Protección para Sistemas HVAC
Introducción
La creciente dependencia actual de equipos electrónicos sensibles convierte a la protección contra sobretensiones en un tema importante para la mayoría de las industrias. Un estudio del Insurance Institute for Business & Home Safety reveló que se perdieron 26.000 millones de dólares debido a sobretensiones eléctricas no causadas por rayos. Además, cada año se producen unos 25 millones de rayos en Estados Unidos, los cuales generan pérdidas de entre 650 y 1.000 millones de dólares, según datos del Insurance Information Institute y State Farm©.
La última versión de la norma NEC/NFPA 70 (edición 2026 o NEC 2026) ha puesto un mayor énfasis en mejorar la seguridad del personal al exigir el uso de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD, por sus siglas en inglés).
Entre 2014 y 2020, aumentó considerablemente el número de artículos de la norma que requieren SPD para aplicaciones que abarcan desde centros de datos modulares, bombas contra incendios, ascensores y sistemas de energía crítica hasta diversos tipos de edificaciones (residencias estudiantiles, viviendas, hospitales, hoteles, etc.). Este artículo se centrará en la protección de las unidades HVAC (entradas y salidas de variadores de frecuencia —VFD— y sistemas de comunicación), consideradas sistemas de energía crítica según lo definido en el Artículo 708 de la norma NFPA 70.
¿Qué son los Sistemas de Energía para Operaciones Críticas (COPS)?
Según lo establecido en el Artículo 708, los Sistemas de Energía para Operaciones Críticas (COPS, por sus siglas en inglés) pueden ser clasificados mediante códigos municipales, estatales, federales o de otro tipo por cualquier agencia gubernamental con jurisdicción, o bien mediante documentación de ingeniería de la instalación que justifique la necesidad de dicho sistema. Estos sistemas incluyen, entre otros, los sistemas de energía, climatización (HVAC), alarma contra incendios, seguridad, comunicaciones y señalización para las áreas designadas de operaciones críticas.
El Artículo 708.2 define además cómo el usuario final puede determinar si el sistema califica como un COPS.
Categoría | Artículo 708.2 Definiciones |
|---|---|
Sistemas de Energía para Operaciones Críticas (COPS) | "Sistemas de energía para instalaciones o partes de instalaciones que requieren funcionamiento continuo por motivos de seguridad pública, gestión de emergencias, seguridad nacional o continuidad de las operaciones comerciales." |
Áreas de Operaciones Críticas Designadas (DCOA) | "Áreas dentro de una instalación o emplazamiento designadas como zonas que requieren energía para operaciones críticas." |
Control de Supervisión y Adquisición de datos (SCADA) | "Sistema electrónico que proporciona supervisión y control para el funcionamiento del sistema de energía para operaciones críticas. Esto puede incluir el sistema de alarma contra incendios, el sistema de seguridad, el control de climatización (HVAC), el arranque, la parada y la supervisión de las fuentes de alimentación y del sistema de distribución eléctrica, así como equipos de señalización y comunicación dirigidos al personal de emergencia, a los ocupantes de la instalación y a los operadores remotos." |
Entrada de Alimentación del Variador de Frecuencia (VFD)
La entrada principal de CA es el punto clave para proteger el variador contra sobretensiones y picos de voltaje. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) pueden instalarse en el panel de desconexión principal, fuera del sistema HVAC o dentro del propio sistema HVAC (generalmente instalados por el fabricante del equipo original u OEM).
Existen múltiples voltajes de entrada de CA para los VFD, pero los modelos más comunes operan en redes trifásicas sin neutro, divididas en tres rangos de voltaje: de 120 V CA a 240 V CA, y de 277 V CA a 480 V CA. A continuación, se presentan los protectores contra sobretensiones más utilizados:
DPS de Montaje en Superficie Recomendados para el panel de Desconexión Principal
Ubicación | Sistema | Modelo de DPS | Enlance |
|---|---|---|---|
Entrada CA | 277 to 480 V ca (3W+G) |
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Entrada CA | 120 to 240 V ca (3W+G) |
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DPS Recomendados para Montaje en Riel DIN para la Entrada de Variadores de Frecuencia (VFD)
Ubicación | Sistema | Modelo de DPS | Enlance |
|---|---|---|---|
Entrada ca de VFD | 120 to 240 V ca (3W+G) |
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Entrada ca de VFD | 277 to 480 V ca (3W+G) |
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Salida de Potencia del Variador de Frecuencia (VFD)
La salida de potencia de CA del variador hacia el motor opera al mismo voltaje que la entrada del VFD; únicamente varía la frecuencia. Es evidente la exposición a transitorios provenientes de la instalación (campo). Sin embargo, la salida del VFD suele pasarse por alto al considerar la protección contra sobretensiones, principalmente debido a la presencia de sobretensiones temporales (TOV). Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) convencionales basados en varistores de óxido metálico (MOV) no ofrecen la robustez necesaria para soportar estos eventos. Por ello, se recomiendan encarecidamente las soluciones híbridas (como las tecnologías «/G» o «VG» de CITEL). A continuación, se presentan los protectores contra sobretensiones habituales:
Ubicación | Sistema | Modelo de DPS | Enlance |
|---|---|---|---|
Salida CA de VFD | 120 to 240 V ca (3W+G) |
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Salida CA de VFD | 277 to 480 V ca (3W+G) |
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Puertos de Comunicación de Variadores de Frecuencia
Categoría | Artículo 708.14 Cableado de sistemas de HVAC, alarma contra incendios, seguridad, comunicaciones de emergencia y señalización. |
|---|---|
Sistemas de Energía para Operaciones Críticas (COPS) | "Se deberá instalar un protector primario certificado en todos los circuitos de comunicaciones. Se deberán instalar protectores secundarios certificados en los terminales de los circuitos de comunicaciones." |
La frecuencia de salida del variador debe responder a la necesidad real de que el motor funcione a mayor o menor velocidad. Esta información es suministrada al variador de frecuencia (VFD) por un PLC, el cual actúa como interfaz entre los distintos sensores de campo y el variador de velocidad. Tradicionalmente, la comunicación entre el VFD y el PLC se realizaba mediante tres protocolos principales: RS485, CAN Bus y Modbus. Hoy en día, la implementación mediante cables Ethernet con conectores RJ45 resulta mucho más eficiente.
A continuación, se presentan los protectores contra sobretensiones más utilizados:
Ubicación | Sistema | Modelo de DPS | Enlance |
|---|---|---|---|
VFD Cable de par Trenzado | RS485, CAN Bus, Modbus |
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VFD Puerto Ethernet | RJ45 hasta CAT6A |
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Gabinete de control con PLC
El PLC, que actúa como el cerebro principal del sistema, suele instalarse dentro de un panel con certificación UL 508A e interactúa con una gran variedad de equipos de la instalación. Aunque habitualmente se alimenta mediante redes de corriente alterna (CA) monofásicas convencionales, los modelos de última generación también admiten alimentación a través de PoE (Power over Ethernet). Gracias a la información (datos de E/S) recibida de los distintos sensores de la máquina o desplegados en campo (sensores o transductores de presión, temperatura, velocidad, etc.), el PLC transmite dicha información al variador de frecuencia (VFD) para ajustar, por ejemplo, la velocidad de un motor (ya sea para bombear más o menos agua, regular la velocidad de una cinta transportadora, mover el brazo de un robot, etc.).
