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Livre blanc
Votre protection électrique
vous coûte-t-elle plus
qu’elle ne devrait ?
Est-ce que la protection électrique vous coûte plus qu’elle ne devrait ?
Une simple modification de votre système d’alimentation peut être rentabilisé plusieurs fois
et alléger votre budget informatique de milliers de dollars.
par Pedro Robredo
Responsable de ligne de produits
Eaton Corporation
Synthèse
Les responsables de centres de données, soucieux de réduire la consommation d’énergie et les coûts de
refroidissement, examinent de plus près le rendement énergétique de leurs onduleurs. Les onduleurs d’il y a
cinq ou dix ans pouvaient gaspiller près de 10% de l’énergie qui leur étaient fournie pour accomplir leur
tâche. Comme la plus grande partie de l’énergie qui n’est pas mise à profit par un onduleur est dissipée sous
la forme de chaleur, un onduleur qui a un mauvais rendement coûte également plus cher en refroidissement.
De nouveaux onduleurs révolutionnaires portent le rendement à un maximum en fonctionnant en plusieurs
modes, c’est-à-dire qu’ils adaptent leurs caractéristiques de fonctionnement aux conditions électriques du
moment. En ne faisant intervenir des composants internes qu’en cas de nécessité ces onduleurs multimodes
peuvent atteindre un rendement exceptionnel — jusqu’à 99% sur une très large plage de charge.
Toutefois, les onduleurs multimodes de fabricants différents diffèrent considérablement par la manière dont
ils fonctionnent, par le niveau de protection qu’ils offrent et par leur rendement véritable avec des charges
réelles. Ce livre blanc examine cinq questions que vous devez vous poser avant de fixer votre choix sur un
onduleur multimode à haut rendement pour votre centre de données.
Sommaire
Changer le jeu en matière de rendement..............................................................................................2
Les concessions traditionnelles avec les onduleurs à haut rendement.................................................2
Est-ce qu’un gain en rendement de quelques points est si important que cela ? .................................2
Faire la part du battage et de la réalité concernant les onduleurs à haut rendement ou à « mode éco »
..............................................................................................................................................................3
Cinq questions à poser avant de choisir un onduleur multimode à haut rendement............................3
1.
L’onduleur sacrifie-t-il la protection pour atteindre un haut rendement ?...........................3
2.
Comment l’onduleur atteint-il son haut rendement ?...........................................................4
3.
Que devient le rendement de l’onduleur avec une charge faible ? ......................................4
4.
Avec quelle rapidité l’onduleur détecte-t-il et réagit-il aux incidents électriques ? ............4
5.
Qu’offre de plus l’onduleur pour que la protection soit maximale ? ...................................5
Pour conclure .......................................................................................................................................5
À propos de l’auteur.............................................................................................................................5
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Est-ce que la protection électrique vous coûte plus qu’elle ne devrait ?
Une simple modification de votre système d’alimentation peut être rentabilisé plusieurs fois
et alléger votre budget informatique de milliers de dollars.
Il faut une alimentation électrique propre et permanente pour tout ce qui est électronique dans votre
organisation — du PC au centre de données. Si tel n’est pas le cas, l’entreprise court le risque d’une
altération des données, d’un endommagement des équipements et d’arrêts inopinés. Pour pratiquement
toutes les organisations, cela impose d’avoir un ou plusieurs onduleurs — qu’il s’agisse d’un onduleurs
central desservant tout un immeuble, tout un centre de données, d’onduleurs répartis placés plus près des
équipements protégés ou les deux.
Si la technologie d’onduleur employée dans votre organisation a ne serait-ce que cinq ans, elle vous coûte
plus qu’elle ne devrait. Si elle a dix ans, ce sont des dizaines de milliers de dollars que vous risquez de
laisser sur la table.
Dans un centre de données d’un mégawatt, un onduleur vieux de 10 ans peut gaspiller 150 kW d’électricité,
voire plus, et dissiper énormément de chaleur. Remplacer ce matériel « d’époque » par de nouveaux
onduleurs à haut rendement peut libérer environ 120 kW pour la protection de nouveaux équipements
informatiques et alléger le fardeau qui pèse sur les systèmes de refroidissement.
Par exemple, remplacer un seul onduleur de 550 kW d’une configuration redondante par un onduleur de
plus haut rendement pour vous faire économiser, chaque année, plus de 40 000 dollars sur vos factures
d’électricité et de refroidissement, tout en éliminant 190 tonnes d’émissions de CO2 et en bénéficiant de
remises substantielles de la compagnie d’électricité.
Changer le jeu en matière de rendement
Encore récemment, un rendement énergétique de 96 ou 97% était le maximum qu’on pouvait attendre d’un
onduleur à double conversion. Pour chaque dollar dépensé en électricité, l’onduleur en utilisait ou en
dissipait sous forme de chaleur de cinq à sept cents. Cela semble peu mais cela s’additionne, comme nous
le verrons plus loin.
Le jeu a changé. De nouveaux onduleurs économiseurs d’énergie peuvent atteindre un rendement de 99%,
fournissant plus de puissance utilisable pour chaque dollar d’électricité prise sur le secteur. Ces onduleurs
atteignent ce rendement en s’adaptant intelligemment à la qualité de l’électricité du secteur et en
fonctionnant la plupart du temps en mode économie d’énergie, à la différence des onduleurs à double
conversion qui transforment l’électricité du secteur à l’aide de convertisseurs AC-DC et DC-AC chaque
millisecondes de la journée, dissipant de la chaleur et gaspillant de l’énergie à chaque étape.
Les concessions traditionnelles avec les onduleurs à haut rendement
Encore récemment, pour augmenter le rendement énergétique, il fallait transiger notablement sur certains
points. Pour offrir le rendement le plus élevé, l’onduleur devait exposer les équipements utilisateurs à des
surtensions potentiellement néfastes et pouvait créer d’autres problèmes à cause des temps de réaction
longs.
Les nouveaux progrès des onduleurs à haut rendement éliminent ces sacrifices. Un seul et même onduleur
peut vous offrir à la fois un rendement de 99% et une protection de premier ordre.
C’est ce que les responsables de centres de données appellent de leurs vœux, confrontés qu’ils sont à de
fortes pressions pour réduire la consommation d’énergie et à respecter la réglementation — sans transiger
sur la disponibilité.
Est-ce qu’un gain en rendement de quelques points est si important que cela ?
Oui. Moins vos systèmes de protection électrique sont efficaces, plus il vous faut acheter d’électricité pour
faire fonctionner votre établissement ou votre centre de données. Comme la plus grande partie de l’énergie
perdue par un onduleur est dissipée sous la forme de chaleur, un mauvais rendement entraîne une
sollicitation plus importante du système de refroidissement et donc des coûts accrus.
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Même de légers gains permettent des économies potentielles importantes en électricité et en
refroidissement. Le tableau ci-dessous donne un exemple d’onduleur alimentant des charges de puissance
variable. Pour une charge de 250 kW, vous économisez environ 4000 $ par pour cent de gain en rendement,
soit assez pour rembourser l’onduleur en trois à cinq ans. L’empreinte carbone réduite équivaut à 29 voitures
en moins sur la route.
Charge critique
50 kW
125 kW
Coûts d’électricité (énergie +
puissance)
250 kW
500 kW
700 kW
1 MW
0,11 $ par kWh
Rendement — Onduleur
conventionnel
92,5 %
93 %
Rendement —Onduleur multimode
99 %
Économies d’énergie en 3 ans
(MWh)
145
363
670
1340
1876
2680
Économies de CO2 en 3 ans
(tonnes métriques)
104
261
481
962
1347
1924
Nombre équivalent de voitures en
moins sur la route
6
16
29
59
82
118
Économies sur facture d’électricité
en 3 ans
15 972 $
39 929 $
73 715 $
147 431 $
206 403 $
294 862 $
Tableau 1. Économies représentatives réalisées en passant d’un onduleur conventionnel à un
onduleur multimode à haut rendement
Faire la part du battage et de la réalité concernant les onduleurs à haut rendement
ou à « mode éco »
Si vous vous êtes déjà occupé d’onduleurs — comme analyste, ingénieur spécificateur ou professionnel de
l’organisation ou de l’exploitation — vous avez sans doute entendu, par le passé, beaucoup de bruit autour
des onduleurs à haut rendement ou à « mode éco ». Ces termes désignaient généralement des onduleurs
qui changeaient dynamiquement de mode pour améliorer le rendement. Les onduleurs dits multimodes
existent depuis des années.
Ces onduleurs multimodes conventionnels ont leurs limites. Ils peuvent être inefficaces contre de nombreux
types de problèmes électriques. Ils peuvent être lents à réagir à des conditions transitoires. Ils peuvent être
vulnérables aux fortes surtensions, aux courts-circuits en aval et autres anomalies électriques.
Dans ces conditions, il est tout à fait légitime que vous soyez sceptique et que vous vous demandiez ce qui
distingue les onduleurs multimodes et si vous pouvez confier vos centres de données à une protection
multimode.
La réponse est oui, si vous faites un choix judicieux et si vous posez les bonnes questions au fournisseur
d’onduleurs. Les onduleurs diffèrent énormément par la manière dont ils atteignent un haut rendement et par
le degré de protection qu’ils assurent.
Cinq questions à poser avant de choisir un onduleur multimode à haut rendement
1. L’onduleur sacrifie-t-il la protection pour atteindre un haut rendement ?
Certains onduleurs à haut rendement imposent un compromis entre économies d’énergie et qualité
électrique.
La conception interne — la topologie — influe profondément sur le rendement et sur les niveaux de
protection. L es onduleurs en veille active (« line-interactive ») sont efficaces au point de vue énergétique
mais n’offrent qu’une régulation limitée de la tension, la suppression des surtensions et le secours par
batterie. Les onduleurs à double conversion sont ceux qui font le plus pour fournir une électricité propre mais
au prix d’un certain compromis sur le rendement.
Les nouveaux onduleurs multimodes offrent la meilleure combinaison de topologies en un seul et même
onduleur. Comme il a été dit plus haut, ces onduleurs fonctionnent tour à tour dans plusieurs modes pour
s’adapter aux conditions du moment :
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•
•
Dans des conditions normales, l’onduleur est en mode haut rendement avec suppression des
surtensions et régulation de la tension.
Lorsque le secteur fournit une électricité médiocre, l’onduleur utilise la technologie de double
conversion pour alimenter les équipements avec l’électricité la plus propre possible.
Lorsque la qualité électrique est très mauvaise ou en cas de coupure de courant, l’onduleur met
en œuvre des batteries internes ou externes ou un groupe électrogène, à l’instar d’un onduleur
classique.
2. Comment l’onduleur atteint-il son haut rendement ?
Les modèles diffèrent par la manière dont ils passent d’un mode de fonctionnement à un autre.
Les onduleurs multimodes ou à mode éco conventionnels fonctionnent généralement d’une de deux
manières :
•
En mode veille dans des conditions normales, alimentant la charge à partir du secteur sans faire
intervenir ses circuits internes. Chaque fois qu’une perturbation importante survient, l’onduleur se
met en route et active ses circuits internes, synchronise l’onde électrique, puis passe en mode
double conversion. Si la perturbation est brève, les charges sensibles sont exposées à des
conditions potentiellement néfastes.
•
En mode veille active, un convertisseur DC-AC ou autre étage de puissance fonctionnant en
permanence, pour assurer la suppression des surtensions et la régulation de la tension en mode
haut rendement et permettre un passage plus rapide en mode double conversion.
Le premier type d’onduleur est trop lent à réagir aux changements de conditions électriques. Des
surtensions ou des transitoires néfastes peuvent toujours toucher vos précieux circuits électroniques. Le
deuxième type d’onduleur entre en action plus vite mais consomme plus d’énergie : son rendement ne
dépasse guère 96% à 98%.
La nouvelle technologie multimode résout ces deux problèmes. Le convertisseur DC-AC est actif en
permanence mais ne traite pas le courant électrique. Il reste connecté et synchronisé avec le secteur, de
sorte que l’onduleur peut passer en mode double conversion sans délai et sans compromettre le rendement.
Les composants de filtrage du convertisseur DC-AC sont connectés en permanence à la charge, assurant
un conditionnement comparable à celui du mode double conversion.
3. Que devient le rendement de l’onduleur avec une charge faible ?
Le rendement moyen dans le monde réel peut être très différent du rendement indiqué.
Le rendement indiqué par les fabricants s’entend généralement à la pleine charge mais la plupart des
onduleurs actuels sont sensiblement moins efficaces avec une charge faible. Or, l’utilisation d’un onduleur
avec une charge faible a plus de chances d’être la norme que l’exception. Comme un grand nombre de
systèmes informatiques ont une architecture à double bus pour assurer la redondance, le centre de données
typique charge chaque bus d’alimentation (et chacun des onduleurs correspondants) à moins de 50% de sa
capacité, souvent entre 20% et 40%.
Par suite, il est important de connaître le rendement de l’onduleur dans toute la plage de charge et pas
simplement dans des conditions de fonctionnement idéales théoriques. Alors que de nombreux onduleurs on
un rendement qui chute sensiblement avec des charges faibles, d’autres peuvent offrir un rendement de
99%, même lorsqu’ils sont peu chargés, ce qui représente 15 points de plus que dans le cas d’un onduleur
traditionnel.
4. Avec quelle rapidité l’onduleur détecte-t-il et réagit-il aux incidents électriques ?
Les équipements électroniques ne tolèrent que les brèves coupures d’une durée inférieure à la seconde.
Recherchez un onduleur qui réagit très vite aux problèmes d’alimentation électrique — idéalement en deux
à quatre millisecondes — pour deux raisons essentielles :
•
Pour réduire au minimum le courant d’appel. Même après une microcoupure, les équipements
informatiques appellent une « bouffée » d’énergie pour recharger leurs condensateurs. Plus la
coupure est longue, plus le courant d’appel est élevé. Même si la coupure n’a duré que 10 à 15
millisecondes, le courant d’appel peut être dix fois plus élevé que le courant normal. Avec un
courant d’appel sur des centaines de serveurs, on risque une surcharge des onduleurs ou la
désactivation de circuits. Il vous faut donc un onduleur qui passe d’un mode à un autre avec la
coupure la plus brève possible — idéalement de 2 ms ou moins.
•
Pour empêcher une coupure d’alimentation des commutateurs statiques d’aval. Si un centre de
données a des sources d’alimentation A et B pour assurer la redondance, il a probablement des
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commutateurs statiques pour étendre cette redondance à des charges alimentées par un seul
câble. Si un onduleur d’amont est trop lent à changer d’état, notamment à passer du mode haut
rendement au mode double conversion ou l’inverse, les commutateurs statiques d’aval peuvent
percevoir à tort une coupure de courant et commuter entre les sources A et B. Pour empêcher ces
transferts indésirables et inutiles, il faut que l’onduleur ait un temps de détection/transfert plus
court que le commutateur statique.
Examinez de près le temps de changement de mode en millisecondes indiqué par le fournisseur. Le chiffre
indiqué ne comprend pas toujours toutes les étapes qui entrent en jeu. Le temps de transfert est fonction de
deux facteurs : (A) la vitesse à laquelle l’onduleur peut activer son convertisseur DC-AC et (B) la vitesse à
laquelle il peut désactiver le commutateur statique, ce qui permet au courant de passer par les circuits
internes de l’onduleur. Ce n’est que lorsque les deux actions ont été effectuées que l’onduleur est
véritablement en mode double conversion.
5. Qu’offre de plus l’onduleur pour que la protection soit maximale ?
Comment l’onduleur fait-il face aux orages, aux surcharges et aux défauts de l’utilisation ?
Les nouveaux onduleurs à haut rendement se sont avérés fiables face à des problèmes électriques
prolongés et répétés beaucoup plus sérieux que ceux auxquels sont confrontés les sites commerciaux
ordinaires. Pourtant, certains responsables de centres de données ou d’établissements se sentent mieux
s’ils savent que l’onduleur est en mode double conversion à certains moments, notamment pendant un
orage ou une chute de tension. Certains onduleurs multimodes offrent des options de verrouillage en mode
double conversion dans des conditions spécifiées par l’utilisateur.
Recherchez également un onduleur qui fait la différence entre un défaut d’amont et un défaut d’aval.
L’onduleur doit réagir différemment selon l’origine des problèmes électriques.
Pour conclure
Les coûts d’électricité représentent maintenant de 20% à 30% des coûts d’exploitation d’un centre de
données. Selon IDC, 1 dollar de dépensé pour un nouvel équipement informatique, c’est 50 cents de plus de
dépensé en électricité et en refroidissement, soit deux fois plus qu’il y a cinq ans. Le coût de l’électricité croît
d’ores et déjà plus vite que le coût du matériel. Le million de dollars de serveurs achetés en 2009 va
consommer pour 1,2 million de dollars d’électricité en trois ans — chiffre qui ne peut qu’augmenter avec la
hausse des tarifs.1
La bonne nouvelle c’est que les fabricants ont amélioré considérablement le rendement des systèmes de
protection électrique, réduisant le coût et l’impact environnemental de l’alimentation électrique des
entreprises.
Avec une alimentation électrique plus efficace, non seulement vous réduisez vos factures d’électricité et
votre coût total d’exploitation mais aussi mettez mieux à profit vos alimentations de réserve et vos systèmes
de refroidissement existants, retardant le moment où il faudrait les étoffer pour réaliser des extensions. Avec
une empreinte carbone réduite, les onduleurs à haut rendement contribuent également à faire avancer vos
initiatives de développement durable.
À propos de l’auteur
Pedro Robredo est responsable de la ligne de produits onduleurs chez Eaton Corporation. Il a plus de 10
ans d’expérience dans l’industrie électrique, notamment dans la gestion de produits, la planification
stratégique et le marketing des onduleurs et des produits industriels. Il est titulaire d’un BS et d’un MS
d’Engineering et d’un MBA de l’université du Texas, Austin.
Sources
1. Les chiffres cités sont empruntés à The Invisible Criss in the Data Center: The Economico Melton of
Mores Law,
Ultime Institute
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