21 Novembre 2018  |  Électrotechnique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 09/2018

L’armoire de commande optimale

Les exigences actuelles concernant les armoires de distribution ou de commande relèvent de la quadrature du cercle. Étant donné qu’il est presque impossible de satisfaire toutes les exigences de façon optimale, les compromis sont obligatoires.

À l’ère de la miniaturisation accrue et de la structure toujours plus compacte des composants, des systèmes et des installations, deux aspects sont cruciaux dans le domaine des armoires de commande: réduire autant que possible l’encombrement, gérer la densité de tassement élevée. D’autre part, il faut prendre en compte différents paramètres physiques, qui influencent considérablement l’efficacité énergétique et la durée de vie des composants.
 
Évacuation de la chaleur par un courant de circulation.
 
 
Densité de tassement élevée, zones à problèmes thermodynamiques
L’électronique industrielle est en général particulièrement robuste. Elle résiste aux vibrations, aux tests d’oscillation et de choc. Les composants modernes peuvent être conçus simplement, afin d’éviter les infiltrations d’humidité. En revanche, la chaleur est le plus grand ennemi de l’électronique.
Un rendement supérieur à 80 %, voire 90 %, est la norme pour les appareils et machines électriques et électroniques actuels. On peut donc réaliser aujourd’hui des structures compactes et denses, car l’encombrement par watt installé est de moins en moins important.
À l’instar des techniques d’éclairage LED éprouvées, l’efficacité énergétique est certes très importante grâce au rendement élevé, mais la chaleur se concentre dans une zone restreinte et peut atteindre des valeurs critiques. La structure compacte entraîne cependant une réduction de la surface, ce qui limite l’évacuation de la chaleur et augmente le risque de nids de chaleur et de points chauds, risque qui s’accroît lorsque la densité de tassement est plus importante.
 
Réduction des zones de turbulences par une densité de tassement allégée.
 
 
Le système de câblage sans conduit
Au début des années 1970, Lütze a créé et commercialisé le système de câblage sans conduit LSC. Déjà à cette époque, un gain de place considérable, atteignant 30 % grâce à l’absence de conduits de câbles, ainsi que l’amélioration de la convection naturelle grâce à la réduction des zones de turbulences, représentaient des avantages considérables. La répartition claire avec une face de montage et une face réservée au câblage et au passage des câbles était une autre propriété thermodynamique importante des systèmes de câblage sans conduit.
 
Circulation optimale de l’air grâce aux profilés courbés.
 
 
Un courant de circulation favorisant la convection naturelle
L’alliance pour l’innovation «Green Carbody Technologies» du groupe Volkswagen avait pour objectif de réduire à l’avenir la consommation d’énergie lors de la fabrication des véhicules. Dans le cadre d’une association de spécialistes, dont Lütze était chef de file, des études ont également été menées sur les armoires de commande dans le but d’optimiser l’efficacité énergétique.
Des analyses, essais de terrain et simulations, avec le soutien de l’université de Stuttgart et de l’Institut Frauenhofer, l’ont clairement démontré: la combinaison d’une répartition claire entre une partie avant (montage/composants) et une partie arrière (câblage/passage de câbles) d’une part, ainsi que l’absence de conduits de câbles à l’horizontale, d’autre part, permet d’obtenir un véritable courant de circulation, qui favorise la convection naturelle. Cet effet positif, qui est mesurable, agit également sans refroidissement actif. Avec une climatisation, l’efficacité du refroidissement augmente également de façon mesurable.
 
Un refroidissement ciblé avec le système AirBLADE.
 
 
Un gain d’espace, et maintenant ?
Une densité de tassement élevée dans un boîtier de taille réduite exige cependant une puissance de refroidissement plus importante, plus coûteuse et ayant un impact négatif sur l’efficacité énergétique. Grâce au positionnement ciblé des importantes charges thermiques à proximité de l’arrivée d’air frais, il est certes possible de limiter les problèmes thermodynamiques, mais pas de les éliminer complètement. Cela vaut également lorsque le placement des composants est optimisé en fonction des pertes.
Le concepteur de matériel peut cependant adopter la démarche inverse: utiliser au moins une partie de l’espace gagné pour une densité de tassement allégée, afin d’éviter ou de réduire les zones de turbulences. La convection naturelle est donc favorisée ou en tout cas, les obstacles sont limités et la puissance de refroidissement peut être réduite.
 
Rapport entre la perte de puissance et la puissance de refroidissement.
 
 
La deuxième génération des systèmes de câblage sans conduit
Les avantages des systèmes de câblage sans conduit prennent un nouvel élan avec la deuxième génération, le système breveté Lütze AirSTREAM. Les profilés courbés augmentent la résistance à la torsion, ce qui permet, sans efforts supplémentaires, de monter des composants plus lourds et plus grands sur le rail DIN. En outre, les composants installés sont parfaitement ventilés par le flux d’air de refroidissement.
Les composants ayant des pertes importantes et une dissipation de chaleur élevée, comme les convertisseurs de fréquence ou les blocs d’alimentation, sont indispensables pour assurer le fonctionnement à long terme des armoires de commande. Ces composants, critiques du point de vue thermique, peuvent cependant être utilisés aujourd’hui par le constructeur de l’armoire de commande, facilement et de façon ciblée pour le refroidissement, ce qui permet d’augmenter considérablement la durée de vie (MTBF) et l’efficacité. Avec le système AirBLADE, une partir du flux d’air est dévié directement vers les composants dont les pertes sont les plus importantes.
 
Répartition homogène de la chaleur avec le système AirBLOWER.
 
 
Une climatisation est-elle nécessaire ?
Des études et simulations ont également démontré qu’à partir d’une perte supérieure à 600 W, un appareil de refroidissement actif est indispensable, peu importe que l’armoire de commande soit autonome ou montée en paroi. Mais le type de climatisation, la puissance et l’emplacement de l’installation (latéral, frontale ou au-dessus), c’est une autre question. Il faudrait effectuer des analyses plus approfondies pour définir si une densité de tassement allégée et l’absence de zones mortes de circulation permettent de ne pas utiliser de climatisation.
 
Améliorer la convection au moyen d’un ventilateur
Cependant, dans de nombreuses situations, il peut suffire d’améliorer la convection au moyen d’un ventilateur de circulation d’air, comme le système AirBLOWER, par exemple. Ce ventilateur de faible puissance, placé dans la partie supérieure de l’armoire de commande, aspire l’air chaud et le propulse à l’arrière vers le bas, générant ainsi un flux de circulation continu.
Des mesures effectuées ont démontré que l’utilisation d’un tel système, facile à installer, peut réduire la température moyenne dans l’armoire de commande de 10 °C, ce qui suffit déjà dans de nombreux cas. Étant donné que seul l’air à l’intérieur se déplace de façon contrôlée et qu’aucun air externe n’est aspiré, ces armoires peuvent être construites de façon compacte, avec un indice de protection IP67. Par conséquent, elles sont particulièrement adaptées pour des applications dans des domaines où l’hygiène est crucial (alimentation, médecine, p. ex.), nécessitant un nettoyage régulier.
 
Des compromis nécessaires
Les défis pour les concepteurs de matériels ou les constructeurs d’armoires de commande sont immenses, mais sont diamétralement opposés à certaines exigences. Pour concevoir et construire une armoire de commande idéale, les compromis sont donc nécessaires. La tâche consiste à définir sur quels aspects les compromis doivent être faits. Avec les systèmes de câblage sans conduit, on bénéficie au minimum d’un avantage en termes d’espace et de zones à problèmes thermodynamiques.
 
Lütze AG
8854 Siebnen
Tél. 055 450 23 23
www.luetze.ch


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