Qu'est-ce qu'une barre omnibus électrique ?

Une barre omnibus électrique est une barre, une bande, un tube ou une tige métallique qui conduit le courant d'un endroit à un autre en toute sécurité et avec des pertes d'énergie minimales. On les utilise fréquemment afin de remplacer les fils et les câbles pour la distribution d'énergie à haute intensité, les équipements à haute tension et les applications de batteries à basse tension. La plupart des configurations de barres omnibus ne sont pas isolées afin d'améliorer le refroidissement par convection et de faciliter l'accès aux nouvelles connexions. Étant donné que la plupart des barres omnibus fonctionnent avec du courant triphasé à haute tension, de nombreux systèmes de barres omnibus électriques comprennent trois conducteurs distincts conçus pour fonctionner ensemble de manière sécurisée et efficace. 

Les ingénieurs qui conçoivent des barres omnibus pour des applications électriques doivent trouver un équilibre entre optimisation de l'espace, coût, sécurité, résistance, capacité et inductance entre les pattes ou les matériaux conducteurs voisins, les options de montage et le refroidissement. Ces exigences souvent contradictoires font que l'électricité, le magnétisme et l'énergie électrique sont des éléments essentiels de l'économie d'énergie, 

Les ingénieurs placent les barres omnibus dans les systèmes électriques où elles offrent des avantages en termes de conception par rapport aux fils ou au câblage. Les applications les plus courantes sont les suivantes :

Appareils de commutation de puissance électrique

Les appareils de commutation sont utilisés dans les systèmes électriques tels que les interrupteurs, fusibles et disjoncteurs qui protègent, contrôlent et isolent électriquement l'équipement électrique, souvent dans une installation de production d'énergie ou dans des postes électriques. Les barres omnibus relient des composants, tels que des transformateurs, des fusibles et des machines industrielles. Elles peuvent également distribuer l'énergie à l'intérieur d'un appareil.

Barres sous gaine ou barres blindées

Les barres sous gaine sont de longues enceintes contenant des barres omnibus ou des câbles utilisés comme connecteurs d'alimentation d'un endroit à l'autre. Les barres blindées sont constituées de gaines métalliques ou de structures en résine moulée qui contiennent des barres omnibus. Dans les applications de distribution d'électricité, elles sont souvent constituées de conduits encastrés dans le béton.

Tableaux de distribution d'énergie 

Les tableaux de distribution d'énergie sont utilisés dans les bâtiments pour la distribution de l'énergie électrique, en séparant les arrivées d'énergie en circuits distincts. Des panneaux verticaux ou horizontaux sont placés stratégiquement et les circuits sont connectés par des filetages. Le système est placé dans une armoire mise à la terre ou dans un endroit surélevé. 

Distribution de l'alimentation de la batterie

Compte tenu de leur rigidité et de leur faible épaisseur, les barres omnibus sont le moyen privilégié de connecter les batteries dans les véhicules électriques et les applications de stockage d'énergie. Contrairement à la plupart des applications, les systèmes de batteries de VE utilisent parfois des barres isolées en aluminium au lieu de barres en cuivre non isolées, en raison de leur poids inférieur. 

Systèmes d'énergie renouvelable

L'efficacité est essentielle pour les systèmes solaires, éoliens, hydroélectriques et les autres systèmes utilisant des énergies renouvelables. Les barres omnibus constituent une méthode efficace, fiable et résistante pour transférer et fournir de l'énergie aux dispositifs utilisés dans les applications d'énergie renouvelable, avec une efficacité et une flexibilité optimales. 

Machines industrielles

Les équipements industriels sont alimentés par des tableaux de distribution d'énergie à barres omnibus et utilisent les barres en interne pour distribuer l'énergie depuis le dispositif d'alimentation électrique jusqu'aux dispositifs d'alimentation qui mènent aux composants alimentés du système. 

Appareils électroniques

Bien que l'on associe généralement les barres omnibus à la transmission de l'énergie et aux équipements de grande puissance, les concepteurs les utilisent pour les mêmes raisons dans les appareils électroniques, en particulier dans l'électronique de puissance. Leur forme fine et leur poids plus léger en font un bon choix pour résoudre les problèmes de boîtiers ou de répartition de chaleur. 

Les fournisseurs ont développé de nombreux types de barres omnibus pour répondre aux besoins d'un nombre croissant d'applications. Les barres omnibus peuvent être regroupées selon les caractéristiques suivantes :

Matériau

Les fournisseurs fabriquent des barres omnibus à partir de n'importe quel matériau conducteur, mais la plupart utilisent le cuivre ou l'aluminium. Le cuivre est le deuxième matériau en matière de conductivité, après l'argent. L'aluminium est le quatrième métal le plus conducteur, mais il est plus léger et moins cher que le cuivre. Les barres d'aluminium et de cuivre sont généralement recouvertes d'une couche d'étain, de nickel ou d'argent afin de réduire la corrosion et d'améliorer les performances globales. 

Forme

La forme des barres omnibus a une incidence sur leur conductivité en raison de l'effet de peau et du transfert de chaleur à partir de la barre. Dans la plupart des cas, l'objectif est d'obtenir un rapport élevé entre la surface et la section transversale. 

Voici une liste des formes les plus courantes :

• Barres omnibus rigides (barres plates) : La forme la plus couramment utilisée est une barre longue, fine et rigide. Elles sont souvent façonnées au moment de la fabrication pour répondre à des besoins spécifiques. 
• Barres omnibus à section transversale spéciale : Certaines barres omnibus utilisent des sections en forme de « U », de « T » ou de « L » pour apporter une plus grande rigidité à la flexion, augmenter la surface et offrir davantage d'options de connexion. 
• Barres omnibus laminées ou flexibles : Les barres omnibus flexibles sont créées en laminant de fines bandes métalliques ou des feuilles. Cela permet non seulement de rendre les barres plus flexibles, mais aussi d'augmenter la surface totale et, par conséquent, la conductivité. 
• Barres omnibus rondes : Les barres omnibus à section cylindrique pleine ou creuse sont utilisées pour les applications à courant élevé nécessitant une plus grande rigidité, une meilleure rotation ou une plus grande souplesse d'installation. 
• Isolation : Un autre moyen de distinguer un type de barre omnibus est la façon dont elle est isolée de la structure environnante. Dans certains cas, elle est recouverte d'un polymère isolant, ou elle peut être isolée et maintenue en place par des supports isolés ou des isolateurs.

Capacité et type de courant admissible

Une barre omnibus monophasée comporte deux circuits : un circuit sous tension et un circuit neutre. Les barres omnibus triphasées utilisent quatre conducteurs, un pour chaque phase et un autre pour le neutre. Alors que les barres monophasées et triphasées alimentent des applications de courant alternatif (CA), certaines barres omnibus transportent du courant continu (CC).

Les ingénieurs choisissent les barres omnibus pour de nombreuses raisons, généralement liées au coût, à la performance et à la sécurité. Dans la plupart des cas, les caractéristiques suivantes déterminent le choix des barres omnibus par rapport à d'autres options de distribution d'énergie :

• Distribution de l'alimentation simplifiée : Les barres omnibus regroupent de nombreuses connexions électriques en un point central. Elles sont plus faciles à concevoir et à entretenir qu'un câblage complexe.
• Flexibilité géométrique : Les barres omnibus peuvent être montées dans la majorité des formes et s'adapter à la majorité des applications. 
• Facilité de connexion : Les barres omnibus ne nécessitent pas de connexions électriques complexes. Si une alimentation électrique est nécessaire, il suffit de connecter un fil à la surface.
• Facteur de forme : La topologie fine des barres omnibus permet de distribuer l'énergie dans des espaces restreints, comme c'est le cas pour les batteries, l'électronique ou les machines industrielles. 
• Rigidité : La rigidité structurelle des barres omnibus élimine le besoin de faisceaux de câbles. Les barres peuvent contribuer à la solidité globale de la structure et couvrir de plus longues distances. 
• Rentabilité : Les barres omnibus peuvent coûter moins cher que les options de câblage. Elles sont également moins coûteuses à installer, à entretenir et à réparer. 
• Développement durable : Sachant qu'elles sont principalement constituées de cuivre ou d'aluminium solide, les barres omnibus sont faciles à recycler. 

Comme le montrent les différents types de barres omnibus, les ingénieurs disposent d'un large choix de matériaux, de configurations, de revêtements et de formes. Les outils de simulation multiphysique sont un complément parfait au processus de conception, car ils offrent un moyen rapide et précis de comprendre l'interaction des champs électromagnétiques, la production de chaleur, le transfert de chaleur et la réponse structurelle. 

Les ingénieurs souhaitent optimiser la conception de leurs barres omnibus afin d'obtenir une efficacité maximale et un fonctionnement en toute sécurité tout en minimisant les coûts. Une fois qu'ils ont compris le routage du circuit, ils peuvent créer un modèle électromagnétique à basse fréquence dans un programme tel que le solveur de champ électromagnétique avancé Ansys Maxwell® pour calculer le champ électromagnétique, la production de chaleur et les pertes dues à la résistance, à la capacité et à l'inductance. Ils peuvent optimiser la forme automatiquement ou réaliser des études de simulation afin de déterminer la meilleure forme pour chaque module de barre omnibus. 

Simulation de la densité de courant sur des barres omnibus triphasées à l'aide d'Ansys Maxwell

Si l'application comporte plusieurs circuits, comme dans une application triphasée, les ingénieurs peuvent utiliser le logiciel de simulation électromagnétique d'extraction parasitaire Ansys Q3D Extractor® pour modéliser rapidement l'ensemble du système et calculer les paramètres parasites pour la résistance, l'inductance, la capacité et la conductance dépendant de la fréquence (RLCG).

Un outil structurel thermique polyvalent tel que le logiciel d'analyse structurelle par éléments finis Ansys Mechanical™ est ensuite déployé pour examiner les contraintes thermiques, s'assurer qu'aucune des fréquences naturelles n'est un multiple de la fréquence électrique de fonctionnement et évaluer la rigidité globale du système.

Ressources connexes