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 Solution technique - Août - Septembre 2014

Condensateurs de puissance :  des composants « vivants »  au cœur des équipements


Les condensateurs de puissance sont des composants consommables. Leurs caractéristiques se dégradent au fil des ans selon les conditions d’exploitation. D’où l’intérêt de mieux en connaître les mécanismes, rapportés à l’aspect critique de l’installation.

EM70 SolTec Condensateurs 02Nombreux sont les équipements électriques qui comportent des condensateurs de puissance. C’est le cas par exemple des variateurs de vitesse dans le domaine des entraînements, des onduleurs ou encore, de façon plus évidente, des batteries de condensateurs chargées de maintenir un niveau acceptable de courant réactif.
Les performances du condensateur de puissance évoluent et tendent à se dégrader au fil du temps et selon le type d’utilisation de l’équipement. C’est pourquoi il est important de prévoir des actions de maintenance, voire le remplacement de l’équipement.

Condensateurs et variateurs de vitesse
En grande majorité les condensateurs de puissances actuellement intégrés sont de type électrolytique. Le rapport valeur/coût pour les équipements de forte puissance (plus de 200 kW pour les variateurs de vitesse) est encore largement favorable à cette technologie.
De forme cylindrique, ces condensateurs sont composés de l’enroulement de deux films, anode et cathode, le tout baignant dans une solution électrolytique. Bon marché, ces condensateurs de puissance présentent toutefois une durée de vie limitée estimée entre 8 et 12 ans. Celle-ci varie en fonction de l’usage et des conditions de température. Comme cela est le cas pour les batteries, la sensibilité des condensateurs à la température est relativement importante. Les condensateurs sont également très sensibles aux surtensions pouvant être portées aux bornes du convertisseur. Outre le fait que la surtension endommage directement le convertisseur, elle peut induire une montée en pression d’un ou plusieurs condensateur(s) et leur éclatement. Cette réaction au cœur de l’équipement doit absolument être évitée. C’est pourquoi certains fabricants de variateurs de vitesse prescrivent, au-delà de 160 kW de puissance, la mise en œuvre d’une protection par des fusibles ultrarapides, afin de couper le front de surtension au plus tôt.
Les condensateurs constituent le second point faible des variateurs, derrière les ventilateurs. Ventilateurs qu’il convient de remplacer lors d’opérations de maintenance préventive, à intervalles réguliers (en fonction de la pollution de l’air, de la présence d’huile et de poussières…).
Au sein des variateurs de vitesse de forte puissance, les condensateurs de puissance sont fixés au jeu de barres principal et occupent un volume conséquent. Ils restent souvent difficiles d’accès lors d’un remplacement. Ce qui explique que, sur des variateurs jusqu’à une centaine de kW et âgés d’une dizaine d’années, cette opération n’est pas vraiment jugée utile, considérés le risque général d’obsolescence des pièces et la vétusté de l’équipement. Faut-il pour autant que l’exploitant attende la défaillance d’un condensateur pour remplacer sont équipement ? Cela dépend évidemment de la criticité de la fonction assurée.
Tester la bonne santé des condensateurs de puissance nécessite d’effectuer une mesure sur chaque composant en l’isolant des autres. En utilisant une alimentation, il s’agit de mesurer le courant de fuite qui doit être généralement inférieur à 3 mA.
Il existe aussi sur le marché des variateurs de vitesse sans condensateurs de puissance. Destinés aux puissances unitaires inférieures à une cinquantaine de kilowatts pour les applications de type HVAC (pompage, ventilation), ces variateurs génèrent aussi moins de courants harmoniques et sont moins sensibles aux risques de surtension.

 


Condensateur « film » : la solution pérenne
EM70 SolTec Condensateurs 01Technologie émergente dans le monde du condensateur de puissance, le condensateur à film plastique commence à être intégré par certains constructeurs d’équipements électriques. D’un coût encore supérieur à celui de la technologie électrolytique, le condensateur film présente cependant plusieurs atouts. Sec, il ne contient aucun électrolyte et ne présente pas de risque de surpression de cuve. Il génère moins de pertes thermiques, d’où un besoin de ventilation inférieur. On le trouve sous différentes formes : cylindrique, rectangulaire, en forme d’anneau… Autre avantage et non des moindres : sa capacité à l’auto-cicatrisation. Ce qui lui confère une moindre sensibilité aux défauts ponctuels que peuvent susciter les matériaux qui entrent dans sa réalisation. Sa durée de vie est plus longue et, de fait, il ne nécessite plus d’actions de maintenance (teste, remplacement…) sachant par ailleurs qu’un stockage hors tension de longue durée ne lui pose aucun problème. Moins sensible aux surtensions, il peut se contenter, en amont, d’une protection plus souple assurée par un disjoncteur.
En variation de vitesse, globalement, le condensateur film assure un meilleur comportement pour les cycles fréquents. Par exemple pour des applications critiques de type quadratique, et à couple constant, pour le levage avec de fortes surcharges.


 

Hors tension, le condensateur s’use !
Un condensateur électrolytique restant plusieurs mois hors tension développe une oxydation de l’anode qui lui est dommageable. Le condensateur perd alors de sa sensibilité. D’ailleurs, indice utile comme pour une batterie, la date de fabrication est apposée sur le condensateur.
L’équipement électrique restant trop longtemps en stock ou installé sur un chantier qui accumule les retards peut alors présenter des problèmes s’il est mis en service tardivement. Certains fabricants invitent leurs clients à bien s’assurer des dates de mise sous tension avant de passer commande d’un équipement.
En théorie, il est nécessaire et même recommandé de mettre sous tension (selon une rampe de tension progressive) au moins une fois par an les condensateurs via les bornes généralement disponibles sur le bus continu. Cette opération contribue à réveiller les condensateurs.

Composant critique de l’onduleur
Dans un onduleur, trois groupes de condensateurs sont disposés : en entrée et en sortie pour le filtrage et sur le bus tension continue. Un onduleur de 100 kW comprend environ 50 condensateurs. En fonction du type de condensateur et de l’utilisation de l’équipement, leur durée de vie varie de cinq (sur bus tension continue) à dix ans (filtrage en sortie). Des actions de maintenance préventive sont possibles par contrôle visuel (repérage d’un gonflement ou d’une fuite sur un des éléments) et par mesure de tension. Les condensateurs en entrée sont sensibles à la qualité du réseau, tandis que ceux disposés en sortie présentent une grande sensibilité aux impacts de charge courts (par exemple avec des équipements de radiologie) et aux harmoniques, qui ont pour conséquence de réduire leur durée de vie. Dans les cas les plus critiques, après audit d’une charge très spécifique, le fabricant de l’onduleur peut être amené à intégrer des condensateurs spécifiques et mieux adaptés.
En cas de défaillance d’un condensateur, l’onduleur n’est plus opérationnel. C’est donc à la fois un composant soumis à usure et aux critiques. Sachant que l’impédance des condensateurs évolue au fil du temps, un condensateur hors-service nécessite de remplacer tout le groupe de condensateurs montés avec lui en parallèle.

Batteries de condensateur : sensibles aux harmoniques
Sur une batterie de condensateurs, les surtensions réseau et les cycles d’enclenchement/déclenchement font perdre aux condensateurs leur capacité initiale. La présence d’harmoniques accélère également le phénomène, d’autant plus que le condensateur a lui-même tendance à accentuer le phénomène. Le placement d’une self anti-harmoniques courant et tension, ou mieux, un contacteur électronique à thyristors disposé sur la batterie, contribuera à l’allongement de la durée de vie des condensateurs. Au-delà de dix ans, les fabricants estiment toutefois que le condensateur perd une part importante de sa capacité.

Michel Laurent

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