Par le passé, les banques de condensateurs étaient reléguées dans les centrales publiques clôturées, rudimentaires et isolées. Aujourd'hui, les applications de banques de condensateurs se sont adaptées aux appareils MEMS de taille nano et se tournent vers des sous-stations de parcs éoliens en mer. Quelle que soit leur utilisation, les banques de condensateurs réalisent les mêmes fonctions de stockage et de régulation de l'énergie électrique. Cet article examinera les bases des banques de condensateurs et leur utilisation dans un large éventail d'applications modernes.
Une définition
Comme son nom l'indique, une banque de condensateur est simplement un groupement de plusieurs condensateurs de la même puissance. Les banques de condensateurs peuvent être connectées en série ou parallèle, selon la puissance souhaitée. À l'instar d'un condensateur individuel, les banques de condensateurs sont utilisées pour stocker l'énergie électrique et conditionner le flux de cette énergie. L'augmentation du nombre de condensateurs dans une banque augmentera la capacité d'énergie pouvant être stockée sur un seul appareil.
Applications classiques
Notre monde moderne d'électronique nécessite beaucoup d'énergie. Pour répondre à cette demande, l'énergie doit être stockée de manière électrique pour un accès facile. Les condensateurs sont parfaits pour stocker d'importantes charges d'énergie électrique et conditionner le flux d'énergie au besoin.
Voici quelques unes des utilisations classiques des banques de condensateurs :
• Condensateur shunt : un shunt est un mécanisme qui permet au courant électrique de circuler dans un autre point du circuit, en créant un chemin à faible résistance. Dans les applications électriques de dérivation du bruit, les condensateurs sont utilisés pour rediriger les bruits à fréquence élevée vers la terre avant qu'ils ne se propagent dans le système, mais particulièrement dans la charge. Les condensateurs shunt sont utilisés pour améliorer la qualité de l'alimentation électrique et donc l'efficacité des systèmes électriques (Fig. 1).
Figure 1 : voici une banque de condensateurs, plus précisément une banque de condensateurs shunt. (Source : Vishay Intertechnology)
• Correction du facteur de puissance: dans les transformateurs et les moteurs électriques, les banques de condensateurs sont utilisées pour corriger le décalage du facteur de puissance ou le déphasage dans les alimentations électriques à courant alternatif (CA). Le facteur de puissance d'un système électrique CA est une comparaison avec la puissance utilisée par la charge, appelée « puissance réelle », divisée par la puissance fournie à la charge, appelée « puissance apparente ». En d'autres termes, le facteur de puissance est le ratio du travail utile réalisé par un circuit et du travail utile maximum qui aurait pu être réalisé à la tension et l'ampérage fournis.
Dans le domaine de la distribution d'énergie électrique, les banques de condensateurs sont utilisées pour la correction du facteur de puissance. Ces banques sont nécessaires pour empêcher le chargement inductif des appareils comme les moteurs électriques et les lignes de transmission, en faisant en sorte de rendre la charge principalement résistive. En substance, les condensateurs à correction de facteur de puissance augmentent la capacité de transport du courant du système. En ajoutant des banques de condensateurs, vous pouvez ajouter une charge supplémentaire à un système sans modifier la puissance apparente. Les banques peuvent aussi être utilisées dans une alimentation électrique à courant continu (CC) pour augmenter la capacité du courant de décharge de l'alimentation électrique ou la quantité totale d'énergie stockée.
• Stockage d'énergie : à l'image des condensateurs individuels, les banques de condensateurs stockent l'énergie électrique lorsqu'elles sont connectées à un circuit de chargement et libèrent cette énergie lorsqu'elles sont déchargées. Les condensateurs sont fréquemment utilisés dans les appareils électroniques pour maintenir l'alimentation électrique pendant que les batteries sont en train d'être changées. Pour les appareils modernes grand public comme les téléphones portables, une capacité de stockage élevée est nécessaire dans un volume très petit en raison de l'espace limité. Cela pose un problème puisque une capacitance accrue implique généralement une augmentation de la surface des plaques, représentée par « A » dans la Fig. 2.
Figure 2 : la miniaturisation des banques capacitatives est due à l'introduction de nouveaux matériaux entre les plaques du condensateur qui augmentent la permittivité « k » du matériau diélectrique. (Source : auteur de l'article)
Comme le révèlent les équations, une autre manière d'augmenter la capacitance est d'augmenter la force diélectrique. L'élément « k » est la permittivité relative du matériau diélectrique entre les plaques. Pour l'espace libre, « k » est égal à une unité ou un. Pour tous les autres supports, « k » est supérieur à un. Les condensateurs à film et électrolytiques sont des exemples classiques d'appareils adaptés à ces applications.
D'importantes à petites à exotiques
Les applications de banque de condensateurs vont des plus importantes aux plus petites. L'une des applications les plus étonnamment importantes est une application de sous-stations de parcs éoliens. Le parc éolien de Lincs est un parc éolien en mer de 270 MW à 8 km de Skegness sur la côte est de l'Angleterre (Fig. 3). L'énergie générée en mer est transférée vers le réseau via la sous-station terrestre située dans le comté de Norfolk. L'usine de condensateurs à haute tension Siemens a fourni un total de six banques de condensateurs sans fusible monophasées ainsi que six banques monophasées avec condensateurs à fusible interne.
Figure 3 : parc éolien en mer de Lincs. (Source : Mat Fascione via Geograph)
En pratique, les installations de banques de condensateurs électriques peuvent être regroupées en trois catégories : à fusible interne, fusible externe ou sans fusible. Pour les condensateurs à fusible interne, le boîtier individuel contenant la banque est construit à partir de groupes d'éléments de condensateurs parallèles, chaque élément inclut un fusible individuel dans le boîtier. À l'inverse, les banques de condensateurs à fusible externe consistent en des groupes de condensateurs parallèles conçus pour fonctionner avec un fusible externe commun.
Ce fusible externe peut potentiellement causer des problèmes en cas de défaillance dans l'un des éléments d'enroulement, auquel cas l'unité entière doit être éliminée. Selon Brad Henderson, responsable régional des ventes et du marketing pour la division des condensateurs électriques ESTA de Vishay, l'utilisation de condensateurs à fusible interne est l'une des dernières tendances en matière de technologie moderne des banques de condensateurs. « L'un des plus gros défis en terme de conception est de changer la mentalité des clients finaux habitués aux anciennes banques de condensateurs à fusible externe utilisées autrefois ici dans les Amériques », explique Henderson.
Finalement, les banques de condensateurs sans fusible utilisent aussi un fusible externe. Pourtant, elles contiennent généralement plus d'éléments qu'un condensateur à fusible classique. Par conséquent, un court-circuit dans un élément n'entraîne pas de défaillances en cascade dans le boîtier.
À l'extrémité opposée de l'échelle se trouvent de petites applications pour les smartphones et appareils de stockage. Les banques de condensateurs à faible puissance sont utilisées conjointement avec des supercondensateurs à large capacitance pour réduire le temps de chargement d'un téléphone portable. Un supercondensateur est capable de maintenir cent fois plus de charge électrique qu'un condensateur standard et est parfois utilisé comme batterie rechargeable à basse tension.
Dans la radiofréquence (RF) et les espaces sans fil, les minuscules systèmes microélectromécaniques ou MEMS, les banques de condensateurs ajustables sont utilisées pour augmenter ou remplacer les condensateurs ajustables électromécaniques de taille normale. Des centaines de minuscules condensateurs MEMS de différentes valeurs sont contrôlés et ajustés numériquement via une interface périphérique série (SPI). Ces banques de condensateurs commutés peuvent être combinées dans un paquet, augmentant ainsi la portée ajustable du système global.
L'une des utilisations les plus exotiques des banques de condensateurs se trouve dans les alimentations pulsées et les systèmes d'armes. Des études ont été menées sur les banques de condensateurs à tension élevée et faible inductance capables de fournir d'énormes impulsions de courant pour de nombreuses applications à alimentation pulsée. Les banques de condensateurs avec une densité énergétique élevée (plus de 1 J/cm3) et les commutateurs de semiconducteurs modernes peuvent être utilisés pour créer une énergie compacte s'élevant à plusieurs centaines de kilojoules (kJ) et générant des courants d'impulsion.
Des applications pour ces banques de condensateurs haute densité incluent le formage électromagnétique, les générateurs Marx, les lasers pulsés, les réseaux de formage d'impulsions, les radars, la recherche sur la fusion et les accélérateurs de particules. Le travail expérimental continue à utiliser des banques de condensateurs comme sources d'alimentation pour l'armure électromagnétique, les canons électriques électromagnétiques et les canons magnétiques.