Informations théoriques - apc.com · charge entre l'onduleur et l'alimentation secteur, et inversement. Le transfert sans interruption est effectué par un dispositif composé de

APC by Schneider Electric Édition 01/2012 p. 1

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


Approvisionnement des charges sensibles

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.

Types de perturbations électriques

Voir le livre blanc WP 18



(suite)

Perturbations Caractéristiques Causes principales Conséquences principales Coupures d'alimentation Microcoupures

Absence totale de tension ≤ 10 ms.

Conditions atmosphériques, commutation, défaillances, travaux sur le réseau.

Fonctionnement défaillant et perte de données (systèmes 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).

Variations de tension Creux de tension

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.

Phénomènes atmosphériques, fluctuations de charge, court-circuit sur un circuit voisin.

Arrêt des machines, dysfonctionnements, dommages aux équipements et perte de données.

Surtension

Augmentation temporaire de plus de 10 % de la tension nominale pour une durée de 10 ms à quelques secondes.

- 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.).

- Pour les systèmes informatiques : corruption des données, erreurs de traitement, arrêt du système, fatigue des composants. - Échauffement et vieillissement prématuré des équipements.

Sous-tension

Baisse de tension allant de quelques minutes à plusieurs jours.

Pic de consommation, où le producteur ne peut pas répondre à la demande et doit réduire sa tension pour limiter la puissance.

Arrêt des systèmes informatiques. Corruption ou perte de données. Échauffement. Vieillissement prématuré des équipements.

Pic de tension

Augmentation brève mais importante de la tension (6 kV, par exemple).

Impacts de foudre proches, décharges électrostatiques.

Erreurs de traitement, corruption des données, arrêt du système. Dommages aux ordinateurs et aux cartes électroniques.

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.

Variations de fréquence Fluctuations de fréquence

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.

Ces variations dépassent les tolérances de certains instruments et matériels informatiques (souvent ±1 %) et peuvent donc causer la corruption des données.

Papillotement Papillotement (flicker) des systèmes d'éclairage dû à une chute de tension et de fréquence (< 35 Hz).

Centrales de soudure, moteurs, fourneaux à arc, générateurs de rayons X, lasers, jeux de condensateurs.

Perturbations physiologiques.

Autres perturbations Transitoires à haute fréquence

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.

Durée brève < 1 µs Amplitude < 1 à 2 kV à des fréquences de plusieurs dizaines de MHz.

Démarrage de petites charges inductives, ouverture et fermeture répétées de relais et de contacteurs basse tension.

Durée moyenne > 1 µs et ≤ 100 µs Valeur de pic égale à huit à dix fois la valeur nominale, et pouvant atteindre plusieurs MHz.

Défaillances (éclairage) ou commutation haute tension transmise à la basse tension par couplage électromagnétique.

Durée longue > 100 µs Valeur de pic égale à cinq à six fois la valeur nominale, et pouvant atteindre plusieurs centaines de

Arrêt des charges inductives ou défaillances haute tension transmises au système basse tension par couplage



(suite)

MHz. électromagnétique. Distorsion harmonique

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.

Machines électromagnétiques (moteurs, changeurs de prise hors circuit, etc.), alimentations à découpage, fours à arc électrique, variateurs de vitesse électriques.

Surdimensionnement des équipements, échauffement, phénomènes de résonance avec les condensateurs, destruction d'équipements (transformateurs).

Compatibilité électromagnétique (CEM)

Perturbations électromagnétiques ou électrostatiques conduites ou rayonnées. Le but est d'assurer des émissions faibles et des niveaux d'immunité élevés.

Commutation d'équipements électroniques (transistors, thyristors, diodes), décharges électrostatiques.

Dysfonctionnement de dispositifs électroniques sensibles.


Les alimentations sans interruption

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.

La solution ASI


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.


Les alimentations sans interruption (suite)

HV/LV transformer

HV system

Non-sensitive loads

Normal utility power(disturbances andsystem tolerances)

Static bypass

Maintenance bypass

Inverter

Battery

Rectifier/charger

Sensitive loads

UPS

Reliable power(no disturbances, within

strict tolerancesand available due to

battery backup power)

Fig. 5.1. La solution ASI

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.

Applications utilisant les ASI


Les alimentations sans interruption (suite)

Applications utilisant les ASI Application Dispositifs protégés Protection requise contre : Type d'ASI

(voir p. 8) Microcoupures

Coupures Variations de tension

Variations de fréquence

Autre

Systèmes informatiques Centres de données - grandes baies pour serveurs montés

sur rack - centres de données Internet

***** ***** ***** ***** ***** Double conversion

Réseaux d'entreprise - Ensembles d'ordinateurs avec terminaux et périphériques (unités de stockage sur bande, lecteurs de disques, etc.)

***** ***** ***** ***** ***** Double conversion

Petits réseaux et serveurs

- Réseaux composés de PC ou de postes de travail, réseaux avec serveurs (étendus ou locaux)

**** **** *** *** ** Interaction avec le réseau de distribution

Ordinateurs autonomes - PC, postes de travail - Périphériques : imprimantes, traceurs, répondeurs téléphoniques

** ** * * ** Attente passive

Télécommunications Télécommunications - Autocommutateurs téléphoniques

privés (PABX) numériques ***** ***** ***** ***** ***** Double conversion

Industrie et équipements Processus industriels - Commande de processus

- PLC - Systèmes de commande numérique - Systèmes de commande - Système de commande/surveillance de robot - Machines automatiques

*** ***** *** *** **** Double conversion

Médecine et laboratoires - Instrumentation - Scanners (60 Hz) **** ***** **** **** *** Double conversion

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

*** **** *** *** *** Double conversion

Systèmes d'éclairage - Bâtiments publics (ascenseurs, équipement de sécurité) - Tunnels - Éclairage des pistes dans les aéroports

** **** *** *** ** Double conversion Interaction avec le réseau de distribution

Autres applications Fréquences spéciales - Conversion de fréquence

- Alimentation électrique pour les avions (400 Hz)

**** **** **** ***** *** Double conversion

* sensibilité faible aux perturbations. ***** sensibilité importante aux perturbations.


Types d'ASI

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.

ASI statique ou rotative



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.


Types d'ASI (suite)

Dans les pages suivantes, le terme alimentation sans interruption (ASI) désigne la solution statique.


Types d'ASI (suite)

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.

Types d'ASI statique


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.


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.


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


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.


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.

DELTACONVERTER

BATTERY

MAININVERTER

ACDC DC

AC

STATIC BYPASSSWITCH

DELTATRANSFORMER

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.

X4th

Floor

5thFloor

DOUBLE CONVERSION DELTA CONVERSION

X4th

Floor

5thFloor

Fig. 5.7. Analogie de la double conversion par rapport à la conversion delta


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.


Composants et fonctionnement de l'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.

Composants d'une 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 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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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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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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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

Principales caractéristiques des composants d'une ASI



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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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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, nickel-cadmium) 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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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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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 :

InSn

Un=

3 =

100000400 1732x , = 144,3 A



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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

IuSu

Un=

3 =

75000400 1732x , = 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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Exemple : pour une ASI MGE Galaxy, 50 ou 60 Hz ± 0,1 % en fonctionnement normal et ± 0,5 % en autonomie.



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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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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.



(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)



(suite)



(suite)

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

Mode autonomie

Fig. 5.8.Mode normal et 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.

Modes de 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).



(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 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. Cela concerne particulièrement les ASI MGETM GalaxyTM. Les ASI modulaires SymmetraTM 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 Les ASI de la gamme SymmetraTM 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

Configurations d'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 :



(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.



(suite)

Fig. 5.11. Unités ASI en parallèle intégrées avec dérivation de maintenance commune et redondance 2+1. Fonctionnement après perte de redondance.


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).

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

NormalAC input

Rectifiercharger

UPS

BypassAC input

Q4S

Q1

Inverter

Q5N

K3N

Staticbypass

Battery QF1Manualbypass

Loads

Q3BP

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.

100

400

P(kVA)

1990 1995 2000 2010

years

200

300

52005

500

Fig. 5.14. Puissance nominale moyenne des ASI sans transformateur

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.

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). La norme CEI 60364(1) 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.

L1L2L3

PEN

ECPs ECPs

3-ph loads ph-N loads

Phases : L1, L2, L3 Neutre : N Conducteur de protection : PE Pôle de disjoncteur : x N et PE séparés

Fig. 5.15. Système TN-S pour les salles informatiques

Utilisation avec des charges informatiques



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.



● 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

PDU A

UPS B

PDU A

Blade server

Isolatingtransformers

used to recreatea TN-S system

with neutral

xx x

x

..

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





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 Solution sans transformateur IT ou TT en amont - TN-S en aval IT ou TT en amont - TN-S en aval

Comparaison de diverses installations de mise à la terre en amont



Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

PE

Bypass ACinput

Bypasstransformer

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Staticbypass

Battery QF1

Q5N

K3N

PE

Earthingterminal

L1L2L3N

Outputtransformer

LVS

D2

ITTT

Normal ACinput

Rectifiercharger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

LVS

Staticbypass

D1

ITTT

Power Distribution Unittransformer

Fixed and cleanreference for

Neutral

PE

Fig. 5.17. IT ou TT en amont et TN-S en aval


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 TN-C 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 Solution sans transformateur TN-C en amont et TN-S en aval TN-C en amont et TN-S en aval

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

L1L2L3N

Staticbypass

D1

PE LVS



Neutral

Normal ACinput

Rectifier/charger

L1L2L3N

LVMS

UPS

Bypass ACinput

Q3BP

Q4S

Q1

Inverter

Battery QF1

Q5N

K3N

PEL1L2L3N

Staticbypass

D1

LVS



Neutral

Fig. 5.18. TN en amont et en aval


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.


Compatibilité électromagnétique (CEM)

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 ci-dessus. 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.

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.

Perturbations électromagnétiques

Normes et recommandations sur la CEM


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.


Compatibilité électromagnétique (CEM) (suite)

Fig. 5.20 Cinq mesures principales


Normes sur les ASI

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.

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

Portée et application des normes

Principales normes applicables aux ASI


Normes sur les ASI

• Directive sur la basse tension 2006/95/CE


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


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 multiples de 3

Harmoniques impaires multiples de 3

Harmoniques paires

Rang d'harmonique n

Tension d'harmonique en % de fondamentale

Rang d'harmonique n


Rang d'harmonique n


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 19 23 25 > 25

2 1,5 1,5 1,5 0,2+0,5x25/n

> 21 0,2 10 12 > 12

0,5 0,5 0,2 0,2

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

Rang de l'harmonique de tension générée

Classe 1 (systèmes et équipements sensibles) % de fondamentale

Classe 2(1) (réseaux industriels et publics) % de fondamentale

Classe 3 (pour la connexion aux principaux pollueurs) % de 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.

92APC by Schneider Electric Édition 01/2012 p. 57

Stockage de l'énergie

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 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.

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

Technologies possibles

Batteries



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.



Fig. 5.22. Montage en armoire Fig. 5.23. Montage sur étagères Fig. 5.24. Montage en gradin



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.



Fig. 5.25. Cycle de charge de la batterie



Gestion des batteries pour les gammes MGETM GalaxyTM DigibatTM Pour gérer les paramètres ci-dessus, toutes les ASI MGETM GalaxyTM APC by Schneider Electric sont livrées en standard avec le système à microprocesseurs de surveillance des batteries DigibatTM (DSP dédié pour le traitement en temps réel). DigibatTM 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 ; • l'estimation de la durée de vie restante de la batterie(1) ; • les tests sur la batterie pour la détection préventive des défaillances de fonctionnement(1) ; • 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. DigibatTM Surveillance de la température Les ASI MGETM GalaxyTM 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.



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 : E = kMω2 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.

Rectifier

Criticalloads

AC input

Inverter

Battery

UPS

Flywheel 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.

Volants d'inertie



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 • 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



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.



• 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 :


Combinaison ASI/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

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

Utilisation d'un groupe électrogène




progressivement le chargeur à l'aide d'un commutateur auxiliaire afin d'éviter de perturber les autres charges.


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 lui-même (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.



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 : 1er pic (100 %) : k In (k de 10 à 20) ; 2e pic 30 % : 0,3 k In ; 3e pic 15 % : 0,15 k In. Le total des valeurs efficaces des courants correspondant aux différents pics (Ipic/ 2 ) (1) est :

Ink2

45,1InK2

)15,03,01(Ink≈=

++

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.



Fig. 5.30. Courbe de

démarrage en ligne direct pour un moteur asynchrone triphasé

Fig. 5.31. Courant de commutation d'un transformateur basse tension

Fig. 5.32. Courant de démarrage de charges informatiques


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.

Harmoniques


Harmoniques


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.


Harmoniques (suite)

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 IH t IHn n t n

n

( ) sin( ) sin( )= + + +=

∞

∑12

2 1 2ω ϕ ω ϕ

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 ; • IHn est la valeur efficace de l'harmonique de ne rang, à une fréquence nf ; • ϕn est le déphasage entre le courant harmonique de ne 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.

1

nn

IHIH100%Ih =

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.

( )THDI

IH

IHIHIH

Ihn

n n

nn

n

% %= =

==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

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 :

( )I

TI t dtrms

T= ∫1 2

0 Après calcul, et en utilisant la représentation des harmoniques, cela peut être exprimé par :

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1

Valeurs caractéristiques des harmoniques


Harmoniques (suite)

où IHn = valeur efficace de l'harmonique de ne rang.


Harmoniques (suite)

La valeur efficace est également exprimée par l'équation :

I IH IHrmsn

= +=

∞

∑12 2

2n

ou :

∑∞

=

+=

2n

2n

1eff1IH

IH1IHI

donc :

I IH Ih IH THDIrms nn

= + = +=

∞

∑12

21

21 1

• 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 Ihnn

% %==

∞

∑ 2

2 La valeur sous le signe de racine carrée est : 332 + 2,72 + 7,32 + 1,62 +2,62 + 1,12 + 1,52 +1,32 = 1164 par conséquent, THDI% ≈ 34 % et THDI = 0,34.

I IH THDIeff = +121 = IH1

21 0 34+ . = 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

1

nn

UHUH100%Uh =

Il est également possible de calculer le spectre harmonique pour la tension.


Harmoniques (suite)

Distorsion harmonique totale de la tension

( )THDU

UH

UHUHUH

Uhn

n n

nn

n

%= =

==

∞

=

∞

=

∞∑∑ ∑100 100

2

2

1 1

2

2

2

2 Cette distorsion est appelée THDU (U représentant la tension). Valeur efficace d'une tension avec harmoniques

I IHrms n

n

==

∞

∑ 2

1 Comme le courant, celle-ci peut être exprimée par l'équation :

2

12

nrms THDUIHUh1UHU +=+= ∑∞

=

112n

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 :

)kVA(S)kW(P

=λ

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 :

)kVA(S)KW(Pcos

1

11 =ϕ

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 :

1cosϕλ

=ν

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 :

3UIS = La puissance active en kW est : P = S cos ϕ La puissance réactive en kvar est : Q = S sin ϕ Où :

22 QPS += • 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 : S U I1 31 1= P1 = S1 cos ϕ1 et Q1 = S1 sin ϕ1. La puissance apparente totale est :

S P Q D= + +1 12 2 2

où D est la puissance de distorsion, due aux harmoniques.


Charges non linéaires et technologie de

modulation de largeur d'impulsion

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

de tension sinusoïdale V0 en série avec une impédance de sortie Zs.

Vc = impédance entre les bornes de charge. Vs = impédance à la sortie de l'onduleur. 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.

Performance des ASI avec une charge non linéaire en utilisant la technologie de

d l ti d l


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,

c'est-à-dire VIdtT

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).



Fig. 5.39. Tension de sortie du convertisseur CC/CA avec cinq impulsions à onde carrée par demi-ondulation

Fig. 5.40. Filtre de sortie de l'onduleur



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 :

• V'm = tension mesurée sans charge, soit V'm = Vm

ZZ Z

2

1 2+ • Zs = impédance mesurée à la sortie avec court-circuit sur V'm, soit :

Zs =

Z ZZ Z

1 2

1 2+



Fig. 5.42. Schéma équivalent d'un onduleur vu depuis la sortie



Le taux

ZZ Z

2

1 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 :

Z' s ≈Z1

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.

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

Comparaison de diverses sources



la meilleure source de tension sinusoïdale, quel que soit le type de courant appelé par la charge.



Fig. 5.44. Impédance de sortie de diverses sources en fonction de la fréquence

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.

Hachage à fréquence libre



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.

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 fixe Fréquence libre Fig. 5.45. Hachage à modulation de largeur d'onde à fréquence fixe et régulation de fréquence fixe

Free-frequencyswitching

Qualityband withvariations< 1%

Output voltagecurve

Up to 8 commutationsper millisecond

Fig. 5.46. Régulation utilisant la commutation à fréquence libre


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 semi-conducteurs 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).


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 : didt

eL

= > 0


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 : didt

e VsL

=−

> 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'est-à-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



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



Documents

Informations théoriques - apc.com · charge entre l'onduleur et l'alimentation secteur, et inversement. Le transfert sans interruption est effectué par un dispositif composé de