Guide de conception pour busbars
Les basiques et paramètres électriques
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Les basiques
Guide de conception pour busbars
Les conducteurs
La sélection du matériau du conducteur est critique lorsqu'il faut répondre aux exigences de performance électrique et de rigidité mécanique. Les matériaux les plus communément utilisés sont le cuivre, l'aluminium et toute une variété d'alliage à base de cuivre. Une fois le matériau choisi, les contraintes mécaniques et la performance électrique pour l'application spécifique déterminent les dimensions mécaniques minimales du conducteur (voir Taille du conducteur dans la rubrique Conception électrique).
Du point de vue de la thermique une ventilation du système peut s'avérer nécessaire pour extraire du bus bar l'excès de chaleur. Dans ce cas la configuration du bus bar doit être basse en termes de profil ce qui permet de changer l'orientation du bus bar et le flux d'air. Les bus bars peuvent aussi se comporter comme des radiateurs afin d'extraire la chaleur des composants.
Le choix des terminaisons détermine l'épaisseur du conducteur s'il y a besoin de recevoir des goujons.des écrous, des languettes ou des inserts filetés Les exigences mécaniques minimales pour le type de connexion retenu doit être pris en considération pour l'efficacité globale et la rentabilité.
La Terre
Le conducteur de retour à la terre doit être égal en taille et en section circulaire au conducteur de tension. Les quelques avantages à avoir un retour à la terre séparé sont :
- doublement de la capacité effective;
- surface plus étendue pour le refroidissement, afin de minimiser la chute de tension due à l'élévation de température;
- réduction considérable des effets de couplage
- opportunité de blindages intéressants entre les niveaux, obtenus par l'utilisation de terres imbriquées.
Le montage
Dans le but de monter un bus bar sur la structure de l'assemblage, certains éléments (goujons, trous...) peuvent être fabriqués à l'intérieur même des conducteurs. Une plaque de terre peut aussi être ajoutée en tant que support pour l'assemblage du bus bar et qui servira de plateforme pour du matériel utile au montage.
La finition
Mersen dispose de moyens en interne pour le dépôt en surface d'étain, d'étain-plomb, de nickel, d'argent et d'or. Le dépôt est important à prendre en considération dans la conception d'un bus bar car c'est le point de contact pour toutes les connexions électriques du bus bar. Le dépôt métallique peut apporter des avantages en termes de propriétés électriques et il peut réduire la chute de tension. Dans le cas de l'or comme dépôt, il n'est généralement déposé que sur les surfaces des sorties pour minimiser les coûts.
L'isolation
Les bus bars utilisent de nombreux matériaux d'isolation recouverts d'adhésif de façon à permettre aux couches de la structure d'être laminées ensemble. D'un point de vue électrique cela offre des bénéfices additionnels. L'isolation procure une barrière pour l'interne et l'externe vis à vis de l'environnement.Les isolations augmente la capacité et réduisent l'inductance et l'impédance. Les isolations les plus communément utilisées sont : Nomex®, Tedlar®, Mylar®, Kapton®, Ultem®, Mylar/Tedlar, Tedlar/Mylar/Tedlar, Valox®, verre époxy, tube thermorétractable et dépôt de poudre époxy. Ces isolations sont disponibles sous différentes épaisseurs. Contactez un ingénieur Mersen pour plus d'information. Des isolations spéciales sont également disponibles sur demande.
L'aspect coûts
Le prix des assemblages de bus bars dépend des quantités commandées. De plus, les caractéristiques dimensionnelles, les matériaux, les techniques de fabrication, le schéma de l'interconnexion, la finition par dépôt, l'isolation, les exigences de matériel affectent le coût global.
Les ingénieurs Mersen sont disponibles pour assister dans le développement de la conception la plus efficace et la plus rentable afin de solutionner tout problème de distribution d'énergie. Le plus tôt Mersen est impliqué dans votre processus de conception, le plus votre solution sera rentable Une implication très en amont nous permet d'optimiser la facilité en fabrication et le délai d'exécution. Nous vous recommandons de contacter un ingénieur de développement nouveau produit avant d'entamer la conception de votre système de distribution d'énergie par bus bar laminé.
La conception électrique
Les caractéristiques importantes des bus bars laminés sont la résistance, l'inductance série et la capacité. Comme les paramètres de performance des composants et des équipements électroniques deviennent plus stricts, ces caractéristiques prennent une importance plus grande. Lors de la détermination de l'impédance d'un système de distribution d'énergie, ces caractéristiques sont importantes dans la résolution de deux des plus sérieux problèmes posés aux concepteurs : la résistance et le bruit. Il est donc important de bien comprendre les les caractéristiques des bus bars laminés.
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Guide de conception - Les formules
Paramètres électriques
Taille de conducteur
Il est très important de calculer la taille du conducteur pour les propriétés électriques et mécaniques du bus bar. Les exigences en termes de courant électrique à écouler déterminent les largeur et épaisseur minimales des conducteurs. Les considérations mécaniques incluent la rigidité, le montage des trous, des connexions et les autres éléments de sous-systèmes. La largeur du conducteur doit être au moins de trois fois l'épaisseur de celui-ci.
Les ajouts d'onglets et de trous de montage modifient la surface transversale du conducteur, créant de possibles points chauds sur le bus bar. Le courant maximal par onglet ou terminaison doit être pris en compte pour éviter ces points chauds.
La surface transversale et la largeur déterminent la taille du conducteur du bus bar. La surface transversale (..4) est égale à l'épaisseur du conducteur (t) multipliée par la largeur du conducteur (w).
Une valeur d'approximativement 400mm de circonférence par ampère est traditionnellement pris comme base pour concevoir des conducteurs simples. Depuis que les bus bars ne sont plus ronds, les mm de circonférence peuvent être convertis en mm2 (il faut simplement multiplier la valeur des mm de circonférence par 0,785).
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La formule qui suit détermine la surface transversale minimum d'un conducteur. Cette valeur de surface doit être augmentée de 5% pour chaque conducteur supplémentaire laminé dans la structure du bus. Ces 5% représentent un coefficient de sécurité qui compense le gain de chaleur à l'intérieur des conducteurs.
L'équation calcule la surface transversale minimale nécessaire pour le flux de courant requis :
A= 400(I)(0.785)(1+.05(N-1)](1*10-6)inches2
A = Surface transversale du conducteur en inches²
l = courant continu maximum en A
N = Nombre de conducteurs dans la structure du bus barPour calculer la surface transversale du source de courant alternatif, vous devez prendre la fréquence en considération (voir section sur l'effet de peau).
Note: Cette formule est valable jusqu'à approximativement 300A. Lorsque les courants sont plus élevés, nous vous conseillons de prendre contact avec un ingénieur Mersen et de se référer à la table de courant admissible. De plus, vous pouvez trouver les courbes de courant admissible et les graphes comparatifs sur le site internet de la Copper Development Association, copper.org.
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La capacité
La capacité d'un agencement de bus bardépend du matériau diélectrique et des dimensions physiques du système. La capacité varie très légèrement lorsque la fréquence change, ceci dépendant de la stabilité de la constante diélectrique. Cette variation est négligeable et sera omise dans notre analyse ici :
C=0.225(K)(w)(l)
–––––––––––––– picofarads
(d)Augmenter la capacité a pour conséquence de réduire l'impédance caractéristique. Une basse impédance signifie une suppression efficace du signal et une élimination du bruit. Il est donc souhaitable de dévelloper une capacité maximale entre les niveaux de conducteurs. Cela peut se faire en :
- maintenant le diélectrique le plus fin possible, en respectant une bonne fabrication et les bonnes pratiques de conception.
- utilisant des diélectriques ayant une haute permittivité relative (coefficient k)
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L'effet de peau
A cause de l'effet de peau, l'inductance et la résistance dépendent de la fréquence. En haute fréquence, les courants ont tendance à circuler uniquement en surface du conducteur. Donc, la profondeur de la pénétration de l'énergie électromagnétique détermine le volume de conduction efficace. La profondeur de peau (SD) est donnée par :
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Pour le cuivre :
Lorsque la fréquence croît l'inductance décroît jusqu'à une valeur limite, alors que la résistance elle croît indéfiniment lorsque la fréquence tend vers l'infini.
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L'inductance
En maintenant l'inductance à des valeurs basses, l'impédance caractéristique est basse et l'atténuation du bruit améliorée. Quand l'inductance minimale est un objectif de conception, prenez en considération ces quelques leviers :
- Maximiser l'épaisseur du diélectrique
- Maximiser la largeur du conducteur
- Accroître la fréquence
Il y a deux types d'inductance à déterminer : l'inductance interne qui est le résultat des liaisons de flux à l'intérieur du conducteur, l'inductance externe qui est déterminée par l'orientation des deux conducteurs de courant.
La distribution du courant au travers d'un conducteur aux hautes fréquences est concentré près de la surface (c'est l'effet de peau). Le flux interne est réduit et on peut ne prendre en considération que l'inductance externe. Aux basses fréquences l'inductance interne peut devenir une part appréciable de l'inductance totale. La formule pour calculer l'inductance interne aux basses fréquences est extrêmement longue et est omise dans cette analyse.
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La formule pour l'inductance interne est :
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L'inductance haute fréquence (épaisseur t> profondeur de peau SD) :
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La résistance
Pour calculer la résistance d'un conducteur en courant continu la formule suivant s'applique (résistance à 20°c) :
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Si la température est supérieure à 20°c, employez cette formule :
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Pour les hautes fréquences, l'effet de peau est à prendre en considération. La formule pour la résistance en courant alternatif est :
Pour (t >2SD)
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Résistance en courant alternatif à 20°c :
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La chute de tension
Quand le courant traverse un conducteur une chute de tension se produit. Ceci est causée par la résistivité du conducteur. Les pertes forment la chute de tension. Utilisez cette formule pour calculer la chute de tension à travers les conducteurs :
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L'impédance
Dans la conception des bus bars laminés vous devez maintenir la valeur de l'impédance au niveau le plus bas possible. Cela réduira la transmission de toute forme d'interférence électromagnétique (EMI) vers la charge.
Accroître la capacité et réduire l'inductance sont les facteurs clés pour éliminer le bruit. La formule pour calculer l'impédance caractéristique est :
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Outils en ligne
Bus Bar Design Optimization Companion
