de Clase 2 pueden ser más pequeños y los circuitos a menudo se simplifican por estos motivos. Los métodos de cableado de campo son menos exigentes porque los materiales son más fáciles de adquirir, instalar y mantener. Estos beneficios se combinan para reducir los gastos de diseño, materiales, instalación y soporte.

Los fabricantes envían sus dispositivos a UL para su investigación y recibir la certificación NEC Clase 2. Una vez que un dispositivo obtiene la certificación Clase 2, es más fácil para los diseñadores utilizarlo en comparación con la mayoría de los otros tipos de componentes eléctricos. Por ejemplo, dentro de los paneles de control listados por UL 508A, no es necesario evaluar el cumplimiento de UL de ningún circuito de Clase 2 y los componentes conectados a ellos, lo que minimiza en gran medida el esfuerzo de diseño del panel.

Hay algunos puntos que debe conocer para implementar correctamente los diseños de Clase 2. Es posible que se certifique que algunos dispositivos posteriores requieren una fuente de energía de Clase 2, por lo que los diseñadores deben ser conscientes de esto y asegurarse de proporcionar la fuente de Clase 2 adecuada. Además, si bien los métodos de cableado de Clase 2 son generalmente más fáciles de usar, los circuitos de Clase 2 deben enrutarse independientemente de otros circuitos, tanto dentro de un gabinete de control como en conductos de campo. Quizás la mayor preocupación con los diseños de Clase 2 es la cantidad limitada de energía disponible para cada circuito, lo que limita la cantidad de dispositivos posteriores que se pueden suministrar.

Hay algunas opciones para implementar fuentes de energía de Clase 2. Se pueden diseñar transformadores pequeños para convertir 120 VCA a 24 VCA con corriente limitada para cumplir con los requisitos de Clase 2. Se utilizan a menudo para aplicaciones de señalización residencial y comercial, por ejemplo, termostatos de calefacción y aire acondicionado u otra automatización de edificios. Sin embargo, los sistemas de control industriales típicos suelen utilizar 24 VCC.

Algunos proveedores de componentes desarrollaron originalmente fuentes de alimentación específicamente para aplicaciones de Clase 2. Estas fuentes de alimentación fueron diseñadas, probadas y certificadas para cumplir con los requisitos de Clase 2 (figura 1). Este es un enfoque viable, pero estas fuentes de alimentación a menudo estaban limitadas a una corriente de salida nominal de 4 A o menos a 24 VCC. Muchos paneles de control necesitaban una mayor cantidad de corriente del circuito de control, por lo que requerían múltiples fuentes de alimentación. O quizás se podrían utilizar varias fuentes de alimentación de Clase 2, pero no se utilizaron por completo. Ambas situaciones erosionaron algunos de los beneficios esperados.

Algunos proveedores respondieron a las necesidades de los clientes de una mejor manera de implementar diseños de Clase 2 creando una nueva categoría de dispositivo llamada protector de circuito electrónico (ECP). Los ECP son una familia más inteligente de dispositivos de Clase 2, que realizan una distribución de energía inteligente y hacen que sea mucho más fácil obtener los beneficios, al mismo tiempo que brindan muchas opciones independientes y modulares para distribuir energía masiva de 24 VCC desde fuentes de alimentación estándar (figuras 2 y 3).

Utilizando ECP, es posible distribuir hasta 40 A de potencia ascendente masiva a muchos circuitos descendentes individuales de Clase 2. Por lo tanto, los diseñadores pueden elegir menos fuentes de alimentación ascendentes, pero más grandes, según sea necesario, tal vez incluso incorporando redundancia o una fuente de alimentación ininterrumpida. Las PAE también tienen muchos otros beneficios.

Debido a que los dispositivos inteligentes de distribución de energía realizan su función ECP utilizando métodos digitales, la protección reacciona más rápido que otros métodos físicos, como fusibles o disyuntores tradicionales. La respuesta es más confiable que la curva de disparo de un disyuntor o fusible estándar y está mucho más cerca del nivel de protección deseado seleccionado. Por ejemplo, si se desea una protección de 2 A, la curva de disparo del ECP es de casi 2,1 a 2,2 A, mientras que puede llegar a 6 A para un disyuntor. Esta capacidad de respuesta del ECP proporciona una selectividad de sobrecorriente precisa con otros circuitos y ayuda a prevenir caídas de voltaje e incluso incendios en los cables.

Un ECP monitorea la corriente en cada canal de salida individual y brinda a los usuarios la capacidad de encender y apagar cada canal de salida individualmente, por ejemplo, mediante señalización remota desde sistemas de control. Al iniciarse, los canales de salida se inician automáticamente en forma de cascada para reducir la irrupción del sistema y minimizar la posibilidad de disparos por sobrecorriente ascendente.

Algunos ECP tienen una indicación visual de la carga del canal, como un LED verde fijo durante menos del 90 por ciento, verde parpadeante entre el 90 y el 100 por ciento y rojo durante más del 100 por ciento. Además, un contacto de alarma de grupo permite que los PLC de supervisión monitoreen el ECP. Se pueden tomar acciones de control si es necesario y se pueden activar alarmas HMI. Las capacidades de control y diagnóstico superan con creces lo que puede proporcionar un disyuntor disparado o un fusible quemado, lo que facilita significativamente los esfuerzos de arranque, pruebas de aceptación en fábrica y resolución de problemas.

Muchos ECP ofrecen factores de forma compactos y las versiones que admiten números de canales más altos pueden ocupar menos espacio en el riel DIN que los fusibles o disyuntores. Un sistema de puente en el lado de la línea facilita la distribución de energía a granel, mientras que los factores de forma compactos y el etiquetado claro facilitan el diseño, la fabricación y el mantenimiento de los paneles de control.

Tenga en cuenta que los ECP no son sólo para instalaciones de Clase 2. Algunos modelos generales de ECP pueden permitir límites de corriente ajustables por canal, mientras que los modelos específicos de Clase 2 son necesarios para instalaciones verdaderas de Clase 2. Por lo tanto, los ECP se pueden utilizar para muchas aplicaciones de circuitos de control donde no se necesita la Clase 2, pero se desean otros beneficios de distribución de energía inteligente.

Los ECP modernos son la mejor opción para distribuir paneles de control masivos de 24 VCC a circuitos Clase 2 en paneles de control, y también brindan beneficios sustanciales para distribuir circuitos estándar de 24 VCC. La implementación de ECP permite un monitoreo proactivo, a menudo elimina la necesidad de que el personal abra los gabinetes eléctricos y, a diferencia de un fusible, no requiere reemplazo después de un disparo.

Los circuitos de Clase 2 son una configuración muy específica, exclusiva del mercado norteamericano y definida por NEC. Existen muchos beneficios de seguridad, rendimiento, reglamentarios y económicos asociados con la implementación de circuitos de control de Clase 2.

Ciertas fuentes de alimentación están clasificadas para proporcionar circuitos de Clase 2, pero existen limitaciones de energía, por lo que a veces se necesitan muchos dispositivos de este tipo. Los ECP son la mejor y más flexible manera de distribuir múltiples circuitos Clase 2 desde las fuentes de alimentación masivas de 24 VCC que normalmente se usan en los paneles de control. Los ECP también brindan muchos beneficios para la distribución de circuitos de energía general.

Para proyectos y equipos destinados a América del Norte, los diseñadores deben familiarizarse con los requisitos, productos, métodos de diseño y prácticas de instalación asociados con los circuitos de control Clase 2, para poder aprovechar esta solución compacta, económica y rica en funciones.

Imágenes cortesía de Murrelektronik

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Aaron Henry es vicepresidente de desarrollo estratégico de Murrelektronik, donde es responsable de la hoja de ruta de productos de la empresa. Henry tiene una amplia experiencia en la industria de productos eléctricos y de automatización, y también sirvió como suboficial en la Guardia Costera de EE. UU. durante cuatro años. Tiene un título de asociado de Georgia Perimeter College, una licenciatura de la Universidad de Georgia – Terry College of Business y una maestría en distribución industrial de la Universidad Texas A&M.