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Alimentation sans interruption
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Une alimentation sans interruption (ou ASI, ou en anglais UPS, Uninterruptible Power
Supply) est un dispositif de l'électronique de puissance qui permet de fournir à un système
électrique ou électronique une alimentation électrique stable et dépourvue de coupure ou de
micro-coupure, quoi qu'il se produise sur le réseau électrique.
Sommaire
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1 Constitution
o 1.1 Stockage
o 1.2 Génération
2 Topologies
o 2.1 En attente passive
o 2.2 En interaction avec le réseau
o 2.3 À double conversion
3 Applications
4 Bibliographie
5 Fabricants
6 Notes
7 Articles connexes
8 Liens externes
Constitution [modifier]
Elle est constituée de la mise en cascade d'un montage redresseur, d'un dispositif de stockage
de l'énergie (batterie d'accumulateurs, supercondensateurs, volant d'inertie, etc.) et d'un
onduleur ou « mutateur » fonctionnant à fréquence fixe.
Le terme onduleur est fréquemment utilisé pour désigner ce type d'alimentation. C'est le cas,
par exemple, pour les onduleurs que l'on intercale entre le réseau de distribution et les
serveurs d'un centre informatique.
Stockage [modifier]
Le stockage d'énergie peut être fait sous différentes formes :
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sous forme chimique (batterie d'accumulateurs), on parle de BESS pour Battery
Energy Storage System ;
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sous forme électrique (dans des supercondensateurs ou des bobines
supraconductrices), on parle alors de « SMES » pour Superconducting Magnetic
Energy Storage ;
sous forme mécanique / énergie cinétique (utilisation d'une machine synchrone
raccordée au réseau prenant le relais en cas de coupure), on parle alors d'accumulateur
cinétique, ou ASI Dynamique / D-UPS / Dynamic Uninterruptible Power Supply) ;
sous forme de gaz comprimé.
Génération [modifier]
Le courant issu de ces réserves d'énergie est continu. Soit immédiatement (accumulateurs
chimiques ou électriques), soit via un étage redresseur pour les accumulateurs cinétiques (la
fréquence du courant alternatif généré naturellement par ces derniers varie avec la décharge
de l'accumulateur et ne peut donc servir directement à alimenter une charge en 50 Hz ou
60 Hz).
Deux technologies sont présentes sur le marché pour la partie onduleur ou mutateur.
1. La technologie statique (s'appliquant aux onduleurs statiques) dans laquelle le tension
alternative de sortie de l'ASI est produite à partir du courant continu issu de la réserve
d'énergie par le biais de transistors commutés à haute fréquence pour reconstituer un
signal sinusoïdal à partir du signal continu.
2. La technologie dynamique (s'appliquant aux onduleurs dynamiques ou « rotary
UPS ») dans laquelle une machine synchrone est utilisée (comme un alternateur) pour
générer le courant alternatif de sortie.
Un premier étage à base de thyristor à basse fréquence (50 Hz ou 60 Hz) peut être utilisé pour
générer un signal alternatif carré qui est ensuite transformé en sinusoïde par la machine
synchrone. Il s'agit alors de technologie « hybride ».
Chaque technologie a des avantages et des inconvénients (techniques et financiers) propres
qui aident à effectuer le choix pour une application donnée. On observe par exemple1 que la
part de marché des onduleurs dynamiques est plus importante sur les applications de forte
puissance telles que les gros centres informatiques (plusieurs milliers de m2).
Il faut souligner que le choix d'une technologie pour l'étage onduleur/mutateur (statique ou
dynamique) ne conditionne pas le choix du type de réserve d'énergie. On peut ainsi avoir un
onduleur dynamique avec comme réserve d'énergie des batteries chimiques. Ou inversement
retenir un onduleur statique avec comme réserve d'énergie un (ou plusieurs) accumulateur
cinétique. Dans ce dernier cas certains utilisent parfois l'appellation d'onduleur dynamique ou
« rotary UPS ».
Topologies [modifier]
Bien qu'il existe sur le marché plusieurs types d'ASI, différents du point de vue de leur
configuration ou de leur architecture, on parvient généralement à les classer parmi les trois
topologies suivantes : en attente passive (offline ou passive standby), en interaction avec le
réseau (line-interactive) et à double conversion (online ou double conversion). Ces
expressions désignent l'état de l'onduleur lors du fonctionnement normal du réseau électrique
(mode normal de l'ASI).
Quelle que soit sa topologie, l'ASI fonctionne selon le même principe: lorsque la tension du
réseau d'entrée sort des tolérances spécifiées de l'ASI, ou lors d'une défaillance de ce réseau,
l'ASI se met en mode autonome. Ce mode est maintenu pendant toute la durée d'autonomie de
la batterie ou, suivant le cas, jusqu'à ce que le réseau revienne dans les tolérances spécifiées,
ce qui entraîne un retour au mode normal.
En attente passive [modifier]
ASI fonctionnant en attente passive
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En mode normal, l'onduleur est en attente passive, isolé de la charge par l'interrupteur
d'ASI. La charge est branchée directement au réseau, ou par l'entremise d'un filtre ou
conditionneur qui élimine certaines perturbations électriques. Le chargeur, branché sur
le réseau, assure la recharge de la batterie.
En mode autonome, l'alimentation de la charge est transférée du réseau vers l'onduleur
via l'interrupteur d'ASI. Le temps de permutation de l'interrupteur, généralement très
court, est de l'ordre de 10 ms.
Simple et économique, cette configuration n'offre qu'une protection rudimentaire. La charge
n'est pas véritablement isolée par rapport au réseau électrique et la régulation de fréquence y
est inexistante. La régulation de tension, limitée par la capacité de conditionnement d’un
simple filtre en ligne, peut être sensiblement améliorée grâce à l’ajout d’un transformateur
ferrorésonnant ou à commutation de prise automatique. Par ailleurs, le temps de basculement
de l'interrupteur, bien que très rapide, peut être inacceptable pour certaines installations
sensibles. Ces inconvénients font que ce type d'ASI n'est utilisable qu'avec de faibles
puissances (moins de 2 kVA) et pour des appareils tolérant assez bien le risque.
En interaction avec le réseau [modifier]
ASI fonctionnant en interaction avec le réseau
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En mode normal, la charge est alimentée par le réseau conditionné constitué par
l'onduleur en parallèle (en interaction) avec le réseau. L'onduleur, à fonctionnement
réversible, conditionne la puissance de sortie et assure la recharge de la batterie.
En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge. Le
contacteur de puissance coupe l'alimentation d'entrée pour éviter un retour
d'alimentation depuis l'onduleur
L'interaction avec le réseau permet une certaine régulation de la tension de sortie, mais elle
reste moins efficace que celle effectuée sur l'ASI à double conversion.
Comme l'ASI à attente passive, il n'y a pas véritablement d'isolation entre la charge et le
réseau électrique, ni de régulation de fréquence de sortie. Pour ces raisons, cette configuration
reste marginale dans le domaine des moyennes et fortes puissances.
À double conversion [modifier]
ASI fonctionnant en double conversion
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En mode normal, l'onduleur est en série entre le réseau et la charge. La puissance
fournie à la charge transite en permanence par le duo chargeur-onduleur qui réalise
une double conversion alternatif/continu - continu/alternatif.
En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge.
Cette configuration est la plus coûteuse, mais aussi la plus complète au point de vue de la
protection de la charge. L'onduleur régénère en permanence la tension fournie par le réseau,
ce qui permet une régulation précise de la tension et de la fréquence de sortie (il y a même
possibilité de fonctionner en convertisseur de fréquence, lorsque cela est prévu). De plus,
l'isolement de la charge par rapport au réseau élimine les reports des perturbations du réseau
électrique sur la sortie de l'ASI. Par ailleurs, le passage du mode normal au mode autonome
s’effectue instantanément, sans aucun délai de permutation.
L’ASI comporte un contacteur statique de dérivation pour rediriger la charge vers le réseau
(ou vers une source auxiliaire constituée par exemple d'une génératrice au diésel), dans
l’éventualité d’une défaillance de l’ASI ou avant la fin d’autonomie de ses batteries. L’ASI
étant synchronisée avec le réseau de dérivation, ce transfert s’effectue sans coupure.
Grâce à ses nombreux avantages, l'ASI à double conversion est un excellent choix pour
protéger les applications critiques dans les moyennes et grosses puissances (10 kVA et plus).
Applications [modifier]
Les applications sont très diversifiées en termes de puissance : elles vont du simple onduleur
d'un ordinateur particulier (éviter la perte de données), au système de secours de centrale
nucléaire (éviter l'emballement du cœur), en passant par l'alimentation des réseaux critiques
nécessitant une continuité dans l'alimentation électrique (blocs opératoires des hôpitaux, etc.).
Bibliographie [modifier]
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Fabricants [modifier]
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APC by Schneider
S2S onduleurs
MGE UPS systems
MGE Office Protection Systems
SOCOMEC
EMERSON NETWORK POWER
CHLORIDE
PILLER Power Systems
POWERWARE
CATERPILLAR
GENERAL ELECTRIC
Notes [modifier]
1.
↑ article EC&M de janvier 2008
Articles connexes [modifier]
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Alimentation électrique
Liens externes [modifier]
Wikimedia Commons propose des documents multimédia libres sur Alimentation
sans interruption.
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Conférence aux journées UPSTI 2008 sur les accumulateurs cinétiques basse vitesse
(vidéo)
Fonctionnement d'une ASI (animation Flash)
Description d'une ASI dynamique (Système No-Break KS)[pdf]
Normes & topologies des ASI (MGE UPS systems)[pdf]
La qualité de l'énergie électrique (Schneider electric, cahier no199)[pdf]
(en) The different types of UPS systems [pdf]
(en) Rounding Up Rotary UPS Features
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Portail de l’électricité et de l’électronique
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Catégories : Électronique de puissance | Interrupteur
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