Alimentations statiques sans interruption (ASI)
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Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Alimentations statiques sans interruption (ASI) par Henri MABBOUX Service Recherche et Développement MGE UPS SYSTEMS 1. Différents types d’ASI............................................................................. 2. Architecture des convertisseurs et modes de pilotage ................ — 3 3. Compatibilité de l’ASI avec sa charge................................................ — 5 4. Compatibilité de l’ASI avec son alimentation.................................. — 6 5. Solutions et systèmes d’ASI pour améliorer la disponibilité d’énergie.................................................................................................... — 9 6. Choix et dimensionnement de l’ASI.................................................... — 12 7. Installation des ASI.................................................................................. — 13 8. Communication entre l’application et l’ASI ..................................... — 14 9. Surveillance et entretien du système d’alimentation ................... — 15 Conclusion ................................................................................................ — 15 10. Pour en savoir plus ........................................................................................... L D 5 185 – 2 Doc. D 5 185 es alimentations sans interruption (ASI) sont des interfaces entre le réseau électrique et des charges alternatives sensibles. ■ Les ASI statiques, apparues au début des années 1970, ont été le résultat de l'arrivée d'une technologie, les semi-conducteurs de puissance, et du besoin d'avoir des alimentations électriques de qualité pour alimenter les grands centres informatiques de gestion. Les ASI ont suivi depuis d'importantes évolutions, du fait : — des technologies, en particulier dans le domaine des semi-conducteurs de puissance ; — du développement de la mini-informatique et micro-informatique ; pour répondre à ces besoins, l’offre en onduleurs s’est élargie pour se situer actuellement en puissance de quelques centaines de voltampères à plusieurs centaines de kilovoltampères ; — de l’extension des réseaux informatiques ; l’ASI est considérée comme un périphérique de l’application, ce qui lui demande de pouvoir communiquer avec ces réseaux. ■ Dans cet article, nous parlerons des ASI statiques pour charge alternative, communément appelées onduleurs. En langue anglaise, l’équivalence de ASI est le terme UPS « Uninterruptible Power Supply ». Le terme « onduleur » peut recouvrir plusieurs réalités selon le contexte : — la première est l’ensemble de l’interface entre le réseau et la charge ; — la seconde est le convertisseur statique qui élabore du courant alternatif à partir d'une source continue. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 1 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ Pour assurer la continuité de service, les ASI mettent en œuvre des accumulateurs chimiques d’énergie plomb-acide ou cadmium-nickel. ■ Avant de présenter les ASI, voici un bref aperçu des perturbations ren- contrées sur les réseaux électriques. Les coupures de tension correspondent à une absence du réseau pendant plus d’une minute. Les coupures brèves de tension et les creux de tension sont des phénomènes de 10 ms à quelques dizaines de secondes entraînant une baisse de tension pouvant évoluer de 10 % à 100 % de la valeur nominale. Par exemple, on peut citer la permutation de source à la suite d’un défaut sur une arrivée moyenne tension, l’enclenchement de transformateurs ou le démarrage de moteurs. Les microcoupures sont les perturbations transitoires inférieures à 10 ms. Les surtensions peuvent être générées par l’enclenchement ou le déclenchement de charge sur le réseau moyenne tension (MT). Elles sont transmises au réseau basse tension (BT) par les transformateurs MT/BT. La distorsion en tension provient des charges non linéaires qui génèrent une distorsion en tension fonction de l’impédance du réseau. Le niveau de distorsion peut annuler la marge de compatibilité entre la source et la charge alimentée. 1. Différents types d’ASI Les alimentations sans interruption peuvent être classées en 3 catégories. Lorsque cette fonction de régulation de tension est insérée sur la voie normale, en tireté sur la figure 1, celle-ci peut être réalisée par un autotransformateur à commutation de prise automatique permettant ainsi d’adapter la tension du réseau à la charge par abaissement ou élévation de la tension. 1.1 ASI en attente passive ou passive standby UPS 1.2 ASI en interaction avec le réseau ou line-interactive UPS Dans le langage courant, ces ASI sont appelées Off-Line. Dans ce système d’interface, représenté sur la figure 1, l’utilisation est alimentée normalement par le réseau. La charge est basculée sur l’ensemble convertisseur courant continu/courant alternatif (DC/AC) de secours-batterie d’accumulateurs lorsque la tension et la fréquence du réseau sont incompatibles avec la charge. Le temps de basculement entre les deux voies est de l’ordre de 10 ms. Le chargeur assure la recharge et le maintien de charge de la batterie. Dans ce type d’ASI, un dispositif de régulation de la tension sur la voie principale permet d’avoir de meilleures performances, c’est-à-dire : — une précision en tension de ± 5 % en sortie de l’interface ; — un fonctionnement sur le réseau avec une plage de tension élargie à ± 20 % voire ± 30 %. Ce système, schématisé sur la figure 2 se différencie du précédent : — par l’absence de basculement entre deux sources : l’ensemble convertisseur-stockage d’énergie est relié en permanence et en parallèle avec le réseau ; le convertisseur DC/AC fournit l’énergie à la charge si la tension d’alimentation n’est pas compatible avec les performances requises par l’utilisation ; — par l’absence du convertisseur dédié à la recharge batterie : lorsque le réseau est présent, le convertisseur DC/AC remplit la fonction de recharge et de maintien de charge de la batterie d’accumulateurs. Contacteur statique Alimentation Réseau Régulateur Chargeur Alimentation Réseau Utilisation Charge Convertisseur DC/AC ou Onduleur Convertisseur DC/AC ou Onduleur Figure 1 – ASI en attente passive D 5 185 − 2 Utilisation Charge Figure 2 – ASI en interaction avec le réseau Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ Dans cette configuration, le convertisseur DC/AC doit donc être réversible en puissance. De plus, le pilotage doit se faire avec un fonctionnement permanent en parallèle avec l’alimentation. Dans ces ASI en interaction avec le réseau, une impédance peut être mise en série sur le réseau pour assurer la régulation de la tension d’utilisation. Un contacteur statique isole le système de l’alimentation si celleci est défaillante. 2. Architecture des convertisseurs et modes de pilotage Nous allons détailler l’architecture des différents convertisseurs et donner quelques indications sur leurs pilotages. La fonction de base dans tous les systèmes onduleurs est de synthétiser la tension alternative à partir d’une source de tension continue qui est la batterie d’accumulateurs ou le réseau redressé. 1.3 ASI à double conversion ou double conversion UPS Dans le langage courant, ces onduleurs de secours sont appelés On-Line parce que le système de secours, situé en série entre le réseau et la charge, est actif en permanence. Dans la représentation simplifiée de la figure 3, la charge est alimentée en permanence en alternatif par un onduleur à partir d'une source de tension continue, elle-même alimentée par le réseau via un redresseur. Sur défaillance du réseau, la puissance est fournie par les batteries d’accumulateurs. Ces systèmes à double conversion reconstituent en permanence un réseau alternatif et permettent de maîtriser les performances en tension et en fréquence. ■ L’architecture de la figure 3, avec les accumulateurs reliés en permanence au réseau continu, a été la réalisation la plus courante et utilisée à un moment ou à un autre pour toutes les puissances des ASI. ■ La seconde architecture (figure 4) présente un chargeur indépendant du redresseur. Dans ce cas, la batterie est connectée au moment de la disparition du réseau. Dans cette réalisation, la batterie est indépendante du bus continu, ce qui est un avantage pour gérer le maintien de la charge de la batterie. Alimentation Redresseur Réseau Convertisseur AC/DC ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) Onduleur Convertisseur DC/AC Utilisation Charge 2.1 Convertisseur d’entrée Du côté du réseau d'entrée, les convertisseurs, redresseur et chargeur, n'ont pas besoin d'être réversibles en puissance. Ces convertisseurs fonctionnent toujours en récepteur d'énergie, mais la puissance instantanée peut être variable, ce qui conduit à des courants i non linéaires. Pour le convertisseur d’entrée des ASI à double conversion (§ 1.3), une solution usuelle, appliquée en monophasé et encore aujourd’hui en triphasé, est le redresseur contrôlé schématisé sur la figure 5. Le réglage de l'amplitude de la tension de sortie, filtrée par les composants L et C, se fait en contrôlant le retard à la commande des thyristors. L’extinction du thyristor est réalisée par le réseau (tensions e1, e2, e3). 2.2 Convertisseur onduleur Le convertisseur onduleur doit s’interfacer avec la source de secours locale, les batteries d’accumulateurs et avec la source réseau redressée Udc dans le cas des ASI à double conversion. Ce convertisseur onduleur doit être réversible pour alimenter tout type de charge, c'est-à-dire qu'il peut être instantanément générateur ou récepteur d’énergie, d’où la présence des interrupteurs statiques (T1 à T4) permettant la conduction du courant dans les deux sens sur le schéma de l’onduleur monophasé « en pont » de la figure 6. ■ Sur les ASI en attente passive (§ 1.1), utilisées pour alimenter des charges monophasées de faible puissance, la batterie d’accumulateurs est généralement dans la gamme de tension de 12 à 96 V, ce qui impose au convertisseur DC/AC d’être, en instantané, élévateur de tension pour fournir en sortie une tension crête de 230 2 V. Figure 3 – ASI à double conversion L + Redresseur Alimentation AC Réseau i1 Liaison continue DC AC DC Utilisation Charge e1 i2 e2 C i3 Onduleur e3 AC DC – Chargeur Filtrage Figure 4 – ASI à double conversion et chargeur indépendant Figure 5 – Redresseur contrôlé Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 3 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ T1 (50 ou 60 Hz), c’est-à-dire à la fréquence du réseau. Cela parce que la mise en œuvre du thyristor nécessite l’utilisation de circuits auxiliaires pour annuler le courant dans le thyristor et ouvrir le circuit au moment désiré. T3 + Cette contrainte limite la fréquence de découpage et conduit à générer la sinusoïde en basse fréquence par des ondes en créneaux plus ou moins évoluées : — sur la figure 8a, l’onde sinus est générée à partir d’une simple onde carrée ; le filtre doit être calculé pour atténuer l’harmonique (H3), qui est, dans ce cas, le 1er harmonique ; — sur les figures 8b et 8c, l’onde est générée avec des signaux carrés décalés et des transformateurs pour faire les décalages en temps et en niveau de tension. Le filtrage des harmoniques basse fréquence conduit à des filtres complexes et lourds. Udc – T2 T4 Transformateur et filtre Figure 6 – Onduleur monophasé avec transformateur Le réglage de l’amplitude est assuré en générant une seconde tension identique mais avec un déphasage variable de 0 à 180 degrés par rapport à la première tension. Ces tensions sont ajoutées et l’amplitude de la tension résultante est ainsi maîtrisée en réglant le déphasage. + Filtre Udc 2.4 Convertisseur à modulation de largeur d’impulsion – Convertisseur élévateur L'arrivée des transistors de puissance de technologie bipolaire, puis de technologie MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) et, depuis quelques années, la technologie IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) a permis de simplifier le convertisseur onduleur, tout en augmentant ses performances. Figure 7 – Convertisseur élévateur et onduleur monophasé Cette fonction élévation de tension peut être assurée côté alternatif par un transformateur élévateur (figure 6) ou côté continu par un convertisseur DC/DC élévateur (figure 7). L’augmentation des performances est obtenue par la possibilité de découper à des fréquences supérieures à 1 kHz, puis à des fréquences inaudibles (environ à 20 kHz.). Cela permet de réduire le bruit acoustique et d’installer les ASI dans le bureau ou la salle informatique. De nouveaux principes de commande ont alors été introduits dans le pilotage des convertisseurs comme le découpage calculé et surtout la modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou Pulse Width Modulation (PWM). ■ Sur les ASI à double conversion (§ 1.3), utilisées pour alimenter des charges triphasées de forte puissance, la tension de la batterie d’accumulateurs est choisie vers 450 V pour assurer la charge et le maintien de charge lorsque le réseau d’alimentation est bas. Une fonction élévation de tension par transformateur (figure 6) ou par convertisseur (figure 7) est aussi nécessaire sur le convertisseur DC/AC pour fournir en sortie une tension crête de 400 2 V. Exemple : la figure 9 représente la tension avant filtrage pour un onduleur monophasé en pont. Dans cet exemple, de découpage à 3 niveaux, la largeur de l’impulsion à +E est donnée par une loi en sinus (ωt ). Cette modulation de la largeur de l’impulsion permet à la fois de générer et de régler l’amplitude d’une onde de forme sinus. 2.3 Convertisseur onduleur de 1re génération Du côté de l’entrée, le principe de la MLI permet de maîtriser à chaque instant le courant d’entrée, et ainsi d’atteindre un facteur de puissance proche de 1 et une distorsion sur le courant inférieure à 5 %. Dans le convertisseur onduleur de 1re génération, les dispositifs semi-conducteurs à thyristors sont commandés en basse fréquence a onde carrée simple b c onde sans H3 tension avant filtrage onde sans H3, sans H5, sans H7 signal fondamental Figure 8 – Génération sinusoïde sur onduleurs de 1re génération D 5 185 − 4 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) Tension (%) 100 80 60 40 20 Valeur 0 nominale – 20 – 40 – 60 – 80 – 100 0,1 +E 0 –E Limite du transitoire en surtension + 10 % – 10 % Limite du transitoire en sous-tension 1 10 100 1 000 Durée du transitoire (ms) tension avant filtrage sinusoïde théorique Figure 10 – Caractéristique dynamique de tension Cet exemple représente la génération de la sinusoïde avec découpage à 3 niveaux (+ E, 0, – E) Figure 9 – Exemple de génération de sinusoïde en technologie MLI Pour les convertisseurs onduleurs, avec le principe de la MLI, la tension avant filtrage a une distorsion élevée, mais le filtrage est rendu beaucoup plus facile vu que le premier harmonique théorique à filtrer est de rang élevé. La meilleure performance en poids et en volume du filtre de sortie est aussi accompagnée d’une diminution de l’impédance interne de la source. 3. Compatibilité de l’ASI avec sa charge 3.1 Approche générale Pour s’assurer de la compatibilité, les points à prendre en compte sont les suivants. 3.1.1 Aspects qualitatifs ■ Quelle est la criticité de l’application en terme de : — sécurité des personnes et des biens ; — perte d’exploitation et de coût de remise en route ; — gêne en cas d’indisponibilité ? ■ Quel est le temps pour arrêter correctement l’application ? ■ Quelle est la sensibilité des machines alimentées en distorsion de tension ? La charge accepte-t-elle en permanence une tension d’alimentation non sinusoïdale de forme trapézoïdale ? ■ Quelle est la nature de la charge : — charge passive ou active ; — charge linéaire ou non linéaire ? ■ Quelles sont les puissances de la charge en régime permanent et transitoire : — puissance apparente ; — puissance active et facteur de puissance ; — puissance instantanée et facteur de crête ? ■ Quel est le courant d’appel de la charge à sa mise sous tension et à son démarrage ? Dans la réalité, la plupart des charges sont non linéaires, c’està-dire que le courant n’est pas proportionnel à la tension : — pour les transformateurs, la non-linéarité provient de la saturation du circuit magnétique ; — pour les systèmes d’éclairage, l’ionisation du gaz provoque la non-linéarité ; — pour les convertisseurs à commande de phase, le retard à l’allumage du semi-conducteur provoque la non-linéarité. 3.2 Redresseurs à l’entrée des circuits d’alimentation pour les charges de type informatique ■ L’application est-elle constituée d’une ou de plusieurs machines ? 3.1.2 Aspects électriques ■ Quel est le mode d’alimentation de la charge : — monophasé ; — triphasé avec ou sans neutre ; — tension et fréquence nominales ? ■ Quelle est la sensibilité, en variation de tension, des machines alimentées ? La figure 10 est un extrait de la norme CEI 60146 (partie 4) ; elle représente la caractéristique dynamique de tension convenant à la plupart des charges. Ce type de charge non linéaire, représenté sur la figure 11, est une configuration de base depuis l’arrivée des alimentations à découpage. Il est normalisé dans l’annexe D de la CEI 60146 (partie 1). Le courant s’établit lorsque la tension e est supérieure à la tension u du condensateur. La valeur de crête du courant est fonction de l’impédance de la source définie par la composante inductive (Ucc x) et par la composante résistive (Ucc r) de la tension de court-circuit Ucc au point de raccordement. Ces tensions de court-circuit sont exprimées en pour-cent de la tension nominale. La constante de temps RC de ce type de charge est environ 150 ms. Si l’ASI doit alimenter plusieurs charges, il convient de vérifier la compatibilité entre les charges alimentées dans les régimes permanents et transitoires. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 5 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ 3.2.2 Compatibilité en régime transitoire L e C v Ucc x = Ucc r = La compatibilité doit être vérifiée pour le démarrage. Dans ce cas, la capacité C (figure 11a) est déchargée. Le démarrage va générer une perturbation sur la tension de sortie de l’ASI. Cette perturbation sera vue par les autres charges. La durée de la perturbation dépend de deux facteurs : — l’énergie à fournir pour charger C ; — la capacité de l’ASI a fournir rapidement cette énergie. i r R u Lωo In 4. Compatibilité de l’ASI avec son alimentation E r In E E valeur efficace de la tention e In courant nominal a e 4.1 Approche générale schéma La définition de l’ASI doit prendre en compte la nature et les caractéristiques de l’alimentation. u i v t b courant et tensions pour Ucc x = 2 % et Ucc r = 2 % Figure 11 – Charge non linéaire : redresseur avec réserve d’énergie 3.2.1 Compatibilité en régime permanent Il convient de dimensionner l’ASI pour conserver la compatibilité avec les charges alimentées. ■ Utilisation en monophasé Avec ce type de charge : — l’énergie est fournie sur la crête de la tension et le courant s’apparente à des impulsions ; — ce courant est très chargé en harmoniques, en particulier l’harmonique 3 ; — la distorsion de la tension au point de connexion peut être supérieure à 5 % ; — la compatibilité de fonctionnement entre les charges n’est pas toujours assurée. Les onduleurs de seconde génération à MLI et à IGBT (§ 2.4) ont permis de diminuer l’impédance interne de l’onduleur et de fournir des courants instantanés de l’ordre de trois fois le courant efficace. La conjugaison de ces deux points permet d’avoir, au point de connexion en sortie de l’ASI, une distorsion en tension inférieure à 3 % avec un fonctionnement sur 100 % de charge de type informatique. ■ Utilisation en triphasé Pour les installations triphasées qui alimentent des récepteurs de type informatique entre chaque phase et le neutre, les courants d’harmonique 3 et ses multiples sont des courants homopolaires qui circulent sur le conducteur neutre. C’est pour cette raison que la section du conducteur neutre est à surdimensionner par rapport à celle des phases. Le courant neutre peut être égal à 1,7 fois le courant de la phase. D 5 185 − 6 ■ Nature de l’alimentation : — alimentation en basse tension par le réseau public ; — alimentation par un transformateur MT/BT ; — présence d’une source de substitution : moteur thermique et alternateur. ■ Caractéristiques de l’alimentation : — topologie du réseau (monophasé, triphasé avec neutre, triphasé sans neutre) ; — tension et fréquence nominales ; — plages de variation autour des tensions et fréquences nominales ; en France, EDF annonce une plage de variation de tension de ± 10 %, mais temporairement des variations de ± 15 ou ± 20 % sont possibles pendant quelques minutes ; — tension de court-circuit de l’alimentation ; — réactance subtransitoire de l’alternateur. ■ Caractéristiques du dispositif de protection contre les surintensités. La compatibilité de l’ASI avec son alimentation doit être vérifiée avec les données du constructeur. ■ Deux autres points importants sont à considérer. ● La distorsion introduite par l’ASI sur la tension de l’alimentation est-elle compatible avec les autres récepteurs ? ● La façon de véhiculer la puissance est-elle optimale ? Cela est caractérisé par le facteur de puissance qui est égal à 1 quand le transfert est optimal. Le facteur de puissance cos ϕ 1 λ = -----------------------2 1 + TD i est fonction du facteur de déphasage du fondamental cos ϕ1 et du taux de distorsion en courant TDi. 4.2 Distorsion de tension introduite par les courants harmoniques 4.2.1 Phénomène rencontré Tout récepteur qui génère des courants harmoniques (Ih sur la figure 12) introduit sur son alimentation des chutes de tension à la Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ Ih A Source Récepteur Impédance totale de la source générateur + câblage ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) La tension v peut être égale à + E ou – E selon la commande des deux interrupteurs et la fréquence de commutation des interrupteurs. Par conséquent, la composante fondamentale de la tension v, pilotée par la loi de commande des interrupteurs, peut être sinusoïdale et avec une phase maîtrisée par rapport à e. Cette maîtrise de la composante fondamentale de v permet de maîtriser la composante fondamentale de i. Récepteur sensible Figure 12 – Perturbation des récepteurs par les courants harmoniques fréquence harmonique. Selon l’impédance de la source, le niveau de distorsion généré peut créer un dysfonctionnement sur un récepteur sensible raccordé sur la même alimentation. 4.2.3 ASI alimentée par un réseau triphasé Pour les ASI de moyenne et forte puissances connectées à des réseaux triphasés, le courant prélevé par les redresseurs contrôlés (§ 2.1) a la forme représentée sur la figure 14. La partie 1-2 de la norme CEI 60146 fournit des abaques précisant le niveau de courant par harmonique en fonction de la chute inductive de la source de tension. Exemple : la figure 15 donne le pourcentage de l’harmonique 5 (H5) pour les configurations d’angle de retard à la commande des thyristors de 0 et 90 degrés. 4.2.2 ASI alimentée en monophasé Pour les ASI alimentées en monophasé, il n’y a pas de dysfonctionnement pour la raison suivante : le rapport entre la puissance à l’entrée de l’ASI et la puissance de la source est généralement faible. La technologie MLI a permis, dès le début des années 80, de commander les convertisseurs d’entrée des ASI, de telle façon que le courant prélevé sur la source soit presque sinusoïdal. La performance atteinte en facteur de puissance est de 0,98 avec un taux de distorsion en courant inférieur à 5 %. La figure 13 donne un exemple de redresseur monophasé avec prélèvement de courant sinusoïdal. +E i1 Tension Courant Figure 14 – Ondes tension et courant à l’entrée d’un redresseur contrôlé i L Source e IH5 v In τ = 90° (%) 20 τ = 0° Filtre 10 –E 5 10 ∆U Udc 0 Courant i1 après filtrage IH5 courant harmonique 5 In courant nominal fondamental ∆U Courant i, avant filtrage, maîtrisé par la commande des interrupteurs Figure 13 – Exemple de convertisseur avec courant d’entrée sinusoïdal (%) chute de tension continue due à l'impédance de source Udc 0 tension redressée à vide τ angle de retard à la commande Figure 15 – Niveau de courant harmonique en fonction de l’impédance de la source Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 15 D 5 185 − 7 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ 4.2.4 Solutions mises en œuvre pour réduire la distorsion ■ Filtres passifs La figure 16 schématise un filtre passif associé à un redresseur contrôlé. Le filtre constitué de Lp et Cp est accordé sur l’harmonique 5. Cet ensemble est vu par le convertisseur et pour l’harmonique 5 comme une très basse impédance. Le courant harmonique 5 ne circule donc pas dans le réseau amont. L’inductance Ls est dimensionnée pour éviter les résonances avec les harmoniques du réseau. ■ Élimination des harmoniques de courant par deux ponts redresseurs décalés Cette technologie, utilisée pour éliminer les harmoniques de tension sur les onduleurs de 1re génération, est employée pour éliminer les harmoniques de courant en amont de l’ASI. Le principe consiste à éliminer les harmoniques de rang les plus bas qui sont les plus gênants, parce que de forte amplitude. L’utilisation de deux ponts redresseurs décalés de 30 degrés permet l’élimination, dans les phases d’alimentation, des harmoniques de rangs 5 et 7. Il subsiste les harmoniques de rang 12 k ± 1 soit 1113-23-25… L’application peut se faire avec des ponts décalés montés en série ou en parallèle. Dans le montage en parallèle, il convient de maîtriser la répartition des courants entre les deux ponts. La figure 17 représente un exemple avec les deux redresseurs en série. Ls Filtre passif Ic Is ASI Convertisseur d'entrée Alimentation réseau IF Filtre actif Is courant de forme sinusoïdale prélevé sur l'alimentation Ic courant (fondamental + harmoniques) absorbé par l'ASI Figure 18 – Principe du compensateur actif d’harmoniques ■ Filtres actifs La technologie MLI en phase de maturité sur le convertisseur onduleur est mise en œuvre dans des générateurs d’harmonique ou filtres actifs. Ce filtre, qui peut être installé en tout point de l’installation, compense les harmoniques générés par les récepteurs, dont les convertisseurs d’entrée des ASI. Sur la figure 18 le convertisseur d’entrée de l’ASI absorbe une puissance active et une puissance réactive. Cette puissance réactive est due au facteur de déphasage du courant fondamental, mais aussi aux harmoniques de courant. La puissance réactive due aux harmoniques est encore appelée puissance réactive déformante. La compensation IF fournie par le filtre actif permet de se rapprocher d’un facteur de puissance de 1 et évite le surdimensionnement des câbles. ■ Perspectives nouvelles avec les convertisseurs triphasés absorbant un courant sinusoïdal sur la source Les convertisseurs d’entrée des ASI triphasées vont évoluer de la technologie de commande par déphasage à la technologie MLI qui permet de maîtriser le courant prélevé sur la source. Des taux de distorsion inférieurs à 5 % seront accessibles. Cp Lp Le principe utilisé est identique à la version monophasée, mais avec les particularités du triphasé. Figure 16 – Filtre passif en amont d’un redresseur contrôlé + Redresseur 2 4.3 Comparaison Le tableau 1 compare, en conclusion de ce paragraphe, les différentes solutions pour les convertisseurs alimentés en triphasés. (0) Tableau 1 – Compatibilité de l’ASI avec une alimentation triphasée Facteur de puissance théorique Distorsion théorique du courant absorbé par l’ASI (%) Redresseur non commandé (redresseur à diode) 3 --- soit 0,95 π 30 Redresseur commandé (redresseur à thyristors) Groupement de deux redresseurs (solution dite en double pont) Redresseur et filtre passif Redresseur et filtre actif Redresseur avec commande MLI 0,95 cos α 30 0,98 cos α 15 0,99 0,99 0,99 8 <5 <5 Technologie Redresseur 1 Transformateur – Figure 17 – Élimination d’harmoniques avec ponts décalés câblés en série D 5 185 − 8 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ 5. Solutions et systèmes d’ASI pour améliorer la disponibilité d’énergie ASI en fonctionnement La fiabilité est la capacité d’un système à rester en état de bon fonctionnement. La disponibilité d’un système est le temps de fonctionnement correct de l’installation par rapport au temps écoulé. En terme de probabilité, la disponibilité du système d’alimentation est la probabilité que le système soit en état d’alimenter l’application dans des conditions données et à un instant donné. La maintenabilité est la possibilité de revenir rapidement d’un état de fonctionnement incorrect à un état normal de fonctionnement. Cette notion est exprimée par le temps de réparation. La sécurité d’un système d’alimentation est sa capacité d’éviter de se retrouver dans un état ou il y aurait absence de la fourniture de l’alimentation. 5.1 ASI à double conversion avec une voie de secours en parallèle Cette voie, schématisée sur la figure 19, appelée contacteur statique ou by-pass automatique, est possible si l’alimentation est compatible avec la charge. La figure 20 montre que la probabilité de se retrouver dans l’état « perte de l’alimentation » est plus faible sur le système avec la voie de secours. Il faut remarquer que cette solution est envisageable : — si l’application accepte les transitoires sur la tension au passage sur la voie de secours et au retour sur la voie normale ; — si l’application est compatible avec les variations de tension et de fréquence pendant le fonctionnement sur la voie de secours. Ces conditions ne sont pas toujours acceptables dans le cas de charges sensibles. ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) Défaillance onduleur Perte de l'alimentation Réparation onduleur a sans voie de secours Défaillance onduleur Fonctionnement sur voie onduleur Fonctionnement sur voie de secours Réparation onduleur Défaillance voie de secours Perte de l'alimentation b avec voie de secours en parallèle Figure 20 – Contribution de la voie de secours à la disponibilité de l’alimentation 5.2 Alimentation de la voie de secours par une ASI Voie de secours Comme le montre la figure 21, l’ASI sur la voie de secours (ASI 2) permet de conserver les performances de l’alimentation si la voie normale est défaillante. ASI 2 Voie de secours Voie normale ASI 1 Alimentation Charge Onduleur ASI à double conversion Figure 19 – ASI à double conversion avec voie de secours Figure 21 – ASI en redondance séquentielle 5.3 ASI à double conversion en parallèle Ce système est présenté sur la figure 22 dans une configuration de deux ASI, qui alimentent la charge et se répartissent la puissance. Nous parlons alors de redondance active. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 9 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ Voie de secours automatique ASI A ASI A ASI B a schéma de principe ASI B Défaillance de A A et B en fonctionnement Réparation de A Figure 23 – ASI en redondance active avec une voie de secours centralisée B en fonctionnement Voie de secours automatique Réparation de B Défaillance de B A en fonctionnement Défaillance de B Défaillance de A b ASI A Perte de l'alimentation Voie de secours automatique disponibilité de l'alimentation Figure 22 – ASI en redondance active ASI B Dans ce schéma de redondance active dite un sur deux, la disponibilité de l’alimentation est dépendante de plusieurs facteurs : — l’analyse des modes de défaillance : une analyse précise doit envisager les différents types de défaut et isoler la voie défaillante avant que le défaut ne se propage ; l’objectif de cette analyse est de diminuer la probabilité de passer directement dans l’état perte de l’alimentation (ligne en tireté sur la figure 22b) ; — un second facteur est la maintenabilité des équipements, c’està-dire la capacité à réparer rapidement et à revenir dans l’état normal avec les ASI A et B en fonctionnement. Il faut noter que la mise en parallèle des ASI permet d’augmenter la puissance du système d’alimentation. 5.4 ASI en parallèle avec une ou plusieurs voies de secours Figure 24 – ASI en redondance active avec des voies de secours réparties 5.4.1 Mise en parallèle avec une voie de secours centralisée La voie de secours d’un ensemble d’ASI en redondance active peut être unique comme le montre la figure 23. 5.4.2 Mise en parallèle avec des voies de secours réparties Le secours d’un ensemble d’ASI en redondance active peut être réparti comme le montre la figure 24. 5.5 Systèmes indépendants d’ASI Comme pour l’ASI unitaire (§ 5.1), la disponibilité d’énergie est améliorée avec l’adjonction, lorsque cela est possible, d’une voie de secours du réseau. D 5 185 − 10 Dans cette solution, représentée sur la figure 25 dans le cas de deux systèmes, la disponibilité de l’énergie au niveau des utilisa- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Système A Voie de secours automatique Voie de secours automatique _____________________________________________________________________________________ tions 1 et 2 repose sur l’indépendance des systèmes A et B, y compris l’indépendance des sources d’alimentation. 5.6 Comparaison ■ Le diagramme de la figure 26 représente, dans le temps, les états du système : — MDT est la durée moyenne de défaillance (Mean Down Time) comprenant la détection, la réparation et la mise en service ; — MTBF est le temps moyen entre deux défauts (Mean Time Between Failure). MDT L’indisponibilité du système est définie par le rapport ---------------- . MTBF Le temps MDT, de l’ordre de 10 ou 24 h, est toujours très petit par rapport au MTBF. Système B ■ Le tableau 2 compare en conclusion, pour les ASI à double conversion, les principaux systèmes en terme de disponibilité ou d’indisponibilité. Inverseur de source Utilisation 1 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) MTBF Inverseur de source Utilisation 2 Figure 25 – Schéma d’alimentation à partir de deux sources indépendantes MTBF MDT MDT Détection panne Réparation Détection panne Réparation Figure 26 – États d’un système (0) Tableau 2 – ASI à double conversion : comparaison en terme de disponibilité Système MTBF Remarques 50 000 h Dans le diagramme de fiabilité, il faut prendre en compte la défaillance des sources continues, c’est-à-dire l’alimentation redressée et la batterie, en plus de la défaillance du convertisseur onduleur. 400 000 h Hypothèses prises : — temps de réparation de 10 h ; — réseau de bonne qualité : MTBF du réseau 100 h ; MTBF du by-pass automatique de 2 000 000 h. 500 000 h Dans le schéma de fiabilité, la limitation provient de la probabilité d’avoir des défauts qui se propagent sur les deux alimentations. 1 400 000 h Hypothèses prises : — temps de réparation de 10 h ; — réseau de bonne qualité : MTBF du réseau 100 h ; MTBF du by-pass automatique de 2 000 000 h. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 11 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ 6. Choix et dimensionnement de l’ASI Selon la puissance demandée, il est possible de mettre plusieurs ASI en parallèle. Les puissances maximales des modules d’ASI se situent vers 800 kVA. 6.1 Choix du système 6.2.2 Choix et dimensionnement du stockage d’énergie Pour les faibles puissances, au-dessous de 2 000 VA, de type bureautique monoposte, le choix se fait plutôt sur la configuration de l’application. Dans ce cas, si l’alimentation est de bonne qualité, l’ASI de type Off line (§ 1.1) est généralement retenue. Les charges sont bien identifiées et sont généralement des redresseurs avec réserve d’énergie. Les performances en temps de basculement sur la source de secours (10 ms) et de distorsion sur la tension de secours (onde quasi sinusoïdale) sont acceptables pour l’application. Au-dessus de quelques kilovoltampères, l’ASI à double conversion (§ 1.3), qui permet de réguler en permanence la tension et la fréquence, est généralement utilisée. Ce type d’ASI est recommandé si le réseau d’alimentation est très perturbé. 6.2 Dimensionnement de l’ASI Pour dimensionner l’ASI au-dessus de 2 000 VA, on rappelle que la puissance apparente S : — fait intervenir les valeurs efficaces de tension et du courant ; — se décompose en puissance active (P) et en puissance réactive (Q). L’énergie active est l’énergie à fournir sur l’étage continu et, en particulier, par la batterie. La puissance active s’exprime par P=λS où λ est le facteur de puissance. Il convient d’ajouter le facteur de crête défini par le rapport I crête ----------------I efficace ; il caractérise la puissance instantanée demandée par la charge. Ce facteur est important, car il intervient sur la distorsion de tension en sortie de l’ASI. Pour un courant de forme sinusoïdale, ce facteur est 2 . Des facteurs de crête de 3 sont courants. 6.2.1 Dimensionnement de l’onduleur Ce dimensionnement fait intervenir les éléments suivants. ■ Caractéristiques de tension et de courant en régime permanent Il faut choisir l’ASI adaptée à la puissance apparente de la charge. Il faut aussi vérifier que la puissance active de la charge est compatible avec celle de l’ASI qui est généralement définie avec un facteur de puissance λ = 0,8. ■ Puissance instantanée en régime permanent Sur les ASI modernes, les commutateurs de puissance permettent de passer les pics de puissance instantanée équivalente à un facteur de crête de 3 sur le courant, tout en ayant une distorsion sur la tension inférieure à 5 %. ■ Capacité de surcharge Elle est calculée sur des temps de l’ordre de plusieurs secondes, pour passer les courants de démarrage répétitif. Les courants d’appel à la mise sous tension de l’installation peuvent être fournis par la voie de secours qui a une capacité de surcharge pouvant aller jusqu’à 10 fois le courant nominal. D 5 185 − 12 Le stockage électrochimique est la solution utilisée depuis l’arrivée des onduleurs de secours avec les couples électrochimiques plomb-acide et nickel-cadmium. La technologie plomb dite plomb ouvert a subi une avancée majeure dans les années 1980 avec les batteries à recombinaison de gaz ou VRLA (Valve Regulated Lead Acid battery). ■ Pour comprendre le dimensionnement de la batterie d’accumulateurs, on rappelle quelques définitions (cf. [E 2 140]). ● La capacité de la batterie (C 10 ou C 5) est donnée en Ah et pour une décharge en 10h ou 5h suivant le constructeur. C 10 ou C 5 est la quantité d’électricité et caractérise l’énergie stockée dans la batterie pour un régime de décharge en 10h ou 5h respectivement. Exemple : une capacité C 10 de 24 Ah signifie que la batterie peut débiter 2,4 A pendant 10 h. ● Le taux de décharge définit le courant pendant le régime de décharge. Par convention, le taux de décharge s’exprime en fonction de la capacité. Exemple : un taux de décharge de 3C 10 signifie que le courant de décharge est de 72 A pour une batterie de 24 Ah. L’autonomie est le temps écoulé jusqu’à la tension d’arrêt. La durée de vie est l’âge de la batterie lorsque son autonomie réelle atteint 50 % de l’autonomie spécifiée. ● Pendant son exploitation, la batterie est dans l’un des 3 états suivants : — état de maintien de la charge stockée, où le chargeur fournit l’énergie pour compenser l’autodécharge des accumulateurs ; — état de décharge où la batterie est un générateur d’énergie ; — état de recharge où la batterie est un récepteur d’énergie. ● ● ■ Pour dimensionner la batterie, il faut déterminer le besoin en autonomie et la puissance que devra fournir la batterie. ● Ce besoin en autonomie fait intervenir les aspects suivants : — la durée moyenne de défaillance du réseau d’alimentation ; — la présence ou non d’un groupe électrogène de secours ; — le temps nécessaire pour faire un arrêt « propre » de l’installation ; — la criticité de l’application en terme de disponibilité d’énergie ; — la réduction d’autonomie due au vieillissement de la batterie. ● D’autres critères interviennent pour arriver au choix de la batterie, c’est-à-dire : — la durée de vie souhaitée de la batterie ; — la capacité ou non de faire l’entretien de la batterie ; — l’installation dans un local technique ou en armoire. Les constructeurs d’ASI définissent, en fonction de l’autonomie et de la puissance de l’ASI, les configurations de la batterie : associations en série et en parallèle d’éléments de 2 V ou de blocs de 6 V ou 12 V pour les batteries au plomb. ■ La mise en œuvre des batteries dans les états de décharge, charge et maintien de la charge, nécessite un savoir-faire des constructeurs d’onduleur pour maintenir la disponibilité de cette énergie, c’est-àdire : — en décharge, maîtriser les tensions d’arrêt quel que soit le régime de décharge, pour éviter la décharge profonde des batteries, ce qui peut engendrer des phénomènes irréversibles en perte de capacité de la batterie ; — en recharge, maîtriser le courant de recharge et le passage en maintien de la charge ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) — en maintien de la charge, tenir compte de la température ambiante de la batterie ; — maîtriser l’environnement et l’installation de la batterie. 7.3 Installation des ASI de moyenne et forte puissance 7. Installation des ASI Ces ASI sont dites avec installation. Elles sont souvent alimentées en aval d’un transformateur MT/BT. La distribution électrique est alors privée. 7.1 Rappels et définitions pour la protection des personnes Le lecteur pourra également se reporter aux articles [D 5 020], [D 5 030] et [D 5 100]. ■ La protection des personnes contre les contacts directs, c’est-à-dire les contacts accidentels entre une personne et un conducteur actif, est assurée par les enveloppes qui font référence à la norme CEI 60529. L’enveloppe est caractérisée par son Indice de protection IP2X ■ La protection des personnes contre les contacts indirects, c’est-à-dire les contacts entre une personne et une masse mise accidentellement sous tension, à cause d’un défaut d’isolement, est assurée par : — l’interconnexion et la mise à la terre des masses métalliques d’une installation ; — l’élimination d’un défaut dangereux par un dispositif de coupure dont le choix dépend du schéma des liaisons à la terre (SLT), du neutre d’une part et des masses d’autre part. ■ Les différents schémas des liaisons à la terre sont définis par les normes CEI 60364 et NF C 15 100 qui traitent des installations électriques à basse tension. Pour résumer, il existe : — le schéma TT, utilisé dans la distribution publique basse tension ; — le schéma TN qui se présente sous deux variantes (TN-C et TNS) ; — le schéma IT. ■ Les termes suivants sont des abréviations couramment utilisées : — le conducteur PE est le conducteur de protection qui relie les masses électriques à la liaison équipotentielle principale ; celle-ci est le point de jonction entre la prise de terre, les conducteurs de protection et la structure métallique ; — le conducteur PEN a la fonction de conducteur de protection et de conducteur neutre ; — le CPI est un contrôleur permanent d’isolement ; — le DDR est le dispositif différentiel résiduel 7.3.1 Choix du schéma des liaisons à la terre Il est fortement recommandé d’alimenter les matériels de traitement de l’information selon le schéma TN-S. Cette recommandation vient du fait que le conducteur PE assure une bonne équipotentialité des masses parce qu’il n’est pas parcouru par les courants harmoniques. Si la distribution en amont de l’ASI est de type TN-C, la distribution en aval de l’ASI peut se faire en TN-C ou en TN-S sans prendre de dispositions particulières au niveau de l’ASI. Le schéma simplifié de la figure 27 représente le cas d’une ASI dite unitaire dans une configuration souvent rencontrée pour le schéma des liaisons à la terre. Beaucoup d’autres configurations peuvent être rencontrées, soit pour l’ASI, soit pour les schémas des liaisons à la terre en amont et en aval. Exemple : si le schéma des liaisons à la terre en aval de l’ASI est différent de celui en amont, il faut prévoir une séparation galvanique sur toutes les voies. Cela se fait par adjonction de transformateur à enroulements séparés et par la reconstitution du schéma de mise à la terre en aval du transformateur. Sur la séparation galvanique, voici quelques données qui interviennent dans la définition de l’installation : — la voie principale de l’ASI possède-t-elle une isolation galvanique ? ; — y a-t-il des tronçons communs en amont ou en aval pour réaliser la séparation galvanique ? ; — y a-t-il une alimentation séparée pour la voie de secours ? Pour traiter ce problème, il faut se reporter aux textes normatifs (NF C 15 100 et UTE C 15-402) et aux données du constructeur pour définir les dispositifs de coupure. Enveloppe de l'ASI La séparation galvanique est la fonction réalisée par des transformateurs à enroulements séparés. 7.2 Installation des ASI monophasées compatibles avec les prises de courant 16 A Ces produits sont considérés sans installation. Ils sont compatibles en courant avec les prises 16 A. Ces ASI peuvent être alimentées sans précautions particulières parce que le courant de fuite à la terre est inférieur à 3,5 mA. Le schéma des liaisons à la terre est souvent le TT (§ 7.1), celui de la distribution publique. Ces ASI s’installent dans le bureau et s’alimentent par la prise de courant 16 A. Le bruit acoustique de ces appareils est compatible avec un environnement de bureau. Conducteurs L1 L2 L3 Transformateur MT/BT Conducteur neutre TN-C TN-S Disjoncteur D1 Disjoncteur D3 Conducteur PEN Conducteur PE Figure 27 – Schéma d’installation d’une ASI standard Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 13 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________ 7.3.2 Raccordement des ASI au TGBT (tableau général basse tension) 7.4 Installation de la batterie d’accumulateurs ■ Pour choisir le disjoncteur D1 et la canalisation (cas de la figure 28), il faut prendre en compte le courant de court-circuit du générateur et utiliser les données du constructeur sur l’intensité maximale absorbée du courant et sur les courants d’enclenchement. En cas de défaut sur le redresseur de l’ASI, la protection interne est étudiée pour ne pas faire déclencher le disjoncteur D1. La possibilité d’alimenter la charge par la voie de secours est alors conservée. Les batteries d’accumulateurs à recombinaison de gaz ou VRLA (§ 6.2.2) se sont imposées pour les applications de faible et de moyenne puissance, c’est-à-dire jusqu’à 150 Ah environ. Cette technologie à recombinaison permet d’installer ces batteries dans tout type de locaux. Pour les besoins en capacités au-dessus d’environ 150 Ah, les batteries d’accumulateurs sont souvent de technologie plomb ouvert. Pendant la recharge, ces batteries d’accumulateurs dégagent de l’hydrogène. D’où l’obligation d’installer ces accumulateurs dans un local aménagé et répondant à la réglementation définie dans les normes d’installation NF C 15 100 et CEI 60364. Un des points de la réglementation (NF C 15 100 paragraphe 554) est la ventilation du local. Le débit d’air D (en m3.h–1) de la ventilation est donné par la formule : ■ Pour améliorer la disponibilité, la voie de secours peut être alimentée par une source séparée avec une canalisation dédiée conformément à la figure 29. Comme pour D1, le choix du disjoncteur D2 doit se faire en utilisant les données du constructeur. ■ Le choix des disjoncteurs D3 doit utiliser en plus du courant de court-circuit de l’alimentation 2 celui de l’ASI pour assurer la sélectivité entre les départs, sans faire appel à l’alimentation 2. Par exemple, un défaut sur le départ 1 ne doit pas perturber le départ 2, cela en fonctionnement sur la voie normale de l’ASI. Il peut être nécessaire de fractionner les départs ou de surdimensionner l’ASI pour réduire la perturbation. En fonctionnement sur la voie de secours, les disjoncteurs D1 dans la 1re configuration (figure 28), et D2 dans la 2e configuration (figure 29) doivent être sélectifs avec le disjoncteur D3 mis sur les départs. D = 0,05 N Im avec N nombre d’éléments 2 V, Im (A) courant maximal de charge. Exemple : pour une batterie d’accumulateurs de 32 blocs 12 V de 100 Ah et un chargeur pouvant débiter 10 A, la ventilation à prévoir sera 0,05 × 32 × 6 × 10 ≈ 100 m3.h–1. Pour avoir une durée de vie optimale, la température ambiante au voisinage des batteries doit être comprise entre 15 et 25 °C. 7.5 Lieu d’installation et bruit acoustique TGBT Charge Départ 1 Alimentation Départ 2 D1 Redresseur Onduleur D3 ASI Les ASI sont caractérisées en bruit acoustique selon la norme ISO 7779 (EN 27779). Le bruit provient principalement de la ventilation interne de l’appareil et des forces électrodynamiques dans les circuits magnétiques des bobinages, qui sont sollicités à différentes fréquences. Les données du constructeur sur le bruit sont un paramètre à prendre en compte pour installer le produit : — pour un bureau, le niveau recommandé est inférieur à 45 dBA ; — pour une installation dans une salle informatique, le niveau recommandé est inférieur à 60 dBA ; — pour des niveaux supérieurs, l’installation se fait dans un local énergie dédié. 7.6 Pertes thermiques des ASI Figure 28 – Raccordement d’une ASI standard Les ASI ont des pertes thermiques qui peuvent élever la température du local en l’absence de dispositif de ventilation adapté. La ventilation du local doit être vérifiée en utilisant les pertes thermiques données par le constructeur. Les ASI sont caractérisées en rendement (le rendement est le rapport de la puissance active en sortie sur la puissance active en entrée) pour différents niveaux de charge et dans l’état de maintien de l’énergie stockée pour la batterie d’accumulateurs. TGBT Alimentation 2 D2 TGBT Départ 1 Alimentation 1 Départ 2 D1 Redresseur Onduleur D3 ASI Figure 29 – Raccordement d’une ASI avec alimentation séparée de la voie de secours D 5 185 − 14 8. Communication entre l’application et l’ASI 8.1 Généralités La communication de l’ASI avec les charges alimentées est nécessaire pour sécuriser l’application et augmenter la disponibilité de l’alimentation. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 _____________________________________________________________________________________ Ce besoin de communication doit s’établir pour gérer l’arrêt propre de l’application. Pour cette fonction, l’ASI envoie une information pour arrêter correctement l’application avant la coupure effective de l’alimentation. Le besoin de communication est aussi nécessaire pour gérer au mieux l’énergie stockée en fermant si besoin les applications moins prioritaires. Cette fonction est assurée en communiquant en permanence les performances de l’ASI comme le taux de charge et l’autonomie disponible. Ces fonctions sont assurées par des logiciels à installer sur l’application et disponibles pour les différents environnements des réseaux. ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) By-pass de maintenance By-pass automatique Organes pour isolement Organe pour isolement 8.2 Différents moyens ■ Communication par contacts secs Le système le plus simple est la fourniture de contacts libres de tout potentiel. Ces contacts sont caractérisés par les constructeurs en tension et en courant. Figure 30 – Dispositifs pour assurer la maintenance de l’ASI ■ Communication de type informatique Les ASI proposent des interfaces RS232 (Recommended Standard 232) avec des protocoles ASCII (American Standard Code for Information Interchange) propriétaires. La communication avec le réseau Ethernet est possible par exemple avec le protocole SNMP (Simple Network Management Protocole) ou électrotechniques ont une durée de vie limitée, mais celle-ci est du second ordre, soit parce que le composant est peu sollicité en nombre de manœuvres, soit parce que sa durée de vie dans les conditions d’utilisation est très supérieure à celle de l’ASI. ■ Communication de type industriel 9.2.2 Entretien de la batterie d’accumulateurs plomb-acide Les ASI intègrent des interfaces de communication RS485 (Recommended Standard 485) avec des protocoles JBUS ou MODBUS de type maître-esclaves point à point ou multipoints, c’est-à-dire qu’un maître peut communiquer avec plusieurs esclaves. 9. Surveillance et entretien du système d’alimentation Comme nous l’avons dit (§ 5.3), la maintenabilité des ASI nécessite de surveiller et de pouvoir intervenir sur les équipements. 9.1 Surveillance de l’ASI Des logiciels de supervision permettent de lire les informations d’état, d’alarme, de mesure, disponibles sur les ASI. Le logiciel permet une visualisation personnalisée en fonction de l’installation. Une surveillance à distance de l’installation est possible en se connectant au réseau téléphonique commuté (RTC), via un modem. 9.2 Maintenance de l’ASI Pour assurer l’entretien, les ASI de type interaction avec le réseau (§ 1.2) ou à double conversion (§ 1.3) disposent d’une voie de secours manuel appelée by-pass de maintenance et de dispositifs d’isolement pour intervenir sur l’ASI en toute sécurité tout en continuant à alimenter la charge. L’exemple de la figure 30 est donné pour une ASI à double conversion. 9.2.1 Maintenance préventive Les alimentations statiques sans interruption utilisent en nombre réduit des composants qui demandent une maintenance préventive. En plus des batteries, nous avons principalement les ventilateurs et les condensateurs chimiques. D’autres composants électroniques L’entretien de la batterie d’accumulateurs est primordial pour l’efficacité de l’ASI. Il convient de suivre les recommandations des constructeurs. Nous pouvons donner les règles suivantes : — une température ambiante de 15 à 25 °C au voisinage des batteries est recommandée pour ne pas accélérer le vieillissement ; — le temps de stockage de la batterie est limité ; les batteries d’accumulateurs au plomb-acide ont des taux d’autodécharge de l’ordre de 10 % par mois ; pour que ce phénomène d’autodécharge n’engendre pas une perte de capacité irréversible, les batteries doivent être rechargées tous les 6 mois ; — toute batterie déchargée doit être rechargée pour éviter des phénomènes irréversibles de perte de capacité. La batterie d’accumulateurs étant l’association en série d’éléments 2V, de blocs 6V ou 12V, il convient de mesurer les tensions des éléments ou des blocs en série pour s’assurer que le vieillissement est homogène. Si l’ASI doit être mise en arrêt prolongé, il convient d’ouvrir le circuit de la batterie pour éviter toute décharge. 10. Conclusion Nous avons présenté les alimentations statiques sans interruption comme réponse aux besoins en continuité de service et en qualité de l’énergie fournie. L’offre en ASI du système de quelques centaines de voltampères aux systèmes parallèles redondants permet de répondre au besoin de sauvegarde d’une application bureautique ou scientifique monoposte, jusqu’aux applications en temps réel de traitement de l’information ou de processus industriel nécessitant une énergie et une continuité de service de haute qualité. L’accroissement constant des performances de ces interfaces statiques a permis d’en faciliter l’installation dans les locaux, dans les réseaux électriques et dans le système d’information de l’application. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Dossier délivré pour Madame, Monsieur 17/09/2008 D 5 185 − 15
