La conception d'une armoire électrique

Introduction

Dans le cadre de l'ingénierie électrique et de l'intégration des systèmes, le boîtier peut difficilement être décrit comme une simple boîte. C'est le premier tampon contre tout dommage à vos parties vitales, un gel bien pensé pour s'assurer que l'électronique sensible qu'il contient est à l'abri de toutes les choses horribles qui peuvent lui arriver dans le monde. Une armoire électrique mal conçue peut être dangereuse, peu fiable et de courte durée, qu'il s'agisse d'une simple boîte de jonction ou d'un panneau de commande industriel hautement sophistiqué. Si vous le faites bien, votre système fonctionnera sans problème pendant des années. Si vous vous trompez, vous risquez une défaillance catastrophique, des temps d'arrêt coûteux et même de graves risques pour la sécurité.

Ce guide de conception des boîtiers électroniques a pour but de vous faire passer par chaque étape du processus de conception d'un boîtier électrique. Nous passerons pour ainsi dire à la phase suivante, qui consiste à formuler les besoins et les exigences des applications, et enfin, nous nous pencherons sur les aspects finaux de la fabrication. La raison pour laquelle je dis cela est que, que vous soyez un ingénieur très expérimenté ayant besoin de rafraîchir les bases fondamentales ou un chef de projet ayant peu ou pas d'expérience dans le domaine, ce guide vous fournira les stratégies claires et pratiques dont vous avez besoin pour faire de votre concept une réalité réussie et fonctionnelle dans le monde réel.

Définir la fondation - Objectif, portée et exigences

Avant même de tracer des lignes dans la CAO, la tâche la plus importante consiste à déterminer le quoi, le où et le pourquoi de votre boîtier. La phase initiale permet d'éviter une nouvelle conception coûteuse et fastidieuse à l'avenir. Toutes les décisions ultérieures, telles que le matériau à utiliser ou la manière de contrôler la chaleur, seront prédéterminées par une image claire du type de boîtier, de l'utilisation proposée et des conditions d'exploitation.

Posez les questions suivantes :

• Quel est son rôle majeur ? Sera-t-il le contrôleur logique programmable (PLC) d'une usine, une unité de distribution d'énergie d'un centre de données ou un ensemble de terminaux d'un éclairage extérieur ? Il contiendra les éléments qu'il protège, ainsi que leur taille minimale et leur configuration interne, ce qui prédéterminera et influencera en fin de compte votre stratégie de conception d'armoires électroniques.
• À quel endroit sera-t-il placé ? La tête de l'environnement joue un rôle important. Un bâtiment climatisé dans un environnement de bureaux a des besoins très différents de ceux d'une enceinte attachée à la côte, où elle sera exposée aux embruns salés, ou d'une usine, où les conditions sont caractérisées par des températures élevées et des produits chimiques hautement corrosifs. Ces facteurs ont une influence directe sur le type d'enceinte à utiliser.
• Qui va travailler avec elle et sur quelle base ? Sera-t-il définitivement rangé une fois fermé, ou les techniciens devront-ils en assurer la maintenance régulière ? A-t-il besoin de découpes IHM, de fenêtres de visualisation ou d'interrupteurs externes ? L'interaction avec l'utilisateur déterminera des éléments tels que le type de charnières utilisées sur les portes, le système de verrouillage et la nature étiquetée de l'appareil.

Le processus de réponse à ces questions permet de produire un document de spécification des besoins de l'utilisateur (User Requirement Specification, URS). Ce document sert maintenant de plan directeur ; ainsi, lorsque vous obtiendrez le résultat final, non seulement il fonctionnera bien, mais il s'adaptera parfaitement à l'emploi prévu.

Source : Chris Guyatt

Sélection des matériaux - Équilibrer la durabilité, le poids et le coût

Le matériau de votre boîtier est son armure, composée d'une variété de matériaux. Votre choix aura un impact direct sur ses capacités de protection, sa durée de vie, son poids et, bien sûr, son budget. Les deux principales catégories sont les métaux et les non-métaux (polymères), chacun présentant des avantages distincts.

Métaux : Acier, acier inoxydable et aluminium

Traditionnellement, on utilise des métaux, qui sont très solides et rigides.

• Acier au carbone : C'est la brute de l'industrie de l'enclos. C'est un matériau durable, facile à fabriquer et très rentable ; il est donc largement utilisé dans la construction d'un bâtiment polyvalent à l'intérieur des bâtiments d'une maison. Sa principale faiblesse réside dans le fait qu'il est facilement affecté par la rouille, qui est généralement recouverte d'une couche de peinture en poudre durable.
• Acier inoxydable : L'acier inoxydable est la solution lorsque la résistance à la corrosion est nécessaire. Les deux formes les plus populaires sont le 304 et le 316. Le type 304 est très utilisé dans l'industrie alimentaire et les applications de lavage. Lorsque l'application (ou l'exposition au sel, comme les chlorures) est intensive (les applications marines utilisent fréquemment le type 316, parfois appelé qualité marine), la résistance accrue à la corrosion du type 316 est un bon point d'investissement.
• Aluminium : Les boîtiers en aluminium ont un excellent rapport résistance-poids, c'est-à-dire qu'ils représentent environ un tiers de la masse de l'acier. Cela les qualifie parfaitement pour les applications qui doivent tenir compte du poids, comme celles sur poteau ou même les équipements portables. Les boîtiers en aluminium sont également naturellement résistants à la corrosion et peuvent donc convenir à un large éventail d'environnements hostiles ou atypiques ou d'applications mobiles.

Non-métaux : Polycarbonate et fibre de verre

Les matériaux polymères présentent des avantages spécifiques, en particulier lorsqu'ils sont corrosifs ou sans fil. Dans les cas où les conditions environnementales posent problème (par exemple, contact chimique potentiel ou conditions humides), les boîtiers non métalliques sont souvent mieux à même de relever le défi de la conception des boîtiers électroniques.

• Polycarbonate : Il est très résistant aux chocs (IK10 dans la plupart des cas), léger et facile à modifier. C'est un excellent isolant et il est transparent aux fréquences radio, ce qui le rend idéal comme boîtier pour les équipements dotés d'antennes Wi-Fi ou cellulaires. Dans la conception compacte des boîtiers électroniques ou d'autres appareils électroniques axés sur les communications, le polycarbonate peut être l'une des options de galvanoplastie les plus efficaces.
• Fibre de verre (FRP) : Grâce à sa grande résistance aux produits chimiques et à sa fantastique résistance à la corrosion, le polyester renforcé de fibres de verre résiste à la corrosion, même par rapport à l'acier inoxydable, dans certaines applications acides. Il est solide, léger et capable de résister à des conditions environnementales très diverses ; c'est donc un matériau durable à utiliser dans les stations d'épuration des eaux usées, les usines chimiques et les établissements extérieurs.

Dimensionnement et disposition - Planification des boîtiers

Une enceinte "juste assez grande" est en effet trop petite. Un dimensionnement et une planification efficaces sont nécessaires pour faciliter l'installation, assurer l'équilibre thermique de votre système et le protéger pour l'avenir.

Détermination de l'espace interne des composants

Tout d'abord, commencez à dessiner tous vos principaux composants, automates, alimentations, contacteurs, borniers, dans votre logiciel de CAO. Mais ne vous arrêtez pas là. L'espace vide est tout aussi important. Procédez comme suit :

• Dégagement dans les composants : Tous les composants produisant de la chaleur doivent disposer d'un espace suffisant pour permettre la libre circulation de l'air. Fiches techniques : Consultez les fiches techniques du fabricant et voyez quelles sont les recommandations en matière d'espace libre.
• Goulotte de câblage et gestion des câbles : Désigner les canaux de câblage. Lorsque l'armoire est bien gérée, elle est plus facile à dépanner et plus sûre à utiliser. La circulation de l'air peut être limitée par des câbles encombrés, qui produisent des points chauds.
• Rayon de courbure : Les câbles ne doivent pas être pliés à 90 degrés. Tenez compte du rayon de courbure requis pour tous les câbles d'alimentation et de données afin d'éviter tout dommage et toute perte de signal.

Une règle empirique consiste à calculer l'encombrement total de vos composants, puis à ajouter un tampon de 20-25% pour permettre le câblage et la circulation de l'air.

Permettre l'expansion et les modifications futures

Les besoins d'aujourd'hui peuvent ne pas être ceux de demain. Une conception intelligente envisage les changements à venir.

• Espace supplémentaire pour le rail DIN : Si vous avez des rails DIN, réservez une capacité de rail DIN d'au moins 25 %. L'installation future d'un nouveau module ou d'un nouveau relais sera un exercice trivial, plutôt qu'un exercice de recâblage complet.
• Panneaux arrière modulaires : La création d'un sous-panneau ou d'un panneau arrière facilement amovible permet d'assembler et de tester l'ensemble complexe sur un banc, puis de le déposer dans le boîtier, ce qui simplifie considérablement l'installation et l'entretien.
• Plaques d'obturation/de presse-étoupe de rechange : Si vous souhaitez installer davantage de câbles à l'avenir, pensez à utiliser une plaque passe-câbles amovible plutôt que de percer des trous séparés. Cela offre une grande liberté pour les modifications futures des entrées/sorties.

Respecter les normes - Naviguer dans les indices NEMA et IP

Il existe des normes qui visent à développer un langage commun en matière de sécurité et de protection. En ce qui concerne les boîtiers électriques, les deux types de normes les plus courants sont les indices NEMA et les indices IP. Elles définissent la capacité d'un boîtier à empêcher l'entrée de solides (tels que la poussière) et de liquides (tels que l'eau) dans le matériel qu'il contient.

Comprendre les notations IP

IP est une norme internationale (IEC 60529) du système d'évaluation de la protection contre la pénétration. Il comporte deux caractères :

• Premier chiffre (solides) : Taux de protection contre les grandes parties du corps (1) et les poussières fines (6). L'indice IP6X signifie que la poignée est totalement étanche à la poussière.
• Deuxième chiffre (liquides) : Les indices protègent contre les liquides, y compris les gouttes d'eau (1) et l'immersion brève ou permanente (7 et 8). L'indice IPX5 signifie que l'appareil ne craint pas les jets d'eau, tandis que l'indice IPX7 signifie qu'il peut être immergé dans un mètre d'eau pendant 30 minutes.

À titre d'exemple, un boîtier classé IP68 est totalement étanche à la poussière et résiste aux sujets en immersion de longue durée, ce qui est l'un des meilleurs classements.

Naviguer dans les normes NEMA (National Electrical Manufacturers Association)

Le système de classification NEMA est le plus répandu en Amérique du Nord. Bien que les indices IP se recoupent en partie, les normes NEMA imposent des exigences supplémentaires sur des aspects tels que la résistance à la corrosion et les pratiques de construction. Il n'est pas possible de remplacer directement l'une par l'autre.

Voici quelques types de NEMA typiques :

• NEMA 1 : les applications intérieures d'usage général, protégeant contre les contacts accidentels et les risques de chute de saletés.
• NEMA 12 : A l'intérieur, protège contre la poussière, la saleté et les gouttes de liquides non corrosifs. Typique du contrôle des machines industrielles.
• NEMA 4 : une boîte fermée adaptée à l'intérieur/extérieur, le cadre peut être utilisé comme une enceinte étanche à l'eau, à la neige et à l'eau dirigée par un tuyau d'arrosage.
• NEMA 4X : Toute la protection de la norme NEMA 4, avec une grande résistance à la corrosion en plus. C'est la norme de choix dans les environnements agroalimentaires, marins et chimiques.

L'élément critique, souvent négligé - la gestion thermique

Vous venez de réaliser une enceinte robuste, parfaitement dimensionnée et conforme aux normes. Cependant, en la rendant étanche à l'air pour l'empêcher d'être dépoussiérée et arrosée, vous en avez également fait un four en devenir. Tous les éléments qu'il contient produisent de la chaleur, et lorsqu'il n'y a pas de moyen de transfert de chaleur, la température peut augmenter jusqu'à des niveaux élevés qui entraînent la défaillance des composants, l'arrêt soudain du système et une réduction radicale de la durée de vie globale de l'équipement concerné. Gestion thermique ne doit pas être un accessoire, mais un élément central de la conception.

Des solutions de refroidissement et de ventilation efficaces

Dans les applications de faible puissance, le refroidissement passif (convection naturelle et rayonnement) peut suffire. Cependant, lorsque la densité de puissance est élevée, refroidissement actif est indispensable. Cela peut se faire par l'utilisation d'un dispositif qui provoque un mouvement d'air ou le pompage actif de la chaleur hors de l'enceinte. Le système le plus répandu est un système d'air forcé avec des ventilateurs de refroidissement de l'enceinte.

Grâce à une conception adéquate des ventilateurs, il est facile d'obtenir un schéma de flux d'air prévisible, l'air frais et filtré entrant dans l'enceinte par le bas et l'air chaud sortant par le haut. Cela permet de s'assurer que l'air ambiant est utilisé pour déplacer continuellement l'air chaud interne, garantissant ainsi que l'air frais et filtré entre dans l'enceinte par le bas et que l'air chaud sort par le haut. les composants eux-mêmes ne surchauffent pas.

Choisir la bonne solution de refroidissement avec ACDCFAN

L'efficacité de votre système de gestion thermique dépend entièrement de la qualité et de l'adéquation du ventilateur de refroidissement choisi. C'est là que le partenariat avec un spécialiste peut faire toute la différence.

En tant que fabricant spécialisé, avec plus de 20 ans d'expérience, ACDCFAN comprend qu'un ventilateur dans un boîtier industriel n'est pas un simple composant - c'est un atout essentiel en termes de fiabilité. Nous fournissons des ventilateurs axiaux et radiaux AC, DC et EC conçus pour répondre aux défis spécifiques du refroidissement des armoires.

Quelle valeur cela apporte-t-il à votre projet ?

• Fiabilité et durée de vie inégalées : L'objectif d'un boîtier est d'assurer une protection à long terme. Votre ventilateur de refroidissement doit être à la hauteur de cette longévité. Nos ventilateurs de refroidissement pour armoires électriques sont conçus pour une longue durée de vie. durée de vie de 70 000 heures même à une température de travail de 40℃. Pour les applications à haute température, nos ventilateurs axiaux AC entièrement métalliques fonctionnent de manière fiable à températures jusqu'à 150°CLes ventilateurs à filtre de l'armoire garantissent que votre système reste froid lorsque la pression est forte. Cet aspect est crucial pour les applications en haute altitude, où nos ventilateurs à filtre de boîtier affichent un MTBF (Mean Time Between Failures) de plus de 3 ans, dépassant largement la moyenne de l'industrie.
• La performance sous pression : Nous construisons nos ventilateurs d'enceinte de manière à ce qu'ils soient stables. Le cadre est fabriqué à partir d'un matériau en aluminium de premier ordre renforcé par du cuivre, ce qui permet d'obtenir des ventilateurs d'une grande stabilité. 30% : un ventilateur plus stable et la résistance aux vibrations par rapport aux offres standard. Cette construction robuste garantit un débit d'air constant, même dans les environnements industriels exigeants.
• Certifié et protégé à l'échelle mondiale : Votre projet doit être conforme aux normes internationales, et ses composants doivent l'être également. Les produits ACDCFAN sont conformes aux normes internationales Certifications CE, UL, RoHS et CEM. En outre, pour les environnements les plus exigeants, nous proposons des solutions avec Niveaux de protection IP jusqu'à IP68garantissant une étanchéité totale à la poussière et à l'eau.
• Partenariat technique d'experts : Vous n'êtes pas sûr du débit d'air (CFM) dont vous avez besoin ? Il s'agit d'une question courante et cruciale. Notre équipe d'experts peut vous aider. En fonction des dimensions de votre boîtier, de la dissipation de puissance interne (charge thermique) et de la température ambiante, nous pouvons effectuer des calculs thermiques pour recommander le modèle de ventilateur et la stratégie d'installation les plus appropriés. Cela permet d'éviter les approximations et de s'assurer que votre système de gestion thermique est efficace dès le premier jour.

En choisissant ACDCFAN, vous n'achetez pas seulement des refroidisseurs de boîtiers, vous intégrez une solution de refroidissement professionnelle, très fiable et soutenue par des décennies d'expertise.

Conception pour la fabrication (DFM) - Préparation de la production

Une conception qui fonctionne parfaitement à l'écran mais qui ne peut pas être fabriquée, ou dont les coûts sont inférieurs à ceux de la conception, est considérée comme un échec. La conception pour la fabrication (DFM) consiste à prendre des mesures proactives en ligne pour concevoir votre produit de manière à ce qu'il soit facile à fabriquer.

Tenez compte des lignes directrices DFM suivantes concernant la conception des boîtiers :

• Simplifier la conception : Deux composants peuvent-ils en former un seul ? Serez-vous en mesure d'utiliser des vis et des trous de taille commune ? La réduction de la complexité permet d'économiser du temps et de l'argent.
• Détails en tôle : Si vous utilisez de la tôle, faites attention à votre dessin, afin de ne pas ignorer le caractère du matériau. Le rayon des courbes du dessin doit être au moins égal à l'épaisseur du matériau afin d'éviter les fissures. Placez les trous de fixation à une distance sûre des courbes et des bords.
• Normaliser les composants : Dans la mesure du possible, utilisez des fixations, des charnières et des loquets standard. Les pièces sur mesure sont également coûteuses et les délais d'exécution sont très longs.
• Plan de câblage : Comment un technicien peut-il connecter les pièces ? L'accès physique et visuel est-il suffisant ? L'application d'un processus de réflexion sur l'assemblage au stade de la conception permettra d'éviter de gros maux de tête dans l'usine.

Conclusion

La création d'une armoire électrique est une aventure faite de choix prudents et de précautions raisonnables. Il s'agit d'une approche structurée de la conception, qui part d'une compréhension globale des besoins et de l'intention de l'application pour aboutir à un produit sûr, fiable et assemblable.

Il vous aidera à créer une enceinte en sachant tout ce que vous devez savoir pour vous assurer que l'enceinte fonctionne à la fois sur le plan technique et sur le plan commercial. Vous posez les bases de la réussite de votre système. Vous créez un espace restreint où vos pièces importantes sont non seulement placées, mais aussi gardées, conservées et prêtes à fonctionner pendant toute leur durée de vie. C'est le schéma directeur d'une conception réussie.