Obtenir les meilleures performances des alimentations AC/DC dans des environnements difficiles
Introduction
Les alimentations AC/DC se retrouvent dans des applications où l'énergie doit être convertie depuis le réseau électrique AC vers des charges nécessitant une tension ou un courant DC fixe ou variable. Bien que ces équipements possèdent peu de connexions d'entrée et de sortie, les ingénieurs ont souvent du mal à obtenir des performances fiables dans leurs environnements spécifiques. Les problèmes peuvent provenir de la qualité de la source AC, des contraintes de refroidissement, du câblage de commande, de la qualité de l'air ou de la compréhension du produit de conversion d'énergie par l'utilisateur. Cet article décrit certains pièges courants et fournit des indications pour obtenir les performances maximales dans des applications spécifiques.
Qualité de la ligne électrique
Réseau AC
Le raccordement d'une alimentation AC/DC au réseau électrique est, étonnamment, une source courante de problèmes. Les tensions du réseau varient dans différentes régions du monde, allant de 200 VAC au Japon à 696 VAC aux Pays-Bas. La fréquence du réseau varie également entre 50 et 60 Hz, mais avec les alimentations à découpage actuelles, la fréquence a généralement peu d'effet sur les performances.
Chaque année, Magna-Power Electronics reçoit des appels de support signalant que l'alimentation d'un client a subi une défaillance en raison d'un raccordement à une mauvaise tension de réseau AC. La lecture de l'étiquette de spécifications sur le panneau arrière de l'alimentation et la mesure de la tension appliquée peuvent prévenir des défaillances catastrophiques et coûteuses.
La qualité de l'énergie, ou la pureté de la tension appliquée à l'alimentation, peut être à l'origine de comportements surprenants. Les systèmes de distribution d'énergie, avec leurs transformateurs et impédances de distribution associés, peuvent produire des chutes ou des surtensions avec d'autres charges sur le réseau électrique ; ces charges peuvent faire circuler des courants harmoniques et exciter des résonances entre les composants inductifs et capacitifs. Les alimentations industrielles avec des formes d'onde à 6 impulsions présentent de fortes composantes harmoniques de rang 5 et 7. Les sources d'énergie renouvelable avec leurs équipements de conversion d'énergie associés peuvent également affecter la tension appliquée à une alimentation.
Les harmoniques, comme décrit ci-dessus, et les transitoires de tension sur le réseau AC peuvent endommager l'étage d'entrée du circuit de conversion d'énergie. Les transitoires de tension peuvent être supprimés à l'aide de varistances ou d'autres dispositifs d'écrêtage de tension, mais ces dispositifs ont également leurs limites ; ils ne peuvent absorber qu'une quantité limitée d'énergie. Les harmoniques du réseau peuvent être plus destructrices car ces excursions de tension se produisent sur des périodes plus longues. Pour surmonter ces types de problèmes, Magna-Power Electronics utilise des composants d'entrée dimensionnés à 1600V. Cette tension nominale est suffisante pour résister à la plupart des conditions du réseau électrique, à l'exception des coups de foudre.
La rotation de phase est la relation de phase des tensions de ligne d'une source d'alimentation triphasée. Bien qu'il existe des normes, les relations de phase dans les installations industrielles peuvent varier. Avec un phasage incorrect, les moteurs peuvent tourner en sens inverse et les alimentations utilisant des SCR peuvent présenter des défauts d'amorçage. Les équipements modernes de traitement de puissance à SCR contournent les problèmes de circuits d'amorçage des SCR en détectant et en corrigeant les variations de rotation de phase.
Mise à la terre
Les problèmes de mise à la terre sont fréquemment rencontrés dans les installations industrielles. La mise à la terre correcte est mal comprise par de nombreux électriciens et, dans de nombreux cas, des connexions de terre non contiguës peuvent fréquemment être constatées. L'objectif principal de la mise à la terre de l'alimentation est la sécurité et la suppression des EMI. La mise à la terre place le boîtier de protection à un différentiel de tension sûr, ou proche de zéro, par rapport à tout équipement environnant. À l'intérieur de l'alimentation, une connexion de terre est utilisée avec des filtres EMI pour détourner les composantes haute fréquence du courant des connexions d'entrée et de sortie et les maintenir dans les limites du boîtier de l'alimentation.
Selon le code électrique et du point de vue de la sécurité, il ne devrait y avoir qu'une seule connexion à la terre ; la connexion de terre doit être réalisée à l'entrée électrique du bâtiment, à l'emplacement des équipements de comptage. C'est à ce point que la terre et le neutre sont connectés ensemble et qu'un piquet de terre est enfoncé dans le sol. Si l'équipement de l'installation est correctement câblé, seul un faible courant devrait circuler dans le chemin de terre. En cas de coup de foudre, l'ensemble de l'installation s'élève au même potentiel de tension, protégeant ainsi les objets et le personnel contre les différentiels de tension dangereux.
Malheureusement, tous les systèmes électriques ne sont pas câblés conformément aux normes et un problème courant est que les terres utilisées pour les ordinateurs et les équipements d'instrumentation ne sont pas au même potentiel de tension que les équipements de puissance. Bien que les alimentations Magna-Power Electronics tentent de s'adapter à de telles conditions, une mauvaise connexion de terre entre l'équipement de l'utilisateur et l'équipement de puissance peut parfois provoquer un comportement anormal de l'alimentation. Le problème le plus courant est la perte de communication entre l'alimentation et l'équipement informatique. Dans la plupart des cas, la liaison équipotentielle entre l'équipement d'interface utilisateur et l'alimentation corrige ce problème.
Certaines applications nécessitent une connexion à des circuits de surveillance ou de commande externes. La plupart des alimentations, sinon toutes, possèdent des circuits d'erreur et de rétroaction référencés aux bornes de sortie. Sans isolation appropriée, comme des isolateurs optiques, des boucles de masse peuvent se développer si les circuits externes et la charge de l'alimentation sont mis à la terre. Des erreurs de commande peuvent survenir si les circuits externes sont mis à la terre et que la charge de l'alimentation est laissée flottante. Dans ce cas, les EMI conduites sont dirigées vers les conducteurs de terre des circuits externes.
Magna-Power Electronics a contourné de nombreux problèmes de mise à la terre en plaçant l'ensemble de sa commande à un potentiel proche de la terre. La référence de terre est établie par la connexion d'une résistance et d'un condensateur connecté en parallèle. Ces composants permettent à l'alimentation et aux circuits externes connectés d'être protégés contre les environnements de mise à la terre déficients tout en fournissant une impédance adaptée à la suppression des EMI.
Même avec un système électrique correctement mis à la terre, des problèmes peuvent survenir lorsqu'une source d'EMI crée un potentiel de tension dans le circuit de mise à la terre. L'impédance du circuit de mise à la terre augmente avec la fréquence et la source d'EMI, selon son emplacement dans le système électrique, peut introduire des tensions entre les circuits de surveillance et de commande externes. Comme pour les conditions de mise à la terre déficientes, la liaison équipotentielle de l'équipement externe à l'alimentation atténue ces problèmes de bruit électrique.
Environnement
Les alimentations contiennent des composants générateurs de chaleur : transformateurs, inductances, semi-conducteurs de puissance, et autres. Quelle que soit leur efficacité, tous ces composants nécessitent un refroidissement. Les alimentations de plus petite taille reposent parfois sur la convection naturelle, mais les équipements plus importants nécessitent un refroidissement à air forcé ou par eau. Les unités refroidies par eau sont idéalement adaptées aux applications avec une mauvaise qualité d'air ou aux installations en rack haute densité qui ne peuvent pas satisfaire les exigences de débit d'air. Les problèmes de refroidissement introduits par l'utilisateur sont la cause dominante des retours pour défaillance sur site chez Magna-Power Electronics.
Refroidissement par air
Pour les alimentations nécessitant un refroidissement par air forcé, des problèmes thermiques peuvent résulter de l'obstruction des ouvertures de ventilation, d'une mauvaise qualité de l'air et de restrictions d'air dans les armoires. L'obstruction des ouvertures de ventilation peut évidemment provoquer une défaillance de l'équipement. La mise en place de capteurs thermiques sur les composants critiques peut aider à détecter ce type d'abus, mais il y a une limite à ce qui est pratiquement réalisable. Éviter les obstructions de la ventilation du boîtier assure la durée de vie de l'équipement telle que prévue par le fabricant.
Le placement d'une alimentation dans une armoire d'équipement peut également engendrer des problèmes thermiques. Le flux d'air interne à l'alimentation nécessite le même débit d'air à l'intérieur de l'armoire. L'auto-échauffement des armoires d'équipement est un problème courant. Un mauvais emplacement des bouches d'admission et d'évacuation peut entraîner un réchauffement continu de l'air chaud qui n'est jamais évacué vers l'extérieur. Une approche prudente du refroidissement des armoires d'équipement consiste à placer les bouches d'admission en bas de l'armoire et des ventilateurs, de débit identique en pieds cubes par minute, en haut de l'armoire. Pour minimiser la pression des ventilateurs et les restrictions d'air, les ouvertures de ventilation en bas de l'armoire doivent être égales à celles du haut.
Un environnement avec une mauvaise qualité d'air finit généralement par atteindre l'intérieur du boîtier de l'alimentation. Les circuits imprimés sont conçus pour supporter des tensions parfois de l'ordre de plusieurs milliers de volts. Des couches de poussière, de peinture et d'autres particules peuvent provoquer des claquages électriques. La mise en place de filtres à air dans l'armoire pour purifier l'air entrant peut minimiser ce problème, mais un nettoyage inadéquat de ces filtres en crée un autre. Il n'existe pratiquement aucun bon compromis entre une mauvaise qualité de l'air et les problèmes de filtration. Dans des conditions environnementales extrêmement défavorables, sceller l'alimentation et utiliser le refroidissement par eau est la meilleure alternative pour la gestion thermique et l'obtention d'un fonctionnement fiable.
Refroidissement par eau
Le refroidissement par eau dans des environnements difficiles peut résoudre de nombreux problèmes d'application. Magna-Power Electronics utilise des capteurs thermiques pour contrôler le débit d'eau afin de prévenir la condensation dans les ensembles de dissipateurs thermiques. Le respect des spécifications du fabricant en matière de température de l'eau, de débit et de pression est essentiel au bon fonctionnement des équipements refroidis par eau.
L'eau chaude sortante peut être refroidie à l'aide d'échangeurs de chaleur, eau-air ou eau-eau, dans un système en boucle fermée ou évacuée dans un système en boucle ouverte.
Connexions utilisateur
Connexions de commande et de surveillance
De nombreuses applications nécessitent des équipements externes pour la surveillance et la commande des paramètres de l'alimentation. En plus de s'assurer que les connexions électriques ne dépassent pas les caractéristiques nominales du fabricant, le placement des câbles peut être critique. Les tensions et courants présents aux bornes d'entrée et de sortie des alimentations AC/DC contiennent des composantes haute fréquence sous forme de transitoires, d'EMI et d'harmoniques. Le placement de câbles de commande et de surveillance parallèlement aux câbles de puissance peut produire des résultats imprévisibles. Il est recommandé que tout câble de commande ou de surveillance soit acheminé séparément, dans son propre conduit métallique, si possible.
Connexions de mesure à distance
La régulation de la tension ou du courant de sortie dépend de l'échantillonnage du paramètre de sortie souhaité et de son ajustement par rapport à une référence comparative. Les paramètres de référence et d'échantillonnage de sortie peuvent tous deux être externes à l'alimentation. La mesure à distance de la tension de sortie est couramment utilisée pour minimiser la chute de tension dans les conducteurs connectés à la charge. Correctement utilisée, la mesure à distance fournit une régulation supérieure au point de charge.
La commutation des connexions de mesure à distance ou la configuration de l'alimentation pour la mesure à distance sans connecter les fils de mesure à distance est une configuration courante, mais mal appliquée. Une alimentation fonctionnant sans échantillonner un paramètre de sortie peut endommager les composants de sortie de l'alimentation ou endommager la charge. Sans paramètre de sortie à contrôler, le circuit de rétroaction pousse la tension ou le courant de sortie à son maximum. La sortie maximale non régulée peut dépasser les caractéristiques nominales de sécurité des composants de l'alimentation.
Une méthode courante pour résoudre ce problème potentiel consiste à ajouter des résistances entre les bornes de sortie et les bornes de mesure à distance. Configurer une alimentation pour la mesure à distance et retirer les fils de mesure à distance provoque une légère élévation de la tension de sortie au-dessus des conditions nominales. L'écart au-dessus des conditions nominales est fonction des résistances de mesure locale internes à l'alimentation.
Des complications liées à la mesure à distance peuvent survenir lorsque les fils de mesure à distance et de puissance sont commutés. La figure 1 montre une application système courante et mal configurée ; les bornes de sortie sont définies comme VO+ et VO- et les bornes de mesure de tension sont définies comme VS+ et VS-. Cette configuration est déployée pour commuter les fils de puissance et de mesure à distance vers différentes charges en utilisant la même alimentation. Les circuits de rétroaction électroniques sont généralement plus rapides que la commutation des relais mécaniques et des contacteurs et, pendant l'instant de commutation, l'alimentation fonctionne sans mesure de la sortie. Un autre problème avec cette configuration est le fonctionnement de l'alimentation avec uniquement le circuit de mesure connecté, le relais K2 activé et le relais K1 désactivé. Cela court-circuite virtuellement les connexions des fils de mesure à travers la charge. Cela entraîne le placement des résistances de protection, R1 et R2, en série avec la charge lorsque l'alimentation fonctionne à son maximum.
Magna-Power Electronics utilise une approche alternative pour la protection de la mesure à distance, mais elle présente également certains inconvénients. Comme illustré à la figure 2, la tension de mesure à distance, VSX+ moins VSX-, est testée au début du cycle de mise sous tension par une commutation électronique interne à l'alimentation. L'alimentation utilise la mesure locale au début du cycle de mise sous tension. Elle est ensuite rapidement commutée, plus vite que la réponse du système de rétroaction, vers les bornes de mesure à distance pour déterminer si les fils de mesure à distance sont connectés à la charge. Si une tension est présente, l'alimentation reste en configuration de mesure à distance ; sinon, la connexion de mesure locale est rétablie. Ce dispositif fonctionne bien, sauf dans le cas où un utilisateur commute ou retire les connexions de mesure à distance après le cycle de mise sous tension.
Conditions de charge abusives
Ondulation du courant de sortie
Les alimentations AC/DC possèdent normalement des condensateurs connectés entre les bornes de sortie de l'alimentation. Ces condensateurs fournissent un chemin de dérivation pour réduire les courants AC indésirables produits pendant le processus de conversion d'énergie. Ces condensateurs possèdent une résistance série interne et, lorsqu'ils sont soumis à des courants AC, produisent des pertes de puissance entraînant un échauffement.
Le maintien des courants dans les condensateurs dans des limites tolérables peut devenir problématique si les courants AC de la charge s'ajoutent à ceux générés par l'alimentation. De telles conditions peuvent être créées avec une charge de type commutation, comme un convertisseur abaisseur, connectée aux bornes de sortie de l'alimentation. Comme illustré à la figure 3, l'alimentation absorbera une composante du courant AC de charge en fonction du rapport des résistances série internes, R1 et R2, des condensateurs C1 et C2.
Fonctionnement en court-circuit répétitif
Comme pour l'ondulation excessive du courant de sortie, les condensateurs de sortie, en particulier de type électrolytique aluminium, peuvent être endommagés par le court-circuitage des bornes de sortie de l'alimentation. Le courant de crête est limité uniquement par la résistance série interne des condensateurs de sortie plus l'impédance des câbles de raccordement. L'énergie stockée dans le condensateur est libérée sous forme de chaleur dans le condensateur ; le court-circuitage répétitif des bornes de sortie peut entraîner une dégradation ou une défaillance catastrophique. Les condensateurs à film, tels que ceux utilisant un film de polypropylène, présentent des facteurs de dissipation plus faibles et peuvent tolérer plus de contraintes que les condensateurs électrolytiques aluminium, mais ces condensateurs ont des capacités nominales plus faibles pour une taille donnée, ce qui compromet les performances de filtrage. Le compromis entre les performances d'ondulation de sortie et un fonctionnement fiable en court-circuit répétitif est une contrainte de conception.
Tension de retour
Les alimentations DC sont fréquemment connectées à des charges possédant leur propre source d'énergie ou à des charges produisant des tensions et des courants dépassant les caractéristiques nominales de l'alimentation. Des exemples typiques sont les charges de batteries, les moteurs DC et les contrôleurs de moteurs ; ces charges sont capables d'un flux bidirectionnel.
La connexion d'une batterie aux bornes de sortie de l'alimentation peut provoquer une charge rapide des condensateurs de sortie et produire un courant de sortie excessif. Comme illustré à la figure 4, le placement d'une diode série, D1, entre la sortie de l'alimentation et la batterie empêche la tension d'être renvoyée vers les bornes de sortie de l'alimentation. La configuration de l'alimentation pour la mesure à distance au niveau de la charge élimine le décalage de tension de la diode. De plus, la diode empêche la décharge de la batterie à travers l'alimentation lorsque celle-ci est hors tension. Les alimentations AC/DC possèdent typiquement des résistances de décharge aux bornes des condensateurs de sortie pour évacuer toute charge stockée lorsque l'alimentation est hors tension.
Les combinaisons de moteurs DC et de contrôleurs de moteurs peuvent renvoyer des tensions en tentant de régénérer de l'énergie. Si l'alimentation ne peut pas dissiper l'énergie, sa tension de sortie flotte à la tension produite par le moteur ou le contrôleur. Le placement d'une diode, comme décrit précédemment, protège la sortie de l'alimentation contre un dépassement de sa tension nominale.
Tension inverse
La plupart des alimentations AC/DC utilisent une diode ou un circuit redresseur synchrone dans l'étage final de traitement de la puissance de sortie. Ces composants limitent la tension de sortie à quelques volts en sens inverse. Charger une alimentation pour produire une tension inverse ne présente généralement aucun problème de fiabilité pour l'étage de sortie, y compris les condensateurs électrolytiques aluminium, tant que les courants de sortie restent dans les limites nominales de l'alimentation. L'application d'une source de tension inverse, telle qu'une batterie, peut endommager les semi-conducteurs de puissance de sortie si les courants dépassent les valeurs nominales. Comme illustré à la figure 5, la protection contre la tension inverse peut être réalisée à l'aide d'un fusible DC à action rapide connecté en série, F1, et d'une diode, D1, dont la capacité de surcharge dépasse le i2t du fusible. Avec ce schéma de protection, une connexion en tension inverse fera fondre le fusible en forçant le courant à travers la diode de protection.
