TPS Y LA PROTECCIÓN DE EQUIPOS SENSIBLES
¿Por qué proteger el control?
La era actual en que vivimos es totalmente digital, donde los equipos electrónicos, como los PLCs industriales, robótica, computadoras y equipos de oficina se controlan por microprocesadores sensibles y críticos. La actual tecnología inteligente exige un suministro de energía libre de interrupciones o perturbaciones, pues los tiempos de inactividad pueden costar miles de dólares en pérdidas de producción, así como el costoso tiempo de recuperación. Y si hablamos de software, el daño en los programas y datos pueden durar por semanas hasta lograr resolverse.
Una de las perturbaciones con mayor responsabilidad de ocasionar quemaduras de tarjetas, disrupción de data (desprogramaciones) y envejecimiento prematuro de la electrónica son sin dudar los transitorios de sobrevoltaje, que son impulsos de energía indeseable en los sistemas eléctricos o de data, ocasionado por descargas atmosféricas pero también por la conmutación de cargas dentro de nuestras instalaciones, y más aún dentro de nuestros propios equipos.
El Libro Esmeralda de la IEEE Std 1100 2005 recomienda el uso de protección contra transitorios y elabora el cuadro siguiente donde muestra los niveles de tensión y corriente transitoria que podemos esperar en cada nivel de nuestro sistema eléctrico donde se comprende:
CATEGORÍA C
- La instalación exterior y acometida
- Circuitos que van del watthorímetro al medio de desconexión principal
- Cables del poste al medidor
- Líneas aéreas a edificios externos, y
- Líneas subterráneas para bombas
CATEGORÍA B
- Alimentadores y Circuitos derivados cortos
- Tableros de Distribución
- Barraje y alimentadores en plantas industriales
- Tomacorrientes para grandes equipos con cableados cercanos a la acometida
- Sistema de iluminación en edificios comerciales
CATEGORÍA A
- Tomacorrientes y Circuitos derivados largos
- Todos los tomacorrientes que estén a mas de 10m de la Cat B con cables #14 – #10
- Todos los tomacorrientes que estén a más de 20m de la Cat C con cables #14 -#10
Entonces la IEEE nos dice que podemos esperar transitorios de 20kV/10kA en la acometida, posiblemente como consecuencia de la caída de un rayo en las líneas de transmisión. Eso lo podemos aceptar, pero ¿transitorios de 6kV/3kA en tableros de distribución? resultaría difícil de creer si no tuviésemos el registro de un transitorio provocado por el arranque de un motor de gran potencia en una planta de papel, como se muestra en el gráfico siguiente, que nos hace reflexionar sobre la resolución de nuestros equipos de medición para poder capturar picos transitorios de gran amplitud y de corta duración, hasta aquí la IEEE no deja de tener razón.
Pero eso puede no ser el principal problema, porque observamos en el cuadro mencionado que para la Categoría A1, donde ubicamos los equipos electrónicos sensibles, la IEEE indica que podemos esperar transitorios de 2000V y 67A.
¿Quiere decir que en las fuentes de poder que alimentan nuestros PLCs y HMIs o cualquier sistema de control podríamos encontrar transitorios de 2000V? SI
Realmente es un trabajo minucioso el de la IEEE, con información que nos es de mucha utilidad cuando nos abocamos a la tarea de diseñar el sistema de protección contra transitorios que usaremos en nuestras instalaciones.
Sabemos que los efectos de los transitorios en nuestra electrónica son: DEGRADACIÓN, DISRUPCIÓN (desprogramación), y DESTRUCCIÓN (colapso final), consideremos que las dos últimas sí las podremos evidenciar, pero no podemos determinar el nivel de degradación (envejecimiento) de los equipos que han sido sometidos a la permanente acción de los transitorios durante todo el tiempo que han trabajado, y cuya capacidad de resistir los cambios de voltaje y de corriente se ha ido debilitando. Eso no se puede corregir con dispositivos de protección.
Se aprecia el envejecimiento en la imagen de esta tarjeta electrónica conseguida con potentes lentes de aumento, el desgaste que provoca disrupciones y las quemaduras que terminan haciéndola inservible.
Entendamos que la electrónica de potencia es más robusta que la electrónica de control y que a medida que la tecnología nos ofrece mejores y más modernos equipos alimentados con voltajes cada vez más pequeños, estos serán más sensibles a las variaciones y perturbaciones en la energía que los alimenta. Necesitan una mejor calidad de energía, una energía limpia.
Aquí sí tiene sentido la recomendación de la Estratificación o como se conoce comúnmente «la cascada de protección» cuya premisa puede resumirse de la siguiente manera:
el voltaje remanente de la acción de protección del supresor debe ser mitigado o suprimido por un segundo supresor instalado aguas abajo
Y esta condición debe considerarse de acuerdo a la criticidad y sensibilidad de los equipos que deseo proteger o que se encuentren aguas abajo en mi sistema.
Cuando un cliente nos pregunta ¿Cómo empezamos? mi respuesta siempre es, primero debemos decidir «que equipos nos interesa proteger» y he encontrado que la respuesta a esta pregunta puede tener diferentes perspectivas, como por ejemplo «este modelo está descontinuado, si se quema la tarjeta toda la máquina queda obsoleta, necesitamos que trabaje unos años más», o el otro extremo «esta máquina tiene una tarjeta por cada uno de sus ocho módulos, cada una vale 5000 euros y estará parada los 2 meses que demora en llegar», o «este es el equipo donde más incidencias se han reportado» o simplemente «este equipo es crítico y tenemos el presupuesto para protegerlo ahora». Todos los argumentos son válidos.
Bueno pues, cuando ya tenemos claro qué equipos protegeremos, el segundo paso clave es «determinar las fuentes de contaminación del sistema que afectan los equipos que quiero proteger», es decir, «necesito aislar mis equipos críticos». Por ejemplo, uno de los principales generadores de transitorios son los VDFs, con un supresor instalado en el interruptor principal de la máquina me puede servir también como primera etapa de protección para mis equipos de control aguas abajo. Un segundo supresor instalado aguas abajo en la parte de control brindará una protección más completa.
Como puedes ver, el enfoque de etapas evita que los transitorios de alta energía como los generados externamente o internamente (como consecuencia de entrada o salida de cargas considerables o las etapas de compensación del banco de condensadores, o cargas resistivas como hornos) dañen los componentes y aseguran que los transitorios tipo ring wave (oscilatorios), rápidos y de baja magnitud no degraden o desprogramen las operaciones de los microprocesadores aguas abajo,
PROTECCIÓN ESTRATIFICADA EN PALABRAS SIMPLE
Para explicar esto siempre utilizo la siguiente analogía:
Hay una puerta principal para el ingreso de visitas a una planta, y en ella se encuentra un agente de seguridad quien nos pedirá nuestro documento de identidad y solicitará el permiso para nuestro ingreso.
Al ingresar a planta debemos conducirnos solo por donde nos autorizan, no podemos ingresar a áreas como por ejemplo la subestación o el CCM, sino que la persona que visitamos nos autoriza o gestiona el permiso, luego de corroborar nuestro seguro de riesgo.
Finalmente, en caso de entrar al CCM, no podremos desconectar ningún interruptor, a menos que hayamos pasado los filtros y sea un trabajo coordinado.
La protección en cascada funciona de la misma manera. así como yo decido a quien dejo entrar a mis instalaciones, yo decido si le permito ingresar solo hasta la recepción, o hasta mi oficina o si dejo que llegue hasta mi subestación, yo decido si le permito que apague el interruptor principal y detenga las líneas de producción.
YO DECIDO también si permito que mis equipos se dañen o desprogramen por los transitorios generados externa o internamente. No solo protejo potencia, también protejo el control.
TPS, garantías integrales de 15 hasta 30 años, voltajes residuales mínimos, menos desprogramaciones y máquina parada, protección garantizada…
YO DECIDO