L'intégrité de tout système électrique réside dans son boîtier, un composant très sous-estimé qui joue un rôle très important dans la protection des composants électroniques délicats contre les risques opérationnels, les risques environnementaux et les dommages physiques. Un boîtier correctement spécifié sera fiable et durera longtemps, mais une mauvaise décision sera désastreuse. Ce guide est un guide détaillé pour apprendre le processus de conception, y compris les principes de base du processus, tels que le dimensionnement, le choix des matériaux et les normes industrielles (NEMA/IP). Ensuite, nous aborderons les problèmes plus sophistiqués des conditions industrielles difficiles et nous fournirons aux ingénieurs et aux concepteurs l'expertise nécessaire pour développer des solutions robustes qui protègeront les éléments vitaux.
Principaux éléments à prendre en compte avant de commencer
Une analyse minutieuse de l'utilisation prévue doit être effectuée avant de calculer une dimension ou de spécifier un matériau. Toutes les décisions de conception sont déterminées par l'environnement opérationnel. Cette étude préliminaire joue un rôle crucial en garantissant que l'omission d'un aspect peut compromettre l'ensemble du système.
Application intérieure ou extérieure
Il faut d'abord déterminer l'emplacement et le type de boîtier. Les installations extérieures doivent faire face à un large éventail de facteurs environnementaux, tels que la pluie, la neige, le soleil direct et le vent. Il faut donc accorder une grande importance à la résistance aux intempéries, à la stabilité des matériaux aux UV et à l'étanchéité aux intrusions d'eau. En revanche, une unité intérieure peut être confrontée à d'autres problèmes, notamment la présence de poussière dans l'air due à un processus de fabrication, l'écoulement de liquides ou le lavage à haute pression dans une salle stérile.
Exposition aux produits chimiques et corrosifs
Déterminez ensuite l'existence d'agents corrosifs. L'armoire sera-t-elle soumise à des solvants industriels, à des agents de nettoyage agressifs, au brouillard salin dans un environnement maritime ou à d'autres produits chimiques agressifs ? C'est l'une des principales raisons du choix du matériau, car la résistance à la corrosion est essentielle pour éviter les défaillances structurelles à un stade précoce et pour garantir la stabilité de l'enceinte et de ses éléments internes tout en bloquant efficacement les radiofréquences. La réponse à cette question permettra de décider de l'utilisation d'acier au carbone revêtu, d'aluminium et de certaines qualités d'acier inoxydable.
Plage de température opérationnelle
Un autre facteur important est la plage de température ambiante de l'environnement d'exploitation d'un appareil électronique. Une enceinte de fonderie sera soumise à une chaleur externe intense, tandis qu'une enceinte dans un entrepôt frigorifique devra fonctionner à des températures inférieures à zéro. La stabilité thermique dépend non seulement du matériau de l'enceinte, mais aussi des performances des joints (qui peuvent se fragiliser ou se dégrader) et de l'efficacité globale des systèmes de gestion de la chaleur.
L'absence de prise en compte adéquate de ces facteurs sous-jacents entraîne directement des défaillances typiques et coûteuses du système, telles que
- Surchauffe : Un contrôle thermique inadéquat réduit les performances et la durée de vie des composants électriques.
- Courts-circuits : Cela est dû à la pénétration d'humidité ou de poussière conductrice en raison d'une étanchéité insuffisante.
- Défaillance structurelle : Il s'agit d'une défaillance causée par la corrosion en cas d'inadéquation entre un matériau et un environnement chimique difficile.
- Interférence des signaux : Vulnérabilité aux interférences électromagnétiques (EMI), qui peuvent nuire au fonctionnement des équipements électroniques sensibles et à la conformité aux réglementations.
Dimensionner votre enceinte pour réussir
Le dimensionnement correct d'une armoire électrique est un compromis entre les exigences de courant, la gestion thermique et l'évolutivité, en particulier pour protéger les composants électroniques sensibles. Une petite armoire posera immédiatement des problèmes de dissipation thermique et d'accessibilité pour la maintenance, tandis qu'une grande armoire entraînera des dépenses de production inutiles et un gaspillage d'espace. Le dimensionnement est effectué systématiquement pour garantir la fonctionnalité et l'efficacité.
Le calcul commence par les composants internes des panneaux de contrôle industriels. Élaborez une nomenclature détaillée contenant toutes les pièces à installer dans l'armoire : automates programmables, blocs d'alimentation, borniers, cartes de circuits imprimés, rails DIN et transformateurs. Identifiez la taille réelle de chaque composant et déterminez la surface totale qu'il couvrira sur le sous-panneau ou la plaque arrière. Il est important de tenir compte non seulement des composants eux-mêmes, mais aussi de l'espace de sécurité requis entre eux, conformément aux normes industrielles, afin d'éviter les arcs électriques et de permettre un accès sûr.
Deuxièmement, vous devez envisager la gestion thermique des boîtiers électroniques. La chaleur est le principal ennemi des composants électroniques. Le boîtier doit être suffisamment spacieux pour permettre une convection naturelle de l'air. Une autre règle empirique est qu'il doit toujours y avoir au moins 25 % d'espace libre après le montage de tous les composants. Lorsque la chaleur dégagée par les composants internes est supérieure à la capacité de refroidissement passif du boîtier, des méthodes de refroidissement actif telles que des ventilateurs, des dissipateurs de chaleur ou des climatiseurs sont nécessaires. Ces machines occupent de l'espace physique et doivent être prises en compte dans le calcul initial du dimensionnement.
Enfin, pensez à la possibilité d'une croissance future, en particulier dans le domaine de l'électronique grand public. Il est beaucoup moins coûteux d'inclure de l'espace supplémentaire dans la conception initiale que de remplacer un boîtier entier à un stade ultérieur. Une approche de conception judicieuse consiste à prévoir un espace supplémentaire 15-25% pour les futurs composants, les changements ou les mises à niveau. Cette vision fait de l'armoire un composant viable du système pendant son cycle de vie prévu.
Choisir le bon matériau pour le boîtier
La sélection des matériaux du boîtier est une décision critique qui affecte directement la durabilité de l'unité, son poids, son coût et ses performances face aux facteurs environnementaux. Le choix doit être un acte conscient, en fonction des exigences de l'application qui ont été déterminées au cours de l'évaluation préliminaire. Les deux matériaux présentent un profil de leurs forces et de leurs faiblesses.
Acier au carbone : Largement utilisé dans les applications intérieures générales, car il est très résistant mécaniquement et bon marché. Il peut être facilement transformé en boîtiers sur mesure. Il présente la faiblesse majeure d'être peu résistant à la corrosion et ne peut donc pas être utilisé dans des environnements humides ou contaminés par des produits chimiques, à moins qu'un revêtement en poudre durable ne soit appliqué.
Acier inoxydable : très résistant à la corrosion, c'est le choix qui s'impose dans les secteurs à forte demande tels que l'industrie alimentaire, les équipements médicaux et la marine.
- Acier inoxydable 304 offre un bon degré de résistance à la corrosion dans la majorité des conditions de lavage et d'utilisation en extérieur.
- Acier inoxydable 316/316L contient du molybdène qui lui confère une meilleure résistance aux chlorures et à d'autres produits chimiques industriels sévères, et est nécessaire dans les usines chimiques et les applications côtières. Il s'agit d'une matière première coûteuse dont la fabrication est encore plus onéreuse.
Les propriétés de aluminium Les caractéristiques qui en font un matériau recherché sont la légèreté, la résistance à la corrosion et une bonne conductivité thermique, qui contribue à la dissipation passive de la chaleur. Il présente un rapport résistance/poids élevé, ce qui le rend adapté aux applications où le poids est un problème. Les boîtiers d'équipements de télécommunications et d'essais portables sont généralement fabriqués en aluminium.
PolycarbonateLes boîtiers en plastique sont fabriqués par moulage par injection. Il présente une résistance supérieure aux chocs, une résistance modérée à l'humidité et une résistance intrinsèque aux rayons UV dans les qualités stabilisées. C'est un isolant électrique, ce qui peut être un avantage en termes de sécurité. Néanmoins, il pourrait être moins stable thermiquement et moins résistant aux produits chimiques que les métaux.
Fibre de verre(polyester renforcé de fibres de verre ou PRV) offre une solution solide, très résistante à la corrosion et aux produits chimiques, et peut donc remplacer l'acier inoxydable dans la plupart des conditions difficiles. Il est léger et résistant, mais il peut être sujet à la délamination ou à l'efflorescence des fibres en raison de l'exposition aux UV au fil du temps, à moins qu'il ne soit recouvert d'un revêtement approprié.
Le tableau suivant présente une comparaison claire de ces matériaux courants pour les boîtiers :
| Matériau | Coût relatif | Résistance à la corrosion | Poids | Résistance mécanique |
| Acier au carbone | Faible | Faible | Lourd | Très élevé |
| Acier inoxydable 304 | Moyen | Haut | Lourd | Très élevé |
| Acier inoxydable 316 | Haut | Excellent | Lourd | Très élevé |
| Aluminium | Moyen | Très bon | Lumière | Moyen |
| Polycarbonate | Moyen - Faible | Bon | Très léger | Élevé (impact) |
| Fibre de verre | Moyen | Excellent | Lumière | Haut |
Classification des boîtiers NEMA et IP
Afin de normaliser le degré de protection offert par un boîtier, deux systèmes principaux sont utilisés : Les indices NEMA, définis par la National Electrical Manufacturers Association en Amérique du Nord, et les indices IP, définis par la Commission électrotechnique internationale (CEI). Ces indices sont importants pour comprendre la conformité réglementaire et l'adéquation du boîtier à l'environnement. Pour choisir la bonne norme, il faut comprendre les principales distinctions entre les deux normes. Indices NEMA et IP débat.
Les indices NEMA englobent un plus grand nombre de normes que les indices IP, telles que la protection contre la pénétration d'objets solides et d'eau, la corrosion et les détails de construction. Les classements les plus courants sont les suivants :
- NEMA 3R: Conçu pour être utilisé à l'extérieur. Protège contre les précipitations ; n'est pas endommagé par la formation externe de glace dans l'enceinte. Il n'est pas résistant à la poussière soulevée par le vent. (A peu près équivalent à IP24).
- NEMA 4 : Il est conçu pour être utilisé à l'intérieur ou à l'extérieur. Il protège contre la poussière et la pluie soufflées, les éclaboussures d'eau et l'eau dirigée par un tuyau d'arrosage. (Équivalent à IP66).
- NEMA 4X : Offre le même niveau de protection que la norme NEMA 4, mais avec une grande résistance à la corrosion. Il s'agit de la norme pour les environnements de lavage, la marine et les usines chimiques. (Plus ou moins équivalent à IP66).
- NEMA 12 : Conçu pour être utilisé dans une industrie intérieure. Protège contre les gouttes de liquides non corrosifs, les chutes de saletés et la poussière en circulation. (Équivalent à IP54).
Les indices IP sont composés de deux chiffres. Le premier chiffre (0-6) représente le degré de protection contre les objets solides, en commençant par les grandes parties du corps, jusqu'à la poussière microscopique. Le deuxième chiffre (0-8) indique la résistance à l'intrusion de l'eau, de la goutte d'eau à l'immersion totale et durable. Plus le chiffre est élevé, plus la protection est importante. Un boîtier avec un indice IP66, comme celui-ci, est totalement étanche à la poussière (6) et peut résister à de forts jets d'eau (6).
Choisir la quincaillerie pour la sécurité, l'étanchéité et la longévité
Bien que le corps de l'enceinte constitue le bouclier principal, sa quincaillerie détermine sa fonctionnalité, c'est-à-dire sa capacité à se fermer, à s'attacher et à survivre. Loquets, charnières, des poignées, et serrures ne sont pas des accessoires, mais plutôt des pièces mécaniques actives qui constituent les points de défaillance les plus fréquents dans la conception d'une armoire électrique. Le choix du matériel approprié est l'un des processus d'ingénierie les plus importants qui influence directement la sécurité, les performances d'étanchéité et la fiabilité à long terme.
C'est là que la collaboration avec un expert en matériel industriel, tel que KUNLONG, sera un avantage stratégique. KUNLONG propose des solutions qui visent à relever trois défis fondamentaux en mettant l'accent sur l'ingénierie et la production de ces éléments essentiels :
1. Garantir une étanchéité parfaite : Il ne sert à rien d'avoir un indice IP ou NEMA élevé si la porte ne s'adapte pas parfaitement au joint. Pour ce faire, on utilise des loquets à compression de haute qualité et des systèmes de verrouillage multipoints, qui exercent une pression uniforme sur tout le périmètre de la porte. Cette conception permet de garantir que le joint ne sera pas rompu et que la poussière et l'eau ne pénétreront pas dans l'appareil au cours de milliers de cycles d'ouverture et de fermeture.
2. Fournir une sécurité forte : La première défense contre l'accès non autorisé est le matériel. La difficulté réside dans le fait qu'il est nécessaire de choisir des mécanismes de verrouillage qui peuvent être non seulement résistants à la manipulation et à l'effraction, mais aussi adaptés aux conditions de travail. Il peut s'agir de simples boutons à ailettes à verrouillage par clé ou de poignées d'accès électroniques plus perfectionnées pouvant être intégrées dans un système de sécurité à l'échelle du site, qui offrirait non seulement une dissuasion physique, mais aussi une piste d'audit électronique.
3. Gestion des vibrations et des contraintes mécaniques élevées : Les enceintes des chemins de fer, des transports et de l'industrie lourde, telles que les presses d'usinage ou d'emboutissage à commande numérique, sont exposées à des vibrations et peuvent subir des chocs physiques à tout moment. Cette force mécanique continue peut conduire à un desserrage des fixations et du matériel standard avec le temps, ce qui compromet l'étanchéité et l'intégrité. La réponse se trouve dans la spécification du matériel conçu pour fonctionner dans de telles conditions. Les loquets à compression haute performance, par exemple, sont soumis à une pression constante pour éviter qu'ils ne se desserrent sous l'effet des vibrations. De même, les charnières doivent être solides et résistantes pour éviter l'affaissement des portes et pour que le mécanisme de verrouillage soit parfaitement aligné. La quincaillerie doit être conçue non seulement pour s'adapter, mais aussi pour résister aux forces dynamiques particulières de l'application.
En considérant la sélection du matériel comme un processus de conception, les ingénieurs peuvent éviter les défaillances les plus courantes et assurer le bon fonctionnement de l'armoire pendant toute sa durée de vie.
Assurer l'intégrité du blindage EMI/RFI et de l'étanchéité
Outre la protection des composants contre les risques physiques, l'un des principaux objectifs de la plupart des boîtiers contemporains est de protéger les composants électroniques délicats contre des risques invisibles : les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radiofréquences (RFI). Il s'agit du bruit électronique ambiant produit par tous les éléments, tels que les lignes électriques, les moteurs, les signaux sans fil, etc., et qui peut nuire aux performances, corrompre les données, voire entraîner une panne complète de l'appareil. Un bon blindage est donc une considération de conception dans les applications de télécommunications, d'appareils médicaux et d'automatisation industrielle. Blindage EMI.
Ce principe de protection est la cage de Faraday, un écran conducteur continu qui entoure les composants. La cage de Faraday est naturellement constituée d'une enceinte métallique bien conçue, mais l'intégrité de son blindage ne dépend que de son point le plus faible. Pour créer un blindage efficace, il est nécessaire de prêter attention à deux aspects :
1. Continuité électrique : Le blindage doit être électriquement continu. Toute discontinuité ou rupture dans le chemin conducteur peut servir d'antenne et provoquer des fuites d'interférences. Cela implique que tous les panneaux, portes et points d'accès doivent être reliés électriquement au corps principal de l'armoire. Cela se fait généralement par l'utilisation de joints conducteurs, généralement en treillis métallique ou en élastomères conducteurs, qui sont installés à l'interface de la porte et à d'autres ouvertures afin de sceller toute discontinuité éventuelle dans le blindage conducteur.
2. Intégrité de l'étanchéité par rapport au blindage : Dans ce cas, l'intégrité de l'étanchéité ne consiste pas seulement à empêcher la poussière et l'eau de pénétrer, mais aussi à compléter le circuit de la cage de Faraday. La plus grande brèche possible est la porte. Un système de verrouillage multipoint est essentiel pour assurer une pression constante et régulière sur le joint conducteur afin de fournir un chemin continu et à faible impédance entre la porte et le corps de l'enceinte. Toute autre ouverture, y compris les câbles ou la ventilation, doit également être couverte par des presse-étoupes blindés, des panneaux de ventilation en nid d'abeille ou d'autres éléments spéciaux qui permettent le passage sans compromettre le blindage.
Enfin, l'enceinte doit être bien mise à la terre. La cage de Faraday empêche les interférences en les conduisant autour de l'extérieur de l'enceinte. Une connexion de mise à la terre sûre offre une voie sûre par laquelle cette énergie capturée peut être dissipée afin qu'elle ne s'accumule pas et ne rayonne pas à nouveau, rendant ainsi le bouclier inutile.
Principaux défis en matière de conception des armoires pour infrastructures critiques
La conception d'armoires destinées à abriter des infrastructures critiques telles que des centres de données, des réseaux électriques et des réseaux de télécommunications constitue une catégorie particulière de défis à forts enjeux dans lesquels la défaillance du système n'est pas envisageable. L'accent n'est pas mis sur la simple protection, mais sur une stratégie globale qui couvre les problèmes fondamentaux suivants :
- Sécurité multicouche : La conception ne doit pas se limiter à une simple serrure, mais doit être intégrée pour offrir une protection contre les menaces avancées. Cela inclut une construction renforcée, un verrouillage multipoint et, dans de nombreux cas, un contrôle d'accès électronique avec surveillance et pistes d'audit.
- Gestion thermique à haute densité : Ces armoires contiennent des équipements très concentrés à forte puissance qui produisent une chaleur intense et concentrée. Il s'agit de concevoir des systèmes de refroidissement en boucle fermée très efficaces et fiables qui peuvent être utilisés pour éviter efficacement l'emballement thermique et garantir des performances optimales.
- Fiabilité à long terme : Étant donné que la durée de vie requise se compte généralement en décennies, toutes les pièces doivent être choisies en fonction de leur durabilité. La conception doit être axée sur la réduction de la maintenance et l'utilisation de matériel, y compris les charnières et les joints, dont il est prouvé qu'il résiste sans défaillance aux contraintes environnementales et aux cycles d'utilisation élevés.
- Évolutivité et pérennité : La technologie contenue dans ces armoires évolue très rapidement. L'une des principales questions est de développer une plate-forme modulaire et flexible avec des possibilités de rayonnages ajustables et des points d'entrée de câbles mobiles afin que l'armoire puisse s'adapter aux futures mises à niveau de l'équipement sans avoir à la remplacer par une armoire plus coûteuse.
Votre liste de contrôle essentielle pour la conception d'une armoire électrique
Cette liste de contrôle fournit un cadre structuré pour guider le processus de conception, de la conception à l'achèvement.
- Phase 1 : Analyse des besoins
- Définir l'application : Utilisation à l'intérieur ou à l'extérieur ?
- Évaluer les facteurs environnementaux : Température, humidité, exposition au rayonnement solaire.
- Identifier les agents chimiques/corrosifs : Brouillard salin, huiles, solutions de nettoyage, etc.
- Déterminer la conformité réglementaire : NEMA, IP, UL, normes spécifiques à l'industrie.
- Évaluer les contraintes physiques : Risques de vibrations, de chocs ou d'impacts.
- Évaluer les besoins en matière de sécurité : Niveau de protection contre les accès non autorisés.
- Phase 2 : Sélection des composants et des matériaux
- Finaliser la nomenclature de tous les composants internes.
- Calculer l'encombrement et les dégagements des composants.
- Choisir le matériau du boîtier en fonction des besoins de l'environnement et de l'application.
- Spécifier le classement NEMA/IP qui satisfait ou dépasse les exigences.
- Phase 3 : Aménagement et planification thermique
- Planifier la disposition des composants pour un câblage logique et un accès à la maintenance.
- Calculer la charge thermique totale (en watts) des composants internes.
- Déterminer la stratégie de gestion thermique : Convection, air forcé ou refroidissement actif.
- Finaliser les dimensions du boîtier, y compris l'espace pour la gestion thermique et l'expansion future.
- Planifier la gestion des câbles : Acheminement des câbles, points d'entrée et décharge de traction.
- Phase 4 : Matériel et accessoires
- Choisir des charnières adaptées au poids de la porte et aux conditions ambiantes.
- Choisissez des loquets/verrous qui assurent une compression et une sécurité adéquates du joint.
- Spécifier un matériau d'étanchéité compatible avec la température et l'exposition chimique.
- Sélectionnez les accessoires nécessaires : rails DIN, kits de fenêtres, goujons de mise à la terre.
- Phase 5 : Examen et vérification
- Procéder à un examen de la conception pour s'assurer que toutes les exigences sont respectées.
- Vérifier les certifications des matériaux et les fiches techniques des composants.
- En cas de prototypage, effectuer des tests de tolérance et des tests de vérification IP/NEMA.
- S'assurer que la documentation de conception finale est complète et exacte.
Conclusion
La conception d'une armoire électrique efficace est le fruit d'une procédure rigoureuse et systématique. Elle commence par une connaissance approfondie de l'environnement de l'application et se poursuit par un processus décisionnel conscient en termes de dimensionnement, de science des matériaux et d'adhésion aux normes industrielles établies. Dans le cas d'applications dans des industries exigeantes, comme nous l'avons vu, les solutions standard ne sont pas toujours suffisantes et la conception est poussée vers des solutions spécialisées et sur mesure.
La fiabilité finale d'une armoire est une qualité combinée, dans laquelle la solidité de la tôle, la résistance du revêtement en poudre et l'intégrité de la quincaillerie s'unissent pour créer un système solide. Cette attitude globale, la combinaison de principes fondamentaux avec l'adaptation à l'environnement et un excellent choix de composants, est ce qui fait d'une simple boîte une fortification des systèmes électriques vitaux.
Pour garantir que votre prochain projet répondra aux normes les plus élevées, collaborez avec les experts en quincaillerie industrielle qui sont conscients de ces complexités. Le large éventail de modèles 3D et l'expérience de première main de l'équipe d'experts en quincaillerie industrielle de la Commission européenne sont autant d'atouts pour votre projet. KUNLONG L'équipe d'ingénierie peut fournir aux ingénieurs un moyen facile de résoudre une tâche difficile et d'obtenir un produit final solide, stable et sûr.
