12 Avril 2017  |  Électrotechnique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 02/2017

Rendement des alimentations électriques - Comment réaliser des économies

Maximilian Hülsebusch*

Avec les alimentations électriques pour rail DIN de la série CP10, PULS obtient un rendement de pointe de plus de 95 %. Lors de la conception de nouveaux produits, une grande partie du travail de développement est consacrée à la minimisation de la puissance dissipée sous forme de chaleur. Mais comment se remarque cet investissement dans les armoires de commande de l’utilisateur ?

Un haut rendement sur toute la plage de charge est essentiel pour une alimentation électrique. Il aide tout utilisateur – indépendamment de la plage d’application, du secteur industriel ou de la région – à réduire les coûts du système et à augmenter la disponibilité de l’installation. Celui qui accorde de l’importante à l’efficience, à la fiabilité et à une longue durée de vie de ses machines et souhaite en même temps économiser des coûts, devrait connaître le rendement de l’alimentation électrique qu’il utilise.
Empêcher - tant que faire se peu – la chaleur de se former dans l’armoire de commande, est un facteur essentiel pour réduire les coûts du système. Car la chaleur altère la durée de vie des composants, d’où un investissement plus élevé pour le refroidissement du système. Plus le rendement d’une alimentation électrique est élevé, plus la puissance dissipée sous forme de chaleur est moindre. La description d’un test réalisé par PULS Application Support montre à quel point la température dans l’armoire de commande dépend du rendement de l’alimentation électrique.
 
 
Test: développement de chaleur dans l’armoire de commande
Trois alimentations électriques pour rail DIN de la classe 240 W, 24 V/10 A sont mises en service dans des conditions identiques (charge: 8 A, tension d’entrée: 230 VCA) et dans des coffrets identiques (volume: 3,15 l). La température de sortie initiale dans tous les coffrets est de 21,5 °C (± 0,3 °C), la température ambiante de 20,6 °C (± 0,1 °C). Dans le coffret du milieu, la DIMENSION CP10.241 de PULS possède un rendement de 95,2 %. L’appareil concurrent A (à gauche) possède un rendement de 88,5 %. Le bloc d’alimentation B (à droite) atteint au moins 91 % selon les indications de la fiche technique du fabricant.
Les trois appareils fonctionnent quatre heures d’affilée. Le thermomètre indique, pour l’alimentation CP10.241 dans le coffret du milieu – qui possède la position la moins avantageuse au niveau thermique du fait de la diffusion de chaleur à droite et à gauche – une augmentation de la température à 40,5 °C. Dans le coffret de l’appareil concurrent à gauche, la température augmente à 56,8 °C. À droite, une augmentation de la température à 48,3 °C est mesurée (cf. photos 1 et 2). Cela signifie qu’une différence de 6,7 % ou de 4,2 % pour le rendement équivaut à une différence de température de 16,3 °C ou de 7,8 °C (fig.2.).
 
Fig. 1. Tests effectués et images thermiques après quatre heures de fonctionnement.
 
 
Un haut rendement garantit la disponibilité de l’installation
Ce sont des constatations importantes, si l’on considère à quel point des températures élevées ont un effet néfaste sur la durée de vie de l’alimentation électrique et des autres composants de l’armoire de commande, réduisant ainsi la disponibilité de l’installation. En ce qui concerne les alimentations électriques, les condensateurs électrolytiques utilisés subissent la plus forte usure. Ce sont donc eux qui déterminent la durée de vie.
Pour ces composants sensibles à la température, la formule suivante s’applique: toute augmentation de la température de 10 °C réduit la durée de vie des condensateurs d’un facteur 2, ce qui se remarque par la capacité nettement faiblissante des condensateurs. Cette perte de capacité ne provoque pas obligatoirement une panne du bloc d’alimentation, mais elle influence la disponibilité de l’installation. Ceci se voit, par exemple, dans le comportement de la régulation, dans la capacité de puissance et dans les valeurs de sortie de l’appareil, ou encore en cas de panne de courant.
Les condensateurs ne doivent donc pas être soumis à des températures ambiantes trop élevées. Cette règle doit être appliquée au tout début de la conception de l’appareil. C’est pourquoi PULS développe ses alimentations à découpage en se basant sur le principe «Cool Design». Les composants sensibles à la température sont placés aux endroits les plus froids dans l’appareil et parfaitement tempérés grâce à la circulation d’air par convection. Avec ce principe, c’est clairement l’intérêt du client qui est mis en avant, car l’association de topologies thermique et électrique constitue toujours un énorme défi pour les concepteurs.
Cet investissement profite également aux autres composants de l’armoire de commande. Ils vieillissent plus lentement avec une dissipation de chaleur moindre. Si un système de refroidissement est utilisé, les coûts énergétiques diminuent également.
PULS considère des indications fermes relatives à la durée de vie de l’alimentation électrique, comme l’une des informations les plus importantes pour les utilisateurs. Depuis 2005, elle s’engage à mentionner de telles indications dans les fiches techniques de tous les produits de la famille DIMENSION. Un standard familial d’au moins 50’000 heures à une température ambiante de 40 °C à pleine charge est valable pour DIMENSION. L’alimentation CP10.241 atteint une durée de vie minimale de 120’000 heures dans ces conditions.
 
Fig. 2. Influence du rendement sur la chaleur dissipée pour les appareils de la classe 240 W.
 
 
Des densités de composants plus élevées
La taille des alimentations électriques refroidies par convection est également influencée par le rendement. Les appareils ont besoin d’un plus faible volume pour diffuser la chaleur dissipée dans le milieu environnant. Le rendement élevé a permis de réduire le volume du boîtier des alimentations électriques CP10 à 0,57 l pour une largeur de 39 mm. La forme étroite représente un gain de place sur le rail DIN, permet une densité de composants plus élevée dans l’armoire de commande et réduit ainsi les coûts d’exploitation.
 
Réduction des coûts énergétiques
Le rendement élevé offre un autre potentiel d’économies pour les frais d’électricité. La concurrence internationale soumet les entreprises à une forte pression des coûts. Cela incite beaucoup d’acheteurs à se fournir en composants de système à des prix aussi avantageux que possible. En ce qui concerne les alimentations électriques, il est faux de se concentrer sur le prix d’achat, car des blocs d’alimentation pas chers n’atteignent pas des rendements supérieurs à 92 %. Les coûts supplémentaires dus à l’acquisition d’alimentations électriques plus efficientes au niveau énergétique sont amortis par de plus faibles coûts énergétiques.
 
Un exemple de calcul
Un utilisateur a besoin d’une alimentation électrique de la classe 240 W avec 24 V/10 A pour son installation. Le prix de l’électricité est de 0,153 €/kWh (Fédération allemande de l’industrie électrique BDEW, électricité industrielle, moyenne 2014). La machine fonctionne 21 heures par jour et 300 jours par an. Les trois blocs d’alimentation du test sont disponibles.
 
Bloc d’alimentation A:
rendement = 88,5 %
puissance dissipée = 31,2 W
 
Bloc d’alimentation B:
rendement = 91,0 %
puissance dissipée = 23,7 W
 
Alimentation CP10.241:
rendement = 95,2 %
puissance dissipée = 12,1 W
 
Ce qui signifie, qu’après conversion en frais d’électricité, une alimentation CP10.241 entraîne des frais d’électricité de 11,66 € par an en raison de sa puissance dissipée. Les frais pour l’appareil A se montent à 30,07 € et pour l’appareil B à 22,84 € par an (fig. 3).
Si l’utilisateur choisit l’alimentation CP10, il économise des coûts d’exploitation à hauteur de 18,41 € ou 11,18 € grâce au rendement plus élevé de 6,7 % ou 4,2 %. Si l’on fait le calcul pour une durée d’utilisation de 10 ans, il en résulte une économie de 184,10 € ou 111,80 €. Si l’utilisateur a recours à un système de refroidissement, cette économie est multipliée par deux, car le refroidissement de l’installation nécessite moins d’énergie.
 
Fig. 3. Influence du rendement sur les frais d’électricité pour les appareils de la classe 240 W.
 
 
Comparer en vaut la peine
Comparer des rendements de différents fournisseurs d’alimentations électriques est important, mais dans la pratique plus facile à dire qu’à faire. Dans leurs fiches techniques, de nombreux fabricants n’indiquent que des valeurs maximales possibles, au lieu de valeurs de rendement fermes. En général, les utilisateurs n’apprennent rien sur les pertes en cas de différentes tensions de réseau, charges ou conditions ambiantes.
Pour les fabricants, il n’existe pas de normes contraignantes pour la mesure du rendement. PULS voit là une nécessité d’apporter davantage d’explications et de rattraper un retard. C’est pourquoi cette entreprise donne des indications fermes et claires relatives au rendement de ses propres produits. Elle renseigne également sur ses méthodes de mesure et les rend ainsi transparentes et, théoriquement, reproductibles pour chacun – dans la mesure où l’équipement nécessaire, comme un analyseur de puissance, est disponible. Parallèlement, l’entreprise s’engage, en tant que membre fondateur de l’EPSMA (European Power Supply Manufacturers Association), pour une mesure standardisée du rendement.
 
PULS Electronic GmbH
5108 Oberflachs
Tél.: 056 450 18 10


*   Spécialiste en communication & marketing, PULS GmbH


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