Informations théoriques

Informations théoriques
Sommaire
Alimentation de charges sensibles ............................... 2
Types de perturbations électriques ......................................................2
Principales perturbations de l'alimentation électrique basse tension ....3
Les alimentations sans interruption .............................. 4
Solution ASI..........................................................................................4
Applications utilisant les ASI.................................................................5
Types d'ASI ...................................................................... 7
ASI statique ou rotative ........................................................................7
Types d'ASI statique.............................................................................9
Composants et fonctionnement de l'ASI ...................... 16
Composants d'une ASI .........................................................................16
Principales caractéristiques des composants d'une ASI ......................19
Schéma récapitulatif des principales caractéristiques ..........................24
Modes de fonctionnement de l'ASI .......................................................25
Configurations d'ASI .............................................................................26
Technologie ..................................................................... 28
ASI sans transformateur .......................................................................28
Compatibilité électromagnétique (CEM) ....................... 34
Perturbations électromagnétiques ........................................................34
Normes et recommandations sur la CEM .............................................35
Normes sur les ASI ......................................................... 36
Portée et application des normes .........................................................36
Principales normes applicables aux ASI ..............................................36
Stockage de l'énergie ..................................................... 39
Technologies possibles ........................................................................39
Batteries ...............................................................................................39
Volants d'inertie ....................................................................................43
Combinaison ASI/groupe électrogène .......................... 46
Utilisation d'un groupe électrogène ......................................................46
Combinaison ASI/groupe électrogène ..................................................46
États de charge transitoires ........................................... 48
Informations sur les courants d'appel ...................................................48
Harmoniques ................................................................... 49
Harmoniques ........................................................................................49
Valeurs caractéristiques des harmoniques ...........................................51
Charges non linéaires et technologie de modulation de
largeur d'impulsion ......................................................... 54
Charges non linéaires et performances des ASI utilisant la technologie de
modulation de largeur d'impulsion ........................................................54
Comparaison de diverses sources .......................................................57
Hachage à fréquence libre ...................................................................58
Redresseur PFC .............................................................. 60
APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 1
Approvisionnement des charges sensibles
Types de perturbations
électriques
Voir le livre
blanc WP 18 
Les systèmes de distribution de l'alimentation, qu'ils soient publics ou privés,
alimentent en théorie les équipements électriques avec une tension sinusoïdale
d'amplitude et de fréquence fixes (par exemple, 400 V en valeur efficace et 50 Hz
sur les systèmes basse tension).
Toutefois, dans les conditions réelles d'exploitation, les fournisseurs d'électricité
indiquent le degré de fluctuation autour des valeurs nominales. La norme EN 50160
définit les fluctuations normales dans l'alimentation basse tension sur les systèmes
d'alimentation européens comme suit :
• Tension de + 10 % à - 15 % (valeurs efficaces moyennes sur des intervalles de
10 minutes),
95 % de l'alimentation devant se trouver dans la tranche des + 10 % chaque
semaine.
• Fréquence : de + 4 % à 6 % sur un an avec ±1 % 99,5 % du temps (connexions
synchrones dans un système interconnecté).
Dans les faits, toutefois, outre les fluctuations indiquées, la sinusoïde de tension
subit toujours des distorsions causées par les diverses perturbations survenant sur
le système.
 Voir le livre blanc WP 18 : « The Seven Types of Power Problems » (Les sept
types de problèmes d'alimentation).
Origine des perturbations
Alimentation secteur
L'alimentation secteur peut être perturbée, voire coupée par les phénomènes
suivants :
• Phénomènes atmosphériques affectant les câbles aériens ou enterrés :
- la foudre, qui peut produire une surtension soudaine dans le système ;
- le givre, qui peut s'accumuler sur les lignes aériennes et causer leur rupture.
• Accidents :
- une branche d'arbre tombant sur une ligne et pouvant causer un court-circuit ou
une rupture de câble ;
- la coupure d'un câble, par exemple lors du creusement de tranchées ou d'autres
travaux de construction ;
- une défaillance sur les installations du producteur d'électricité.
• Déséquilibre de phase.
• Activation d'équipements de protection ou de contrôle sur le système à des fins de
délestage ou de maintenance.
Équipements de l'utilisateur
Certains équipements peuvent perturber le système d'alimentation électrique, par
exemple :
• Équipements industriels :
- les moteurs, qui peuvent causer une chute de tension en raison des courants
d'appel au démarrage ;
- les équipements tels que les fours à arc et les appareils de soudure à arc, qui
peuvent causer des chutes de tension et des interférences à haute fréquence ;
• Équipements électroniques d'alimentation (alimentations à découpage, variateurs
de vitesse électriques, ballasts électroniques, etc.), qui causent souvent des
harmoniques.
• Équipements de bâtiments, tels que les ascenseurs (qui causent des courants
d'appel) ou les éclairages fluorescents (qui causent des harmoniques).
Types de perturbations
Les perturbations dues aux causes ci-dessus sont récapitulées dans le tableau
suivant, conformément aux définitions des normes EN 50160 et ANSI 1100-1992.
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p. 2
Approvisionnement des charges sensibles
(suite)
Perturbations
Coupures d'alimentation
Microcoupures
Caractéristiques
Causes principales
Absence totale de tension ≤
10 ms.
Conditions atmosphériques,
Fonctionnement défaillant et perte
commutation, défaillances, travaux de données (systèmes
sur le réseau.
informatiques) ou production
interrompue (processus continus).
Coupures
Absence totale de tension pendant
plus d'une période :
- coupure courte : ≤ 3 minutes
(70 % des coupures durent moins
de 1 s)
- coupure longue : > 3 minutes
Conditions atmosphériques,
commutation, défaillances,
incidents, coupures de câbles,
travaux sur le réseau.
Selon la durée, arrêt des
machines et dangers pour les
personnes (ascenseurs, par
exemple), perte de données
(systèmes informatiques) ou
production interrompue (processus
continus).
Réduction de la valeur efficace de
la tension à moins de 90 % de la
valeur nominale (mais à plus de
0 %), avec retour à une valeur
supérieure à 90 % dans une
période de 10 ms à 1 minute.
Augmentation temporaire de plus
de 10 % de la tension nominale
pour une durée de 10 ms à
quelques secondes.
Phénomènes atmosphériques,
fluctuations de charge, courtcircuit sur un circuit voisin.
Arrêt des machines,
dysfonctionnements, dommages
aux équipements et perte de
données.
- Qualité des générateurs du
réseau public et des systèmes de
transmission.
- Interaction entre les générateurs
et les fluctuations de charge sur
les installations du producteur
d'électricité.
- Mise en marche du système de
production d'électricité.
- Arrêt de charges très
consommatrices (moteurs, jeux de
condensateurs, etc.).
Pic de consommation, où le
producteur ne peut pas répondre à
la demande et doit réduire sa
tension pour limiter la puissance.
- Pour les systèmes
informatiques :
corruption des données, erreurs
de traitement, arrêt du système,
fatigue des composants.
- Échauffement et vieillissement
prématuré des équipements.
Variations de tension
Creux de tension
Surtension
Conséquences principales
Sous-tension
Baisse de tension allant de
quelques minutes à plusieurs
jours.
Pic de tension
Augmentation brève mais
importante de la tension (6 kV, par
exemple).
Impacts de foudre proches,
décharges électrostatiques.
Déséquilibre de tension
(systèmes triphasés)
Situation où la valeur efficace de
tension des phases ou les
déséquilibres entre les phases ne
sont pas égaux.
- Chaudières à induction.
- Charges monophasées
déséquilibrées.
- Échauffement.
- Déconnexion d'une phase.
Instabilité de la fréquence
En général, +5 %, -6 % (en
moyenne pour des intervalles de
10 s).
- Régulation des groupes
électrogènes.
- Fonctionnement irrégulier des
groupes électrogènes.
- Source à fréquence instable.
Centrales de soudure, moteurs,
fourneaux à arc, générateurs de
rayons X, lasers, jeux de
condensateurs.
Ces variations dépassent les
tolérances de certains instruments
et matériels informatiques
(souvent ±1 %) et peuvent donc
causer la corruption des données.
Perturbations physiologiques.
Augmentation soudaine,
importante et très brève de la
tension.
Similaire à un pic de tension.
Phénomènes atmosphériques
(foudre) et commutation.
Destruction d'équipements,
vieillissement accéléré, destruction
de composants ou d'isolants.
< 1 µs
Amplitude < 1 à 2 kV à des
fréquences de plusieurs dizaines
de MHz.
> 1 µs et ≤ 100 µs
Valeur de pic égale à huit à dix
fois la valeur nominale, et pouvant
atteindre plusieurs MHz.
> 100 µs
Valeur de pic égale à cinq à six
fois la valeur nominale, et pouvant
atteindre plusieurs centaines de
Démarrage de petites charges
inductives, ouverture et fermeture
répétées de relais et de
contacteurs basse tension.
Défaillances (éclairage) ou
commutation haute tension
transmise à la basse tension par
couplage électromagnétique.
Arrêt des charges inductives ou
défaillances haute tension
transmises au système basse
tension par couplage
Variations de fréquence
Fluctuations de fréquence
Papillotement
Autres perturbations
Transitoires à haute fréquence
Durée brève
Durée moyenne
Durée longue
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Papillotement (flicker) des
systèmes d'éclairage dû à une
chute de tension et de fréquence
(< 35 Hz).
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Arrêt des systèmes informatiques.
Corruption ou perte de données.
Échauffement.
Vieillissement prématuré des
équipements.
Erreurs de traitement, corruption
des données, arrêt du système.
Dommages aux ordinateurs et aux
cartes électroniques.
p. 3
Approvisionnement des charges sensibles
(suite)
Distorsion harmonique
Compatibilité
électromagnétique (CEM)
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MHz.
Distorsion des sinusoïdes de
l'intensité et de la tension due aux
courants harmoniques appelés par
des charges non linéaires. L'effet
des harmoniques au-dessus du
25e rang est négligeable.
Perturbations électromagnétiques
ou électrostatiques conduites ou
rayonnées.
Le but est d'assurer des émissions
faibles et des niveaux d'immunité
élevés.
électromagnétique.
Machines électromagnétiques
(moteurs, changeurs de prise hors
circuit, etc.), alimentations à
découpage, fours à arc électrique,
variateurs de vitesse électriques.
Commutation d'équipements
électroniques (transistors,
thyristors, diodes), décharges
électrostatiques.
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Surdimensionnement des
équipements, échauffement,
phénomènes de résonance avec
les condensateurs, destruction
d'équipements (transformateurs).
Dysfonctionnement de dispositifs
électroniques sensibles.
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Les alimentations sans interruption
La solution ASI
L'activité économique moderne est de plus en plus dépendante des technologies
numériques, qui sont très sensibles aux perturbations électriques.
Par conséquent, de nombreuses applications peuvent avoir besoin d'une
alimentation de secours pour les protéger des perturbations possibles de
l'alimentation du secteur.
• Processus industriels et leurs systèmes de contrôle/gestion : risque de pertes de
production.
• Aéroports et hôpitaux : risques pour la sécurité des personnes.
• Technologies de l'information et de la communication associées à Internet :
risques d'arrêt des traitements de données, chaque heure d'arrêt coûtant très cher
en raison de l'absence d'échange d'informations vitales requises par les
multinationales.
Les alimentations sans interruption
Une ASI (alimentation sans interruption) permet d'alimenter en courant sécurisé les
applications sensibles.
L'ASI est un dispositif électronique positionné entre l'alimentation du secteur et les
charges sensibles, et qui fournit de la tension.
• Tension de haute qualité : la sinusoïde de sortie est dépourvue de toute
perturbation provenant du secteur et répond à des tolérances strictes en matière
d'amplitude et de fréquence.
• Disponibilité élevée : l'alimentation continue d'une tension conforme aux
tolérances spécifiées est garantie par une alimentation électrique de secours. Il s'agit
en général d'une batterie qui, si nécessaire, intervient sans interruption de
l'alimentation pour remplacer le courant du secteur et alimenter l'application aussi
longtemps que nécessaire.
Ces caractéristiques font des ASI les alimentations idéales pour toutes les
applications sensibles car elles garantissent la qualité et la disponibilité de
l'alimentation électrique quoi qu'il arrive au courant du secteur.
Composants d'une ASI
Une ASI comporte généralement les composants principaux suivants.
Redresseur/chargeur
Il absorbe le courant du secteur et produit un courant continu qui alimente l'onduleur
et charge ou recharge la batterie.
Onduleur
Il recrée entièrement une tension de sortie à sinusoïde de haute qualité :
• Dépourvue de toute les perturbations du courant du secteur telles que les
microcoupures.
• Conforme aux tolérances compatibles avec les exigences des dispositifs
électroniques sensibles (par exemple, des tolérances de ± 0,5 % en amplitude et de
± 1 % en fréquence, par rapport aux ± 10 % et ± 5 % pour le réseau du secteur, ce
qui correspond à des facteurs d'amélioration de 20 et 5, respectivement.
Remarque : le terme d'onduleur est souvent utilisé pour désigner une ASI, mais il
n'est en fait qu'un composant de celle-ci.
Batterie
La batterie offre une alimentation de secours d'une durée suffisante (de 6 minutes à
plusieurs heures) en remplaçant l'alimentation secteur lorsque c'est nécessaire.
Dérivation statique
La dérivation statique assure un transfert sans interruption de l'alimentation de la
charge entre l'onduleur et l'alimentation secteur, et inversement. Le transfert sans
interruption est effectué par un dispositif composé de thyristors, parfois appelés
commutateurs statiques ou SCR (Silicon-Controlled Rectifier).
La dérivation statique permet de continuer l'alimentation de la charge même si une
défaillance interne de l'ASI survient, ou pendant les opérations de maintenance sur
le redresseur/chargeur et sur les modules d'onduleur. Elle permet également
d'effectuer des transferts pour obtenir la pleine puissance du courant en amont en
cas de surcharges (par exemple, de brefs courts-circuits) dépassant la capacité de
l'ASI.
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p. 5
Les alimentations sans interruption
Lors du fonctionnement sur la dérivation statique, la charge est alimentée
directement par le secteur et n'est plus protégée (fonctionnement en mode inférieur).
Dérivation de maintenance
Cette dérivation peut être utilisée pour alimenter la charge directement avec le
courant du secteur sans faire intervenir l'onduleur ni le commutateur statique. Le
transfert vers la dérivation de maintenance est effectué par l'utilisateur à l'aide de
commutateurs. En activant les commutateurs nécessaires, il isole la dérivation
statique et l'onduleur pour effectuer des opérations de maintenance tout en
alimentant la charge en mode inférieur.
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p. 6
Les alimentations sans interruption (suite)
HV system
HV/LV
transformer
Normal utility power
(disturbances and
system tolerances)
Non-sensitive loads
UPS
Rectifier/
charger
Battery
Inverter
Maintenance
bypass
Static
bypass
Reliable power
(no disturbances, within
strict tolerances
and available due to
battery backup power)
Sensitive loads
Fig. 5.1. La solution ASI
Applications utilisant
les ASI
APC by Schneider Electric
Les ASI sont utilisées dans toute une gamme d'applications nécessitant une
alimentation électrique disponible en permanence et non affectée par les
perturbations du secteur. Le tableau ci-après présente certaines applications.
Pour chaque application, le tableau indique sa sensibilité aux perturbations et le type
d'ASI adéquat pour sa protection.
Les applications qui nécessitent ce type d'installation sont :
• les systèmes informatiques ;
• les télécommunications ;
• l'industrie et les équipements ;
• d'autres applications.
Les types d'ASI requis sont présentés à la page 9, « Types d'ASI statiques ».
Ils incluent les ASI statiques des types suivants :
• attente passive ;
• interaction avec le réseau de distribution ;
• double conversion.
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p. 7
Les alimentations sans interruption (suite)
Applications utilisant les ASI
Application
Dispositifs protégés
Systèmes informatiques
Centres de données
- grandes baies pour serveurs montés
sur rack
- centres de données Internet
Réseaux d'entreprise
- Ensembles d'ordinateurs avec
terminaux et périphériques (unités de
stockage sur bande, lecteurs de
disques, etc.)
Petits réseaux et
- Réseaux composés de PC ou de
serveurs
postes de travail, réseaux avec serveurs
(étendus ou locaux)
Ordinateurs autonomes - PC, postes de travail
- Périphériques : imprimantes, traceurs,
répondeurs téléphoniques
Télécommunications
Télécommunications
- Autocommutateurs téléphoniques
privés (PABX) numériques
Industrie et équipements
Processus industriels
- Commande de processus
- PLC
- Systèmes de commande numérique
- Systèmes de commande
- Système de commande/surveillance de
robot
- Machines automatiques
Médecine et laboratoires - Instrumentation
- Scanners (60 Hz)
Équipements industriels - Machines-outils
- Robots soudeurs
- Presses d'injection plastique
- Dispositifs de régulation de précision
(textile, papier, etc.)
- Équipements chauffants pour la
fabrication de semi-conducteurs, de
verre, de matériaux purs
Systèmes d'éclairage
- Bâtiments publics (ascenseurs,
équipement de sécurité)
- Tunnels
- Éclairage des pistes dans les aéroports
Autres applications
Fréquences spéciales
- Conversion de fréquence
- Alimentation électrique pour les avions
(400 Hz)
*
sensibilité faible aux perturbations.
*****
sensibilité importante aux perturbations.
APC by Schneider Electric
Protection requise contre :
Microcoup Coupures Variations Variations Autre
ures
de tension de
fréquence
Type d'ASI
(voir p. 8)
*****
*****
*****
*****
*****
Double conversion
*****
*****
*****
*****
*****
Double conversion
****
****
***
***
**
**
**
*
*
**
Interaction avec le
réseau de
distribution
Attente passive
*****
*****
*****
*****
*****
Double conversion
***
*****
***
***
****
Double conversion
****
*****
****
****
***
Double conversion
***
****
***
***
***
Double conversion
**
****
***
***
**
Double conversion
Interaction avec le
réseau de
distribution
****
****
****
*****
***
Double conversion
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p. 8
Types d'ASI
ASI statique ou rotative
Voir le livre
blanc WP 92 
ASI statique ou rotative
Il existe deux grands types d'ASI (figure 5.2 et explication détaillée dans le Livre
blanc WP 92 : « Comparison of Static and Rotary UPS », Comparaison entre ASI
statiques et rotatives), la principale différence étant dans le mode de fonctionnement
de l'onduleur.
Solution statique
Ces ASI utilisent uniquement des composants électroniques pour réaliser
l'ondulation du courant. Une fonction d'onduleur statique est obtenue.
Solution rotative
Ces ASI utilisent uniquement des composants rotatifs pour réaliser l'ondulation du
courant.
Une fonction modulateur rotatif est obtenue.
Ces ASI combinent en fait un moteur, un générateur et un onduleur statique très
simplifié.
L'onduleur filtre généralement les perturbations du courant du secteur et ne régule
que la fréquence de la tension de sortie (en général au format « onde carrée ») qui
alimente un moteur/générateur parfois combiné à un volant d'inertie.
L'ensemble moteur/générateur crée une onde sinusoïdale en tension de sortie en
prenant la fréquence de sortie de l'onduleur comme référence.
Fig. 5.2. ASI statiques et rotatives
Comparaison
Solution rotative
Les arguments suivants sont souvent mis en avant pour cette solution :
• Intensité de court-circuit du générateur élevée (de l'ordre de 10 In, soit dix fois
l'intensité nominale) facilitant la protection des dispositifs.
• Capacité de surcharge de 150 % (de l'intensité nominale) sur une période plus
longue (deux minutes au lieu d'une).
• Isolation galvanique de l'installation en aval de la source de CA en amont due au
groupe électrogène.
• Impédance interne offrant une tolérance élevée aux charges non linéaires
fréquemment trouvées avec les alimentations à découpage utilisées par les
systèmes informatiques.
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Édition 05/2012
p. 9
Types d'ASI (suite)
Solution statique
Avantages par rapport aux solutions rotatives.
Les ASI statiques APC by Schneider Electric offrent les avantages suivants.
• Fonctionnement en mode de limitation du courant (par exemple, jusqu'à 2,33 In
pour le MGE Galaxy 5000) avec distinction assurée pour les circuits homologués
jusqu'à In/2.
Ces fonctions, qui sont plus que suffisantes en pratique, évitent les inconvénients
des systèmes rotatifs :
- la surchauffe des câbles ;
- les effets d'un courant de court-circuit excessif et de la chute de tension
correspondante sur les dispositifs sensibles pendant la période nécessaire pour que
les dispositifs de protection suppriment le défaut.
• Capacité de surcharge de 150 % (de l'intensité nominale) sur une minute.
La capacité de surcharge de deux minutes n'est pas vraiment utile car la plupart des
surcharges sont très courtes (moins d'une seconde, par exemple, pour les courants
d'appel des moteurs, des transformateurs et des équipements électroniques
d'alimentation).
• L'isolation galvanique, si nécessaire, peut être obtenue à l'aide d'un transformateur
d'isolation.
• Le fonctionnement à double conversion, qui isole complètement la charge du
courant secteur et régénère la tension de sortie avec une régulation précise de la
tension et de la fréquence.
• L'impédance interne est très faible pour de meilleures performances avec les
charges non linéaires en raison de l'utilisation de technologies à transistor de
puissance.
Autres avantages
 Les solutions statiques offrent aussi de nombreux autres avantages, tels que la
technologie à transistor de puissance associée à une technique de hachage à
modulation de largeur d'impulsion (PWM).
• Une conception d'ensemble simplifiée, avec moins de pièces et de connexions,
réduit le nombre de causes de panne possibles.
• Une régulation contrôlée par microprocesseur et basée sur des techniques
d'échantillonnage numérique permet de réagir instantanément aux fluctuations
d'amplitude et de fréquence du courant secteur. L'amplitude de la tension revient aux
valeurs admises (± 0,5 % ou ± 1 % selon le modèle) en moins de 10 ms pour des
changements soudains de charge allant jusqu'à 100 %. Sur la durée indiquée, un tel
changement de charge produit une variation de tension de charge inférieure à ± 2 %
pour les MGE Galaxy PW et Galaxy 5000.
• Le rendement élevé et constant, quel que soit le pourcentage de charge,
représente un avantage majeur pour les unités ASI redondantes à faible
pourcentage de charge. Une unité ASI statique avec une charge de 50 % maintient
un rendement élevé (94 %), alors qu'une ASI rotative a un rendement moyen de
88 à 90 %, ce qui affecte directement les coûts d'exploitation.
• Les configurations redondantes offrent une disponibilité élevée dans le cadre des
systèmes d'alimentation ultrafiables (pour les centres de données, par exemple).
• L'intégration possible dans des architectures redondantes à sections distinctes
facilite la maintenance en isolant les parties de l'installation.
Les systèmes rotatifs intègrent l'ASI, l'alimentation de secours et le générateur en un
seul composant, ce qui rend impossible la séparation des fonctions.
• Pas de point individuel de défaillance. Les systèmes rotatifs peuvent intégrer des
volants d'inertie selon que leur moteur est capable ou non de démarrer rapidement
(en général, en moins de 12 secondes). Cela signifie que le moteur doit être en
parfait état et soigneusement entretenu. S'il ne démarre pas, le temps est insuffisant
pour arrêter les charges critiques de manière ordonnée.
 Prenez également en compte les avantages suivants des ASI classiques :
• dimensions et poids réduits ;
• pas d'usure des parties rotatives, pour une maintenance plus facile et plus rapide.
Par exemple, les systèmes rotatifs nécessitent des vérifications sur l'alignement des
parties rotatives, et le remplacement des roulements après 2 à 6 ans est une
intervention majeure (il faut soulever l'appareil et chauffer et refroidir les roulements
pendant le remplacement).
Conclusion
Au vu des avantages présentés ci-dessus, les ASI statiques sont utilisées dans la
grande majorité des cas, et en particulier pour les applications à puissance élevée.
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p. 10
Types d'ASI (suite)
 Dans les pages suivantes, le terme alimentation sans interruption (ASI) désigne
la solution statique.
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p. 11
Types d'ASI (suite)
Types d'ASI statique
Normes
Les alimentations sans interruption
En raison de la grande augmentation du nombre de charges sensibles, le terme
« ASI » recouvre maintenant des dispositifs allant de quelques centaines de VA pour
les ordinateurs de bureau à plusieurs MVA pour les centres de données et les sites
de télécommunication.
Parallèlement, différentes technologies ont vu le jour, et les noms utilisés pour les
produits sur le marché ne sont pas toujours clairs pour le consommateur final (s'ils
ne sont pas juste trompeurs).
C'est pourquoi la CEI (Commission électrotechnique internationale) a établi des
normes régissant les types d'ASI et les techniques utilisées pour mesurer leurs
niveaux de performances. Ces critères ont été adoptés par le CENELEC (Comité
européen de normalisation en électronique et en électrotechnique).
La norme CEI 62040-3 et son équivalent européen EN 62040-3 définissent trois
types (topologies) d'ASI normalisées et leurs niveaux de performances.
Les trois types d'ASI sont les suivants :
● Attente passive
● Interaction avec le réseau
● Double conversion
Courant alternatif d'entrée
Ces définitions concernent le fonctionnement des ASI par rapport aux sources
d'entrée, notamment le système de distribution en amont de l'ASI.
Les normes définissent la terminologie suivante :
• Réseau source : réseau dont la puissance est normalement disponible de façon
continue, habituellement fournie par une compagnie de distribution électrique, mais
parfois par la propre station de puissance de l'opérateur.
• Réseau secours : réseau prévu pour remplacer le réseau source en cas de
défaillance de celui-ci.
En pratique, une ASI dispose d'une ou deux entrées :
• L'entrée AC Normal (CA normal) (Secteur 1), alimentée par le réseau source.
• L'entrée AC Bypass (CA dérivation) (Secteur 2) est alimentée par le réseau
secours (en général, par un câble distinct issu du même tableau général basse
tension, ou TGBT).
ASI fonctionnant en mode Attente passive
 L'ASI est installée en parallèle et en secours du réseau. La batterie est
chargée par un chargeur séparé de l'onduleur.
Principe de fonctionnement
• Mode normal
- L'onduleur fonctionne en mode d'attente passive.
- La charge est alimentée par le secteur en général via un filtre qui élimine certaines
perturbations et peut effectuer une régulation de la tension.
- Les normes ne mentionnent pas ce filtre et parlent seulement d'un « commutateur
d'ASI ». Elles précisent toutefois que « des dispositifs additionnels peuvent être
incorporés pour assurer le conditionnement de l'alimentation, par exemple
transformateur ferro-résonnant ou à commutation de prises automatique ».
• Mode autonomie
- Lorsque la tension alternative du réseau d'entrée est hors des tolérances spécifiées
de l'ASI ou en cas de défaillance de ce réseau, l'onduleur et la batterie assurent la
permanence de l'alimentation de la charge après un temps de transfert très court (en
général inférieur à 10 ms). Les normes ne mentionnent pas de délai, mais précisent
que « la charge est transférée sur l'onduleur directement ou par l'intermédiaire du
commutateur d'ASI, qui peut être statique ou électromécanique ».
- L'ASI continue à fonctionner sur batterie jusqu'à épuisement de la batterie ou
jusqu'à ce que le secteur revienne dans les tolérances spécifiées, ce qui entraîne le
transfert de retour au mode normal.
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p. 12
Types d'ASI (suite)
Fig. 5.3. ASI fonctionnant en mode Attente passive
Avantages
• schéma simple ;
• coût réduit.
Inconvénients
• Pas d'isolation véritable de la charge par rapport au réseau amont.
• Temps de transfert. Fonctionne sans véritable contacteur statique, ce qui accroît
légèrement le temps de transfert à l'onduleur. Ce délai est acceptable pour un
certain nombre d'applications, mais incompatible avec les performances requises
par des systèmes plus sophistiqués et sensibles (grands centres informatiques,
centraux téléphoniques, etc.).
• Aucune régulation de la fréquence de sortie, qui est simplement celle du secteur.
Utilisation
Cette configuration résulte d'un compromis entre un niveau acceptable de protection
contre les perturbations et le coût correspondant.
Les inconvénients exposés font que, dans les faits, ce type d'ASI n'est utilisable
qu'avec de faibles puissances (< 2 kVA), et excluent son utilisation en
convertisseur de fréquence.
ASI fonctionnant en mode Interaction avec le réseau
 L'onduleur est connecté en parallèle avec l'entrée CA en configuration
d'attente, et charge également la batterie. Il interagit de ce fait avec la source
d'entrée de CA par un fonctionnement réversible.
Principe de fonctionnement
• Mode normal
La charge est alimentée en « courant conditionné » par l'onduleur connecté en
parallèle à l'entrée CA. Tant que le réseau respecte les tolérances spécifiées,
l'onduleur régule les fluctuations de la tension d'entrée. Sinon (fonctionnement
réversible), il charge la batterie. La fréquence de sortie dépend de la fréquence du
CA d'entrée.
• Mode autonomie
- Lorsque la tension alternative du réseau d'entrée est hors des tolérances spécifiées
de l'ASI ou en cas de défaillance de ce réseau, l'onduleur et la batterie assurent la
permanence de l'alimentation de la charge. Le commutateur (contacteur statique,
par exemple) déconnecte également le CA d'entrée afin d'empêcher le courant de
l'onduleur d'alimenter l'amont.
- L'ASI continue à fonctionner sur batterie jusqu'à épuisement de la batterie ou
jusqu'à ce que le secteur revienne dans les tolérances spécifiées, ce qui entraîne le
transfert de retour au mode normal.
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p. 13
Types d'ASI (suite)
• Mode dérivation
Ce type d'ASI peut être équipé d'une dérivation. Si une ou plusieurs ASI sont
défaillantes, la charge peut être transférée au réseau AC Bypass (CA dérivation) à
l'aide de la dérivation de maintenance.
Fig. 5.4. ASI fonctionnant en mode Interaction avec le réseau
Avantages
• Le coût peut être inférieur à celui d'une ASI à double conversion de puissance
équivalente car l'onduleur ne fonctionne pas en permanence.
Inconvénients
• Pas d'isolation véritable de la charge par rapport au réseau amont, ayant pour une
conséquence :
- une sensibilité aux variations de tension du secteur et appels fréquents à
l'onduleur ;
- l'influence des charges non linéaires en aval sur la tension d'entrée en en amont.
• Aucune régulation de la fréquence de sortie, qui est simplement celle du secteur.
• Conditionnement de la tension de sortie moyennement performant, l'onduleur
n'étant pas monté en série avec le réseau CA d'entrée. La norme parle du « réseau
conditionné » constitué par le réseau connecté en parallèle à l'onduleur. Le
conditionnement est cependant limité par la sensibilité aux fluctuations de la tension
en amont et en aval et pas le fonctionnement réversible de l'onduleur.
• Le rendement dépend de plusieurs éléments :
- Le type de charge. Avec les charges non linéaires, le courant appelé inclut des
harmoniques qui altèrent la composante fondamentale. Les courants harmoniques
sont alimentés par l'onduleur réversible, qui régule la tension. Le rendement est
fortement réduit.
- Le pourcentage de charge : la puissance requise pour charger la batterie s'accroît
à mesure que le pourcentage de charge diminue.
• L'absence de dérivation statique constitue un point individuel de défaillance. En
cas de dysfonctionnement, l'ASI s'arrête.
Utilisation
Cette configuration n'est pas adaptée à la régulation de charges sensibles en
moyenne et forte puissance car elle ne permet pas la régulation des fréquences.
C'est pourquoi elle reste généralement réservée aux applications à faible puissance.
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p. 14
Types d'ASI (suite)
ASI à double conversion
 L'onduleur est connecté en série entre le réseau CA d'entrée et l'application. La
puissance électrique alimentant la charge transite toujours par l'onduleur.
Principe de fonctionnement
• Mode normal
En fonctionnement normal, toute l'alimentation fournie à la charge passe par le
redresseur/chargeur et l'onduleur, qui effectuent à eux deux une double conversion
(CA-CC-CA), d'où le nom. La tension est régénérée et régulée en permanence.
• Mode autonomie
- Lorsque la tension alternative du réseau d'entrée est hors des tolérances spécifiées
de l'ASI ou en cas de défaillance de ce réseau, l'onduleur et la batterie assurent la
permanence de l'alimentation de la charge.
- L'ASI continue à fonctionner sur batterie jusqu'à épuisement de la batterie ou
jusqu'à ce que le secteur revienne dans les tolérances spécifiées, ce qui entraîne le
transfert de retour au mode normal.
• Mode dérivation
Ce type d'ASI inclut une dérivation statique (aussi appelée commutateur ou
contacteur statique), qui assure un transfert sans interruption de l'alimentation de la
charge entre l'onduleur et l'alimentation secteur, et inversement.
La charge est transférée à la dérivation statique dans les cas suivants :
- Défaillance de l'ASI
- Transitoires de courant de charge (courants d'appel ou de défaut)
- Surcharges
- Fin de l'autonomie de la batterie
La présence d'une dérivation statique suppose des fréquences d'entrée et de sortie
identiques. Elle ne peut donc pas être utilisée comme convertisseur de fréquence. Si
les niveaux de tension sont différents, un transformateur de dérivation est
nécessaire.
L'ASI est synchronisée avec le réseau AC Bypass (CA dérivation) afin d'assurer un
transfert sans coupure de l'onduleur vers la ligne de dérivation.
Remarque : une autre ligne de dérivation, souvent appelée dérivation de
maintenance, est disponible pour les opérations de maintenance. Elle se ferme à
l'aide d'un commutateur manuel.
Fig. 5.5. ASI à double conversion
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p. 15
Types d'ASI (suite)
Avantages
• Régénération complète de la tension de sortie, qu'elle soit alimentée par le secteur
ou la batterie.
• Isolation complète de la charge par rapport au réseau électrique et à ses
perturbations.
• Acceptation de tolérances de tension d'entrée très larges tout en assurant une
régulation précise de la tension de sortie.
• Indépendance des fréquences d'entrée et de sortie, ce qui permet de produire une
fréquence de sortie respectant parfaitement les tolérances. Fonctionnement possible
en tant que convertisseur de fréquence (à condition d'avoir planifié cette utilisation)
en désactivant le contacteur statique.
• Niveaux de performances beaucoup plus élevés dans les régimes stables et
transitoires.
• Passage instantané au mode autonomie en cas de panne de secteur.
• Transfert sans coupure vers une ligne de dérivation (mode dérivation).
• Dérivation manuelle (généralement en standard) pour faciliter la maintenance.
Inconvénients
• Prix plus élevé, compensé par les nombreux avantages.
Utilisation
Cette configuration est la plus complète en termes de protection de la charge, de
capacités de régulation et de niveaux de performance. Elle assure en outre
l'indépendance des tension et fréquence de sortie par rapport aux tension et
fréquence d'entrée.
Tous ces avantages font qu'elle est presque exclusivement la seule configuration
utilisée pour les applications de puissance moyenne et forte (10 kVA et plus).
Conclusion
Les ASI à double conversion représentent la très grande majorité des systèmes
moyenne et haute puissance vendus (95 % pour quelques kVA et 98 % pour
10 kVA et plus).
Cela est dû à leurs nombreux avantages pour l'alimentation des charges sensibles
à ces puissances. Le principal facteur est la présence de l'onduleur monté en série
sur l'entrée CA.
Par ailleurs elles ont peu de point faibles, sinon leur prix plus élevé, mais
nécessaire pour permettre les performances obtenues, souvent indispensables au
vu du caractère critique des charges alimentées. Les pertes sont également
légèrement plus élevées (quelques points de pourcentage).
Dans les gammes de puissance prises en compte, la présence des autres
technologies est limitée, malgré des coûts nettement inférieurs.
Ils souffrent des inconvénients suivants :
• Pas de régulation de la tension pour les ASI en attente passive.
• Pas de régulation de la fréquence pour les ASI en attente passive et en interaction
avec le réseau.
• Isolation médiocre (souvent par parasurtenseur) par rapport au réseau du fait de la
position en parallèle de l'onduleur.
Conclusion
 Dans le domaine des faibles puissances (< 2 kVA), les trois types d'ASI
normalisées coexistent.
C'est la rentabilité des fonctions de protection par rapport aux besoins des charges
et aux risques encourus (pour les personnes, la production, etc.) qui détermine le
choix d'un des types.
 Les ASI à double conversion sont utilisées presque exclusivement pour les
applications à puissance élevée.
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Types d'ASI (suite)
ASI en ligne à conversion delta
Ce type d'ASI, représenté dans la figure 5.6, correspond à une technologie récente
(10 ans) destinée à éliminer les inconvénients de la conception en ligne à double
conversion. Il est disponible à des tailles allant de 5 kVA à 1,6 MW. Similaire à la
conception en ligne à double conversion, l'ASI à conversion delta en ligne fait en
sorte que ce soit toujours l'onduleur qui fournisse la tension de charge. Toutefois, le
convertisseur delta supplémentaire apporte également du courant à la sortie de
l'onduleur. En cas de panne de secteur ou de perturbations, cette ASI se comporte
exactement comme une ASI en ligne à double conversion.
STATIC BYPASS
SWITCH
DELTA
TRANSFORMER
AC
AC
DC
DC
MAIN
INVERTER
DELTA
CONVERTER
BATTERY
Fig. 5.6. ASI en ligne à conversion delta
Une manière simple de comprendre le rendement énergétique de la topologie à
conversion delta est d'imaginer l'énergie requise pour livrer un paquet du 4e au
5e étage d'un bâtiment, comme le représente la figure 5.7. La technologie de
conversion delta économise de l'énergie en ne transportant le paquet que sur la
différence (delta) entre le point de départ et le point d'arrivée. Une ASI en ligne à
double conversion convertit le courant alternatif du secteur en courant continu pour
la batterie, puis inversement. Le convertisseur delta déplace les composants du
courant de l'entrée à la sortie.
DOUBLE CONVERSION
4th
Floor
X
DELTA CONVERSION
5th
Floor
4th
Floor
X
5th
Floor
Fig. 5.7. Analogie de la double conversion par rapport à la conversion delta
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Types d'ASI (suite)
Dans la conception en ligne à conversion delta, le convertisseur delta a deux objectifs.
Le premier est de contrôler les caractéristiques de l'alimentation d'entrée. Ce filtre
AFE (Active Front End) appelle le courant de manière sinusoïdale, ce qui réduit au
minimum les harmoniques renvoyées au réseau secteur. Cela assure une
compatibilité optimale entre le secteur et le système de groupe électrogène, réduisant
les problèmes de surchauffe et d'usure du système de distribution de l'alimentation.
La deuxième fonction du convertisseur delta est de contrôler l'alimentation d'entrée
afin de réguler le chargement du système de batterie.
L'ASI en ligne à conversion delta fait en sorte que ce soit toujours l'onduleur qui
fournisse la tension de charge. Toutefois, les caractéristiques en entrée sont souvent
différentes. Les ASI en ligne à conversion delta offrent une entrée contrôlée
dynamiquement avec correction de facteur de puissance. Elle évite l'utilisation peu
efficiente de batteries de filtres associée aux solutions traditionnelles. Le principal
avantage de ces ASI est une réduction notable des pertes d'énergie. Le contrôle de
puissance en entrée rend également l'ASI compatible avec tous les groupes
électrogènes et réduit les besoins de surdimensionnement du câblage et des
générateurs. La technologie en ligne à conversion delta est la seule technologie de
base du domaine des ASI encore protégée par brevet. Elle n'est donc pas disponible
auprès de tous les fournisseurs.
En régime stable, le convertisseur delta permet à l'ASI de transmettre de la puissance
à la charge de manière beaucoup plus efficace que la double conversion.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
Composants d'une ASI
Les informations ci-dessous concernent les ASI à double conversion, la
technologie la plus utilisée par APC by Schneider Electric pour les puissances
nominales supérieures à 10 kVA.
Schéma général d'une ASI
Les numéros affectés aux différents éléments représentés dans ce schéma
correspondent aux numéros des sections des pages suivantes.
Fig. 5.6. Composants d'une ASI
Sources d'alimentation et entrées de l'ASI
En pratique, une ASI dispose d'une ou deux entrées :
• L'entrée AC Normal (CA normal) (Secteur 1), alimentée par le réseau source.
• L'entrée AC Bypass (CA dérivation) (Secteur 2) est alimentée par le réseau
secours (en général, par un câble distinct issu du même tableau général basse
tension, ou TGBT).
 Voir p. 9.
La connexion de l'ASI au réseau source et au réseau secours (les entrées de l'ASI
sont alimentées par deux différents circuits du TGBT) est conseillée car elle
augmente la fiabilité générale du système. Toutefois, si deux circuits du TGBT ne
sont pas disponibles, il est possible que les deux entrées de CA (Normal et Bypass)
soient fournies par le réseau source.
La gestion des transferts entre les deux lignes d'entrée est organisée comme suit.
• L'ASI synchronise la tension de sortie de l'onduleur avec celle de la ligne de
dérivation tant que cette dernière est conforme aux tolérances. Le contacteur
statique peut ainsi, si nécessaire, transférer la charge à l'entrée AC Bypass
(dérivation) sans coupure (car les deux tensions sont synchronisées et en phase) et
sans perturbation (car l'alimentation de secours est conforme aux tolérances) pour la
charge.
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p. 19
Composants et fonctionnement de l'ASI
• Lorsque l'alimentation de secours n'est pas conforme aux tolérances, l'onduleur se
désynchronise et le transfert est désactivé. Cela peut toutefois être effectué
manuellement.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Composants d'une ASI
Redresseur/chargeur(1)
Transforme le courant alternatif du réseau source en tension et courant continus
utilisés pour :
• alimenter l'onduleur ;
• charger la batterie et apporter la charge flottante.
Onduleur (2)
À partir de l'alimentation en courant continu fourni par :
• le redresseur en fonctionnement normal ;
• la batterie en fonctionnement en autonomie ;
l'onduleur régénère complètement un signal sinusoïdal respectant des tolérances
strictes d'amplitude et de fréquence.
Batterie (3)
Rend l'ASI autonome par rapport à l'alimentation secteur dans les cas suivants :
• panne de secteur ;
• caractéristiques de l'alimentation secteur hors des tolérances de l'ASI.
L'autonomie de la batterie va de 6 à 30 minutes en standard, et peut être étendue
sur demande. Selon l'autonomie, la batterie peut être logée dans la même armoire
que l'ASI ou dans une armoire séparée.
Dérivation statique (4)
Un contacteur statique permet de transférer la charge de l'onduleur à la dérivation
sans coupure de l'alimentation de la charge (l'absence de coupure est possible car le
transfert est effectué de manière électronique plutôt que mécanique). Ce transfert
est possible lorsque les fréquences en amont et en aval de l'ASI sont identiques.
Le transfert se produit automatiquement dans les cas suivants :
• arrêt volontaire de l'ASI ;
• surcharge dépassant la capacité de limitation de l'onduleur (ce transfert peut être
désactivé) ;
• défaillance interne.
Il peut également être effectué manuellement.
* Le transfert sans coupure est possible lorsque la tension à la sortie de l'onduleur et la tension
à l'entrée de la dérivation sont synchronisées. L'onduleur maintient la synchronisation tant que
le réseau secours est conforme aux tolérances.
Dérivation manuelle (5)
Un commutateur manuel permet de transférer la charge au circuit de dérivation pour
les opérations de maintenance. Ce transfert est possible lorsque les fréquences en
amont et en aval de l'ASI sont identiques.
Le passage au mode de dérivation de maintenance s'effectue à l'aide de
commutateurs manuels.
Commutateurs manuels (6, 7, 8)
Ces dispositifs isolent les modules de redresseur/chargeur et d'onduleur et/ou le
circuit de dérivation pour réparation ou maintenance.
Disjoncteur de la batterie (9)
Le disjoncteur de la batterie protège la batterie des décharges excessives, et il
protège le redresseur/chargeur et l'onduleur d'un court-circuit de la batterie.
Transformateur d'isolation en amont (10)
(équipement facultatif)
Permet d'effectuer l'isolation entrée/sortie de l'ASI lorsque l'installation en aval est
alimentée via la dérivation.
Il est particulièrement utile lorsque l'installation de mise à la terre diffère entre
l'amont et l'aval. Peut être installé dans l'armoire de l'ASI dans la gamme MGE
Galaxy PW.
Transformateur adaptateur de tension (11)
(équipement facultatif)
Adapte la tension à la valeur souhaitée.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Filtres (12)
(équipement facultatif)
• En amont du redresseur/chargeur, lorsqu'il s'agit du type à pont de Graëtz à
thyristors (c'est le cas des ASI MGE Galaxy PW et 9000), un filtre à harmoniques
(voir la section « Facteurs clés dans les installations d'ASI », p. 24) réduit les
harmoniques de courant résultant de la commutation des thyristors du redresseur.
Cela réduit la distorsion de la tension sur les barres de bus d'amont causée par la
circulation de courants harmoniques (le niveau requis est généralement inférieur à
5 %). Qui plus est, ces ASI APC by Schneider Electric sont équipées d'un
conducteur neutre surdimensionné installé en standard pour surmonter les
conséquences des harmoniques du troisième rang et de leurs multiples qui circulent
sur le conducteur neutre.
• Toutes les autres ASI des gammes MGE Galaxy et Symmetra sont équipées d'un
redresseur de type CFP qui élimine l'utilisation du filtre (voir le chapitre « Facteurs
clés dans les installations d'ASI », p. 24).
• En aval, les ASI utilisant les nouvelles techniques de hachage à modulation de
largeur d'impulsion (PWM) peuvent être raccordées directement à des charges non
linéaires. Cette technique permet aux ASI APC by Schneider Electric de conserver
un THDU inférieur à 3 %.
Communication intégrée (13) (14)
Une interface homme-machine conviviale est nécessaire pour une surveillance
efficace du fonctionnement de l'ASI. Mais aujourd'hui, il est de plus en plus important
que les ASI communiquent avec leur environnement électrique et informatique
(systèmes de supervision, de gestion des bâtiments et de gestion des ordinateurs,
etc.).
Les ASI APC by Schneider Electric sont conçues avec des dispositifs intégrés pour
une communication totale. Elles comprennent :
• Une interface homme-machine conviviale avec un écran d'affichage de pointe et
un panneau schématique. L'interface est bâtie autour de systèmes
d'autosurveillance et d'autodiagnostic qui indiquent en continu l'état des différents
composants de l'ASI, notamment les batteries.
Par exemple, pour les gammes MGE Galaxy :
- Le système Digibat surveille en continu l'état de la batterie, et comporte toute une
gamme de fonctions de gestion des batteries.
- Le système de surveillance des batteries B2000 ou Cellwatch détecte et localise
immédiatement les défaillances des batteries et propose une surveillance prédictive.
Pour les gammes Symmetra :
- Le système de gestion des batteries APC, montable sur rack (1U), est accessible
via un navigateur Web. Il combine la surveillance et les tests des batteries et des
systèmes de charge rapide pour un fonctionnement optimal de la batterie.
• Un large choix de cartes de communication compatibles avec les normes du
marché :
- carte de gestion réseau (Ethernet) ;
- cartes Modbus et Jbus (RS232 et RS485) ;
- carte relais (contacts secs) pour les indications ;
- carte modem pour entretien à distance.
Ces cartes peuvent être utilisées pour mettre en œuvre les fonctions de supervision,
de notification, d'arrêt contrôlé, et d'entretien à distance.
 Interface homme-machine et communication : voir le chapitre « Facteurs clés
dans les installations d'ASI », p. 49.
Distribution en amont et/ou en aval et protection des dispositifs (15)
(16)
(équipement facultatif)
L'ASI peut comporter les équipements suivants :
• disjoncteurs BT en amont pour l'alimentation CA (Normal et Bypass) ;
• tableau d'alimentation BT avec disjoncteur en amont pour l'alimentation CA
(Normal et Bypass) ;
• tableau d'alimentation BT avec disjoncteur en aval pour les différents circuits de
sortie.
APC by Schneider Electric propose une gamme d'ASI et de dispositifs de protection
parfaitement coordonnés au niveau des puissances nominales et des performances.
Solutions complètes
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p. 22
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
APC by Schneider Electric peut fournir des solutions complètes comprenant tous les
composants indiqués ci-dessus, notamment des solutions de climatisation pour les
centres de données, en association avec Schneider Electric. Les utilisateurs ont un
seul partenaire et bénéficient d'une installation offrant des performances et une
fiabilité optimales.
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p. 23
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Principales caractéristiques
des composants d'une ASI
Ces caractéristiques sont basées sur les principales spécifications techniques
présentées dans les normes IEC 62040-3/EN 62040-3 sur les performances des
ASI.
Certains termes utilisés ici diffèrent du jargon généralement employé, et de
nombreuses nouvelles fonctionnalités n'ont pas encore été adoptées par les
fabricants. Les nouveaux termes ou caractéristiques utilisés par la norme sont
indiqués entre parenthèses et précédés d'un astérisque.
Par exemple, le titre de section « Courant d'entrée pendant la charge flottante des
batteries », un terme fréquemment utilisé, est suivi de (*courant d'entrée nominal), le
terme normalisé.
Notez qu'un certain nombre de valeurs numériques sont indiquées à titre d'exemple.
Elles sont, pour la plupart, tirées des caractéristiques techniques des ASI
correspondantes, indiquées au chapitre 4, ou indiquées simplement à titre
d'exemple.
Courant alternatif d'entrée
Nombre de phases et installation de mise à la terre du système
L'alimentation d'entrée en courant alternatif (réseau source) est 3 phases + neutre.
Les entrées à une phase ne sont pas utilisées pour les niveaux de puissance étudiés
ici.
L'installation de mise à la terre est généralement dictée par la norme applicable (IT,
TT, TNS ou TNC).
Entrée CA Normal
Le courant alternatif d'entrée normal est fourni par le réseau du secteur pour le
redresseur/chargeur, dans les tolérances spécifiées.
• Exemple : 400 V efficace ± 15 % à une fréquence de 50 ou 60 Hz ± 5 %, triphasé.
Entrée AC Bypass (CA dérivation)
Le courant alternatif d'entrée de dérivation est fourni par le réseau secours. Ce
dernier est, en fait, un câble relié au secteur via le TGBT par une autre connexion
que le courant alternatif d'entrée normal.
En règle générale, il offre les mêmes caractéristiques de tension que l'alimentation
principale.
• Exemple : 400 V efficace ± 15 % à une fréquence de 50 ou 60 Hz ± 5 %, triphasé,
et courant de court-circuit Icc2 = 12,5 kA. Le courant de court-circuit est une
information importante pour les dispositifs de protection en aval en cas de
fonctionnement sur dérivation statique ou de maintenance.
L'alimentation de manière séparée des réseaux principal et secours est conseillée,
car elle améliore la stabilité d'ensemble, mais n'est pas obligatoire. Toutefois, si deux
circuits du TGBT ne sont pas disponibles, il est possible que les deux entrées de CA
(Normal et Bypass) soient fournies par le réseau source.
Redresseur/chargeur
Tension flottante
Il s'agit de la tension fournie par le redresseur/chargeur qui maintient la batterie
chargée.
Elle dépend des batteries utilisées et des recommandations du fabricant.
Courant d'entrée pendant la charge flottante des batteries (*courant
d'entrée nominal)
Il s'agit du courant qui est nécessaire, dans les conditions normales d'exploitation,
pour alimenter l'onduleur à sa puissance nominale tout en effectuant la charge
flottante de la batterie.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy PW à 100 kVA avec une autonomie sur
batterie de 10 minutes, ce courant est de : I entrée charge = 166 A pendant la charge
flottante de la batterie.
Courant d'entrée pendant la charge des batteries
Il s'agit du courant qui est nécessaire pour alimenter l'onduleur à sa puissance
nominale tout en effectuant la charge de la batterie. Cette valeur est plus élevée que
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p. 24
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
le courant précédent, et est utilisée pour dimensionner les câbles d'entrée du
chargeur.
 Exemple : pour la même ASI que ci-dessus, le courant d'entrée est de I entrée
charge = 182 A, soit une valeur plus élevée que ci-dessus car il faut charger la
batterie.
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p. 25
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Courant d'entrée maximal
Il s'agit du courant d'entrée de l'ASI dans les conditions limites de surcharge
autorisée avec la batterie déchargée. Il est supérieur au courant d'entrée pendant la
charge des batteries (en raison du courant de surcharge), mais limité dans le temps
(comme la surcharge).
 Exemple : l'ASI utilisée ci-dessus, le MGE Galaxy PW, peut accepter une
surcharge de 25 % pendant dix minutes et une surcharge de 50 % pendant une
minute. En conditions limites, avec la batterie en charge, le courant d'entrée peut
atteindre :
I entrée max. = 182 A x 1,25 = 227,5 A pendant dix minutes
I entrée max. = 182 A x 1,5 = 273 A pendant une minute
Au-delà des limites ci-dessus, l'ASI déclenche un transfert sans coupure de la
charge vers la ligne de dérivation, et effectue automatiquement le transfert inverse à
la fin de la surcharge ou lorsqu'elle a été rectifiée par les dispositifs de protection
appropriés.
Batterie (* mode de stockage de l'énergie)
Type
Une batterie est caractérisée par son type (plomb-acide ouvert ou étanche, nickelcadmium) et son mode d'installation. APC by Schneider Electric propose des
batteries plomb-acide étanches montées en armoire.
Durée de vie
La durée de vie de la batterie est la période de fonctionnement, dans des conditions
normales d'exploitation, pendant laquelle la batterie fournit au moins 50 % de la
durée d'autonomie initiale.
 Par exemple, l'ASI MGE Galaxy PW est fournie en standard avec des batteries
plomb-acide étanches ayant une durée de vie de dix ans ou plus. Ce type de
batterie, qui offre une autonomie nominale de 30 minutes, ne fournit plus que
15 minutes d'autonomie à la fin de sa durée de vie spécifique.
Elle peut fournir davantage si elle a été utilisée dans des conditions optimales
(notamment de température). Toutefois, la garantie contractuelle assure qu'elle ne
fournit pas moins, sauf utilisation incorrecte.
Modes de fonctionnement
Plusieurs états sont possibles :
• En cours de chargement : elle appelle un courant de charge (I1 charge) fourni
par le redresseur/chargeur.
• Charge flottante en cours : la batterie appelle un courant faible, dit flottant (I1
flottant), fourni par le redresseur/chargeur, qui entretient sa charge en compensant
les pertes de circuit ouvert.
• En cours de déchargement : la batterie alimente l'onduleur jusqu'à ce qu'elle
atteigne sa tension d'arrêt.
Lorsque cette tension, établie par le fabricant de la batterie, est atteinte, la batterie
est automatiquement déconnectée (ASI APC by Schneider Electric) afin d'éviter les
dégâts d'une décharge complète.
Tension nominale
Il s'agit de la tension de sortie en courant continu fournie par la batterie à l'onduleur.
 Exemple : 450 V CC pour la gamme MGE Galaxy.
Capacité
La capacité de la batterie est exprimée en ampères par heure.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy PW à 100 kVA équipée d'une batterie
offrant dix minutes d'autonomie et une durée de vie de cinq ans, la capacité est de
85 A/h.
Nombre de cellules
Nombre de cellules d'accumulateur constituant la batterie.
 Exemple : la batterie d'une ASI MGE Galaxy PW à 100 kVA comporte, pour un
type de batterie donné, 33 cellules fournissant 13,6 V chacune, pour une autonomie
de dix minutes.
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p. 26
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Tension flottante
Il s'agit de la tension fournie par le redresseur/chargeur pour maintenir la batterie
chargée.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy PW, la tension flottante est comprise entre
423 et 463 V CC.
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p. 27
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Autonomie (* durée d'énergie stockée)
Il s'agit de la durée pendant laquelle, au début de la durée de vie de la batterie, la
batterie peut alimenter l'onduleur fonctionnant à sa puissance nominale en l'absence
d'alimentation par courant alternatif en entrée.
 Exemple : une ASI MGE Galaxy PW offre des autonomies standard de 8, 10, 15,
20, 30 et 60 minutes.
Cette durée dépend du pourcentage de charge de l'ASI.
• Pour une ASI fonctionnant à pleine charge (100 % de la puissance nominale), la
fin de l'autonomie de la batterie est atteinte lorsque la tension de la batterie atteint la
tension d'arrêt définie par le fabricant. Cela provoque l'arrêt automatique des ASI
APC by Schneider Electric.
• Pour une ASI fonctionnant avec un pourcentage de charge inférieur (75 %, par
exemple), l'autonomie effective peut être plus longue. Toutefois, elle finit toujours
lorsque la tension d'arrêt de la batterie est atteinte.
Durée de recharge (* durée nominale de restauration de l'énergie)
Temps nécessaire pour que la batterie récupère 80 % de son autonomie (90 % de
sa capacité) en partant de la tension d'arrêt. L'alimentation est fournie par le
redresseur/chargeur.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy 5500, le temps de recharge est de huit à dix
heures, selon la batterie et l'autonomie. Notez qu'il est peu probable qu'il soit fait
appel à l'alimentation par batterie à deux reprises sur une période aussi courte. La
durée de recharge est donc représentative des performances effectives.
Courant de batterie maximum (Ib)
Lorsqu'elle se décharge, la batterie alimente l'onduleur avec un courant Ib qui atteint
sa valeur maximale à la fin de la décharge. Cette valeur détermine les dimensions
de la protection de la batterie et du câble.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy 5500 à 100 kVA, ce courant est de : Ib max
= 257 A.
Onduleur
Puissance nominale (Sn)
(* puissance apparente de sortie nominale)
Il s'agit de la puissance apparente maximale Sn (en kVA) que peut fournir l'onduleur
à une charge linéaire avec un facteur de puissance de 0,8 en fonctionnement normal
et avec un régime stable.
Les normes définissent également ce paramètre pour le fonctionnement sur batterie.
Théoriquement, si le dimensionnement de la batterie est correct, la valeur est la
même.
 Exemple : une ASI MGE Galaxy 5500 avec une puissance nominale (Sn) de
100 kVA.
Puissance de sortie active (Pa)
(* puissance active de sortie nominale pour charge linéaire ou charge
non linéaire de référence)
Il s'agit de la puissance active (en kW) correspondant à la puissance apparente de
sortie Sn (en kVA), mesurée dans les conditions mentionnées plus haut. Cette valeur
peut également être indiquée pour une charge non linéaire standardisée.
 Exemple : l'ASI indiquée précédemment, une MGE Galaxy 5500 avec une
puissance nominale de 100 kVA fournit une puissance active de Pa = Sn x 0,8 =
80 kW.
Courant nominal (In)
Courant correspondant à la puissance nominale.
 Exemple : toujours pour une ASI MGE Galaxy 5500 à 100 kVA avec une tension
de sortie de 400 V, ce courant est de :
Sn
100000
In =
,
Un 3 = 400 x 1732
= 144,3 A
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Puissance de charge apparente (Su) et pourcentage de charge
Il s'agit de la puissance apparente Sn (en kVA) effectivement fournie par l'onduleur à
la charge dans les conditions de fonctionnement choisies.
Cette valeur est une fraction de la puissance nominale et dépend du pourcentage de
charge.
.Su ≤ Sn. et .Tc = pourcentage de charge (%) = Su/Sn..
 Exemple : pour l'ASI mentionnée plus haut, si l'onduleur fournit 3/4 de sa
puissance nominale (charge de 75 %), elle fournit une puissance apparente de
75 kVA, ce qui, dans des conditions d'exploitation standard (FP = 0,8), correspond à
une puissance de charge de
Pa = Su x PF = 75 x 0,8 = 60 kW.
Courant de charge (Iu)
Il s'agit du courant correspondant à la puissance de charge, c'est-à-dire au
pourcentage de charge en question. Il est calculé à partir de la valeur Pu du courant
nominal, la tension étant la tension nominale Un (valeur régulée par l'onduleur).
 Exemple : pour l'ASI mentionnée ci-dessus, avec 75 % de charge
Su
75000
Iu =
,
Un 3 = 400 x 1732
= 108,2 A
ce qui équivaut à :
.Iu = In x Tc. = 144,3 x 0,75 = 108,2 A
Rendement (η)
Il s'agit du rapport entre la puissance active Pu (en kW) fournie par l'ASI et la
puissance Pin (en kW) appelée en entrée soit par le redresseur, soit par la batterie.
.η = Pu/Pin.
Pour la plupart des ASI, le rendement est optimal avec un fonctionnement à pleine
charge, et baisse fortement pour les pourcentages de charge faibles. En raison de
leur faible impédance en sortie et des pertes en l'absence de charge, les ASI APC
by Schneider Electric présentent un rendement pratiquement constant entre 25 et
100 % de charge. La gamme MGE Galaxy offre un rendement supérieur à 90 % à
partir de 25 % de charge, jusqu'à 93 % à pleine charge nominale, et un mode ECO
qui augmente le rendement de 4 %, soit jusqu'à 97 %.
Dans les faits, pour les ASI MGE Galaxy, on peut utiliser une valeur de rendement
de 0,93 % pour tous les calculs de puissance d'entrée de 30 à 100 %.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy à 100 kVA à 75 % de charge, le rendement
de 0,93 correspond à une puissance d'entrée active de
Pin = Pu/η = 60/0,93 = 64,5 kW.
Tension de sortie Un
Nombre de phases
La sortie peut être triphasée (ASI 3ph-3ph) ou monophasée (ASI 3ph-1ph), selon les
cas. Notez que l'installation de mise à la terre peut différer entre l'amont et l'aval.
Tension nominale de sortie
En règle générale, elle est identique à celle du courant alternatif d'entrée. Toutefois,
il est possible d'installer un transformateur adaptateur de tension.
Caractéristiques statiques
Il s'agit des tolérances (variations maximales autorisées) d'amplitude et de fréquence
de la tension de sortie en régime stable. Plus strictes que celles qui s'appliquent au
secteur, elles sont mesurées pour le fonctionnement normal sur secteur et pour le
fonctionnement en autonomie sur batterie.
• Variation de tension de sortie
La tolérance d'amplitude est exprimée sous forme d'un pourcentage de la valeur
nominale efficace et peut être modifiée.
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy, la tension de 400 V efficace ± 1 % peut être
modifiée de ± 3 %.
Les normes mentionnent également une tension nominale de sortie de pic et la
tolérance par rapport à la valeur nominale.
• Variation de fréquence de sortie
La tolérance est exprimée sous forme d'un pourcentage de la fréquence nominale.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
 Exemple : pour une ASI MGE Galaxy, 50 ou 60 Hz ± 0,1 % en fonctionnement
normal et ± 0,5 % en autonomie.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Synchronisation de la fréquence avec la source réseau
L'onduleur fournit une tension de sortie correspondant aux tolérances ci-dessus,
quelles que soient les perturbations affectant la puissance en amont.
Pour ce faire :
• L'ASI surveille les paramètres de tension (amplitude, fréquence, phase) de la
source d'alimentation principale afin de déterminer s'ils respectent les tolérances
spécifiées.
• L'ASI réagit en cas de dérive des paramètres.
- Elle ajuste l'onduleur (phase et fréquence) au réseau secours, tant que la dérive
reste dans les limites des tolérances, afin de pouvoir effectuer un transfert si
nécessaire.
Elle transfère l'alimentation de la charge à la batterie dès que la dérive sort des
tolérances.
Les nouvelles technologies IGBT (transistors bipolaires à grille inversée) et hachage
PWM (modulation de largeur d'impulsion) utilisées dans les ASI APC by Schneider
Electric offrent une excellente adaptation à ces variations.
 Exemple : pour les ASI MGE Galaxy, la variation maximale de fréquence
correspondant à la tolérance est de 50 Hz x 0,5 % = 0,25 Hz.
La synchronisation de fréquence avec l'alimentation AC Bypass (CA dérivation) est
possible de 0,25 à 2 Hz, par incréments de 0,25 Hz. Dans les faits, cela signifie que
les variations de fréquence peuvent être surveillées à dF/dt = 0,25 Hz/s et
l'ajustement effectué dans un délai de 0,25 à 1 seconde.
Caractéristiques dynamiques
Il s'agit des tolérances dans les états transitoires.
Les ASI MGE Galaxy sont capables de résister aux états suivants.
• Déséquilibre de charge
Pour un déséquilibre de la tension de charge (phase-à-neutre ou phase-à-phase)
de :
- 30 %, la variation de tension de sortie est inférieure à 0,1 %.
- 100 % (une phase à Pn et les autres à 0), la tension de sortie varie de 0,2% au
maximum.
• Changements de charge soudains (transitoires de tension)
Pour les changements de charge allant de 0 à 100 % ou de 100 à 0 % de la charge
nominale, la tension varie au maximum de :
± 2 % sur secteur.
+ 2 % à - 4 % sur batterie.
Capacité en cas de surcharge et de court-circuit
• Surcharges
- 1,1 In pendant 2 heures
- 1,5 In pendant 1 minute
Sans modification des tolérances de sortie.
• Courts-circuits
Au-delà de 1,65 In, les onduleurs MGE Galaxy fonctionnent en mode de limitation du
courant jusqu'à 2,33 In pendant 1 seconde, soit :
I max. pic = √2 x 1,65 In = 2,33 In.
Au-delà de cette valeur, l'onduleur transfère la charge à l'alimentation Bypass
(dérivation) ou effectue un arrêt statique (fonction autoprotection).
Distorsion totale de la tension de sortie
Les ASI doivent assurer des performances garanties pour tous les types de charge,
notamment les charges non linéaires.
 Exemple : les ASI MGE Galaxy limitent la distorsion harmonique totale de tension
(THDU) de la puissance de sortie aux niveaux suivants :
• Pour les charges linéaires à 100 % :
- THDU ph/ph < 1,5 %
- THDU ph/N < 2 %
• Pour les charges non linéaires à 100 % :
- THDU ph/ph < 2 %
- THDU ph/N < 3 %
Les ASI MGE Galaxy fonctionnent conformément aux caractéristiques spécifiées
pour tous les types de charge.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Remarque générale : la norme définit certains des niveaux de performance
mentionnés auparavant pour la puissance de sortie en fonctionnement normal et en
autonomie. En général, ces valeurs sont identiques.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Schéma récapitulatif des
principales caractéristiques
Fig. 5.7. Schéma représentant les principales caractéristiques (voir la liste ci-dessous)
Entrée CA Normal
● Tension Un + 10 % à - 15 %
● Fréquence f + 4 % à - 6 %
Entrée AC Bypass (CA dérivation)
● Tension Un + 10 % à - 15 %
● Fréquence f + 4 % à - 6 %
● Courant de court-circuit Icc2 (capacité de résistance de la dérivation statique)
Redresseur/chargeur
● Tension flottante
● Courants d'entrée
- nominal (charge flottante de la batterie)
- maximum (charge complète de la batterie)
Batterie
● Autonomie : standard 5, 6, 8, 10, 15, 20, 30, 60 minutes, durées plus longues sur
demande)
● Durée de vie : 10 ans ou plus
● Courant maximum Ib max.
Onduleur
● Puissance apparente de sortie :
- nominale : Sn (en kVA)
- puissance de charge : Su (en kVA) = Sn x Tc%
● Pourcentage de charge de l'ASI Tc% = Su/Sn
● Puissance de sortie active :
- nominale : Pn (kW) = Sn (kVA) x 0,8
- puissance de charge : Pu (kW) = Su (kVA) x PF = Sn x Tc% x PF = Un Iu PF
● Rendement : η Pu/Pn = 93 % (97 % en mode ECO).
● Caractéristiques statiques (tolérances de tension de sortie en régime stable)
- Amplitude : Un ± 1 % réglable à ± 3 %
- Fréquence : f ± 1 % en fonctionnement normal, f ± 0,5 % en autonomie
- Tension de sortie de l'onduleur synchronisée (fréquence et phase) avec celle de la
ligne de dérivation tant que cette dernière est conforme aux tolérances
● Caractéristiques dynamiques (tolérances en état transitoire)
- Variations maximales de tension et de fréquence pour les changements soudains
de 0 % à 100 % ou de 100 % à 0 % : Un ± 2 %, f ± 0,5 %
● Distorsion de tension de sortie
- Charges non linéaires à 100 %, THDU < 2 %
● Capacité en cas de surcharge et de court-circuit :
- Surcharges : 1,5 In pendant 1 minute
- Courts-circuits : limitation du courant à 2,33 In pendant 1 seconde
Charge
● Courant de charge (Iu)
● Facteur de puissance (FP)
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Modes de fonctionnement de
l'ASI
Mode Normal (alimentation secteur, voir fig. 5.8 sur la gauche)
L'ASI appelle le courant alternatif du secteur pour fonctionner. Le
redresseur/chargeur le transforme pour fournir du courant continu.
Une partie de l'alimentation secteur appelée est utilisée pour effectuer la charge
flottante ou non de la batterie :
• I1 flottante si la batterie est complètement chargée.
• I1 charge si la batterie n'est pas complètement chargée (recharge après une
décharge récente).
Le courant restant est transmis à l'onduleur, qui génère une tension de sortie dont la
sinusoïde correspond aux tolérances d'amplitude et de fréquence spécifiées.
Mode Autonome (alimentation par batterie, voir fig. 5.8 sur la droite)
La batterie intervient pour remplacer l'alimentation principale et fournir la puissance
requise par l'onduleur pour alimenter la charge, avec les mêmes tolérances qu'en
mode normal.
Cela se produit par transfert immédiat (la batterie est connectée en parallèle) dans
les cas suivants :
• Défaillance du réseau CA Normal (panne de secteur)
• Caractéristiques du réseau CA Normal hors des tolérances (dégradation de la
tension du secteur).
Mode normal
Fig. 5.8.Mode normal et mode autonomie
Mode autonomie
Mode Bypass (dérivation sur la ligne de dérivation statique, voir fig. 5.9
sur la gauche)
Un contacteur statique assure un transfert sans coupure de la charge au réseau AC
Bypass (CA dérivation) afin d'alimenter directement la charge par le réseau secours.
Le transfert est automatique dans les cas suivants :
• surcharge en aval de l'ASI dépassant sa capacité de surcharge ;
• défaillance interne dans les modules redresseur/chargeur et onduleur.
Un transfert se produit toujours en cas de défaillance interne, mais il n'est sinon
possible que si le réseau secours respecte les tolérances et est en phase avec
l'onduleur.
Pour cela :
• L'ASI synchronise la tension de sortie de l'onduleur avec celle de la ligne de
dérivation tant que cette dernière est conforme aux tolérances. Le transfert est alors
possible :
- Sans coupure de l'alimentation. Comme les tensions sont en phase, les thyristors
des deux canaux du contacteur statique ont une tension nulle au même instant.
- Sans perturber la charge. La charge est transférée sans coupure vers une ligne de
dérivation respectant les tolérances.
• Lorsque l'alimentation de secours n'est pas conforme aux tolérances, l'onduleur se
désynchronise et fonctionne en mode autonome avec sa propre fréquence. Le
transfert est désactivé.
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p. 35
Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Il peut toutefois être effectué manuellement.
Remarque 1 : cette fonction augmente fortement la fiabilité car la probabilité d'une
surcharge en aval se produisant en même temps qu'une panne du réseau secours
est très faible.
Remarque 2 : pour assurer un fonctionnement correct de la ligne de dérivation, il faut
assurer la distinction entre le dispositif de protection en amont de l'entrée réseau
Bypass (sur le départ du TGBT) et les dispositifs sur les circuits sortants de l'ASI
(voir les informations sur la distinction ci-dessous).
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Mode maintenance (sur dérivation de maintenance, voir fig. 5.9 sur la
droite)
Il est possible d'effectuer des travaux de maintenance sans interrompre le
fonctionnement de la charge. La charge est alimentée par le réseau secours via la
dérivation de maintenance. Le transfert vers la dérivation de maintenance est
effectué à l'aide de commutateurs manuels.
Le redresseur/chargeur, l'onduleur et le contacteur statique sont arrêtés et isolés des
sources d'alimentation. La batterie est isolée par son disjoncteur de protection.
Mode Bypass (dérivation statique)
Mode maintenance (dérivation de
maintenance)
Fig. 5.9. Mode Bypass et mode maintenance
Configurations d'ASI
ASI en parallèle avec redondance
Le chapitre 2 est entièrement dédié à une présentation des différentes
configurations. Vous trouverez ci-dessous des informations supplémentaires sur les
connexions parallèles pour redondance.
TM
TM
Cela concerne particulièrement les ASI MGE Galaxy . Les ASI modulaires
TM
Symmetra utilisent également la connexion parallèle.
 Configurations, voir « Choix d'une configuration d'ASI »
Types de configuration en parallèle
Il existe deux types de configuration en parallèle.
• Unités ASI intégrées en parallèle
Cette configuration évolutive peut commencer avec une seule unité ASI avec une
dérivation statique intégrée et une dérivation de maintenance manuelle. Pour les
configurations avec plus de deux unités ASI, une dérivation de maintenance
commune est placée dans une armoire externe (voir fig. 5.10).
• Unités ASI en parallèle avec SSC (armoire de commutateur statique)
L'armoire de commutateur statique comporte une dérivation automatique et une
dérivation de maintenance utilisées en commun par plusieurs unités ASI n'ayant pas
de dérivation (voir fig. 5.11).
Cette configuration, moins évolutive que la précédente en raison de la capacité
nominale de la dérivation, offre plus de fiabilité (le SSC et les unités ASI sont
indépendants).
• ASI modulaires
TM
Les ASI de la gamme Symmetra sont composées de modules redondants
spécialisés (alimentation, composants intelligents, batterie et dérivation).
La conception modulaire avec modules d'alimentations connectables rend
l'installation plus fiable, plus facile à entretenir, plus disponible et plus évolutive.
Redondance
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
La redondance dans les configurations parallèles peut être de N+1, N+2, etc.
Cela signifie que seulement N unités ASI sont nécessaires pour fournir la charge,
mais N+1 unités, N+2 ou plus sont installées et toutes partagent la charge.
Voir l'exemple ci-dessous :
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Exemple
• Imaginons une charge critique d'une puissance nominale de 100 kVA.
• Redondance 2+1
- Si la redondance est perdue, la charge doit pouvoir être alimentée par deux unités.
- Chaque unité doit donc avoir une puissance nominale de 50 kVA.
- Les trois unités partagent normalement la charge de 100 kVA, chacune fournissant
33,3 kVA.
- Les trois unités fonctionnent normalement à un pourcentage de leur charge
nominale : 33,3/50 = 66,6 %.
- Chacune des unités ASI intégrées en parallèle est équipée d'une dérivation
statique. Le transfert est géré de sorte que les trois unités puissent toutes basculer
simultanément vers la dérivation si nécessaire.
Fig. 5.10. Unités ASI en parallèle intégrées avec dérivation de maintenance commune et
redondance 2+1. Fonctionnement avec toutes les unités en service (redondance disponible).
• Perte de redondance
- Une unité ASI s'arrête, les deux autres fonctionnent à 100 %.
- L'unité défaillante peut être réparée grâce à la dérivation de maintenance.
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Composants et fonctionnement de l'ASI
(suite)
Fig. 5.11. Unités ASI en parallèle intégrées avec dérivation de maintenance commune et
redondance 2+1. Fonctionnement après perte de redondance.
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Technologie : ASI sans transformateur
Technologie ASI sans
transformateur
Principe
À l'origine, toutes les ASI comportaient un transformateur de sortie qui permettait
d'ajuster la tension de sortie à la valeur souhaitée, de recréer un pôle neutre et
d'assurer l'isolation galvanique entre les systèmes de réseau en amont et en aval
(fig. 5.12).
Aujourd'hui, l'avancée technologique et la baisse du coût des transistors IGBT
permet de se passer de ce transformateur (fig. 5.13).
Bypass
AC input
Normal
AC input
UPS
Q1
Q4S
Rectifier
charger
Battery
Static
bypass
Q1
Q4S
Rectifier
charger
Battery
QF1
Bypass
AC input
Normal
AC input
UPS
QF1
Static
bypass
Manual
bypass Q3BP
Manual
bypass Q3BP
Inverter
Inverter
K3N
K3N
Q5N
Q5N
Loads
Loads
Fig. 5.12. ASI avec transformateur de sortie
Fig. 5.13. ASI sans transformateur
Avantages
Cette technologie offre aux utilisateurs de nombreux avantages essentiels.
● Moins encombrant : en l'absence de transformateur, l'unité occupe moins de place
● Moins lourd : l'élimination du transformateur réduit le poids total
● Meilleur rendement : les pertes du transformateur sont éliminées
● Régulation de la tension par modulation du signal pour mieux adapter la tension à
la charge. Ces composants électroniques agissent directement sur la tension de
sortie pour offrir une régulation de la tension plus rapide et plus précise.
La tendance
L'utilisation d'ASI sans transformateurs a commencé au début des années 1990 pour
les puissances nominales allant jusqu'à quelques centaines de kVA. En raison de
leurs nombreux avantages, ils sont maintenant très utilisés jusqu'aux puissances
élevées, comme l'indique la figure 5.14. La puissance nominale moyenne des ASI
sans transformateurs a augmenté d'un facteur de 50 au cours des 15 dernières
années.
P(kVA)
500
400
300
200
100
5
1990
years
1995
2000
2005
2010
Fig. 5.14. Puissance nominale moyenne des ASI sans transformateur
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Technologie : ASI sans transformateur
Isolation galvanique
L'une des raisons de l'utilisation de transformateurs en sortie est l'isolation
galvanique qu'ils fournissent.
Toutefois, les ASI triphasées au-dessus d'une certaine puissance nominale sont
dotées d'une dérivation permettant d'assurer la continuité de l'alimentation. Cette
dérivation signifie qu'une ASI, avec ou sans transformateur de sortie, ne peut pas
garantir l'isolation galvanique entre la source et les charges. C'est pourquoi la
technologie sans transformateur est de plus en plus adoptée pour les ASI à
puissance nominale élevée.
Cet aspect est étudié ci-dessous en comparant l'utilisation des deux technologies en
fonction de l'installation de mise à la terre.
Utilisation avec des
charges informatiques
Informations sur les installations de mise à la terre du
réseau
Les installations de mise à la terre incluent :
● la mise à la terre du point neutre du système de distribution ;
● la mise à la terre de la masse des charges.
Les masses sont toujours interconnectées, soit toutes ensemble, soit par groupes.
Chaque groupe interconnecté est connecté à une borne de mise à la terre par un
conducteur de protection (PE ou PEN selon qu'il est ou non combiné au conducteur
neutre).
(1)
La norme CEI 60364 utilise deux lettres pour identifier les différentes installations
de mise à la terre.
● La première lettre décrit la mise à la terre du point neutre du transformateur :
- T : mis à la terre
- I : non relié à la terre
● La deuxième lettre décrit la mise à la terre des masses de la charge :
- T : mis à la terre
- N : connecté au neutre, lui-même relié à la terre
Dans ce cas (N), une troisième lettre indique la relation entre les conducteurs neutre
(N) et de protection (PE) :
- C : un seul conducteur utilisé pour les deux fonctions
- S : des conducteurs séparés
(1) Remplacé par le document Guide de charge pour transformateurs immergés dans l'huile
CEI 60076-7 1ère éd.
La norme définit les systèmes suivants :
● IT : neutre isolé
● TT : neutre à la terre
● TN-C : conducteur de mise à la terre de protection et conducteur neutre (PEN)
combinés
● TN-S : conducteur neutre relié à la terre (N) et conducteur de mise à la terre de
protection (PE) séparés.
Installation de mise à la terre pour les salles informatiques
Utilisation systématique du système TN-S
Le système TN-S est l'installation de mise à la terre recommandée par les fabricants
et les normes pour les systèmes informatiques. En effet, il permet la distribution en
monophasé tout en assurant un potentiel de référence pour les masses grâce au
conducteur de protection.
L1
L2
L3
N
PE
ECPs
3-ph loads
ECPs
Phases : L1, L2, L3
Neutre : N
Conducteur de protection : PE
Pôle de disjoncteur : x
N et PE séparés
ph-N loads
Fig. 5.15. Système TN-S pour les salles informatiques
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Technologie : ASI sans transformateur
Les systèmes IT et TT ne conviennent pas aux systèmes informatiques
● Le système IT nécessite un personnel d'exploitation compétent et une surveillance
sophistiquée de l'isolation afin de localiser et de supprimer les défauts d'isolation
avant qu'un second défaut avec un courant de déclenchement élevé ne puisse
provoquer des perturbations.
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p. 43
Technologie : ASI sans transformateur
● Le système TT est trop sensible aux surtensions causées par la foudre pour une
utilisation avec des systèmes informatiques sensibles.
● Le système TN-C(1) (conducteurs neutre à la terre et PE combinés) n'offre pas de
potentiel de référence fiable comme le système TN-S.
Les charges monophasées, fréquentes dans les systèmes informatiques, causent
des harmoniques H3 et leurs multiples (H6, H9, etc.) sur le neutre. Les harmoniques
circulent alors sur le conducteur PEN, où elles peuvent causer :
- La perte de l'équipotentialité du PEN, qui se répand au travers du blindage et peut
affecter le fonctionnement des systèmes informatiques.
- Un fort déséquilibre des courants dans les chemins de câbles et dans la structure
des bâtiments en raison des fréquentes connexions de PEN à la terre. Les
rayonnements électromagnétiques dans les chemins de câbles peuvent perturber les
équipements sensibles.
(1)
Le système TN-C peut être utilisé en amont d'un système TN-S, mais l'inverse n'est pas
autorisé, car il peut causer l'interruption en amont du conducteur de protection, ce qui crée un
risque de sécurité pour les personnes en aval.
Recommandations des fabricants d'ordinateurs : recréer un réseau
avec un neutre à la terre à l'entrée de la salle informatique
Les fabricants d'ordinateurs conseillent de créer un système TN-S avec neutre à la
terre aussi près que possible des charges. Il est généralement situé à l'entrée de la
salle informatique.
L'utilisation du système TN-S sans cette mesure, c'est-à-dire avec le neutre à la terre
placé loin en amont, peut créer des différences de potentiel entre la terre et le neutre
en raison de la distribution en amont.
 En conclusion, il est conseillé de créer un système TN-S à l'entrée de la salle
informatique avec le neutre mis à la terre à cet endroit pour assurer une distribution
électrique propre et adéquate aux systèmes informatiques.
Cela est généralement réalisé en utilisant des unités de distribution de l'alimentation
qui incluent un transformateur en entrée, ce qui permet d'obtenir un potentiel de
référence neutre fiable et d'assurer l'isolation galvanique dans tous les modes de
fonctionnement de l'ASI (fonctionnement normal ou dérivation).
En outre, cette solution utilise des transformateurs standard qui offrent une fiabilité
très élevée, dépassant celle des transformateurs en sortie d'ASI. La solution utilisant
un transformateur en entrée est largement utilisée aux États-Unis, où un système
triphasé à 480 V arrive à la salle informatique pour alimenter un transformateur
480 V/208 V (fig. 5.16).
UPS A
UPS B
.
.
PDU A
x
Isolating
transformers
used to recreate
a TN-S system
with neutral
PDU A
x
x
x
Blade server
Fig. 5.16. Exemple de transformateurs utilisés à l'entrée d'unités de distribution de
l'alimentation pour créer un système de distribution TN-S avec un neutre
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Technologie : ASI sans transformateur
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Technologie : ASI sans transformateur
Comparaison de
diverses installations
de mise à la terre en
amont
Système IT ou TT en amont
Dans ce cas, l'installation de mise à la terre doit être TN-S en aval de l'ASI. Comme
le neutre ne peut pas avoir deux références à la terre distinctes, l'isolation
galvanique est requise pour tous les modes de fonctionnement de l'ASI (normal ou
dérivation).
● Pour les ASI avec transformateur en sortie, un transformateur est généralement
ajouté à l'entrée de la dérivation (voir fig. 5.17).
Cette solution a deux inconvénients :
- Des dispositifs de protection à 4 pôles doivent être utilisés pour connecter et
interrompre le neutre sur la dérivation.
- La distance D2 entre la sortie neutre de l'ASI et les charges peut affecter le
potentiel du neutre car les transformateurs d'isolation ne sont pas situés près des
charges.
● Les ASI sans transformateur APC by Schneider Electric peuvent fonctionner en
triphasé sans neutre. Cela permet l'utilisation d'un système de distribution à
3 phases et 3 câbles jusqu'à l'unité de distribution de l'alimentation ou à son
équivalent et recrée le système TN-S aussi près que possible de l'application (voir le
côté droit de la fig. 5.17). Cette disposition garantit un potentiel de référence
« propre » pour le PE.
 Outre ses avantages en termes de rendement, d'encombrement, de poids et
d'adaptation de la tension, la technologie sans transformateur est simple et
économique.
Solution avec transformateur de sortie
IT ou TT en amont - TN-S en aval
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Solution sans transformateur
IT ou TT en amont - TN-S en aval
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p. 46
Technologie : ASI sans transformateur
IT
IT
TT
TT
LVMS
LVMS
L1
L2
L3
N
L1
L2
L3
N
PE
PE
Normal AC
input
Bypass
transformer
Normal AC
input
UPS
Bypass AC
input
Q1
Bypass AC
input
UPS
Q4S
Rectifier
charger
D1
Q1
Battery
QF1
Static
bypass
Q4S
Rectifier
charger
Q3BP
Inverter
Battery
Q3BP
QF1
Static
bypass
K3N
Inverter
Output
transformer
Q5N
K3N
Fixed and clean
reference for
Neutral
Q5N
Earthing
terminal
PE
LVS
D2
PE
L1
L2
L3
N
Power Distribution Unit
transformer
LVS
L1
L2
L3
N
Fig. 5.17. IT ou TT en amont et TN-S en aval
APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 47
Technologie : ASI sans transformateur (suite)
Système TN-C ou TN-S en amont
Ces deux situations peuvent être traitées de la même manière. Avec un système TNC en amont, il est possible de séparer le neutre et le PE en amont de l'ASI (en
séparant les fils) et de créer une disposition avec TN-S en amont et en aval. Dans
les schémas ci-dessous, le TN-C en amont simplifie la distribution. La figure 5.18
illustre la seule situation avec un TN-C en amont.
Pour fournir un potentiel de référence, il est nécessaire de créer un système de
distribution « propre » en installant un transformateur à l'entrée de la salle
informatique (en général, en utilisant une unité de distribution de l'alimentation ou un
équivalent). Plus la distance D1 entre le transformateur en amont et la sortie de l'ASI
est élevée, plus cette solution est nécessaire, car le potentiel du neutre peut être
affecté par la distribution en amont.
 Dans ce cas, les solutions utilisant des ASI avec ou sans transformateur sont
identiques, mais la technologie sans transformateur offre des avantages en termes
de rendement, d'encombrement, de poids et de précision de la régulation de la
tension.
Solution avec transformateur de sortie
TN-C en amont et TN-S en aval
Solution sans transformateur
TN-C en amont et TN-S en aval
LVMS
LVMS
L1
L2
L3
N
L1
L2
L3
N
Normal AC
input
UPS
D1
UPS
Q1
Q4S
Rectifier/
charger
Battery
QF1
Normal AC
input
Bypass AC
input
D1
Bypass AC
input
Q1
Q4S
Rectifier/
charger
Battery
Static
bypass
QF1
Q3BP
Static
bypass
Q3BP
Inverter
Inverter
K3N
K3N
Q5N
Q5N
Fixed and clean
reference for
Neutral
PE
Fixed and clean
reference for
Neutral
Power Distribution Unit
transformer
LVS
PE
L1
L2
L3
N
Power Distribution Unit
transformer
LVS
L1
L2
L3
N
Fig. 5.18. TN en amont et en aval
APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 48
Technologie : ASI sans transformateur (suite)
Résultats de la comparaison
Solutions avec transformateur de sortie
● Le transformateur à la sortie de l'ASI est d'un type spécifique, plus cher, et occupe
plus d'espace.
● Il est nécessaire d'ajouter un transformateur à l'entrée de la dérivation, et donc
d'installer des dispositifs quadripolaires et un câble neutre. Sinon, il faut installer un
transformateur en sortie.
● Le transformateur ajouté n'est pas situé aussi près que possible des charges.
Solutions sans transformateur
● Les contraintes causées par le transformateur en sortie de l'ASI sont évitées.
● Un transformateur est installé à l'entrée de la salle informatique, généralement
dans une unité de distribution de l'alimentation. Pas besoin de dispositifs
quadripolaires sur la dérivation ni de distribution en amont pour le neutre.
Il est toujours nécessaire d'ajouter un transformateur, mais il y a des avantages :
● Coût de l'ASI réduit (pas de transformateur de sortie spécifique, pas de dispositifs
quadripolaires ni de neutre sur la ligne de dérivation)
● Encombrement et poids moindres
● Meilleure régulation de la sortie pour les fluctuations de charge rapides
 En raison de ses nombreux avantages, la technologie sans transformateur
devient rapidement la solution préférée lors du choix d'une ASI.
APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 49
Compatibilité électromagnétique (CEM)
Perturbations
électromagnétiques
Perturbations électromagnétiques
Toutes les perturbations incluent trois éléments.
Une source
La source peut être naturelle (atmosphère, terre, soleil, etc.) ou, le plus souvent,
industrielle (dispositifs électriques et électroniques).
La source génère des perturbations par des variations soudaines (impulsions) des
valeurs électriques (tension ou intensité), définies par :
• une forme d'onde ;
• une amplitude d'onde (valeur de crête) ;
• un spectre de fréquences ;
• un niveau d'énergie.
Un mode de couplage
Le couplage permet la transmission des perturbations. Il peut être :
• capacitif (ou galvanique), par exemple les enroulements d'un transformateur ;
• inductif, par rayonnement d'un champ magnétique ;
• conduit, par une impédance commune, via une connexion à la terre.
Une victime
Il s'agit de tout dispositif susceptible d'être perturbé et des dysfonctionnements dus
aux perturbations.
Exemples
Sources
Dans les installations basse tension, les sources incluent des courants à variation
soudaine découlant de :
• défaillances ou courts-circuits ;
• commutations électroniques ;
• harmoniques de haut rang ;
• foudre ou panne de transformateur.
Les fréquences peuvent être faibles (< 1 MHz) pour les fréquences de puissance et
leurs harmoniques ou élevées (> 1 MHz) pour la foudre.
Couplage
• Capacitif : transmission d'une onde de foudre via un transformateur.
• Inductif : rayonnement d'un champ magnétique créé par l'un des courants cidessus. Le rayonnement crée une force électromotrice, c'est-à-dire un courant de
perturbation induit, dans les boucles des conducteurs composés des câbles
alimentant les dispositifs et des conducteurs de terre des dispositifs.
Par exemple, un rayonnement de 0,7 A/m peut perturber un écran vidéo.
Cela correspond au champ créé sur un rayon de 2,2 m autour d'un conducteur
transportant un courant de 10 A.
• Conduit (impédance commune) : augmente le potentiel d'une connexion à la terre.
Normes et
recommandations sur la
CEM
APC by Schneider Electric
Perturbations
Émissions, immunité et susceptibilité
Un dispositif électrique est installé dans un environnement qui peut être sujet à plus
ou moins de perturbations électromagnétiques. Il doit être considéré comme une
source et une victime potentielle de perturbations électromagnétiques.
Selon le point de vue, on peut parler des éléments suivants :
• le niveau d'émission de la source ;
• le niveau de compatibilité de l'environnement ;
• les niveaux d'immunité et de sensibilité de la victime.
Ces notions sont étudiées à la page suivante, dans la section sur les niveaux de
perturbation définis par les normes.
Édition 01/2012
p. 50
Compatibilité électromagnétique (CEM) (suite)
Niveaux de perturbation
La norme CEI 6100-2-4 définit plusieurs niveaux de perturbation de la CEM :
• niveau 0 : aucune perturbation ;
• niveau d'émission : niveau maximum autorisé pour un utilisateur sur un réseau
public ou pour un dispositif ;
• niveau de compatibilité : niveau de perturbation maximal attendu dans un
environnement donné ;
• niveau d'immunité : niveau de perturbation auquel un dispositif peut résister ;
• niveau de susceptibilité : niveau à partir duquel un dispositif ou un système
cesse de fonctionner correctement.
Par conséquent, pour les dispositifs et équipements :
• s'ils sont considérés comme des sources, des limites (niveaux d'émission)
doivent être définies pour éviter d'atteindre les niveaux de compatibilité ;
• s'ils sont considérés comme des victimes, ils doivent également pouvoir résister à
des niveaux de perturbation supérieurs aux niveaux de compatibilité si ces derniers
sont dépassés, ce qui est admissible de manière temporaire. Ces niveaux supérieurs
sont appelés niveaux d'immunité.
Les normes de CEM déterminent ces niveaux.
 Pour la liste des normes de CEM, voir la section page 34 sur les normes de CEM.
Fig. 5.19 Niveaux de perturbation électromagnétique pour les dispositifs sources/victimes de
perturbation
Valeurs mesurées
Les dispositifs sont soumis à des essais.
Cinq valeurs principales sont mesurées :
• CE (émissions conduites) ;
• RE (émissions rayonnées) ;
• ESD (décharges électrostatiques) ;
• CS (susceptibilité conduite) ;
• RS (susceptibilité rayonnée).
Ces essais nécessitent des ressources importantes, notamment une cage de
Faraday pour les émissions et la susceptibilité conduites et une chambre
anéchoïque pour les émissions rayonnées.
APC by Schneider Electric dispose d'une chambre d'essai anéchoïque certifiée.
APC by Schneider Electric
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p. 51
Compatibilité électromagnétique (CEM) (suite)
Fig. 5.20 Cinq mesures principales
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Édition 01/2012
p. 52
Normes sur les ASI
Portée et application des
normes
Portée des normes
Les normes couvrent les aspects suivants :
• conception de l'ASI ;
• sécurité des personnes ;
• niveaux de performance ;
• environnement électrique (notamment les perturbations harmoniques et CEM) ;
• environnement écologique.
Les normes concernant les ASI sont devenues beaucoup plus précises, notamment
lors de la création des normes européennes EN et de leur harmonisation avec une
partie des normes CEI antérieures.
Application des normes et certification
L'application des normes garantit la fiabilité et la qualité d'une ASI, sa compatibilité
avec les charges alimentées ainsi qu'avec l'environnement technique, humain et
naturel.
La déclaration de conformité au normes par le fabricant n'est pas, en soi, une
indication de qualité suffisante. Seule la certification par des organisations
reconnues est une garantie réelle de cette conformité.
À cette fin, les niveaux de performance des ASI APC by Schneider Electric par
rapport aux normes sont certifiés par des organisations telles que TÜV et Veritas.
Marquage CE
La marque CE a été créée par la législation européenne.
Elle est obligatoire pour la libre circulation des biens au sein de l'UE.
Elle a pour but de garantir, par la conformité aux directives européennes
correspondantes, les points suivants :
• Le produit n'est pas dangereux (directive sur les basses tensions).
• Le produit ne pollue pas (directive sur l'environnement) et sa compatibilité
électromagnétique est vérifiée (directive sur la CEM).
Avant de placer la marque CE sur un produit, le fabricant doit réaliser ou faire
réaliser des vérifications et des essais qui garantissent la conformité du produit aux
exigences des directives applicables.
Il ne s'agit pas d'une norme de certification ni d'une marque de conformité.
Elle ne signifie pas que le produit est conforme aux normes nationales ou
internationales.
Elle n'est pas une certification aux termes de la loi française du 3 juin 1994.
De plus, la marque CE est placée sur un produit sous l'entière responsabilité du
fabricant ou de l'importateur. Elle n'implique pas l'inspection par une organisation
externe certifiée.
 Tous les libellés ne représentent pas les mêmes obligations pour les fabricants.
La conformité aux normes et aux niveaux de performance spécifiés doit être
certifiable par une organisation. Ce n'est pas le cas de la marque CE, qui permet
l'autocertification.
Principales normes
applicables aux ASI
Les ASI APC by Schneider Electric sont conformes (certifiées par TÜV et Veritas)
aux principales normes internationales applicables.
Sécurité
• CEI 60950-1/EN 60950-1
Matériels de traitement de l'information – Sécurité – Partie 1 : Exigences générales
• CEI 62040-1/EN 62040-1
Alimentations sans interruption (ASI) – Exigences générales et règles de sécurité
pour les ASI
• CEI 62040-3/EN 1000-3
Alimentations sans interruption (ASI) – Méthode de spécification des performances
et procédures d'essai
• CEI 60439
Ensembles d'appareillage à basse tension
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p. 53
Normes sur les ASI
• Directive sur la basse tension 2006/95/CE
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Édition 01/2012
p. 54
Normes sur les ASI (suite)
Environnement électrique, harmoniques et compatibilité
électromagnétique (CEM)
Harmoniques
• CEI 61000-2-2/EN 61000-2-2
Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites à basse fréquence et la
transmission des signaux sur les réseaux publics d'alimentation basse tension
(voir Tableau 5-A à la page suivante)
• CEI 61000-3-2/EN 61000-3-2
Limites pour les émissions de courant harmonique (courant appelé par les appareils
≤ 16 A par phase)
• CEI 61000-3-4/EN 61000-3-4
Limites pour les émissions de courant harmonique (courant appelé par les appareils
> 16 A par phase)
• CEI 61000-3-5/EN 61000-3-5
Limitation des fluctuations de tension et du flicker
• EN 50160
Caractéristiques de la tension fournie par les réseaux publics de distribution
(voir Tableau 5-B à la page suivante)
• IEEE 519
Pratiques recommandées et obligations pour le contrôle des harmoniques dans les
systèmes d'alimentation électrique
CEM
• EN 50091-2
ASI – CEM
• CEI 62040-2/EN 62040-2
Alimentations sans interruption (ASI) – Exigences pour la compatibilité
électromagnétique (CEM)
• Directive sur la compatibilité électromagnétique 2004/108/EC
Pour les équipements susceptibles de causer ou d'être affectés par des
perturbations électromagnétiques
Qualité
• Conception, production et entretien en conformité avec la norme ISO 9001 –
Systèmes de management de la qualité
Environnement écologique
• Fabrication en conformité avec la norme ISO 14001
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Édition 01/2012
p. 55
Normes sur les ASI (suite)
Bruit acoustique
• ISO 3746
Niveaux sonores
• ISO 7779/EN 27779
Mesurage du bruit aérien émis par les équipements informatiques et de bureau
Tableaux sur les niveaux de compatibilité avec les
harmoniques
Tableau 5-A. Niveaux de compatibilité pour les différentes tensions d'harmonique dans les
réseaux basse tension définis dans les normes IEC 61000-2-2/EN 61000-2-2
Harmoniques impaires non Harmoniques impaires
Harmoniques paires
multiples de 3
multiples de 3
Rang
Tension
Rang
Tension
Rang
Tension
d'harmonique d'harmonique d'harmonique d'harmonique d'harmonique d'harmonique
n
en % de
n
en % de
n
en % de
fondamentale
fondamentale
fondamentale
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1,5
4
1
11
3,5
15
0,3
6
0,5
13
3
21
0,2
8
0,5
17
2
> 21
0,2
10
0,5
19
1,5
12
0,5
23
1,5
> 12
0,2
25
1,5
0,2
> 25
0,2+0,5x25/n
THDU résultant < 8 % (pour toutes les harmoniques trouvées parmi celles indiquées).
Tableau 5-B. Niveaux de compatibilité pour les tensions harmoniques en fonction du type
d'équipement comme prescrit dans la norme EN 50160
(1)
Rang de l'harmonique Classe 1
Classe 2
Classe 3
de tension générée
(systèmes et
(réseaux industriels et (pour la connexion aux
équipements
publics) % de
principaux pollueurs)
sensibles) % de
fondamentale
% de fondamentale
fondamentale
2
2
2
3
3
3
5
6
4
1
1
1,5
5
3
6
8
6
0,5
0,5
1
7
3
5
7
8
0,5
0,5
1
9
1,5
1,5
2,5
10
0,5
0,5
1
11
3
3,5
5
12
0,2
0,2
1
13
3
3
4,5
THDU
5%
8%
10 %
(1)
La classe 2 correspond aux limites du tableau A des normes IEC 61000-2-2/EN 61000-2-2.
APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 56
Stockage de l'énergie
Technologies possibles
Stockage de l'énergie dans les ASI
Les systèmes de stockage de l'énergie utilisés par les ASI pour le fonctionnement en
autonomie doivent avoir les caractéristiques suivantes :
• disponibilité immédiate de l'alimentation électrique ;
• puissance nominale suffisante pour alimenter la charge ;
• autonomie suffisante ou compatibilité avec des systèmes offrant des autonomies
prolongée (groupes électrogènes ou cellules à combustible, par exemple).
Évaluation des technologies disponibles
Voir le livre
blanc WP 65 
La veille technologie établie par APC by Schneider Electric a permis une étude
approfondie des technologies suivantes :
• batteries ;
• supercondensateurs ;
• volants d'inertie ;
• SMES (stockage d'énergie magnétique supraconductrice).
 Pour plus d'informations, voir le livre blanc WP 65 : « Comparing Data Center
Batteries, Flywheels, and Ultracapacitors » (Comparaison des batteries, volants
d'inertie et supercondensateurs utilisés dans les centres de données).
Les batteries et les volants d'inertie sont étudiés ci-dessous.
Batteries
Solution avec batteries
Les batteries sont de loin la solution la plus utilisée pour le stockage d'énergie dans
les ASI. Elles sont la solution prédominante en raison de leur faible coût, de leur
efficacité prouvée et de leur capacité de stockage, mais présentent également des
inconvénients en ce qui concerne leur taille, leur entretien et leur impact sur
l'environnement. Aux puissances étudiées ici, elles offrent une autonomie de l'ordre
de 10 minutes, assez pour surmonter les coupures assez longues et attendre le
démarrage du groupe électrogène pour une autonomie prolongée.
Pour sa gamme SymmetraTM PX, APC by Schneider Electric propose également des
solutions à autonomie prolongée basées sur des cellules à combustible, la gamme
FCXR (Fuel Cell eXtended Run). Cette solution réduit notablement l'impact
environnemental et l'espace requis par rapport aux solutions associant batteries et
groupe électrogène.
 Le stockage d'énergie électrochimique à l'aide de batteries, assisté le cas échéant
par un groupe électrogène, est la solution la plus fréquente pour la protection des
charges critiques à l'aide d'ASI.
Fig. 5.21. Stockage de l'énergie avec batterie et groupe électrogène pour les autonomies
longues
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 57
Stockage de l'énergie (suite)
Types de batteries industrielles
Familles de batteries
Une batterie est un ensemble de cellules interconnectées.
Selon ce que contiennent ces cellules, on peut distinguer deux principales familles
de batteries :
• batteries plomb-acide ;
• batteries nickel-cadmium.
Les cellules peuvent être de deux principaux types :
• Type à recombinaison  batteries étanches
Le taux de recombinaison des gaz est d'au moins 95 % et il n'est donc pas
nécessaire d'ajouter de l'eau pendant leur durée de vie (d'où le terme « étanche »).
• Type ventilé  batteries ventilées
Elles sont équipées d'ouvertures qui permettent les opérations suivantes :
- Libérer dans l'atmosphère l'oxygène et l'hydrogène que produisent les diverses
réactions chimiques.
- Faire le plein d'électrolyte en ajoutant de l'eau distillée ou déminéralisée.
Batteries utilisées dans les ASI
Les principaux types de batterie utilisés avec les ASI sont :
• les batteries étanches plomb-acide, utilisées dans 95 % des cas car elles sont
faciles à entretenir et ne nécessitent pas une pièce séparée, ces batteries pouvant
être installées dans les environnements de bureau et dans toute position ;
• les batteries plomb-acide ventilées ;
• les batteries nickel-cadmium ventilées.
Les batteries ventilées présentent plus de contraintes en termes de maintenance
(vérification du niveau d'électrolyte) et de position (position verticale uniquement).
L'utilisation de batteries lithium-polymère avec les ASI est actuellement à l'étude.
APC by Schneider Electric recommande d'utiliser les batteries étanches plomb-acide
avec ses ASI, mais propose cependant un large choix de types de batteries.
Les trois types de batteries sont proposés pour toutes les durées de vie disponibles.
Les capacités et les autonomies peuvent être adaptées aux besoins de l'utilisateur.
Les batteries proposées sont également parfaitement adaptées aux applications
d'ASI car elles sont le résultat de la collaboration avec les principaux fabricants de
batteries.
 Choix d'une batterie, voir « Facteurs clés dans les installations d'ASI », p. 46.
Modes d'installation
Selon la gamme d'ASI, la capacité de la batterie et l'autonomie, la batterie peut être :
• étanche et placée dans l'armoire de l'ASI ;
• étanche et placée dans une à trois armoires ;
• ventilée ou étanche et montée sur rack.
Montage en armoire
Cette méthode d'installation (voir fig. 5.15) convient aux batteries étanches. Elle est
facile à mettre en œuvre et offre une sécurité maximale.
Batteries installées sur rack
• Sur étagères (figure 5.16)
Cette méthode d'installation est possible pour les batteries étanches et les batteries
ventilées sans maintenance, qui n'ont pas besoin d'une mise à niveau de
l'électrolyte.
• Montage en gradin (figure 5.17)
Cette méthode d'installation convient à tous les types de batterie et en particulier aux
batteries ventilées, car elle facilite la vérification du niveau et le remplissage.
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 58
Stockage de l'énergie (suite)
Fig. 5.22. Montage en armoire Fig. 5.23. Montage sur étagères Fig. 5.24. Montage en gradin
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 59
Stockage de l'énergie (suite)
Contraintes s'appliquant aux batteries
Contraintes atmosphériques
Les batteries fournies avec les ASI APC by Schneider Electric sont conçues pour
fonctionner dans les conditions suivantes :
• plage de température optimale : de 15 à 25 °C ;
• plage d'humidité relative optimale : de 5 à 95 % ;
• pression atmosphérique : de 700 à 1060 hPa (0,7 à 1,06 bars).
Pour d'autres conditions de fonctionnement, veuillez nous consulter.
Accès
Les batteries doivent être accessibles pour les opérations de test.
• Batterie installée dans l'armoire de l'ASI ou dans une autre armoire : respectez les
distances de dégagement indiquées dans la section « Dimensions et poids » du
chapitre 4.
• Batterie installée sur rack : sélectionnez une méthode d'installation adaptée au
type de batterie.
• Travail préliminaire : cet aspect est important car il affecte la sécurité. Il est étudié
dans le chapitre « Facteurs clés dans les installations d'ASI », p. 49.
Principaux paramètres des batteries
Autonomie
Pour une batterie donnée, l'autonomie dépend de plusieurs facteurs :
• La puissance qui doit être fournie : plus la valeur est faible, plus l'autonomie est
grande.
• Les conditions de décharge : un taux de décharge élevé permet une tension d'arrêt
plus faible, et accroît donc l'autonomie.
• La température : dans les limites recommandées, plus la température est élevée,
plus l'autonomie augmente. Notez toutefois qu'une température élevée affecte
négativement la durée de vie de la batterie.
• Le vieillissement : l'autonomie d'une batterie diminue à mesure qu'elle vieillit.
APC by Schneider Electric propose un large choix d'autonomies (5, 6, 8, 10, 15 ou
30 minutes) et de durées de vie (5 ans, 10 ans ou plus) et répond également à
toutes les demandes personnalisées.
Durée de vie
On considère qu'une batterie a atteint la fin de sa durée de vie lorsque son
autonomie réelle n'est plus que de 50 % de l'autonomie nominale.
La durée de vie d'une batterie peut être améliorée par les méthodes suivantes :
• protection contre les décharges complètes ;
• application de paramètres de chargeur adaptés, en particulier le facteur
d'ondulation de la charge ou le courant de charge flottante ;
• température de fonctionnement optimale entre 15 et 25 °C.
Mode de recharge
Le cycle de charge se produit en deux étapes :
• Étape 1, un courant constant limité à 0,1 C10 (un dixième de la capacité de la
batterie pour une décharge de dix heures).
• Étape 2, une tension constante à la valeur maximale autorisée. Le courant de
charge diminue régulièrement et atteint le niveau du courant de charge flottante.
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 60
Stockage de l'énergie (suite)
Fig. 5.25. Cycle de charge de la batterie
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 61
Stockage de l'énergie (suite)
Gestion des batteries pour les gammes MGETM GalaxyTM
DigibatTM
TM
TM
Pour gérer les paramètres ci-dessus, toutes les ASI MGE Galaxy APC by
Schneider Electric sont livrées en standard avec le système à microprocesseurs de
TM
surveillance des batteries Digibat (DSP dédié pour le traitement en temps réel).
TM
Digibat est un système convivial qui offre des fonctions avancées et souples ainsi
qu'une protection physique et assistée par ordinateur pour la batterie. Il offre un
niveau de sécurité élevé ainsi que des mesures réelles de l'autonomie et il optimise
la durée de vie de la batterie. Par exemple, pour une ASI MGE Galaxy 5000, les
fonctions incluent :
• la saisie automatique des paramètres de la batterie ;
• la mesure de l'autonomie réelle restante, en prenant en charge l'âge de la batterie,
la température et le niveau de charge ;
(1)
• l'estimation de la durée de vie restante de la batterie ;
• les tests sur la batterie pour la détection préventive des défaillances de
(1)
fonctionnement ;
• la régulation de la tension de la batterie en fonction de la température pour
optimiser la durée de vie de la batterie ;
• le test automatique de décharge de la batterie à intervalles modifiables.
La protection inclut :
• la protection contre la décharge complète (en fonction du taux de décharge) et
l'isolation de la batterie à l'aide d'un disjoncteur qui s'ouvre automatiquement lorsque
l'autonomie multipliée par deux plus deux heures s'est écoulée ;
• la limitation du courant de recharge dans la batterie (de 0,05 C10 à 0,1 C10) ;
• l'alarme sonore progressive signalant la fin de l'autonomie ;
• de nombreux tests automatiques.
(1) Brevets exclusifs d'APC by Schneider Electric.
Fig. 5.26. Digibat
TM
Surveillance de la température
TM
TM
Les ASI MGE Galaxy peuvent également être équipées d'un module de
surveillance de la température pour :
• optimiser la tension du chargeur en fonction de la température de la salle des
batteries ;
• avertir l'utilisateur si des limites de température prédéfinies sont atteintes ;
• affiner l'estimation de l'autonomie de la batterie réalisée par le système standard.
La ventilation naturelle des armoires de batterie empêche la température de la
batterie d'augmenter.
Environment Sensor est un autre outil simple, conçu pour surveiller la température
et l'humidité. S'il est associé au logiciel du module, il peut déclencher l'arrêt.
Surveillance des batteries
APC by Schneider Electric propose également les systèmes de surveillance des
batteries autonomes et communicants B2000 et Cellwatch, qui détectent et
localisent immédiatement toutes les défaillances de batterie. Ces systèmes
surveillent chaque bloc ou cellule de batterie et permettent d'effectuer une
maintenance préventive.
92APC by Schneider Electric
Édition 01/2012
p. 62
Stockage de l'énergie (suite)
Volants d'inertie
Stockage de l'énergie par volant d'inertie
Principe de fonctionnement
Un système de stockage de l'énergie à volant d'inertie est une « batterie
mécanique » qui emmagasine de l'énergie cinétique sous la forme d'une masse en
rotation. Lors d'une coupure, l'énergie emmagasinée par la masse en rotation est
convertie en énergie électrique grâce au convertisseur électrique intégré au volant
d'inertie.
La quantité d'énergie emmagasinée dans un volant d'inertie peut être calculée par la
formule :
2
E = kMω
où k est fonction de la forme de la masse en rotation, M est la masse du volant
d'inertie et ω sa vitesse angulaire.
 Notez que l'énergie emmagasinée est proportionnelle au carré de la vitesse
angulaire. C'est l'une des raisons pour lesquelles APC by Schneider Electric propose
des volants d'inertie tournant à des vitesses relativement élevées. Cela réduit le
poids et l'encombrement du système de stockage de l'énergie.
Applications utilisant les ASI
Les unités à volant d'inertie peuvent remplacer les batteries traditionnelles des ASI
pour offrir une autonomie instantanée et très fiable pour les applications critiques
actuelles (centres de données, hôpitaux, studios télé ou radio, casinos, aéroports et
usines). Elles sont connectées au bus de courant continu de l'ASI (comme une
batterie), reçoivent le courant de charge de l'ASI et alimentent l'onduleur en courant
continu lorsqu'elles se déchargent.
UPS
Critical
loads
AC input
Rectifier
Flywheel
Inverter
Battery
Fig. 5.27. Schéma simplifié d'une ASI avec volant de stockage d'énergie connecté en parallèle
avec une batterie
Les systèmes de stockage de l'énergie à volant d'inertie peuvent avoir deux
applications, selon que l'installation inclut un groupe électrogène ou non.
Renforcement des batteries pour les installations sans groupe
électrogène
Pour les applications sans groupe électrogène, les systèmes de stockage d'énergie
à volant d'inertie peuvent fonctionner en parallèle avec les batteries. On appelle
parfois ce système hybride « renforcement des batteries ».
Dans cette configuration, le volant d'inertie est la première ligne de défense contre
les anomalies d'alimentation, offrant une disponibilité plus élevée et permettant de
réserver le recours aux batteries aux coupures prolongées. Comme le volant
d'inertie est le premier à fournir de l'énergie pour pallier les microcoupures, il
augmente notablement la durée de vie des batteries en absorbant 98 % des
coupures qui seraient normalement alimentées par les batteries. Le renforcement
des batteries par les volants d'inertie offre plusieurs avantages :
• moins de cycles charge-décharge pour les batteries, ce qui accroît leur durée
de vie ;
• remplacement des batteries moins fréquent (l'élimination associée du plomb et
de l'acide est, elle aussi, plus espacée) ;
• disponibilité accrue du bus CC critique.
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Stockage de l'énergie (suite)
En remplacement des batteries pour les installations avec groupe
électrogène
Les groupes électrogènes sont généralement en mesure de supporter la charge
dans les 10 secondes qui suivent une coupure du réseau. Les batteries d'ASI
peuvent fournir la charge pendant cette transition, mais leur fiabilité n'est jamais
certaine. Sont-elles complètement chargées ? Une cellule est-elle endommagée
dans la chaîne de batteries ? Quand ont-elles été vérifiées pour la dernière fois ?
En revanche, les systèmes à volant d'inertie offrent instantanément un stockage
d'énergie fiable et capable d'assurer la transition au groupe électrogène de secours,
le tout de manière peu encombrante.
Un système à volant d'inertie fournissant 10 à 20 secondes d'énergie offre de
nombreux avantages par rapport aux batteries pour les installations avec groupes
électrogènes.
• Stockage d'énergie extrêmement fiable et prédictible :
- MTBF estimé de 54 000 heures ;
- surveillance en continu permettant des performances fortement prévisibles.
• Solution écologiquement préférable aux batteries :
- pas de plomb, pas d'acide, empreinte carbone réduite.
• Coût total de possession inférieur :
- durée de vie utile de 20 ans ;
- peu d'entretien ;
- peu encombrant et léger ;
- peut fonctionner jusqu'à une température de 40 °C.
Types de volants d'inertie
Les volants d'inertie pour ASI se divisent en plusieurs types selon leur vitesse, le
matériau du volant et la configuration du convertisseur.
Vitesse du volant d'inertie
• Volant d'inertie à basse vitesse
- vitesse angulaire < 10 000 tr/min ;
- pour les systèmes de puissance importante, nécessite un volant en acier épais
(lourd et encombrant) ;
- maintenance régulière et remplacement des roulements à billes mécaniques ;
- perte d'énergie parasite élevée ;
- nécessite une dalle en béton respectant des spécifications spéciales pour son
installation.
• Volant d'inertie à grande vitesse
- 30 000 à 60 000 tr/min (potentiellement jusqu'à 100 000 tr/min) ;
- beaucoup plus léger pour les puissances importantes (l'énergie est stockée par une
vitesse de rotation supérieure) ;
- lévitation magnétique ;
- fréquence de maintenance inférieure ;
- moins encombrant et plus léger ;
- facile à mettre en service, à démarrer et à arrêter.
Comme nous l'avons déjà mentionné, les volants d'inertie fournis avec les ASI APC
by Schneider Electric fonctionnent à des vitesses relativement élevées (36 000 tr/min
à pleine charge) et offrent tous les avantages correspondants.
Matériaux des volants d'inertie
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• Volants d'inertie en fibre de carbone
Les volants d'inertie en fibre de carbone sont fabriqués par enroulement de grandes
longueurs de fibre de carbone autour d'une tige. Les fibres sont maintenues par une
résine époxy.
Toute imperfection dans le processus telle qu'un espace entre les fibres peut causer
avec le temps un déséquilibre du volant en raison des forces subies lorsque le volant
accélère et ralentit, ce qui se produit à chaque événement de décharge. Une fois
que le volant en fibre de carbone est déséquilibré, tout le module de volant d'inertie
doit être remplacé, ce qui est un processus long et coûteux.
• Volants d'inertie en acier
Les volants d'inertie fournis avec les ASI APC by Schneider Electric sont fabriqués
en acier de qualité aérospatiale AISI 4340. Les propriétés du matériau sont très bien
connues, il est disponible auprès de nombreux fabricants et il est utilisé dans de
Édition 01/2012
p. 64
Stockage de l'énergie (suite)
nombreuses applications de rotation à grande vitesse. Mais surtout, l'intégrité du
matériau peut être vérifiée à l'aide de prélèvements et d'ultrasons afin de s'assurer
qu'il répond aux spécifications de l'application. Le même volant d'inertie a été utilisé
non seulement dans les ASI, mais aussi dans des applications de régénération à
cycle élevé tels que les moteurs de grue et de locomotive électrique. Avec ces
applications, le volant d'inertie est chargé et déchargé jusqu'à 20 fois par jour,
prouvant ainsi la fiabilité de l'acier comme matériau de volant d'inertie.
Configuration du convertisseur
L'autre différence du stockage d'énergie par volant d'inertie est la configuration du
convertisseur.
• Les systèmes de volant d'inertie fournis par APC by Schneider Electric utilisent un
convertisseur à aimant permanent. Cela offre deux avantages :
- rendement accru du convertisseur lors de la charge et de la décharge, permettant
le nombre élevé de cycles du volant d'inertie ;
- le système peut produire sa propre énergie pour maintenir la lévitation du volant
d'inertie même si l'alimentation de commande est coupée ou qu'une panne survient
dans les équipements électroniques d'alimentation.
• D'autres fabricants de volants d'inertie utilisent un moteur synchrone à
réluctance qui ne peut pas générer sa propre alimentation en cas de panne dans
les équipements électroniques d'alimentation.
- L'unité a donc besoin d'une alimentation de secours fournie par une petite ASI pour
permettre le fonctionnement des paliers magnétiques.
Installation
Armoires de volant d'inertie
Les systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie sont fournis dans des armoires
distinctes qui se raccordent au bus CC tout comme les armoires de batterie. Vous
pouvez installer plusieurs armoires de volant d'inertie en parallèle pour fournir plus
de puissance sur une durée plus longue.
Préparation du site
La préparation du site requise pour l'installation d'armoires à volant d'inertie est
minimale. Avant l'installation, il faut prendre en compte certains aspects :
• le raccordement aux ASI et autres équipements ;
• l'accès de maintenance ;
• le dégagement pour le refroidissement ;
• le montage au sol.
Contraintes s'appliquant aux volants d'inertie
Contraintes atmosphériques
Les systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie fournis avec les ASI APC by
Schneider Electric sont conçus pour fonctionner dans les conditions suivantes :
• Température de fonctionnement : -20 à 40 °C (sans déclassement)
• Température minimale de démarrage à froid : 0° C
• Humidité relative : jusqu'à 95 % (sans condensation)
Pour d'autres conditions de fonctionnement, veuillez nous consulter.
Principaux paramètres des volants d'inertie
Puissance de sortie et autonomie
Les systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie fournis avec les ASI APC by
Schneider Electric offrent une grande souplesse permettant de choisir la
combinaison puissance/autonomie optimale pour répondre aux besoins de
l'application.
• Les unités simples proposées ont des puissances nominales de 215 et 300 kW.
• Le modèle à 300 kW peut fournir 160 kW pendant ~18,75 secondes ou 220 kW
pendant ~10 secondes, ce qui suffit généralement pour les applications de
renforcement des batteries ou de démarrage de groupe électrogène.
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Stockage de l'énergie (suite)
• Il est possible de monter plusieurs unités de volant d'inertie en parallèle pour offrir
plus de capacité, de redondance ou d'autonomie.
Durée de vie
• La durée de vie d'un système de stockage d'énergie à volant d'inertie est
généralement beaucoup plus longue que celle des batteries plomb-acide.
• Les systèmes de stockage d'énergie à volant d'inertie fournis avec les ASI APC by
Schneider Electric ont une durée de vie de 20 ans avec cycles de charge-décharge
fréquents et températures de fonctionnement jusqu'à 40° C :
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Combinaison ASI/groupe électrogène
Utilisation d'un groupe
électrogène
Autonomies longues
Un groupe électrogène, ou groupe convertisseur, est composé d'un moteur à
combustion interne couplé à un générateur, lequel alimente le système de
distribution. L'autonomie d'un groupe électrogène dépend de la quantité de carburant
disponible.
Dans certaines installations, l'autonomie requise en cas de panne de secteur est
telle qu'il est préférable d'utiliser un groupe électrogène pour fournir l'alimentation de
secours (figure 5.28).
Cette solution évite d'utiliser de grosses batteries avec des autonomies très longues.
Bien qu'il n'y ait pas de règle absolue dans ce domaine, on utilise généralement un
groupe électrogène pour les autonomies dépassant les 30 minutes. Les installations
critiques nécessitant des niveaux de disponibilité très élevés et ayant des coûts
d'arrêt très importants (centres de données, par exemple) associent
systématiquement les ASI à des groupes électrogènes.
L'autonomie de la batterie de l'ASI doit être suffisante pour permettre le démarrage
du groupe électrogène et sa connexion à l'installation électrique. La connexion est
généralement effectuée sur le TGBT à l'aide d'un système automatique de
commutation de source. Le temps nécessaire à la commutation dépend des
caractéristiques propres à chaque installation, notamment la séquence de
démarrage, le délestage, etc.
Fig. 5.28. Combinaison ASI/groupe électrogène
Combinaison ASI/groupe
électrogène
Compatibilité ASI/groupe électrogène
Un certain nombre de facteurs doivent être pris en compte lors de l'utilisation d'un
groupe électrogène pour permettre l'autonomie à long terme des ASI.
Changements de charge progressifs
En cas d'urgence nécessitant la connexion de l'installation au groupe électrogène,
les charges importantes peuvent causer des courants d'appel élevés qui risquent de
poser des problèmes de fonctionnement sérieux au groupe électrogène. Pour éviter
ce phénomène, les ASI APC by Schneider Electric sont dotées d'un système
assurant un démarrage progressif du chargeur. La montée en charge prend environ
dix secondes. De plus, au retour de l'alimentation secteur, il est possible d'arrêter
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p. 67
Combinaison ASI/groupe électrogène
progressivement le chargeur à l'aide d'un commutateur auxiliaire afin d'éviter de
perturber les autres charges.
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p. 68
Combinaison ASI/groupe électrogène (suite)
Fig. 5.29. Démarrage progressif du redresseur pendant le fonctionnement sur alimentation par
groupe électrogène
Courants capacitifs
Le groupe électrogène ne peut fournir que des courants capacitifs relativement
faibles (10 à 30 % d'In). Lorsqu'un filtre LC est installé, la principale difficulté réside
dans le démarrage progressif du redresseur alimenté par le groupe électrogène
lorsque la puissance active est nulle et que le groupe ne fournit de courant capacitif
que pour le filtre. Ainsi, l'usage de filtres LC doit être étudié afin que le
fonctionnement reste conforme aux spécifications du constructeur.
L'utilisation de filtres LC compensés avec un contacteur résout ce problème. Pour
les ASI avec redresseur CFP, la compatibilité est complète.
Combinaison de filtres LC et de groupes électrogènes, voir Ch. 1 p. 26.
Puissances nominales respectives des ASI et des groupes
électrogènes
Une ASI dotée d'un redresseur CFP a un facteur de puissance d'entrée élevé
(supérieur à 0,9). Le groupe électrogène peut donc être utilisé avec un rendement
optimal.
Pour les filtres LC, des filtres compensés avec un contacteur résolvent le problème
des courants capacitifs.
 La compatibilité des puissances nominales entre les ASI modernes et les groupes
électrogènes évitent tous les problèmes de déclassement.
Stabilité de la fréquence du groupe électrogène
Lors du fonctionnement sur groupe électrogène, des fluctuations de la fréquence du
générateur peuvent découler des variations du régime du moteur thermique, dont les
fonctions de régulation ne sont pas instantanées. Ces variations sont dues à des
changements de charge. Par exemple, au démarrage du groupe électrogène luimême (jusqu'à ce qu'il atteigne sa vitesse nominale), au démarrage des autres
charges fournies par le groupe électrogène (ascenseurs, climatisation), ou lors de
délestages.
Cela peut causer des problèmes avec les ASI fonctionnant en interaction avec le
réseau, dont la fréquence de sortie est identique à celle de l'entrée. Les variations de
fréquence de générateur peuvent causer de nombreux basculements vers la batterie
(fréquence hors des limites de tolérance) et de retours vers le secteur (lorsque
l'onduleur a stabilisé la fréquence, mais que le générateur lui-même n'est pas
stabilisé), causant un phénomène de « pompage » (instabilité autour du point de
consigne de la fréquence).
Avec les ASI à double conversion, la régulation par l'onduleur de la puissance
produite par le groupe électrogène supprime ce problème.
 Les ASI à double conversion sont entièrement compatibles avec les fluctuations
de fréquence des groupes électrogènes. Ce n'est pas le cas des ASI en interaction
avec le réseau.
Harmoniques
La réactance subtransitoire X"d d'un générateur est généralement supérieure à la
tension de court-circuit Uccx d'un transformateur (deux à trois fois plus élevée). Tous
les courants harmoniques appelés par le redresseur de l'ASI peuvent avoir un effet
plus important sur la distorsion harmonique de la tension au niveau des barres
omnibus en amont. Avec la technologie de redresseur CFP, l'absence
d'harmoniques en amont supprime ce problème.
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p. 69
Combinaison ASI/groupe électrogène (suite)
Informations sur les courants d'appel
Au démarrage, un grand nombre de charges causent des courants d'appel
importants (surtensions de manœuvre, pics de démarrage) qui durent un certain
temps.
Pour les ASI, ces courants représentent une charge apparente Sa (en kVA)
supérieure à Sn (en kVA), qui peut être fournie en régime stable.
La valeur de Sa à prendre en compte dans le dimensionnement de la puissance de
l'ASI est calculée sur la base de ces courants d'appel.
Vous trouverez ci-dessous des indications sur ces courants créés par des
équipements de charge communs.
Moteurs
Les moteurs sont généralement de type asynchrone triphasé (95 % des moteurs). Le
besoin en puissance supplémentaire correspond au courant de démarrage défini par
(fig. 5.30) :
• Id (5 à 8 In, valeur nominale efficace) pour une durée td (1 à 10 secondes),
• Imax = 8 à 12 In, pour 20 à 30 millisecondes.
La puissance appelée qui doit être prise en compte (en ignorant l'effet de pic d'Imax)
est :
Sa (kVA) = Un Id 3 pendant td.
Transformateurs basse tension
Les opérations de commutation d'un transformateur produisent des pics de courant
dont les amplitudes sont amorties en fonction d'une détérioration exponentielle avec
une constante de temps (voir fig. 5.31).
• i = I1er pic exp -t/τ où τ correspond à quelques cycles (30 à 300 ms).
• I1er pic = k In (où k est donné, généralement 10 à 20).
Les indications incluent généralement le nombre de cycles du phénomène et la
valeur des différents pics en tant que pourcentage de I1er pic.
Le courant d'appel correspondant est généralement calculé sur la base de (voir
l'exemple) :
• Sa (kVA) = Un I1er pic 3 , soit Sa (kVA) = k Un In 3 pendant le nombre de cycles.
• Exemple d'un courant d'appel amorti en quatre cycles avec :
er
1 pic (100 %) : k In (k de 10 à 20) ;
2e pic 30 % : 0,3 k In ;
e
3 pic 15 % : 0,15 k In.
Le total des valeurs efficaces des courants correspondant aux différents pics
(Ipic/ 2 ) (1) est :
k In (1 + 0,3 + 0,15 ) K In 1,45
=
≈ k In
2
2
Cela est à peu près équivalent à la valeur du seul premier pic.
(1)
Si l'on considère les pics de courant comme des sinusoïdes ; certains fabricants indiquent
une valeur efficace de Ipic/2.
Charges informatiques
Les alimentations à découpage sont des charges non linéaires. Le courant pour une
charge monophasée a une forme d'onde similaire à celle représentée dans la
figure 5.32. Il peut y avoir d'environ 2 In dans la première demi-ondulation. Toutefois,
elle est généralement beaucoup plus faible et il n'est pas nécessaire d'en tenir
compte.
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p. 70
Combinaison ASI/groupe électrogène (suite)
Fig. 5.30. Courbe de
Fig. 5.31. Courant de
démarrage en ligne direct pour commutation d'un
un moteur asynchrone triphasé transformateur basse tension
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Fig. 5.32. Courant de
démarrage de charges
informatiques
p. 71
Harmoniques
Harmoniques
Origine des harmoniques
L'utilisation croissante de l'informatique, des télécommunications et des dispositifs à
électronique de puissance ont multiplié le nombre de charges non linéaires
connectées aux réseaux d'alimentation.
Ces applications nécessitent des alimentations à découpage, qui transforment la
courbe sinusoïdale de tension en signaux périodiques ayant des formes d'onde
différentes. Tous ces signaux périodiques de fréquence f sont le produit de signaux
sinusoïdaux superposés dont les fréquences sont des multiples de f, appelés des
harmoniques (voir la section « Valeurs caractéristiques des harmoniques » traitant
du théorème de Fourier ci-dessous, p. 40). La figure 5.32 représente le courant initial
(fondamental) et l'harmonique de troisième rang.
Cette figure montre ce qui arrive lorsqu'une
harmonique de troisième rang (150/180 Hz)
est superposée à la fréquence fondamentale
(50/60 Hz). La fréquence du signal obtenu est
celle de la composante fondamentale, mais il y
a distorsion de la forme de l'onde.
Fig. 5.33. Exemple d'harmoniques
La présence accrue des harmoniques est un phénomène qui concerne toutes les
installations électriques, aussi bien commerciales et industrielles que résidentielles.
Aucun environnement électrique moderne n'est à l'abri de ces perturbations causées
par des appareils tels que les ordinateurs personnels, les serveurs, les tubes
fluorescents, les climatiseurs, les variateurs de vitesse, les lampes à décharge, les
redresseurs, les alimentations statiques, les fours à micro-ondes, les téléviseurs, les
lampes halogènes, etc. Toutes ces charges sont appelées « non linéaires ».
Conséquences des harmoniques
Les harmoniques perturbent de plus en plus gravement toutes sortes d'activités, des
usines de fabrication de composants électroniques et des systèmes de traitement de
données aux stations de pompage, systèmes de télécommunication, studios de
télévision, etc., car elles représentent une partie importante du courant appelé.
Il existe trois types de conséquences négatives pour les utilisateurs.
Impact sur l'installation électrique
Les harmoniques augmentent la valeur du courant efficace par rapport au courant
sinusoïdal nominal. Cela cause une hausse des températures parfois importante
dans les lignes, les transformateurs, les générateurs, les condensateurs, les câbles,
etc. Les coûts cachés du vieillissement accéléré de ces éléments peuvent être très
élevés.
Impact sur les applications
Les courants harmoniques circulent dans les impédances de source et de charge,
générant des harmoniques de tension qui causent la distorsion de la tension sur les
barres omnibus en amont des charges non linéaires (figure 5.34).
La distorsion de la tension d'alimentation (THDU en amont - distorsion harmonique
totale en tension) peut perturber le fonctionnement de certains dispositifs sensibles
connectés à ces barres omnibus.
Qui plus est, pour les systèmes TNC où les conducteurs N et PE sont combinés pour
former un conducteur PEN, les harmoniques de troisième rang à séquence zéro se
cumulent dans le conducteur neutre. Ce courant déséquilibré dans le neutre peut
perturber les circuits interconnectant des dispositifs à faible intensité et peut
nécessiter le surdimensionnement du neutre.
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p. 72
Harmoniques
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Édition 01/2012
p. 73
Harmoniques (suite)
Fig. 5.34. Distorsion de la tension due à la réinjection de courants harmoniques par des
charges non linéaires
Impact sur l'alimentation électrique disponible
Les harmoniques représentent une perte effective de courant (jusqu'à 30 % de
consommation en plus). L'utilisateur doit payer plus pour une quantité de courant
moindre.
Précautions
Général
Il existe un certain nombre de solutions traditionnelles pour limiter les courants
harmoniques :
• l'installation de filtres passifs accordés ;
• l'installation en parallèle de plusieurs câbles de diamètre moyen ;
• la séparation des charges non linéaires et sensibles en les plaçant derrière des
transformateurs isolants.
Toutefois ces solutions ont deux principaux inconvénients :
• La limitation des harmoniques n'est effective que pour cette configuration précise
(l'ajout ou la suppression de charges peut la rendre inefficace).
• La mise en œuvre est difficile dans les installations existantes.
Les compensateurs actifs d'harmoniques SineWave (voir chapitre 3) évitent ces
inconvénients. Beaucoup plus efficaces que d'autres solutions, ils peuvent être
utilisés avec tous types de charge et permettent d'éliminer sélectivement les
harmoniques allant du 2e au 25e rang.
 Élimination des courants harmoniques, voir « Élimination des courants
harmoniques »
Les alimentations sans interruption
• En raison de son redresseur/chargeur, une ASI est une charge non linéaire pour
sa source d'alimentation. Les ASI APC by Schneider Electric offrent un contrôle
parfait des harmoniques en amont en utilisant des redresseurs CFP « propres » ou
des filtres (MGE Galaxy PW et 9000).
En amont de l'ASI, la tension de distorsion totale reste dans les limites acceptables
par les autres dispositifs connectés à la même barre omnibus.
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Harmoniques (suite)
Valeurs caractéristiques des
harmoniques
Valeurs de courant
Expansion harmonique d'un courant périodique
Le théorème de Fourier indique que toute fonction périodique de fréquence f peut
être représentée comme la somme de termes (séries) composés de :
• un terme sinusoïdal de fréquence f, appelé fréquence fondamentale ;
• des termes sinusoïdaux dont les fréquences sont des multiples entiers de la
fréquence fondamentale, appelés harmoniques ;
• le cas échéant, un composant de courant continu.
L'application du théorème de Fourier aux courants des charges non linéaires indique
qu'un courant périodique I(t) de quelque forme que ce soit à une fréquence f (50 ou
60 Hz) est la somme des courants harmoniques sinusoïdaux définis par :
∞
I( t) = IH1 2 sin(ωt + ϕ1) +
∑ IHn
2 sin(nωt + ϕn)
n= 2
où
• IH1 est la valeur efficace du courant fondamental à la fréquence f (50 ou 60 Hz) ;
• ω = 2 π f est la fréquence angulaire de la composante fondamentale ;
• ϕ1 est le déphasage entre le courant fondamental et la tension ;
e
• IHn est la valeur efficace de l'harmonique de n rang, à une fréquence nf ;
e
• ϕn est le déphasage entre le courant harmonique de n rang et la tension.
Il est important d'évaluer les harmoniques (n ≥ 2) par rapport à la composante
fondamentale (n = 1) afin de déterminer à quel point la fonction diffère de cette
composante.
Pour ce faire, les valeurs suivantes sont prises en compte :
Contenu en différentes harmoniques du courant
Cette valeur exprime le rapport en pourcentage entre la valeur efficace de
l'harmonique donnée et celle de la composante fondamentale.
IHn
Ihn % = 100
IH1
Toutes les harmoniques présentes dans un courant donné avec l'indication de leur
importance relative (valeurs Ihn) constituent le spectre harmonique du courant. De
manière générale, l'influence des harmoniques de rang supérieur à 25 est
négligeable.
Distorsion harmonique totale du courant
Cette distorsion est appelée THDI (I étant l'intensité, ou courant). Cette valeur
exprime le rapport entre la valeur efficace de toutes les harmoniques (n ≥ 2) et celle
de la composante fondamentale. Le THDI est également exprimé en termes de
différentes harmoniques.
∞
∑ IH
n
n= 2
THDI% = 100
IH1
2
∞
= 100
 IHn 


IH
n= 2  1 
∑
2
∞
=
∑ (Ih %)
n
2
n= 2
Remarque : les contenus des harmoniques sont parfois exprimés par rapport à la valeur Irms
du signal complet et non par rapport à la composante fondamentale (dans les documents du
CEI, par exemple). Nous utilisons ici la définition de la CIGREE (Conférence internationale des
grands réseaux électriques et électroniques), qui utilise la composante fondamentale.
Pour les contenus en harmoniques faibles analysés dans les pages suivantes, les deux
définitions produisent des résultats virtuellement identiques.
Valeur efficace d'un courant avec harmoniques
La valeur efficace d'un courant alternatif de période T est :
Irms =
1
T
∫
T
0
I( t) dt
2
Après calcul, et en utilisant la représentation des harmoniques, cela peut être
exprimé par :
∞
Irms =
∑ IH
n
2
n =1
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Harmoniques (suite)
où IHn = valeur efficace de l'harmonique de ne rang.
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Harmoniques (suite)
La valeur efficace est également exprimée par l'équation :
Irms = IH12 +
∞
∑ IH
n
2
n= 2
∞
Ieff = IH1 1 +
∑
n=2
ou :
 IHn 


 IH1 
∞
Irms = IH1 1 +
∑ Ih
n
2
2
donc :
= IH1 1 + THDI2
n= 2
• Ihn = Ihn%/100 (niveau exprimé comme valeur, et non comme pourcentage.
• THDI = THDI%/100 (distorsion exprimée comme valeur, et non comme
pourcentage).
La valeur efficace du courant est celle de la composante fondamentale, multipliée
par un coefficient dû aux harmoniques et qui est une fonction de la distorsion.
 Un effet des harmoniques est donc d'augmenter la valeur efficace du courant, ce
qui peut provoquer une surchauffe des conducteurs et nécessiter leur
surdimensionnement. Plus la distorsion est faible, moins le besoin de
surdimensionnement est important.
Exemple
Courant d'entrée d'un redresseur triphasé
Niveaux de distorsion harmonique
Ih5 = 33 %
Ih7 = 2,7 %
Ih11 = 7,3 %
Ih13 = 1,6 %
Ih17 = 2,6 %
Ih19 = 1,1 %
Ih23 = 1,5 %
Ih25 = 1,3 %
THDI = 35 %
Fig. 5.35. Exemple de spectre de courant harmonique
∞
THDI% =
∑ (Ih %)
n
2
n= 2
La valeur sous le signe de racine carrée est :
2
2
2
2
2
2
2
2
33 + 2,7 + 7,3 + 1,6 +2,6 + 1,1 + 1,5 +1,3 = 1164
par conséquent, THDI% ≈ 34 % et THDI = 0,34.
Ieff = IH1 1+ THDI2
IH1 1 + 0.342
=
= 1,056 x I1
La valeur efficace de ce courant est donc supérieure de 5,6 % à la valeur de la
composante fondamentale, c'est-à-dire le courant nominal sans harmonique, avec
une hausse proportionnelle de la température.
Valeurs de tension
Aux bornes d'une charge non linéaire par lesquelles circule un courant alternatif
périodique avec distorsion, la tension est également périodique avec une fréquence f
et une distorsion par rapport à l'onde sinusoïdale théorique. La relation entre la
tension et le courant n'est plus gouvernée par la loi linéaire d'Ohm, car cette dernière
n'est applicable qu'à une tension et un courant sinusoïdaux. Il est toutefois possible
d'utiliser un développement de Fourier pour la tension et pour définir les valeurs
suivantes. Il est possible de réaliser la même opération pour le courant.
Contenu en différentes harmoniques de la tension
UHn
Uhn % = 100
UH1
Il est également possible de calculer le spectre harmonique pour la tension.
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p. 77
Harmoniques (suite)
Distorsion harmonique totale de la tension
∞
∑ UH
n
2
n= 2
THDU% = 100
∞
= 100
UH1
 UHn 


UH1 
n= 2 
∑
2
∞
=
∑ (Uh )
n
2
n= 2
Cette distorsion est appelée THDU (U représentant la tension).
Valeur efficace d'une tension avec harmoniques
∞
Irms =
∑ IH
n
2
n =1
Comme le courant, celle-ci peut être exprimée par l'équation :
∞
Urms = UH1 1+
∑Uh
n
2
= IH1 1+ THDU2
n=2
 La valeur efficace de la tension est celle de la composante fondamentale,
multipliée par un coefficient dû aux harmoniques.
Valeurs de puissance
Facteur de puissance en présence d'harmoniques
Sur la base de la puissance active aux bornes d'une charge non linéaire P (en kW)
et la puissance apparente fournie S (en kVA), le facteur de puissance est défini par :
P (kW )
λ=
S (kVA )
Ce facteur de puissance n'exprime pas le déphasage entre la tension et le courant,
car ils ne sont pas sinusoïdaux. Il est cependant possible de définir le déphasage
entre la composante fondamentale de la tension et celle du courant (toutes deux
sinusoïdales), par :
P1(KW )
cos ϕ1 =
S1(kVA )
où P1 et S1 sont respectivement les puissances active et réactive, correspondant
aux composantes fondamentales.
La norme CEI 146-1 définit le facteur de distorsion :
λ
ν=
cos ϕ1
Lorsqu'il n'y a pas d'harmoniques, ce facteur est égal à 1 et le facteur de puissance
est simplement cos ϕ.
Puissance en présence d'harmoniques
• Entre les bornes d'une charge linéaire triphasée équilibrée alimentée par une
tension entre phases u(t) et un courant I(t), où le déphasage entre u et i est ϕ, la
puissance apparente en kVA, en fonction des valeurs efficaces U et I, est :
S = UI 3
La puissance active en kW est : P = S cos ϕ
La puissance réactive en kvar est : Q = S sin ϕ
Où :
S=
P2 + Q2
• Aux bornes d'une charge non linéaire, la définition mathématique de P est
beaucoup plus complexe car U et I contiennent des harmoniques. Il peut toutefois
être exprimé simplement par l'équation :
.P = S λ. (λ = facteur de puissance)
Si U1 et I1 sont les composantes fondamentales déplacées par ϕ1, il est possible de
calculer le courant apparent, actif et réactif par :
S1= U1 I1 3
2
P1 = S1 cos ϕ1 et Q1 = S1 sin ϕ1. La puissance apparente totale est :
S = P1 + Q1 + D2
où D est la puissance de distorsion, due aux harmoniques.
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2
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion
Performance des ASI avec une
charge non linéaire en
utilisant la technologie de
d l ti d l
Importance de l'impédance de sortie de l'ASI
Schéma équivalent pour la sortie d'un onduleur
En ce qui concerne la charge, un onduleur est une source parfaite de tension
sinusoïdale V0 en série avec une impédance de sortie Zs. La figure 5.36 représente
le schéma équivalent de la sortie de l'onduleur lorsqu'une charge est présente.
La sortie de l'onduleur est une source parfaite Vc = impédance entre les bornes de charge.
de tension sinusoïdale V0 en série avec une Vs = impédance à la sortie de l'onduleur.
impédance de sortie Zs.
ZL = impédance de ligne.
Zc = impédance de charge.
Fig. 5.36. Schéma équivalent de la sortie d'un onduleur
Effets des différents types de charge
• Pour une charge linéaire, les impédances Zs, ZL, Zc sont considérées à la
fréquence angulaire ω = 2 π f correspondant à la fréquence de distribution (f = 50 ou
60 Hz), ce qui donne
V0 = (Zs + ZL + Zc) I
• Pour une charge non linéaire, les courants harmoniques appelés par la charge
circulent à travers les impédances. Pour la composante fondamentale et chaque
harmonique, la valeur efficace du courant et celle de la tension sont associées de
même manière et peuvent être exprimées par les équations :
- pour la composante fondamentale : U1 = (Zs + ZL + Zc) I1
- pour chaque rang d'harmonique k : UK = [Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)] IK
Les valeurs d'impédance sont considérées à la fréquence kf du rang donné.
La distorsion de la tension diminue avec chaque niveau des harmoniques de tension
UK/U1.
Ces niveaux sont associés à ceux des courants harmoniques IK/I1 par l'équation :
[Zs(kf) + ZL(kf) + Zc(kf)]/(Zs + ZL + Zc).
 Par conséquent, pour un spectre de courant de charge donné, les différents
niveaux d'harmoniques de tension et la distorsion totale (THDU) diminuent avec
l'impédance de la source et des câbles aux fréquences données.
Conséquences des charges non linéaires
Pour réduire les effets des courants harmoniques (THDU à B et C), il est nécessaire,
autant que possible, de :
• réduire l'impédance de charge ;
• garantir une impédance de source faible aux diverses fréquences d'harmoniques.
 Un bon comportement de la part d'une ASI alimentant des charges non linéaires
nécessite une impédance de sortie faible aux différentes fréquences d'harmoniques.
Vous trouverez ci-dessous une présentation des avantages de la technique de
hachage à modulation de largeur d'impulsion (PWM) dans ce domaine.
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Principe de fonctionnement de l'ASI
Hachage de la tension continue par l'onduleur avec filtrage
Un onduleur est composé d'un convertisseur qui transforme le courant continu fourni
par le redresseur/chargeur ou la batterie en courant alternatif. Par exemple, sur une
ASI monophasée, il existe deux manières de convertir le courant continu : soit à
l'aide d'un demi-pont (voir fig. 5.37) ou d'un pont entier (voir fig. 5.38).
La tension à onde carrée obtenue entre A et B est alors filtrée pour produire une
tension sinusoïdale avec un faible niveau de distorsion à la sortie.
Les commutateurs représentés ici illustrent le principe et sont des IGBT contrôlés.
Fig. 5.37. Convertisseur CC/CA en demi-pont
Fig. 5.38. Convertisseur CC/CA en pont
En termes pratiques, les commutateurs représentés dans les figures 5.37 et 5.38
sont des IGBT dont il est possible de contrôler les ouvertures et les fermetures.
Il est ainsi possible de « répartir » la tension sur l'onde sinusoïdale de référence. Ce
principe est appelé modulation de largeur d'impulsion (PWM, pulse width
modulation) Il est représenté de manière simplifié à la figure 5.39, avec cinq
impulsions d'onde carrée. La surface de l'onde de tension sinusoïdale est égale à
celle des impulsions d'onde carrée utilisées pour la générer. Ces surfaces
représentent la puissance fournie par l'onduleur à la charge sur une période donnée,
∫
T
VIdt
.
c'est-à-dire 0
Plus la fréquence de hachage (le nombre d'impulsions à ondes carrées) est élevée,
plus la régulation par rapport à l'onde de référence est efficace. Le hachage réduit
également la taille du filtre interne requis sur la sortie LC (voir fig. 5.40).
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Fig. 5.39. Tension de sortie du convertisseur Fig. 5.40. Filtre de sortie de l'onduleur
CC/CA
avec cinq impulsions à onde carrée par demiondulation
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Onduleurs à modulation de largeur d'impulsion
Hachage à modulation de largeur d'impulsion
La technique de hachage à modulation de largeur d'impulsion (PWM) combine un
hachage haute fréquence (quelques kHz) de la tension continue par l'onduleur et la
régulation de la largeur d'impulsion de la sortie de l'onduleur, pour se conformer à
une onde sinusoïdale de référence.
Cette technique utilise des IGBT (transistors bipolaires à grille inversée) offrant les
avantages du contrôle de tension et de temps de commutation très courts. En raison
de la fréquence élevée, le système de régulation peut réagir rapidement (par
exemple, 333 nanosecondes pour une fréquence de 3 kHz) pour modifier la largeur
des impulsions sur une période donnée.
 La comparaison avec l'onde de tension de référence permet de produire une
tension en sortie d'onduleur respectant des tolérances de distorsion strictes, même
pour des courants où les distorsions sont très fortes.
Schéma fonctionnel d'un onduleur à modulation de largeur d'impulsion
La figure 5.41 représente le schéma fonctionnel d'un onduleur à modulation de
largeur d'impulsion.
La tension de sortie est sans cesse comparée à la tension de référence, qui est une
sinusoïdale avec un niveau de distorsion très faible (< 1 %).
La différence de tension ε est traitée par un correcteur conformément à une fonction
de transfert C(p), destinée à assurer les performances et la stabilité du contrôle.
La tension du correcteur est alors amplifiée par le convertisseur CC/CA et son
contrôle d'un gain A. La tension Vm fournie par le convertisseur est filtrée par le filtre
LC pour fournir la tension de sortie Vs.
En termes pratiques, il est nécessaire de prendre en compte l'impédance du
transformateur de sortie (quand il existe) afin d'obtenir l'inductance totale L. Souvent,
l'inductance est intégrée au transformateur, raison pour laquelle elle n'est pas
incluse dans les schémas.
Fig. 5.41. Schéma fonctionnel d'un onduleur à modulation de largeur d'impulsion
Impédance de sortie d'un onduleur à modulation de largeur
d'impulsion
Il est possible de représenter le convertisseur CC/CA et le filtre ci-dessus comme
une impédance série Z1 et une impédance parallèle Z2 (voir la partie gauche de la
fig. 5.42).
Le schéma peut être modifié afin de représenter l'impédance de sortie Zs.
Le schéma équivalent (côté gauche de la fig. 5.42) montre :
Z2
• V'm = tension mesurée sans charge, soit V'm = Vm Z1 + Z 2
• Zs = impédance mesurée à la sortie avec court-circuit sur V'm, soit :
Z1 Z 2
Zs = Z1 + Z 2
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Fig. 5.42. Schéma équivalent d'un onduleur vu depuis la sortie
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Z2
Le taux Z1 + Z 2 est la fonction de transfert du filtre, notée H(p).
Pour simplifier, C(p) x A est remplacé par µ(p), qui représente la fonction de transfert
de la correction et de l'amplification.
Il est ainsi possible de remplacer la fig. 5.41 par le schéma fonctionnel de la fig. 5.43.
Fig. 5.43. Schéma fonctionnel d'un onduleur à hachage à modulation de largeur d'onde avec
système de régulation de tension de sortie à fréquence de hachage modulée
Il est possible de montrer que l'impédance de sortie de l'onduleur Zs est, dans ce
cas, égale à :
Z1
Z' s ≈
µ (p)
(pour plus d'informations, consultez le Cahier technique Schneider Electric n° 159).
Cela signifie que, dans la bande passante de régulation, l'impédance de sortie de
l'onduleur est égale à l'impédance série du filtre divisée par la correction et le gain
d'amplification.
Étant donné le gain élevé dans la bande passante de régulation, l'impédance de
sortie est fortement réduite par rapport à l'impédance Z1 d'un onduleur sans ce type
de régulation.
Cela signifie que, dans la bande passante de régulation, l'impédance de sortie de
l'onduleur est égale à l'impédance série du filtre divisée par la correction et le gain
d'amplification.
Par conséquent, l'impédance de sortie est une fonction de la fréquence (voir
fig. 5.44).
 La technique de modulation de largeur d'impulsion à fréquence libre réduit
considérablement l'impédance de sortie.
Comparaison de diverses
sources
Impédance de sortie de diverses sources
Les courbes de la figure 5.44 montrent les impédances de sortie de diverses sources
avec des sorties nominales égales en fonction de la fréquence du CA. Les
impédances sont tracées en tant que pourcentage de l'impédance de la charge Zc.
• Transformateurs et générateurs : la courbe est une ligne droite correspondant à
l'effet de l'inductance L (terme qui devient rapidement dominant dans la réactance
par rapport à la résistance et qui augmente de manière linéaire comme une fonction
de la fréquence).
• Onduleurs modernes mettant en œuvre la technologie de hachage PWM avec
fréquence de hachage modulée. À toutes les fréquences harmoniques, le rapport
Zs/Zc est :
- inférieur à ce qui est relevé pour d'autres sources ;
- faible et pratiquement constant.
Conclusion
L'onduleur à modulation de largeur d'impulsion (PWM) est la source qui, de loin,
offre l'impédance de sortie la plus faible en présence d'harmoniques. Il s'agit
clairement de la meilleure source sur le marché en termes de capacité à réduire la
distorsion de la tension causée par les charges non linéaires. Il est cinq à six fois
plus performant qu'un transformateur de même puissance nominale.
 La nouvelle génération d'ASI mettant en œuvre les IGBT et la technologie de
hachage à modulation de largeur d'impulsion (PWM) à modulation de fréquence est
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
la meilleure source de tension sinusoïdale, quel que soit le type de courant appelé
par la charge.
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
Fig. 5.44. Impédance de sortie de diverses sources en fonction de la fréquence
Hachage à fréquence libre
Hachage à fréquence libre
La fréquence libre est une amélioration de la technique à modulation de largeur
d'impulsion (PWM).
Le hachage PWM peut utiliser deux techniques différentes (fig. 5.45).
Hachage à fréquence fixe
Les fronts de hachage surviennent à intervalles réguliers et fixes correspondant à la
fréquence de hachage sur une période.
La largeur des impulsions (impulsions à onde carrée) peut être modulée pour la
conformer à la référence sur l'intervalle de temps fixe.
Les deux ondes sinusoïdales du schéma correspondent à la tolérance (< 1 %)
autour de la même sinusoïde de référence.
Hachage à fréquence libre
Les fronts de hachage ne surviennent pas nécessairement à intervalles fixes. Le
hachage s'adapte aux besoins de la régulation, c'est-à-dire à la fréquence de
changement de la référence. La largeur des fronts de commutation décroît (la
fréquence de hachage augmente) à mesure que la fréquence de changement de la
sinusoïde de référence augmente. Inversement, la largeur des fronts de
commutation augmente (la fréquence de hachage diminue) à mesure que la
fréquence de changement de la référence diminue. Dans l'ensemble, la fréquence
de hachage moyenne est la même que celle de la technique à fréquence fixe
(environ 3 kHz), mais la régulation est meilleure car la commutation s'accélère dans
les zones où la fréquence de changement est élevée (voir fig. 5.46).
Elle peut atteindre huit commutations par milliseconde, soit un temps de régulation
de seulement 125 nanosecondes (au lieu de 300 ns pour la technique à fréquence
fixe).
 La technique à fréquence libre augmente la précision de la régulation de la
tension dans les onduleurs à PWM par rapport à la technique à fréquence fixe.
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Charges non linéaires et technologie de
modulation de largeur d'impulsion (suite)
La fréquence de hachage est fixe.
La modulation est effectuée à intervalles fixes,
quelle que soit la fréquence de changement
de la sinusoïde de référence.
Fréquence fixe
La fréquence de hachage augmente lorsque la
fréquence de changement de la référence est
élevée.
La modulation est donc effectuée à intervalles
plus courts quand la fréquence de
changement de la sinusoïde de référence
augmente.
Fréquence libre
Fig. 5.45. Hachage à modulation de largeur d'onde à fréquence fixe et régulation de fréquence
fixe
Free-frequency
switching
Quality
band with
variations
< 1%
Output voltage
curve
Up to 8 commutations
per millisecond
Fig. 5.46. Régulation utilisant la commutation à fréquence libre
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Redresseurs CFP
Redresseurs standard et CFP
Les ASI appellent l'électricité du réseau de distribution de courant alternatif par
l'intermédiaire d'un redresseur/chargeur. En ce qui concerne le système en amont, le
redresseur est une charge non linéaire et appelle des harmoniques. En termes de
génération d'harmoniques, il existe deux types de redresseur.
Redresseurs standard
Ce sont des redresseurs triphasés composés de thyristors et utilisant un pont à six
phases avec hachage standard du courant.
Ce type de pont appelle des courants harmoniques des rangs n = 6 k ± 1 (où k est
un nombre entier) : les harmoniques H5 et H7 sont principalement concernées, ainsi
que, à un degré moindre, H11 et H13.
Les harmoniques sont contrôlées à l'aide d'un filtre (voir fig. 1.20).
Redresseur CFP (correction de facteur de puissance) « propre »
Ce type de redresseurs intègre des transistors IGBT et un système de régulation
permettant d'ajuster la tension et l'intensité d'entrée sur une sinusoïde de référence.
Cette technique permet d'assurer une tension et une intensité d'entrée :
• parfaitement sinusoïdales (sans harmoniques) ;
• en phase (facteur de puissance proche de 1).
Aucun filtre n'est requis pour ce type de redresseurs.
Redresseurs CFP
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement des redresseurs CFP consiste à forcer le courant
appelé à rester sinusoïdal. Pour ce faire, ils utilisent la technique de modulation de
largeur d'impulsion (PWM) présentée ci-dessus.
Le principe est celui d'un convertisseur « source de tension » (voir fig. 5.47), alors
que les compensateurs actifs d'harmoniques SineWave utilisent un convertisseur
« source de courant ».
Le convertisseur fonctionne comme une force contre-électromotrice (un « générateur
de tension sinusoïdale ») sur le système de distribution, et le courant sinusoïdal est
obtenu par insertion d'une bobine d'inductance entre le réseau d'alimentation et la
source de tension.
Même si les autres charges non linéaires augmentent la distorsion de la tension sur
le système de distribution, la régulation peut s'adapter pour appeler un courant
sinusoïdal.
La fréquence des courants harmoniques résiduels faibles est la fréquence de la
modulation et de ses multiples. La fréquence dépend des possibilités des semiconducteurs utilisés.
Fig. 5.47. Principe de fonctionnement d'un convertisseur « générateur de tension » propre
Mise en œuvre
Redresseur monophasé
La figure 5.48 représente le schéma d'un redresseur monophasé.
La modulation de tension est obtenue par un contrôleur qui force le courant à suivre
un courant de référence sinusoïdal.
Le transistor T et la diode D composent le modulateur de tension. La tension u
change donc entre 0 et Vs selon que le transistor T est fermé (conducteur) ou ouvert
(bloqué).
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Redresseurs CFP
Lorsque le transistor T est à l'état conducteur (fermé), le courant dans la bobine
d'inductance L ne peut qu'augmenter car la tension est positive et u = 0.
Par conséquent :
di e
=
dt L > 0
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Redresseurs CFP (suite)
Lorsque le transistor T est à l'état bloqué (ouvert), le courant dans L diminue à
condition que Vs soit supérieur à V, de sorte que :
di e − Vs
=
dt
L
>0
Pour que cette condition soit remplie, la tension Vs doit être supérieure à la tension
de crête de V, soit la valeur efficace de la tension du courant alternatif multipliée par
2
Si cette condition est remplie, le courant dans L peut être augmenté ou réduit à tout
moment. La variation du courant avec le temps dans L peut être forcée en surveillant
les durées de conduction ou de blocage du transistor T. La figure 5.49 montre
l'évolution du courant IL par rapport à une valeur de référence.
Du point de vue de la source, le convertisseur
doit fonctionner comme une résistance, c'està-dire que le courant i doit être sinusoïdal et
en phase avec e (cos ϕ = 1).
En contrôlant le transistor T, le contrôleur
force IL à suivre un courant sinusoïdal de
référence avec rectification complète de
l'onde. La forme de I est donc forcément
sinusoïdale et en phase avec e.
De plus, pour maintenir la tension Vs à sa
valeur nominale à la sortie, le contrôleur ajuste
la valeur moyenne de IL.
Fig. 5.48. Schéma d'un redresseur monophasé propre appelant un signal sinusoïdal
Fig. 5.49. Évolution du courant IL par rapport à la référence
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p. 90
Redresseurs CFP (suite)
Redresseur/chargeur triphasé
L'organisation du circuit est décrite dans la fig. 5.50. Elle est similaire à celle de la
fig. 5.48, avec la bobine d'inductance placée en amont des redresseurs. Le principe
de fonctionnement est également le même. Le système de surveillance contrôle
chaque borne de puissance et force le courant appelé sur chaque phase à suivre la
référence sinusoïdale.
Fig. 5.50. Schéma d'un redresseur triphasé propre appelant un signal sinusoïdal
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Redresseurs CFP (suite)
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