Alimentations statiques sans interruption (ASI)

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Alimentations statiques
sans interruption (ASI)
par Henri MABBOUX
Service Recherche et Développement MGE UPS SYSTEMS
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 cen-
tres 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 actuelle-
ment 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.
1. Différents types d’ASI............................................................................. D 5 185 – 2
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
10. Conclusion................................................................................................ — 15
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 5 185
L

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Pour assurer la continuité de service, les ASI mettent en œuvre des accumula-
teurs chimiques d’énergie plomb-acide ou cadmium-nickel.
■ Avant de présenter les ASI, voici un bref aperçu des perturbations ren- con-
trées 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 pou-
vant 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 déclenche-
ment 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.
1.1 ASI en attente passive
ou passive standby UPS
Dans le langage courant, ces ASI sont appelées Off-Line . Dans ce
système d’interface, représenté sur la figure 1, l’utilisation est ali-
mentée 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 fré-
quence 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 %.
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 per-
mettant ainsi d’adapter la tension du réseau à la charge par abaisse-
ment ou élévation de la tension.
1.2 ASI en interaction avec le réseau
ou line-interactive UPS
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.
Figure 1 – ASI en attente passive
Convertisseur
DC/AC
ou Onduleur
Régulateur
Chargeur
Alimentation
Réseau Utilisation
Charge
Figure 2 – ASI en interaction avec le réseau
Convertisseur
DC/AC
ou Onduleur
Alimentation
Réseau
Utilisation
Charge
Contacteur statique

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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 ten-
sion d’utilisation.
Un contacteur statique isole le système de l’alimentation si celle-
ci est défaillante.
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 ali-
mentée 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 per-
manence 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 indépen-
dant du redresseur. Dans ce cas, la batterie est connectée au
moment de la disparition du réseau. Dans cette réalisation, la batte-
rie est indépendante du bus continu, ce qui est un avantage pour
gérer le maintien de la charge de la batterie.
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 syn-
thétiser la tension alternative à partir d’une source de tension conti-
nue qui est la batterie d’accumulateurs ou le réseau redressé.
2.1 Convertisseur d’entrée
Du côté du réseau d'entrée, les convertisseurs, redresseur et char-
geur, n'ont pas besoin d'être réversibles en puissance. Ces conver-
tisseurs fonctionnent toujours en récepteur d'énergie, mais la
puissance instantanée peut être variable, ce qui conduit à des cou-
rants 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 compo-
sants L et C , se fait en contrôlant le retard à la commande des thyris-
tors. L’extinction du thyristor est réalisée par le réseau (tensions e
1,
e
2,
e
3).
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 U
dc 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 généra-
teur ou récepteur d’énergie, d’où la présence des interrupteurs sta-
tiques (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 instan-
tané, élévateur de tension pour fournir en sortie une tension crête
de V.
Figure 3 – ASI à double conversion
Figure 4 – ASI à double conversion et chargeur indépendant
Onduleur
Convertisseur DC/AC
Redresseur
Convertisseur AC/DC
Alimentation
Réseau
Utilisation
Charge
Onduleur
Chargeur
Alimentation
Réseau Utilisation
Charge
Redresseur
AC
AC
AC
DC
DC
DC
Liaison continue
Figure 5 – Redresseur contrôlé
230 2
e
1
e
2
e
3
–
+
i
1
i
2
i
3
L
C
Filtrage

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Cette fonction élévation de tension peut être assurée côté alterna-
tif par un transformateur élévateur (figure 6) ou côté continu par un
convertisseur DC/DC élévateur (figure 7).
■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 convertis-
seur DC/AC pour fournir en sortie une tension crête de V.
2.3 Convertisseur onduleur
de 1re génération
Dans le convertisseur onduleur de 1re génération, les dispositifs
semi-conducteurs à thyristors sont commandés en basse fréquence
(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 auxi-
liaires pour annuler le courant dans le thyristor et ouvrir le circuit au
moment désiré.
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 8 a , 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 8 b et 8 c , 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.
Le réglage de l’amplitude est assuré en générant une seconde ten-
sion 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.
2.4 Convertisseur à modulation
de largeur d’impulsion
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 Tran-
sistor ) a permis de simplifier le convertisseur onduleur, tout en aug-
mentant ses performances.
L’augmentation des performances est obtenue par la possibilité
de découper à des fréquences supérieures à 1 kHz, puis à des fré-
quences inaudibles (environ à 20 kHz.). Cela permet de réduire le
bruit acoustique et d’installer les ASI dans le bureau ou la salle infor-
matique.
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).
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 %.
Figure 6 – Onduleur monophasé avec transformateur
Figure 7 – Convertisseur élévateur et onduleur monophasé
+
–
U
dc
T1
T2
T3
T4 Transformateur
et filtre
+
–
Convertisseur
élévateur
Convertisseur
élévateur
Filtre
U
dc
400 2 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
(ω t ). 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.
Figure 8 – Génération sinusoïde sur onduleurs de 1re génération
a onde carrée simple
b onde sans H3
c onde sans H3, sans H5, sans H7
tension avant filtrage signal fondamental

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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 ?
■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.
■Quelle est la sensibilité des machines alimentées en distorsion de
tension ?
La charge accepte-t-elle en permanence une tension d’alimenta-
tion 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 ?
3.2 Redresseurs à l’entrée des circuits
d’alimentation pour les charges
de type informatique
Ce type de charge non linéaire, représenté sur la figure 11, est une
configuration de base depuis l’arrivée des alimentations à décou-
page. 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 ( U
cc x)
et par la composante résistive ( U
cc r) de la tension de court-circuit
U
cc 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 perma-
nents et transitoires.
Figure 9 – Exemple de génération de sinusoïde en technologie MLI
+ E
0
–
E
tension avant filtrage
sinusoïde théorique
Cet exemple représente la génération de la sinusoïde avec découpage à
3 niveaux (+
E , 0, – E )
Figure 10 – Caractéristique dynamique de tension
Dans la réalité, la plupart des charges sont non linéaires, c’est-
à-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.
100
80
60
40
20
0
–
20
–
40
–
60
–
80
–
100 10,1 10 100 1
000
Valeur
nominale
+
10 %
–
10 %
Tension (%)
Durée du transitoire (ms)
Limite du transitoire
en surtension
Limite du transitoire
en sous-tension
Limite du transitoire
en surtension
Limite du transitoire
en sous-tension