Modules tampons à condensateurs : une solution de relais rapide et fiable en cas de coupures de courant continu de courte durée

Cet article analyse les exigences techniques, les critères de sélection et les limites d’application des modules tampons à l’aide d’exemples d’applications.

Les coupures de courant représentent un risque significatif pour la continuité opérationnelle des systèmes électriques. En Allemagne, selon l’indice SAIDI (System Average Interruption Duration Index), l’indisponibilité moyenne de l’énergie électrique est de 12,2 minutes* par consommateur final par an (donnée de 2022). En comparaison, la valeur correspondante aux États-Unis est de 125,7 minutes**.

Les raisons de ces interruptions sont variées et vont d’impacts liés aux intempéries, tels que charges de glace et foudre, à des défauts techniques au niveau de la transmission et de la distribution, voire même à des interventions délibérées dans la structure du réseau sous forme de sabotage ou de cyber-attaques.

En particulier dans les applications industrielles, des coupures de tension même brèves du côté DC peuvent entraîner des perturbations significatives : arrêts de système imprévus, perte de données dans les automates programmables industriels (API), erreurs temporelles dans les contrôleurs de disque, ainsi que contraintes thermiques et mécaniques causées par des arrêts incontrôlés des charges.

Pour protéger les consommateurs DC critiques, des alimentations sauvegardées (DC-UPS) et modules tampons sont donc utilisés. Ils peuvent généralement être répartis en deux catégories :

Modules tampons basés sur condensateurs pour pontage de court terme dans la plage des millisecondes
Systèmes DC-UPS basés sur batteries pour des plages de tamponnage plus longues de l’ordre des minutes ou des heures

Cet article de blog est le premier d’une série de deux qui explore les spécifications techniques, les facteurs de prise de décision et les limites opérationnelles des modules tampons via des scénarios d’application réels. Dans l’article suivant, nous nous pencherons davantage sur les solutions DC-UPS et leur rôle pour la fiabilité de courant de longue durée.

« Même des coupures de courant brèves des systèmes DC industriels peuvent entraîner des perturbations coûteuses. PULS garantit la fiabilité à l’aide de modules basés sur condensateurs pour le tamponnage de court terme et de système DC-UPS pour la résilience de long terme. »

Peter HuberIngénieur d’application senior | Auteur de cet article de blog

Modules tampons basés sur condensateurs : pontage fiable de coupures de courant de millisecondes

Les coupures de courant et fluctuations de tension de court terme, souvent de quelques millisecondes seulement, peuvent avoir un impact considérable sur les systèmes industriels. Alors que les alimentations électriques industrielles standard incluent un condensateur de maintien intégré qui ponte habituellement les coupures de 25 à 50 millisecondes, ceci n’est pas toujours suffisant pour les applications sensibles.

Pour étendre le temps de tampon, les modules tampons basés sur condensateurs avec condensateurs électrolytiques offrent une solution idéale. Ces modules sont :

Optimisés pour le pontage de coupures de courant allant jusqu’à 200 millisecondes sous la charge nominale
Compacts, sans entretien et faciles à installer
Conçus pour des grandes plages de température et une longue durée de vie (typiquement plus de 10 ans)

La durée de pontage pendant une coupure de courant est directement déterminée par l’énergie stockée dans le condensateur, qui dépend de la tension et de la capacité du condensateur. Cette énergie (E) se calcule à l’aide de la formule suivante :

Formula for calculating capacitor energy.

Où :

E = énergie en joules (J)
C = capacitance en farads (F)
U = tension en volts (V)

Cette équation est critique lors de la conception de modules tampons basés sur condensateurs pour les systèmes DC industriels. Afin d’augmenter l’énergie stockée, les ingénieurs peuvent augmenter la capacitance ou la tension de charge. Cependant, comme la tension a un effet quadratique sur l’énergie (un doublement de la tension quadruple l’énergie), PULS priorise une optimisation de la tension pendant la conception de produit afin de maximiser la performance de tamponnage.

Transition fluide après les coupures de courant

Outre le stockage de l’énergie, la phase de transition à la suite d’une coupure de courant est cruciale. L’alimentation électrique DC doit être remise en marche sans délai ni pertes de tension. Par conséquent, il est essentiel pour la conception de choisir une unité d’alimentation électrique avec un comportement de démarrage adapté lors de l’intégration de modules tampons.

Visualisation de la phase de pontage

Un scénario de coupure de courant typique inclut deux courbes de tension :

La tension d’entrée AC, qui chute pendant une coupure
La tension de sortie DC, qui reste stable en raison du module tampon

Dès que la sortie DC de l’alimentation électrique chute en-dessous de 22,5 V, le module tampon prend automatiquement le relais, ce qui maintient une tension stable avec la charge connectée. Une fois que la tension secteur AC est relancée, l’alimentation électrique est remise en marche de manière fluide, garantissant une fourniture de courante ininterrompue aux consommateurs DC critiques.

Image 1: Temporal progression of a bridging phase during a power outage using a buffer module.

Configuration de tension tampon personnalisée pour les applications sensibles à la tension

PULS offre une caractéristique unique dans sa série de modules tampons UF : la possibilité de configurer une tension tampon minimum à précisément 1 V en-dessous de la tension de sortie réglée. Par exemple, si l’alimentation électrique est réglée pour fournir 28 V, le module tampon peut être paramétré afin de s’activer à 27 V, plutôt que le seuil standard de 22,5 V.

Cet ajustage de la tension de précision est particulièrement bénéfique pour les charges sensibles à la tension ou les systèmes avec des exigences de tolérance strictes, où des chutes de tension même mineures peuvent entraîner une instabilité ou une perte de données.

En cas de fonctionnement normal, les modules tampons s’activent uniquement lorsque la tension de sortie chute en-dessous de 22,5 V. Cependant, avec cette caractéristique configurable, le tamponnage commence plus tôt, ce qui garantit une alimentation électrique DC plus stable et fiable pour les composants critiques.

Arrêt contrôlé avec modules tampons basés sur condensateurs lors de coupures de courant étendues

Les modules tampons basés sur condensateurs sont idéaux pour les applications qui nécessitent une durée de pontage limitée afin d’arrêter de manière sûre les systèmes à la suite d’une coupure de courant DC. Ces modules fournissent une fenêtre de temps brève mais critique pour commuter les équipements dans un état défini et hors tension, ce qui minimise le risque de perte de données ou de dommages matériels.

Une détection précoce des chutes de tension est essentielle pour cette stratégie. Typiquement, ceci est possible via le signal DC-OK à la sortie de l’alimentation électrique. Une fois qu’une chute est détectée, le module tampon prend immédiatement en charge l’alimentation de la charge et maintient une tension DC stable jusqu’à épuisement de son énergie stockée.

Image 2: During extended power outages, buffer modules extend the buffer time to transfer the system to a safe state.

Cette capacité d’arrêt contrôlé garantit un redémarrage sans défauts et protège les composants sensibles tels que les API, les PC industriels et les contrôleurs d’automatisation. Il s’agit d’une caractéristique clé afin de maintenir l’intégrité opérationnelle dans les environnements industriels présentant des conditions de courant imprévisibles.

Remarque : si la charge effective est inférieure au courant de sortie maximal admissible du module tampon, le temps de tampon disponible est étendu en conséquence. Un choix judicieux de l’alimentation électrique qui prend en compte la consommation de courant effective est donc crucial pour l’efficacité de la stratégie d’arrêt.

Modules tampons basés sur condensateurs pour une protection ciblée des sous-branches

Dans les systèmes DC industriels, les modules tampons basés sur condensateurs peuvent être utilisés de manière stratégique afin de protéger les sous-branches sensibles de l’alimentation électrique. En intégrant un module de redondance, la sortie de l’alimentation électrique est répartie entre des branches tamponnées et non-tamponnées, ce qui optimise la distribution d’énergie en fonction de la sensibilité de charge.

Les consommateurs électro-intensifs tels que les actionneurs sont directement connectés à l’alimentation électrique et exclus du tamponnage. Ceci garantit que l’énergie tampon est réservée aux composants critiques tels que les capteurs, API, PC industriels et la logique de commande.

Image 3: By cleverly dividing into load branches, control functions can be buffered for a longer period time.

Buffer modules: By cleverly dividing into load branches, control functions can be buffered for a longer period time.

Cette approche de tamponnage ciblée étend de manière significative le temps de tampon disponible, souvent jusqu’à plusieurs secondes en fonction de l’architecture du système. Elle garantit une conservation fiable des données, des séquences d’arrêt contrôlées, et une amélioration de la résilience pour les équipements sensibles à la tension.

Mise en cascade des modules tampons basés sur condensateurs : extension du temps de tampon et augmentation de la capacité de courant de crête

Les modules tampons basés sur condensateurs de la série PULS UF sont conçus pour une intégration fluide dans les systèmes DC industriels. Ces modules, équipés de condensateurs électrolytiques, fonctionnent comme des condensateurs électroniques et peuvent être connectés en parallèle, soit à la sortie de l’alimentation électrique soit directement à la charge.

En mettant en cascade plusieurs modules tampons, les utilisateurs peuvent :

Étendre le temps de tampon pendant les coupures de courant
Augmenter la capacité du courant de crête sans surdimensionner l’alimentation électrique
Optimiser la conception du système pour des profils de charge dynamiques

Cette approche modulaire offre différents avantages :

Des économies de coût grâce à l’utilisation d’alimentations électriques plus petites et plus efficaces
Une fiabilité opérationnelle améliorée pendant les pics de charge de court terme
Une évolutivité flexible en étendant la capacité de tampon comme nécessaire

Image 4: Parallel connection of UF series buffer modules to extend buffer time or increase peak current reserves.

Image 5: Coverage of peak currents through additional energy from the buffer module.

Lors d’événements de courant à la mise sous tension élevés, par ex. redémarrages de moteur ou de système de convoyage, le module tampon fournit un courant supplémentaire à l’alimentation électrique. Cela évite les surcharges et garantit un fonctionnement stable.

Buffer modules for power systems in intralogistics applications.

Exemple pratique : tamponnage dans les systèmes intralogistiques

Dans les systèmes de convoyage utilisés en intralogistique, les marchandises sont régulièrement arrêtées et redémarrées. Ces redémarrages génèrent des pics de courant brefs mais intenses. En intégrant un module tampon, les ingénieurs peuvent sélectionner une alimentation électrique plus petite, optimisée pour le fonctionnement en continu, tandis que le module tampon prend en charge les pics de charge de court terme.

Conclusion : sélectionner la bonne stratégie de tampon pour une alimentation électrique DC fiable

Cet article se concentre uniquement sur les modules tampons basés sur condensateurs ainsi que leur rôle dans la continuité de courant DC. Ces modules offrent des temps de réponse rapides, un stockage d’énergie évolutif et une protection ciblée des composants sensibles, ce qui en fait une solution idéale pour le pontage de coupures de quelques millisecondes, la gestion de profils de charge dynamiques ainsi que la facilitation d’arrêts contrôlés pendant des coupures prolongées.

Pour les applications nécessitant des temps de pontage plus longs, allant de plusieurs minutes à des heures, les systèmes DC-UPS avec stockage sur batterie fournissent l’autonomie et la flexibilité nécessaires. Ces systèmes sont conçus pour maintenir une tension de sortie régulée, soutiennent les infrastructures critiques et offrent des caractéristiques avancées telles que la capacité de démarrage à froid et une gestion intelligente des batteries.

Dans notre prochain article, nous nous plongerons en détail dans les solutions DC-UPS, en soulignant leurs avantages techniques, les options de configuration et les cas d’utilisation dans les environnements où un courant ininterrompu est essentiel.

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* Source: Bundesnetzagentur | Données de 2022 https://www.bundesnetzagentur.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/DE/2023/20231107_SAIDI.html

** Source: U.S. Energy Information Administration (EIA) | Données de 2022 https://www.eia.gov/electricity/annual/table.php?t=epa_11_04.html