Sade-5tnrpc r0 Fr

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Principes fondamentauxsur les générateursdestinés auxtechnologies del'information

Livre blanc n° 93

Par Robert Wolfgang



©2004 American Power Conversion. Tous droits réservés. La présente publication ne peut être ni utilisée, ni reproduite, ni photocopiée,ni transmise, ni stockée dans un système d'archivage, de quelque nature que ce soit, sans l'autorisation écrite du détenteur des droitsd'auteur. www.apc.com Rév 2004-0

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Résumé de l'étudeTous les professionnels des technologies de l'information qui sont responsables du fonc-

tionnement d'équipements informatiques doivent veiller à ce que leur centre de données ou

salle d'équipement de réseau soit préparé en cas de panne de courant prolongée. Com-

prendre les fonctions et les concepts fondamentaux des générateurs de secours permet de

fournir aux professionnels de l’informatique les bases nécessaires à la spécification,

à l'installation et au bon fonctionnement des installations critiques. Ce document est une

introduction aux générateurs de secours et aux sous-systèmes qui alimentent les charges

électriques critiques d'une installation en cas de défaillance de la source d'alimentation

secteur.




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IntroductionUn générateur de secours est composé de deux sous-systèmes de base : (1) le générateur, comprenant

un moteur d'entraînement, un alternateur et un régulateur, et (2) le système de distribution, constitué

d'un commutateur de transfert automatique (ATS) et des équipements de distribution et de commutation

associés. La figure 1 présente un générateur de secours standard. Ce document décrit ces principaux

sous-systèmes et leur fonction de base. Il constitue toutefois une présentation sommaire qui sera complé-

tée par d'autres documents APC de niveau plus avancé sur les générateurs, et fournit des références pour

les lecteurs désireux d'approfondir le sujet.

Figure 1 – Générateur de secours

Avant d'investir dans un générateur de secours, l'acquéreur doit connaître les avantages technologiques

offerts par les systèmes actuels, ainsi que les progrès significatifs obtenus en matière de fiabilité et de

fonctionnalité au cours des 10-15 dernières années. Dans la plupart des cas, il est possible de rééquiper

les anciens générateurs conformément aux exigences actuelles. Reportez-vous au livre blanc APC n° 90,

« Essential Generator System Requirements for Next Generation Data Centers » pour en savoir plus sur

les conditions essentielles requises pour les générateurs des installations critiques actuelles.




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Le moteur d'entraînement : un moteur à combustioninterneQu'est-ce que la combustion interne ? Il est probable qu'un moteur à combustion interne alimente la voiture

que vous conduisez aujourd'hui. Le moteur à combustion interne est l'invention la plus utilisée au cours dela seconde moitié du 20e siècle et reste un élément fiable et performant du nouveau millénaire. En termes

simples, un moteur à combustion interne convertit sa source d'alimentation en un mouvement mécanique

par le biais de pièces mobiles internes. Lorsque l'air extérieur se mélange au carburant à l'intérieur du mo-

teur, ces pièces mobiles enflamment le mélange air / carburant pour créer une explosion interne contrôlée

(combustion) au sein de cavités appelées cylindres. Bien qu'il existe de nombreuses variantes du moteur à

combustion interne, le moteur le plus couramment utilisé dans les générateurs de secours est le moteur à

quatre temps. Il est dit « à quatre temps » en raison des quatre phases distinctes de son cycle de combus-

tion. Ces phases comprennent l'aspiration du mélange air / carburant, la compression de ce mélange, la

combustion ou l'explosion, et l'échappement. Dans le cas d'un générateur, le moteur est généralement

appelé moteur d'entraînement. Les sections suivantes décrivent les principaux attributs associés au moteurd'entraînement.

CarburantQuatre carburants principaux sont utilisés dans les moteurs à combustion interne. Il s'agit du gazole, du gaz

naturel, du pétrole liquéfié et de l'essence. Le choix du type de carburant dépend de variables telles que le

stockage, le coût et l'accessibilité.

Échappement, émissions et bruit

L’échappement des générateurs pose le problème important de la pollution de l'air et de la pollution acousti-que. Bien que le concept d'atténuation du bruit et de canalisation de l'air évacué soit simple, les questions

environnementales et réglementaires ne le sont pas. L'EGSA (Electrical Generating Systems Association)

est une organisation mondiale qui offre une mine d'informations sur les émissions et sur d'autres considéra-

tions relatives aux générateurs de secours. Les lois sur l'environnement, les permis de construire et la durée

d'utilisation des générateurs varient considérablement d'un pays à l'autre. Par exemple, aux Etats-Unis,

l'Agence fédérale de protection de l'environnement (EPA - Environmental Protection Agency) a octroyé à

chacun des Etats un pouvoir juridictionnel concernant la réalisation des objectifs de qualité de l'air définis

au niveau national. D'autres pays disposent d'organismes de réglementation similaires qui définissent les

limites des émissions des générateurs. Par exemple, au Royaume-Uni, le Ministère de l'Agriculture, de

l'Alimentation, de la Pêche et des Affaires rurales (DEFRA) définit les règles de protection de l'environne-ment. En Inde, c'est le Ministère de l'Environnement et des Forêts (MoEF) qui joue ce rôle. Si l'installation

est située dans une zone particulièrement sensible, des attestations concernant les émissions peuvent être

exigées lors de la demande de permis. Les industriels sont généralement habitués à ce processus d'appro-

bation sur les sites qu'ils dirigent.




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La pollution acoustique est un autre problème soumis à l'acceptation des autorités juridictionnelles. Les

arrêtés locaux sur la pollution acoustique resituent généralement ce problème dans le cadre du plus haut

niveau de bruit de fond enregistrable sur une période de 24 heures. Les silencieux d'échappement sont

généralement classés en trois types : industriels, résidentiels ou critiques. Les modèles destinés aux instal-

lations critiques offrent le plus haut niveau d'isolement acoustique.

Pour éviter des frais de rééquipement, il est nécessaire de connaître le coefficient de bruit du système

avant tout achat et de faire évaluer ce coefficient par l'autorité responsable du zonage au cours des étapes

de planification. Les vibrations mécaniques participent également au niveau sonore global et à la perception

du bruit par les occupants des lieux environnants. Des techniques de montage et d'isolation existent pour

minimiser ce problème.

Le troisième facteur à prendre en compte est le facteur esthétique, car les générateurs peuvent être soumis

à l'acceptation des municipalités. Certaines municipalités ont des exigences strictes quant à l'emplacement

du générateur, y compris la possibilité d'exiger qu'il soit masqué par des murs en béton ou en parpaing en

conformité avec l'aspect général du bâtiment principal. Ainsi, le générateur ne se remarque pas et garde un

aspect esthétique neutre par rapport à l'environnement immédiat.

Admission de l'air de combustion

Il est important que la mise à disposition d'un système de ventilation d'air froid et pur au niveau du moteur

soit prévue au moment de la conception de la salle. Il est également recommandé d'envisager un apport en

air frais pour le confort du personnel. Cela nécessite souvent de prévoir de grandes bouches d'aération et

éventuellement des ventilateurs auxiliaires. Une autre mesure de précaution consiste à empêcher l'introduc-

tion de débris, de neige et de pluie dans le système.

Refroidissement

La plupart des moteurs d'entraînement utilisés dans les générateurs sont refroidis à l'aide d'un radiateur

semblable à celui d'une voiture. Un ventilateur permet de déplacer suffisamment d'air au niveau du radiateur

pour maintenir une température modérée. La chaleur résiduelle est évacuée du radiateur par une gaine de

même section que la partie avant du radiateur. L'ouverture destinée à l'air entrant (persiennes de la pièce) a

généralement une taille supérieure de 25 à 50 % à celle de cette gaine. Un entretien rigoureux du système

de refroidissement est nécessaire pour un fonctionnement fiable. Il est indispensable de contrôler soigneu-

sement les tuyaux et le niveau du liquide de refroidissement, le fonctionnement de la pompe à eau et la

protection antigel pour obtenir des performances acceptables.

Lubrification

Les moteurs modernes à quatre temps utilisent des systèmes de filtre à passage intégral qui pompent l'huile

de graissage à travers des filtres non intégrés pour empêcher l'endommagement des pièces mobiles ou des

paliers par des particules et des contaminants. Des réservoirs d'huile d'appoint sont utilisés pour maintenir

un niveau d'huile correct, tandis que des refroidisseurs d'huile externes permettent d'éviter les interruptions

de lubrification liées à des températures élevées.




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Filtres : air et carburant

L'air et le carburant sont des éléments critiques pour le fonctionnement fiable du moteur d'entraînement.

Il est essentiel de suivre un programme de maintenance approprié. Un système qui intègre des filtres et

des tuyaux à carburant à double redondance constitue un avantage considérable dans les applications

critiques nécessitant une autonomie de longue durée. En effet, les filtres et les tuyaux à carburant peuvent

être isolés et changés sans que le moteur soit arrêté. Ne pas disposer de pièces de rechange pour les filtres

et d'autres « consommables » peut conduire à une immobilisation du système.

Le contrôle de ces filtres s'effectue à l'aide de voyants de pression différentielle. Ces voyants signalent les

différences de pression au niveau d'un filtre ou entre deux tuyaux à carburant pendant le fonctionnement

du moteur. Dans le cas des filtres à air, ces dispositifs de contrôle sont des voyants de restriction d'air. Ils

indiquent de manière visuelle s'il est nécessaire de remplacer un filtre à air sec pendant le fonctionnement

du moteur du générateur.

DémarreurLe système de démarrage est l'un des éléments clés du bon fonctionnement du générateur. Les onduleurs

disposant d'une autonomie sur batterie de quelques minutes sont souvent utilisés pour des charges criti-

ques. Un démarrage rapide est donc primordial. Le temps minimum nécessaire à la détection du problème

d'alimentation, au démarrage du moteur d'entraînement, à la stabilisation de la tension et de la fréquence de

sortie, et à la connexion de charges est habituellement d'au moins 10 à 15 secondes. Toutefois, la plupart

des systèmes utilisés aujourd'hui ne sont pas aussi performants en raison de facteurs comme des batteries

non chargées ou volées. Un mauvais entretien et les erreurs humaines sont d'autres facteurs. Une installa-

tion et une maintenance consciencieuses sont absolument nécessaires pour atteindre un taux de réussite

correct pour le démarrage des générateurs.

La plupart des générateurs utilisent un démarreur alimenté par batterie, comme dans les applications

automobiles, bien que des solutions hydrauliques ou pneumatiques soient parfois utilisées sur les moteurs

d'entraînement les plus lourds. L'élément critique d'un démarreur standard est clairement le système de

batterie. Par exemple, l'alternateur de charge de batterie présent dans certains moteurs n'empêche pas les

batteries de se décharger pendant les périodes de non-utilisation. Utiliser un système de charge automati-

que séparé avec une alarme distante est considéré comme une « pratique exemplaire ». Il est également

essentiel de maintenir la batterie à une température relativement chaude et d'éviter tout risque de corrosion.

Le réchauffement de la batterie se fait à l'aide d'un système qui maintient la température de l'électrolyte de la

batterie plomb-acide. Dans les climats froids, cela augmente considérablement le courant de démarrage du

moteur disponible au niveau du démarreur. Les batteries sont mesurées en ampères de démarrage à froid

(ADF), correspondant à l'intensité de courant (ampères) disponible pendant 30 secondes à -17,8 °C (0 °F).

des températures inférieures à -17,8 °C (0 °F) et supérieures à 26,7 °C (80 °F), la fiabilité est très faible.




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Les chauffe-moteurs contribuent également au succès du démarrage en réduisant les forces de frottement

contre lesquelles le démarreur doit lutter une fois alimenté en courant. De nombreuses études indiquent que

les erreurs de démarrage sont la principale cause de panne des générateurs.

L'alternateur : le composant qui fournit l'énergieélectriqueL'alternateur a pour fonction de convertir l'énergie mécanique du moteur d'entraînement en courant alterna-

tif. Il est semblable à l'alternateur d'une voiture, à ceci près que dans une voiture, il est généralement entraî-

né par une courroie, tandis que dans un générateur, il est dirigé par l'arbre principal du moteur d'entraîne-

ment. Un alternateur très basique peut être fabriqué à partir d'une boucle de fil métallique et d'un aimant.

L'électricité est générée lorsque la boucle de fil traverse le champ magnétique produit par les pôles positifs

et négatifs de l'aimant. De même, le champ magnétique peut se déplacer tandis que le fil reste fixe. Un alter-

nateur de ce type produit une très petite quantité d'électricité, mais est basé sur les mêmes principes électri-

ques que les alternateurs de grande taille utilisés dans les générateurs. Au fil des années, certaines caracté-ristiques des composants d'un alternateur ont été améliorées pour augmenter son efficacité, sa capacité et

sa fiabilité. Chacune de ces caractéristiques est expliquée ci-dessous. La figure 2 présente les principaux

composants d'un alternateur standard utilisé dans un générateur.

Figure 2 – Vue transversale : alternateur sans balai, à auto-excitation et à régulation externe

Sortie c.a.triphasée + neutre

Alternateur principal - Champ tournant

Conducteurs durotor principal

Moteur d'entraî-

nementHousing

Arb re d etransmission

Stator principal(enroulements d'induit)

Rotor principal(champ)

+

-

Alternateur à excitation

Induit tournant

Stator à excitation (champ)

Rotor àexcitation(induit)

Entrée c.c. (depuis lerégulateur de tension)

Redresseurde courant(c.a. vers c.c.)




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Sans balai

L'expression « sans balai » fait référence au fait que cette configuration ne nécessite aucun contact au

niveau des pièces rotatives pour transférer l'énergie électrique aux composants ou à partir des composants.

Il est possible d'utiliser des balais dans les moteurs et dans les générateurs de très petite taille, mais il est

certain que ces balais s'useront avec le temps et deviendront impossible à inspecter de manière proactive.

Un modèle de générateur de grande taille qui repose sur des balais n'est pas compatible avec les normes

de fiabilité nécessaires dans le cas d'un fonctionnement critique.

Auto-excitation

Dans l'exemple ci-dessus, un aimant a été utilisé pour générer un champ magnétique. Dans le cas de

générateurs de grande taille, un champ magnétique plus puissant est nécessaire pour générer de grandes

quantités d'électricité. De même, il est impossible de déplacer de grandes pièces de métal avec un simple

aimant dans un cimetière de voitures ; à la place, un électro-aimant suspendu à une grue est utilisé. Un

électro-aimant est un aimant alimenté par un courant électrique et, dans le cas des alternateurs modernes,

l'aimant est à dit « à auto-excitation ». Cette expression signifie que l'électricité utilisée pour créer le champélectromagnétique est produite au sein de l'alternateur lui-même, permettant à ce dernier de produire de

grandes quantités d'électricité sans autre énergie que celle fournie par le moteur d'entraînement.

Enroulements de stator ou d'induitLes enroulements de stator ou d'induit représentent les bobines de fil dans lesquelles l'électricité est induite

pour les charges critiques. Les caractéristiques du courant alternatif produit dépendent de la quantité et de

la géométrie des spires de bobines. Un grand choix de configurations est disponible pour offrir des combi-

naisons liées aux exigences de courant admissible et de tension.

Les enroulements triphasés correspondent à trois bobines espacées de 120 degrés à la circonférence de

rotation. Lorsque le champ magnétique de l'alternateur n'a qu'une seule paire de pôles nord/sud, un seul

cycle de courant alternatif par phase est créé par rotation du moteur d'entraînement. En d'autres termes,

pour produire un courant 60 Hz c.a., le moteur d'entraînement doit faire tourner l'alternateur à 3 600 tr/min

(tours par minute). Il s'agit d'une vitesse modérément élevée pour les générateurs diesel qui subissent envi-

ron deux fois l'usure d'un moteur fonctionnant à 1 800 tr/min. Lorsque le champ magnétique de l'alternateur

a quatre pôles, la vitesse du moteur d'entraînement peut atteindre 1 800 tr/min pour obtenir une sortie de

60 Hz. Des générateurs à vitesse encore inférieure comprenant des alternateurs de 6 ou 8 pôles (respecti-

vement, 1 200 et 900 tr/min) sont également disponibles.

Mise à la terre

La mise à la terre du générateur et le branchement d'un point neutre constituent des aspects capitaux.

Il est impératif à la fois pour le dépannage et la qualité de l'alimentation que la méthode de mise à la

terre soit cohérente avec le code de l'électricité du pays. Par exemple, les Etats-Unis utilisent le National

Electrical Code (NEC) Article 250 Réf. 4 (ou une autre norme en vigueur dans la juridiction).




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Quelle que soit la taille de l'installation, la mise à la terre est peut-être l'un des aspects les moins bien

compris et appliqués. Les informations applicables sont contenues dans la norme IEEE1 446-1995, « IEEE

Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applica-

tions » (Orange Book). En cas d'alimentation de charges électroniques sensibles, il est essentiel de prendre

également en compte les recommandations de la norme IEEE 1100-1999, « IEEE Recommended Practice

for Powering and Grounding Electronic Equipment » (Emerald Book).

Caractéristiques thermiquesLes caractéristiques thermiques des enroulements de l'alternateur constituent une autre spécification impor-

tante, notamment pour les applications susceptibles d'impliquer une altitude, une température ambiante ou

une ventilation excessives.

L'utilisation d'un générateur de plus grande taille est parfois une solution qui permet de limiter l'augmentation

de la température des enroulements. D'autre part, un système d'isolation spécial est disponible pour résister

aux températures les plus élevées. L'environnement d'exploitation peut impliquer des mises à l'épreuve et

des conditions rigoureuses liées à l'humidité, à la température, à la moisissure, aux animaux nuisibles, etc.

Des configurations et des systèmes d'isolation spéciaux pour les menaces liées à l'environnement sont

disponibles, afin d'éviter que les enroulements ne deviennent humides et que les systèmes d'isolation ne

se détériorent.

Le régulateur : régulation et fréquence de la sortie c.a.Le régulateur maintient la vitesse du moteur d'entraînement dans des conditions variées en ajustant le

niveau du carburant qui alimente ce moteur. Une fréquence c.a. stable est nécessaire et est directement

proportionnelle à la précision et au délai de réponse du régulateur. Cet élément est un composant clé de ladétermination de la qualité de l'alimentation c.a. en sortie.

La variation de la fréquence et son impact sur la qualité de l'alimentation ne sont pas des problèmes aux-

quels les utilisateurs sont confrontés en cas de connexion à un réseau secteur stable. Toutefois, les équi-

pements électroniques sensibles sont vulnérables aux interruptions dues à des changements brusques de

fréquence sous l'influence de l'alimentation du générateur. La capacité du générateur à produire une fré-

quence constante est directement proportionnelle à la vitesse (tours par minute) du moteur d'entraînement

qui est contrôlée par le régulateur. Il existe de nombreux systèmes, du simple modèle à ressort aux systè-

mes électroniques et hydrauliques complexes, qui régulent de manière dynamique la vanne d'admission du

carburant pour maintenir le moteur à une vitesse constante. Le simple ajout ou retrait de charges, ou la

variation de ces charges, crée des conditions auxquelles le régulateur doit répondre.

1 L'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) est un organisme de référence dans de nom-

breux domaines techniques comme l'énergie électrique. Il s'agit d'une association professionnelle technique

sans but lucratif comprenant plus de 360 000 membres dans près de 175 pays. www.ieee.org




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Un modèle de régulateur isochrone (même vitesse) maintient une vitesse constante quel que soit le niveau

de charge. De petites variations peuvent survenir au niveau de la vitesse du moteur d'entraînement et leur

étendue permet de mesurer la stabilité du régulateur. La technologie actuelle permet de maintenir une

régulation de fréquence de ± 0,25 % avec des temps de réponse aux variations de charge de l'ordre de

1 à 3 secondes. Aujourd'hui, les systèmes électroniques à semi-conducteurs offrent une grande fiabilité

ainsi que la régulation de fréquence nécessaire pour les charges critiques.

Lorsque plusieurs générateurs sont mis en parallèle pour des raisons de capacité ou de redondance, ils

doivent tous être régulés à la même vitesse par l'installation ou un autre générateur qui sert de référence

de fréquence principale. En effet, si les deux sources ne sont pas synchronisées, l'une d'elles porte une

plus grande part de la charge, ce qui nécessite une correction.

Des systèmes de régulation électronique sophistiqués pour la mise en parallèle ont récemment été dévelop-

pés afin de fournir une meilleure coordination et une meilleure stabilité de la fréquence dans diverses condi-

tions. Ces progrès sont particulièrement appréciés au vu des conditions requises de disponibilité des centres

de données actuels, en raison de leur fiabilité, de leur maintenance réduite et des efforts de coordination.

Le type de carburant du générateur, ainsi que l'ampleur des variations potentielles de charge, ont une

influence sur le choix du régulateur. Étant donné que ces deux facteurs contribuent à la précision et à la

stabilité de la vitesse du moteur d'entraînement, ils doivent être pris en compte dans la conception générale.

Régulation de la tensionLa fonction de base d'un régulateur de tension est simplement de contrôler la tension produite à la sortie de

l'alternateur. Le fonctionnement du régulateur de tension est vital pour les charges critiques dépendantes del'alimentation au niveau de l'ordinateur. L'objectif est de configurer un système avec un temps de réponse

approprié afin de minimiser les variations à la baisse et à la hausse qui surviennent au moment des fluctua-

tions de charge. Un autre élément à connaître est le comportement du régulateur lorsqu'il est soumis à des

charges non linéaires comme des alimentations en mode commuté plus anciennes. Les charges non linéai-

res puisent le courant d'une manière qui est incohérente avec la forme d'onde de la tension, tandis que les

charges résistantes (comme une ampoule) puisent le courant de manière synchronisée avec la forme d'onde

de la tension. Les charges non linéaires peuvent agir de manière négative sur un générateur et compromet-

tre ainsi la disponibilité de la charge critique en mode attente.

Le document EGSA 101E Section 5 définit le paramètre de régulation de la tension comme étant la« différence entre la tension à vide et la tension à pleine charge en régime permanent, exprimée en pour-

centage de la tension à pleine charge ». Trois aspects de l'alternateur déterminent la tension : la force du

champ magnétique, la vitesse à laquelle l'intensité du champ magnétique diminue et le nombre d'enroule-

ments dans la bobine. Les deux derniers aspects sont constants dans cette étude, ce qui signifie que la

régulation de la tension est une manière de modifier le champ magnétique pour obtenir le résultat souhaité.




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De nombreuses technologies permettent de surveiller la tension de sortie pour fournir la qualité d'alimenta-

tion la plus appropriée pour le centre de données. Quelle que soit la configuration du régulateur, il est néces-

saire d'envisager le « pire scénario » qui sera toujours moins néfaste que la variation de tension maximale

tolérable. Les facteurs qui peuvent contribuer aux situations les plus critiques incluent notamment une

baisse de tension due à une température d'enroulement excessive ou à un pourcentage élevé de charges

non linéaires. Les centres de données actuels contiennent très peu de charges non linéaires en raison de

la prédominance de sources d'alimentation corrigées par le facteur de puissance. Toutefois, si le générateur

doit être utilisé comme système de secours pour d'autres bâtiments, il est nécessaire d'identifier les charges

non linéaires pour choisir le générateur le plus approprié.

Commutation et distributionLa distribution de la sortie du générateur aux charges critiques est un autre sujet très important à prendre

en compte dans la conception du système. Le livre IEEE « Emerald Book » (normes IEEE 1100 à 1999)

est considéré comme un outil de référence en matière d'alimentation des équipements sensibles. La prati-

que recommandée consiste à concevoir le système conformément au livre IEEE « Orange Book » (normes

IEEE 446 à 1995). Le livre IEEE « Orange Book » donne des directives sur les systèmes automatiques de

surveillance de la source secteur et de lancement du démarrage du moteur et du transfert de la charge au

générateur dès qu'il est disponible et stable. Cela inclut le renvoi de la charge à la source secteur lorsque les

conditions normales sont rétablies. En principe, toutes ces fonctions sont intégrées dans un système appelé

commutateur de transfert automatique (ATS). Il existe également d'autres fonctions courantes telles que la

planification de test automatique du générateur et la mise en place d'un cycle de refroidissement une fois

l'alimentation secteur rétablie. En règle générale, ce matériel est fourni par un grand nombre de distribu-

teurs, tels que les fabricants de générateurs, les fabricants d'équipement de distribution et de commutation,

et les sociétés spécialisées dans la conception de commutateurs de transfert automatique. Toutefois, ilexiste des systèmes pré-fabriqués qui évitent les pièges des solutions personnalisées que sont notamment

le coût total de propriété et la complexité. Pour plus d'informations sur les commutateurs de transfert auto-

matique, reportez-vous au livre blanc APC n° 94, « Fundamental Principles of Generator Transfer Switches

for Information Technology ». La figure 3 présente la position du commutateur de transfert automatique au

sein du système de distribution électrique du bâtiment.

Figure 3 – Générateur de secours avec commutateur de transfert automatique

Alimentation

d'urgence

Alimentation

Commutateur de transfert

automatique (ATS)

Charges

normale




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La conception du système doit également prendre en compte la protection contre les surtensions. Les

contacts du mécanisme de commutation doivent être capables de résister aux appels de courant sans

soudure. Il est également essentiel de prévoir que le commutateur ne surchauffe pas en pleine charge et

qu'il soit capable de fournir un courant de court-circuit approprié (courant requis pour déclencher des dispo-

sitifs de protection contre les surtensions tels que des disjoncteurs). Il existe différents schémas de commu-

tation pour le renvoi vers la source secteur (transition ouverte ou fermée). En cas de transition ouverte, les

équipements sont d'abord déconnectés de la source secteur avant d'être connectés au générateur. En cas

de transition fermée, les équipements sont d'abord connectés au générateur, puis déconnectés de la source

secteur. Cela signifie que, pendant une courte période, la source secteur et le générateur sont connectés

en même temps. La transition de type fermé est plus élaborée et minimise les interruptions de transfert

momentanées.




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Générateurs multiples ou parallèles fonctionnant enredondance

La question « combien ? » dépend essentiellement de la capacité souhaitée et de la fiabilité du système.Un système constitué de plusieurs petites unités (identiques) assemblées pour obtenir la charge maximale

souhaitée, avec une unité supplémentaire, est dit redondant N+1. En guise d'exemple, la figure 4 présente

une configuration avec 3 générateurs de 800 kW synchronisés pour supporter une charge de 1,6 MW, dans

laquelle le troisième générateur est gardé en réserve.

Figure 4 – Générateur isochrone redondant N+1 de 1,6 MW

Contrôle ducarburant

Moteur

Régulateurde vitesse

Partage decharge

Suivi dela vitesse

Générateur800 kW

Suivi de latension

charge

Moteur Moteur




Suivi dela vitesse

Suivi dela vitesse

Partage decharge

Partage decharge

Générateur800 kW

Générateur800 kW

Suivi de latension

Suivi de latension


Le lancement de la séquence de démarrage met en route les trois générateurs et les synchronise. Une

charge de 1,6 MW peut maintenant être supportée avec une redondance N+1. La commutation en parallèle

augmente le coût global, mais accroît la fiabilité statistique par rapport à un moteur d'entraînement isolé.

Dans cet exemple, la probabilité de panne de plusieurs générateurs à un moment donné est faible par

rapport à celle d'un générateur unique. Il est évident toutefois qu'une panne à cause commune, comme

une panne de carburant, peut anéantir un schéma apparemment redondant.




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L'un des autres avantages du concept de blocs constitutifs (ajout de petits systèmes à la taille de la charge)

est son évolutivité. Les installations en expansion peuvent choisir de concevoir un système permettant

l'ajout d'éléments de capacité, où l'espace est alloué et où le courant admissible du câblage est présélec-

tionné en fonction de la charge possible. Le coût de l'investissement et l'entretien implicite sont différés

jusqu'à ce que la croissance de la charge critique garantisse l'investissement. Il est important d'évaluer

attentivement les besoins et de faire un choix avisé en fonction des définitions précédentes. Pour plus

d'informations sur l'évolutivité, reportez-vous au livre blanc APC n° 37, « Comment éviter les coûts liés

au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseau ».

Conception du système global et compatibilitéLe livre blanc APC n° 95, « Sizing Engine Generators for Mission Critical Infrastructure », décrit les concepts

de dimensionnement et de chargement des générateurs. Toutefois, il est important de mettre l'accent sur

l'influence du facteur de puissance, des commutateurs de transfert et de l'onduleur sur les performances

globales du système combiné. Lorsque plusieurs fournisseurs sont impliqués, il est essentiel que tous les

acteurs du projet participent au processus global de mise en service et de test de l'installation. Ce type de

projet peut faire apparaître des problèmes imprévus de compatibilité pouvant avoir une influence sur les

charges critiques. Un tel test doit être effectué à différents niveaux de charge, jusqu'à une utilisation com-

plète à 100 %. Souvent, des bancs de charge doivent être utilisés pour remplacer les charges prévues.

Il est nécessaire d'être conscient du fait que cela peut ne pas représenter le facteur de puissance des

charges d'ordinateur. Si aucun banc de charge réactif spécial n'est disponible, une série de tests supplé-

mentaire doit être effectuée avec les charges réelles disponibles.

Pour éviter la complexité et le test multi-fournisseur des générateurs, des commutateurs de transfert auto-matique (ATS) et des onduleurs personnalisés, il est possible de spécifier un système complet qui a été

pré-conçu, fabriqué et pré-testé conformément aux normes ISO 9000 par un même fournisseur. Les systè-

mes pré-conçus présentent également l'avantage d'être fiables et d'une grande qualité en raison de techni-

ques de fabrication standardisées qui éliminent les défauts (croissance de fiabilité).

ConclusionsLe moteur d'entraînement fournit l'énergie au générateur et a besoin d'un régulateur approprié pour assurer

la stabilité de la fréquence en cas de variation des charges. L'alternateur, le régulateur de tension et les

autres commandes permettent de générer et de fournir un courant alternatif de qualité au commutateur

de transfert afin d'alimenter les charges critiques. Les générateurs classiques peuvent être complexes

par nature, et impliquer un travail de conception plus onéreux ainsi qu'une plus grande probabilité de

pannes. Les systèmes pré-conçus offrent une plus grande fiabilité grâce à des techniques de fabrication

standardisées.




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RéférencesNFPA 110, « Standard for Emergency and Standby Power Systems », Édition 1999,

National Fire Prevention Association, 1999 (http://www.nfpa.org)

NFPA 111, « Standard on Stored Electrical Energy Emergency and Standby Power Systems », Édition 1996,

National Fire Prevention Association, 1999

Norme IEEE 446-1995, « IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for

Industrial and Commercial Applications » (Orange Book) (http://ieee.org)

Norme IEEE 1100-1999, « IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equip-

ment », (Emerald Book)

Norme IEEE 602-1996, « IEEE Recommended Practice for Electric Systems in Health Care Facilities »,

(White Book)

Normes EGSA 100, 101 & 404 (http://www.egsa.org)

« On-Site Power Generation », Electrical Generating Systems Association, 1998 ISBN 0-9625949-3-8

À propos de l’auteur :

Robert Wolfgang est ingénieur principal des applications chez APC. Il propose actuellement des services

de consultation et d'analyse de centre de données pour des installations physiques faisant appel à la CAO,

conformément aux normes NEC et aux pratiques exemplaires de conception. En tant que membre formé

aux normes de l'EGSA (Electrical Generating Society Association) de l'équipe d'APC chargée de l'étude

de la disponibilité, sa mission a été de déterminer des « pratiques exemplaires » pour de nombreux

sous-systèmes dans les domaines de l'infrastructure physique des réseaux critiques. Diplômé en gé-

nie mécanique, il travaille chez APC depuis 15 ans et a occupé différents postes dans les services

d'assurance qualité, de gestion de l'assistance technique et d'étude de la disponibilité.

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