alimentations statiques

16
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 - 1 Alimentations statiques sans interruption (ASI) par Henri MABBOUX Service Recherche et Développement MGE UPS SYSTEMS es alimentations sans interruption (ASI) sont des interfaces entre le réseau électrique et des charges alternatives sensibles. Les ASI statiques, apparues au début des années 1970, ont été le résultat de l'arrivée d'une technologie, les semi-conducteurs de puissance, et du besoin d'avoir des alimentations électriques de qualité pour alimenter les grands cen- tres informatiques de gestion. Les ASI ont suivi depuis d'importantes évolutions, du fait : — des technologies, en particulier dans le domaine des semi-conducteurs de puissance ; — du développement de la mini-informatique et micro-informatique ; pour répondre à ces besoins, l’offre en onduleurs s’est élargie pour se situer actuelle- ment en puissance de quelques centaines de voltampères à plusieurs centaines de kilovoltampères ; — de l’extension des réseaux informatiques ; l’ASI est considérée comme un périphérique de l’application, ce qui lui demande de pouvoir communiquer avec ces réseaux. Dans cet article, nous parlerons des ASI statiques pour charge alternative, communément appelées onduleurs. En langue anglaise, l’équivalence de ASI est le terme UPS « Uninterruptible Power Supply ». Le terme « onduleur » peut recouvrir plusieurs réalités selon le contexte : — la première est l’ensemble de l’interface entre le réseau et la charge ; — la seconde est le convertisseur statique qui élabore du courant alternatif à partir d'une source continue. 1. Différents types d’ASI ............................................................................. D 5 185 – 2 2. Architecture des convertisseurs et modes de pilotage ................ 3 3. Compatibilité de l’ASI avec sa charge................................................ 5 4. Compatibilité de l’ASI avec son alimentation .................................. 6 5. Solutions et systèmes d’ASI pour améliorer la disponibilité d’énergie.................................................................................................... 9 6. Choix et dimensionnement de l’ASI.................................................... 12 7. Installation des ASI.................................................................................. 13 8. Communication entre l’application et l’ASI ..................................... 14 9. Surveillance et entretien du système d’alimentation ................... 15 10. Conclusion ................................................................................................ 15 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 185 L

Upload: baya-khair-eddine

Post on 17-Jan-2016

35 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

Sans interruption ASI

TRANSCRIPT

Page 1: Alimentations statiques

Alimentations statiques sans interruption (ASI)

par Henri MABBOUXService Recherche et Développement MGE UPS SYSTEMS

1. Différents types d’ASI............................................................................. D 5 185 – 2

2. Architecture des convertisseurs et modes de pilotage ................ — 3

3. Compatibilité de l’ASI avec sa charge................................................ — 5

4. Compatibilité de l’ASI avec son alimentation .................................. — 6

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 1

es alimentations sans interruption (ASI) sont des interfaces entre le réseauélectrique et des charges alternatives sensibles.

■ Les ASI statiques, apparues au début des années 1970, ont été le résultat del'arrivée d'une technologie, les semi-conducteurs de puissance, et du besoind'avoir des alimentations électriques de qualité pour alimenter les grands cen-tres informatiques de gestion. Les ASI ont suivi depuis d'importantes évolutions,du fait :

— des technologies, en particulier dans le domaine des semi-conducteurs depuissance ;

— du développement de la mini-informatique et micro-informatique ; pourrépondre à ces besoins, l’offre en onduleurs s’est élargie pour se situer actuelle-ment en puissance de quelques centaines de voltampères à plusieurs centainesde kilovoltampères ;

— de l’extension des réseaux informatiques ; l’ASI est considérée comme unpériphérique de l’application, ce qui lui demande de pouvoir communiquer avecces réseaux.

■ Dans cet article, nous parlerons des ASI statiques pour charge alternative,communément appelées onduleurs. En langue anglaise, l’équivalence de ASIest le terme UPS « Uninterruptible Power Supply ».

Le terme « onduleur » peut recouvrir plusieurs réalités selon le contexte :— la première est l’ensemble de l’interface entre le réseau et la charge ;— la seconde est le convertisseur statique qui élabore du courant alternatif à

partir d'une source continue.

5. Solutions et systèmes d’ASI pour améliorer la disponibilité d’énergie.................................................................................................... — 9

6. Choix et dimensionnement de l’ASI.................................................... — 12

7. Installation des ASI.................................................................................. — 13

8. Communication entre l’application et l’ASI ..................................... — 14

9. Surveillance et entretien du système d’alimentation ................... — 15

10. Conclusion ................................................................................................ — 15

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. D 5 185

L

Page 2: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

Pour assurer la continuité de service, les ASI mettent en œuvre des accumula-teurs chimiques d’énergie plomb-acide ou cadmium-nickel.

■ Avant de présenter les ASI, voici un bref aperçu des perturbations ren- con-trées sur les réseaux électriques.

Les coupures de tension correspondent à une absence du réseau pendant plusd’une minute.

Les coupures brèves de tension et les creux de tension sont des phénomènesde 10 ms à quelques dizaines de secondes entraînant une baisse de tension pou-vant évoluer de 10 % à 100 % de la valeur nominale. Par exemple, on peut citerla permutation de source à la suite d’un défaut sur une arrivée moyenne tension,l’enclenchement de transformateurs ou le démarrage de moteurs.

Les microcoupures sont les perturbations transitoires inférieures à 10 ms.Les surtensions peuvent être générées par l’enclenchement ou le déclenche-

ment de charge sur le réseau moyenne tension (MT). Elles sont transmises auréseau basse tension (BT) par les transformateurs MT/BT.

La distorsion en tension provient des charges non linéaires qui génèrent unedistorsion en tension fonction de l’impédance du réseau. Le niveau de distorsionpeut annuler la marge de compatibilité entre la source et la charge alimentée.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

1. Différents types d’ASILes alimentations sans interruption peuvent être classées en 3

catégories.

1.1 ASI en attente passive ou passive standby UPS

Dans le langage courant, ces ASI sont appelées Off-Line. Dans cesystème d’interface, représenté sur la figure 1, l’utilisation est ali-mentée normalement par le réseau. La charge est basculée surl’ensemble convertisseur courant continu/courant alternatif (DC/AC)de secours-batterie d’accumulateurs lorsque la tension et la fré-quence du réseau sont incompatibles avec la charge.

Le temps de basculement entre les deux voies est de l’ordre de10 ms.

Le chargeur assure la recharge et le maintien de charge de la batterie.

Dans ce type d’ASI, un dispositif de régulation de la tension sur la voieprincipale permet d’avoir de meilleures performances, c’est-à-dire :

— une précision en tension de ± 5 % en sortie de l’interface ;— un fonctionnement sur le réseau avec une plage de tension

élargie à ± 20 % voire ± 30 %.

Lorsque cette fonction de régulation de tension est insérée sur lavoie normale, en tireté sur la figure 1, celle-ci peut être réalisée parun autotransformateur à commutation de prise automatique per-mettant ainsi d’adapter la tension du réseau à la charge par abaisse-ment ou élévation de la tension.

1.2 ASI en interaction avec le réseau ou line-interactive UPS

Ce système, schématisé sur la figure 2 se différencie du précédent :— par l’absence de basculement entre deux sources : l’ensemble

convertisseur-stockage d’énergie est relié en permanence et enparallèle avec le réseau ; le convertisseur DC/AC fournit l’énergie àla charge si la tension d’alimentation n’est pas compatible avec lesperformances requises par l’utilisation ;

— par l’absence du convertisseur dédié à la recharge batterie :lorsque le réseau est présent, le convertisseur DC/AC remplit lafonction de recharge et de maintien de charge de la batteried’accumulateurs.

Figure 1 – ASI en attente passive

ConvertisseurDC/AC

ou Onduleur

Régulateur

Chargeur

AlimentationRéseau Utilisation

Charge

Figure 2 – ASI en interaction avec le réseau

ConvertisseurDC/AC

ou Onduleur

AlimentationRéseau

UtilisationCharge

Contacteur statique

Page 3: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

Dans cette configuration, le convertisseur DC/AC doit donc êtreréversible en puissance. De plus, le pilotage doit se faire avec unfonctionnement permanent en parallèle avec l’alimentation.

Dans ces ASI en interaction avec le réseau, une impédance peutêtre mise en série sur le réseau pour assurer la régulation de la ten-sion d’utilisation.

Un contacteur statique isole le système de l’alimentation si celle-ci est défaillante.

1.3 ASI à double conversion ou double conversion UPS

Dans le langage courant, ces onduleurs de secours sont appelésOn-Line parce que le système de secours, situé en série entre leréseau et la charge, est actif en permanence.

Dans la représentation simplifiée de la figure 3, la charge est ali-mentée en permanence en alternatif par un onduleur à partir d'unesource de tension continue, elle-même alimentée par le réseau viaun redresseur. Sur défaillance du réseau, la puissance est fourniepar les batteries d’accumulateurs.

Ces systèmes à double conversion reconstituent en permanence

2. Architecture des convertisseurs et modes de pilotage

Nous allons détailler l’architecture des différents convertisseurs etdonner quelques indications sur leurs pilotages.

La fonction de base dans tous les systèmes onduleurs est de syn-thétiser la tension alternative à partir d’une source de tension conti-nue qui est la batterie d’accumulateurs ou le réseau redressé.

2.1 Convertisseur d’entrée

Du côté du réseau d'entrée, les convertisseurs, redresseur et char-geur, n'ont pas besoin d'être réversibles en puissance. Ces conver-tisseurs fonctionnent toujours en récepteur d'énergie, mais lapuissance instantanée peut être variable, ce qui conduit à des cou-rants i non linéaires.

Pour le convertisseur d’entrée des ASI à double conversion (§ 1.3),une solution usuelle, appliquée en monophasé et encore aujourd’huien triphasé, est le redresseur contrôlé schématisé sur la figure 5. Le

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 3

un réseau alternatif et permettent de maîtriser les performances entension et en fréquence.

■ L’architecture de la figure 3, avec les accumulateurs reliés en per-manence au réseau continu, a été la réalisation la plus courante etutilisée à un moment ou à un autre pour toutes les puissances desASI.

■ La seconde architecture (figure 4) présente un chargeur indépen-dant du redresseur. Dans ce cas, la batterie est connectée aumoment de la disparition du réseau. Dans cette réalisation, la batte-rie est indépendante du bus continu, ce qui est un avantage pourgérer le maintien de la charge de la batterie.

réglage de l'amplitude de la tension de sortie, filtrée par les compo-sants L et C, se fait en contrôlant le retard à la commande des thyris-tors. L’extinction du thyristor est réalisée par le réseau (tensions e1,e2, e3).

2.2 Convertisseur onduleur

Le convertisseur onduleur doit s’interfacer avec la source desecours locale, les batteries d’accumulateurs et avec la sourceréseau redressée Udc dans le cas des ASI à double conversion.

Ce convertisseur onduleur doit être réversible pour alimenter touttype de charge, c'est-à-dire qu'il peut être instantanément généra-teur ou récepteur d’énergie, d’où la présence des interrupteurs sta-tiques (T1 à T4) permettant la conduction du courant dans les deuxsens sur le schéma de l’onduleur monophasé « en pont » de lafigure 6.

■ Sur les ASI en attente passive (§ 1.1), utilisées pour alimenterdes charges monophasées de faible puissance, la batteried’accumulateurs est généralement dans la gamme de tension de12 à 96 V, ce qui impose au convertisseur DC/AC d’être, en instan-tané, élévateur de tension pour fournir en sortie une tension crêtede V.

Figure 3 – ASI à double conversion

Figure 4 – ASI à double conversion et chargeur indépendant

OnduleurConvertisseur DC/AC

RedresseurConvertisseur AC/DC

AlimentationRéseau

UtilisationCharge

Onduleur

Chargeur

AlimentationRéseau Utilisation

Charge

Redresseur

AC

AC

ACDC

DC

DCLiaison continue

Figure 5 – Redresseur contrôlé

230 2

e1

e2

e3

+

i1

i2

i3

L

C

Filtrage

Page 4: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

(50 ou 60 Hz), c’est-à-dire à la fréquence du réseau. Cela parce quela mise en œuvre du thyristor nécessite l’utilisation de circuits auxi-liaires pour annuler le courant dans le thyristor et ouvrir le circuit aumoment désiré.

Cette contrainte limite la fréquence de découpage et conduit àgénérer la sinusoïde en basse fréquence par des ondes en créneauxplus ou moins évoluées :

— sur la figure 8a, l’onde sinus est générée à partir d’une simpleonde carrée ; le filtre doit être calculé pour atténuer l’harmonique(H3), qui est, dans ce cas, le 1er harmonique ;

— sur les figures 8b et 8c, l’onde est générée avec des signauxcarrés décalés et des transformateurs pour faire les décalages entemps et en niveau de tension.

Le filtrage des harmoniques basse fréquence conduit à des filtrescomplexes et lourds.

Le réglage de l’amplitude est assuré en générant une seconde ten-sion identique mais avec un déphasage variable de 0 à 180 degréspar rapport à la première tension. Ces tensions sont ajoutées etl’amplitude de la tension résultante est ainsi maîtrisée en réglant ledéphasage.

2.4 Convertisseur à modulation

Figure 6 – Onduleur monophasé avec transformateur

+

Udc

T1

T2

T3

T4 Transformateuret filtre

+

FiltreUdc

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Cette fonction élévation de tension peut être assurée côté alterna-tif par un transformateur élévateur (figure 6) ou côté continu par unconvertisseur DC/DC élévateur (figure 7).

■ Sur les ASI à double conversion (§ 1.3), utilisées pour alimenterdes charges triphasées de forte puissance, la tension de la batteried’accumulateurs est choisie vers 450 V pour assurer la charge et lemaintien de charge lorsque le réseau d’alimentation est bas.

Une fonction élévation de tension par transformateur (figure 6)ou par convertisseur (figure 7) est aussi nécessaire sur le convertis-seur DC/AC pour fournir en sortie une tension crête de V.

2.3 Convertisseur onduleur de 1re génération

Dans le convertisseur onduleur de 1re génération, les dispositifssemi-conducteurs à thyristors sont commandés en basse fréquence

de largeur d’impulsion

L'arrivée des transistors de puissance de technologie bipolaire,puis de technologie MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) et, depuisquelques années, la technologie IGBT (Insulated Gate Bipolar Tran-sistor) a permis de simplifier le convertisseur onduleur, tout en aug-mentant ses performances.

L’augmentation des performances est obtenue par la possibilitéde découper à des fréquences supérieures à 1 kHz, puis à des fré-quences inaudibles (environ à 20 kHz.). Cela permet de réduire lebruit acoustique et d’installer les ASI dans le bureau ou la salle infor-matique.

De nouveaux principes de commande ont alors été introduitsdans le pilotage des convertisseurs comme le découpage calculé etsurtout la modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou Pulse WidthModulation (PWM).

Du côté de l’entrée, le principe de la MLI permet de maîtriser àchaque instant le courant d’entrée, et ainsi d’atteindre un facteur depuissance proche de 1 et une distorsion sur le courant inférieure à5 %.

Figure 7 – Convertisseur élévateur et onduleur monophasé

Convertisseurélévateur

Convertisseurélévateur

400 2 Exemple : la figure 9 représente la tension avant filtrage pour unonduleur monophasé en pont. Dans cet exemple, de découpage à 3niveaux, la largeur de l’impulsion à +E est donnée par une loi en sinus(ωt ). Cette modulation de la largeur de l’impulsion permet à la fois degénérer et de régler l’amplitude d’une onde de forme sinus.

Figure 8 – Génération sinusoïde sur onduleurs de 1re génération

a onde carrée simple b onde sans H3 c onde sans H3, sans H5, sans H7

tension avant filtrage signal fondamental

Page 5: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

Pour les convertisseurs onduleurs, avec le principe de la MLI, la

■ Quelle est la sensibilité des machines alimentées en distorsion detension ?

La charge accepte-t-elle en permanence une tension d’alimenta-tion non sinusoïdale de forme trapézoïdale ?

Figure 9 – Exemple de génération de sinusoïde en technologie MLI

+ E

0

– E

tension avant filtragesinusoïde théorique

Cet exemple représente la génération de la sinusoïde avec découpage à 3 niveaux (+ E, 0, – E)

Figure 10 – Caractéristique dynamique de tension

10080604020

0– 20– 40– 60– 80

– 10010,1 10 100 1 000

Valeurnominale

+ 10 %– 10 %

Tension (%)

Durée du transitoire (ms)

Limite du transitoireen surtension

Limite du transitoireen sous-tension

Limite du transitoireen surtension

Limite du transitoireen sous-tension

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 5

tension avant filtrage a une distorsion élevée, mais le filtrage estrendu beaucoup plus facile vu que le premier harmonique théoriqueà filtrer est de rang élevé. La meilleure performance en poids et envolume du filtre de sortie est aussi accompagnée d’une diminutionde l’impédance interne de la source.

3. Compatibilité de l’ASI avec sa charge

3.1 Approche générale

Pour s’assurer de la compatibilité, les points à prendre en comptesont les suivants.

3.1.1 Aspects qualitatifs

■ Quelle est la criticité de l’application en terme de : — sécurité des personnes et des biens ;— perte d’exploitation et de coût de remise en route ;— gêne en cas d’indisponibilité ?

■ Quel est le temps pour arrêter correctement l’application ?

■ L’application est-elle constituée d’une ou de plusieurs machines ?

3.1.2 Aspects électriques

■ Quel est le mode d’alimentation de la charge :— monophasé ;— triphasé avec ou sans neutre ;— tension et fréquence nominales ?

■ Quelle est la sensibilité, en variation de tension, des machinesalimentées ?

La figure 10 est un extrait de la norme CEI 60146 (partie 4) ; ellereprésente la caractéristique dynamique de tension convenant à laplupart des charges.

■ Quelle est la nature de la charge :— charge passive ou active ;— charge linéaire ou non linéaire ?

■ Quelles sont les puissances de la charge en régime permanent ettransitoire :

— puissance apparente ;— puissance active et facteur de puissance ;— puissance instantanée et facteur de crête ?

■ Quel est le courant d’appel de la charge à sa mise sous tension età son démarrage ?

3.2 Redresseurs à l’entrée des circuits d’alimentation pour les charges de type informatique

Ce type de charge non linéaire, représenté sur la figure 11, est uneconfiguration de base depuis l’arrivée des alimentations à décou-page. Il est normalisé dans l’annexe D de la CEI 60146 (partie 1).

Le courant s’établit lorsque la tension e est supérieure à la tensionu du condensateur. La valeur de crête du courant est fonction del’impédance de la source définie par la composante inductive (Ucc x)et par la composante résistive (Ucc r) de la tension de court-circuitUcc au point de raccordement. Ces tensions de court-circuit sontexprimées en pour-cent de la tension nominale. La constante detemps RC de ce type de charge est environ 150 ms.

Si l’ASI doit alimenter plusieurs charges, il convient de vérifier lacompatibilité entre les charges alimentées dans les régimes perma-nents et transitoires.

Dans la réalité, la plupart des charges sont non linéaires, c’est-à-dire que le courant n’est pas proportionnel à la tension :

— pour les transformateurs, la non-linéarité provient de lasaturation du circuit magnétique ;

— pour les systèmes d’éclairage, l’ionisation du gaz provoquela non-linéarité ;

— pour les convertisseurs à commande de phase, le retard àl’allumage du semi-conducteur provoque la non-linéarité.

Page 6: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

3.2.2 Compatibilité en régime transitoire

La compatibilité doit être vérifiée pour le démarrage. Dans ce cas,la capacité C (figure 11a) est déchargée. Le démarrage va générerune perturbation sur la tension de sortie de l’ASI. Cette perturbationsera vue par les autres charges. La durée de la perturbation dépendde deux facteurs :

— l’énergie à fournir pour charger C ;— la capacité de l’ASI a fournir rapidement cette énergie.

4. Compatibilité de l’ASI avec son alimentation

4.1 Approche générale

La définition de l’ASI doit prendre en compte la nature et les carac-téristiques de l’alimentation.

■ Nature de l’alimentation :— alimentation en basse tension par le réseau public ;

L r i

e v C R u

Ucc x =Lωo In

E

Ucc r =r InE

E valeur efficace de la tention e

In courant nominal

a schéma

e

i

u

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 6 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

3.2.1 Compatibilité en régime permanent

Il convient de dimensionner l’ASI pour conserver la compatibilitéavec les charges alimentées.

■ Utilisation en monophaséAvec ce type de charge :— l’énergie est fournie sur la crête de la tension et le courant

s’apparente à des impulsions ;— ce courant est très chargé en harmoniques, en particulier l’har-

monique 3 ;— la distorsion de la tension au point de connexion peut être

supérieure à 5 % ;— la compatibilité de fonctionnement entre les charges n’est pas

toujours assurée.

Les onduleurs de seconde génération à MLI et à IGBT (§ 2.4) ontpermis de diminuer l’impédance interne de l’onduleur et de fournirdes courants instantanés de l’ordre de trois fois le courant efficace.La conjugaison de ces deux points permet d’avoir, au point deconnexion en sortie de l’ASI, une distorsion en tension inférieure à3 % avec un fonctionnement sur 100 % de charge de type informa-tique.

■ Utilisation en triphaséPour les installations triphasées qui alimentent des récepteurs de

type informatique entre chaque phase et le neutre, les courantsd’harmonique 3 et ses multiples sont des courants homopolairesqui circulent sur le conducteur neutre.

C’est pour cette raison que la section du conducteur neutre est àsurdimensionner par rapport à celle des phases. Le courant neutrepeut être égal à 1,7 fois le courant de la phase.

— alimentation par un transformateur MT/BT ;— présence d’une source de substitution : moteur thermique et

alternateur.

■ Caractéristiques de l’alimentation :— topologie du réseau (monophasé, triphasé avec neutre, tri-

phasé sans neutre) ;— tension et fréquence nominales ;— plages de variation autour des tensions et fréquences

nominales ; en France, EDF annonce une plage de variation de ten-sion de ± 10 %, mais temporairement des variations de ± 15 ou± 20 % sont possibles pendant quelques minutes ;

— tension de court-circuit de l’alimentation ;— réactance subtransitoire de l’alternateur.

■ Caractéristiques du dispositif de protection contre lessurintensités.

■ Deux autres points importants sont à considérer.● La distorsion introduite par l’ASI sur la tension de l’alimentation

est-elle compatible avec les autres récepteurs ?● La façon de véhiculer la puissance est-elle optimale ?

Cela est caractérisé par le facteur de puissance qui est égal à 1quand le transfert est optimal. Le facteur de puissance

est fonction du facteur de déphasage du fondamental cos ϕ1 et dutaux de distorsion en courant TDi.

4.2 Distorsion de tension introduite par les courants harmoniques

4.2.1 Phénomène rencontré

Tout récepteur qui génère des courants harmoniques (Ih sur lafigure 12) introduit sur son alimentation des chutes de tension à la

Figure 11 – Charge non linéaire : redresseur avec réserve d’énergie

b courant et tensions pour Ucc x

= 2 % et Ucc r

= 2 %

v

t

La compatibilité de l’ASI avec son alimentation doit être véri-fiée avec les données du constructeur.

λϕ1cos

1 TDi2

+-------------------------=

Page 7: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

fréquence harmonique. Selon l’impédance de la source, le niveaude distorsion généré peut créer un dysfonctionnement sur un récep-teur sensible raccordé sur la même alimentation.

4.2.2 ASI alimentée en monophasé

Pour les ASI alimentées en monophasé, il n’y a pas de dysfonc-

La tension v peut être égale à + E ou – E selon la commande desdeux interrupteurs et la fréquence de commutation des interrup-teurs. Par conséquent, la composante fondamentale de la tension v,pilotée par la loi de commande des interrupteurs, peut être sinusoï-dale et avec une phase maîtrisée par rapport à e.

Cette maîtrise de la composante fondamentale de v permet demaîtriser la composante fondamentale de i.

4.2.3 ASI alimentée par un réseau triphasé

Pour les ASI de moyenne et forte puissances connectées à desréseaux triphasés, le courant prélevé par les redresseurs contrôlés(§ 2.1) a la forme représentée sur la figure 14.

La partie 1-2 de la norme CEI 60146 fournit des abaques précisantle niveau de courant par harmonique en fonction de la chute induc-tive de la source de tension.

Figure 12 – Perturbation des récepteurs par les courants harmoniques

SourceA

Impédance totalede la source

générateur + câblage

Récepteur

Récepteursensible

Ih

Exemple : la figure 15 donne le pourcentage de l’harmonique 5(H5) pour les configurations d’angle de retard à la commande des thy-ristors de 0 et 90 degrés.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 7

tionnement pour la raison suivante : le rapport entre la puissance àl’entrée de l’ASI et la puissance de la source est généralement faible.

La technologie MLI a permis, dès le début des années 80, de com-mander les convertisseurs d’entrée des ASI, de telle façon que lecourant prélevé sur la source soit presque sinusoïdal. La perfor-mance atteinte en facteur de puissance est de 0,98 avec un taux dedistorsion en courant inférieur à 5 %.

La figure 13 donne un exemple de redresseur monophasé avecprélèvement de courant sinusoïdal.

Figure 13 – Exemple de convertisseur avec courant d’entrée sinusoïdal

Source

i1 i

Filtre

eL

v

+ E

– E

Courant i1 après filtrage

Courant i, avant filtrage,maîtrisé par la commande des interrupteurs

Figure 14 – Ondes tension et courant à l’entrée d’un redresseur contrôlé

Figure 15 – Niveau de courant harmonique en fonction de l’impédance de la source

Tension

Courant

τ = 90°

τ = 0°

20

10

105 15

IH5In

(%)

(%)∆U

Udc 0

IH5In∆U

Udc 0τ

courant harmonique 5

courant nominal fondamental

chute de tension continue due à l'impédance de source

tension redressée à vide

angle de retard à la commande

Page 8: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

4.2.4 Solutions mises en œuvre pour réduire la distorsion

■ Filtres passifsLa figure 16 schématise un filtre passif associé à un redresseur

contrôlé.

Le filtre constitué de Lp et Cp est accordé sur l’harmonique 5. Cetensemble est vu par le convertisseur et pour l’harmonique 5 commeune très basse impédance. Le courant harmonique 5 ne circule doncpas dans le réseau amont. L’inductance Ls est dimensionnée pouréviter les résonances avec les harmoniques du réseau.

■ Élimination des harmoniques de courant par deux pontsredresseurs décalés

Cette technologie, utilisée pour éliminer les harmoniques de ten-sion sur les onduleurs de 1re génération, est employée pour élimi-ner les harmoniques de courant en amont de l’ASI.

Le principe consiste à éliminer les harmoniques de rang les plusbas qui sont les plus gênants, parce que de forte amplitude.

L’utilisation de deux ponts redresseurs décalés de 30 degrés per-met l’élimination, dans les phases d’alimentation, des harmoniquesde rangs 5 et 7. Il subsiste les harmoniques de rang 12 k ± 1 soit 11-13-23-25…

L’application peut se faire avec des ponts décalés montés en série

■ Filtres actifs

La technologie MLI en phase de maturité sur le convertisseuronduleur est mise en œuvre dans des générateurs d’harmonique ou

Figure 18 – Principe du compensateur actif d’harmoniques

Alimentationréseau

ASIConvertisseur

d'entrée

Filtre actif

Is Ic

IF

IsIc

courant de forme sinusoïdale prélevé sur l'alimentation

courant (fondamental + harmoniques) absorbé par l'ASI

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 8 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

ou en parallèle. Dans le montage en parallèle, il convient de maîtri-ser la répartition des courants entre les deux ponts. La figure 17représente un exemple avec les deux redresseurs en série.

filtres actifs. Ce filtre, qui peut être installé en tout point de l’installa-tion, compense les harmoniques générés par les récepteurs, dontles convertisseurs d’entrée des ASI.

Sur la figure 18 le convertisseur d’entrée de l’ASI absorbe unepuissance active et une puissance réactive. Cette puissance réactiveest due au facteur de déphasage du courant fondamental, maisaussi aux harmoniques de courant. La puissance réactive due auxharmoniques est encore appelée puissance réactive déformante.

La compensation IF fournie par le filtre actif permet de se rappro-cher d’un facteur de puissance de 1 et évite le surdimensionnementdes câbles.

■ Perspectives nouvelles avec les convertisseurs triphasésabsorbant un courant sinusoïdal sur la source

Les convertisseurs d’entrée des ASI triphasées vont évoluer de latechnologie de commande par déphasage à la technologie MLI quipermet de maîtriser le courant prélevé sur la source. Des taux dedistorsion inférieurs à 5 % seront accessibles.

Le principe utilisé est identique à la version monophasée, maisavec les particularités du triphasé.

4.3 ComparaisonLe tableau 1 compare, en conclusion de ce paragraphe, les diffé-

rentes solutions pour les convertisseurs alimentés en triphasés. (0)

Figure 16 – Filtre passif en amont d’un redresseur contrôlé

Figure 17 – Élimination d’harmoniques avec ponts décalés câblés en série

Filtre passifLs

Cp

Lp

Transformateur

Redresseur 2

Redresseur 1

+

Tableau 1 – Compatibilité de l’ASI avec une alimentation triphasée

TechnologieFacteur

de puissance théorique

Distorsion théorique

du courant absorbé par l’ASI

(%)Redresseur non commandé (redresseur à diode) soit 0,95 30

Redresseur commandé (redresseur à thyristors) 0,95 cos α 30

Groupement de deux redresseurs (solution dite en double pont) 0,98 cos α 15

Redresseur et filtre passif 0,99 8Redresseur et filtre actif 0,99 < 5Redresseur avec commande MLI 0,99 < 5

3π---

Page 9: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

5. Solutions et systèmes d’ASI pour améliorer la disponibilité d’énergie

5.1 ASI à double conversion avec une voie

La fiabilité est la capacité d’un système à rester en état de bonfonctionnement.

La disponibilité d’un système est le temps de fonctionnementcorrect de l’installation par rapport au temps écoulé. En termede probabilité, la disponibilité du système d’alimentation est laprobabilité que le système soit en état d’alimenter l’applicationdans des conditions données et à un instant donné.

La maintenabilité est la possibilité de revenir rapidement d’unétat de fonctionnement incorrect à un état normal de fonction-nement. Cette notion est exprimée par le temps de réparation.

La sécurité d’un système d’alimentation est sa capacité d’évi-ter de se retrouver dans un état ou il y aurait absence de la four-niture de l’alimentation.

ASIen

fonctionnementDéfaillance onduleur

Défaillance onduleur

Réparation onduleur

Réparation onduleur

Perte del'alimentation

Fonctionnementsur

voie onduleur

Fonctionnementsur

voie de secours

a sans voie de secours

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 9

de secours en parallèle

Cette voie, schématisée sur la figure 19, appelée contacteur stati-que ou by-pass automatique, est possible si l’alimentation estcompatible avec la charge.

La figure 20 montre que la probabilité de se retrouver dans l’état« perte de l’alimentation » est plus faible sur le système avec la voiede secours. Il faut remarquer que cette solution est envisageable :

— si l’application accepte les transitoires sur la tension au pas-sage sur la voie de secours et au retour sur la voie normale ;

— si l’application est compatible avec les variations de tension etde fréquence pendant le fonctionnement sur la voie de secours.

Ces conditions ne sont pas toujours acceptables dans le cas decharges sensibles.

5.2 Alimentation de la voie de secours par une ASI

Comme le montre la figure 21, l’ASI sur la voie de secours (ASI 2)permet de conserver les performances de l’alimentation si la voienormale est défaillante.

5.3 ASI à double conversion en parallèle

Ce système est présenté sur la figure 22 dans une configurationde deux ASI, qui alimentent la charge et se répartissent la puissance.Nous parlons alors de redondance active.Figure 19 – ASI à double conversion avec voie de secours

Alimentation Charge

Voie de secours

Onduleur

ASI à double conversion

Figure 20 – Contribution de la voie de secours à la disponibilité de l’alimentation

Figure 21 – ASI en redondance séquentielle

Perte del'alimentation

Défaillancevoie de secours

b avec voie de secours en parallèle

ASI 2

ASI 1

Voie desecours

Voienormale

Page 10: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

ASI A

ASI B

Défaillance de A

Réparation de AA et B en

fonctionnementB en

fonctionnement

a schéma de principe

Figure 23 – ASI en redondance active avec une voie de secours centralisée

Voie de secours automatique

ASI A

ASI B

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 10 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Dans ce schéma de redondance active dite un sur deux, la dispo-nibilité de l’alimentation est dépendante de plusieurs facteurs :

— l’analyse des modes de défaillance : une analyse précise doitenvisager les différents types de défaut et isoler la voie défaillanteavant que le défaut ne se propage ; l’objectif de cette analyse est dediminuer la probabilité de passer directement dans l’état perte del’alimentation (ligne en tireté sur la figure 22b) ;

— un second facteur est la maintenabilité des équipements, c’est-à-dire la capacité à réparer rapidement et à revenir dans l’état nor-mal avec les ASI A et B en fonctionnement.

Il faut noter que la mise en parallèle des ASI permet d’augmenterla puissance du système d’alimentation.

5.4 ASI en parallèle avec une ou plusieurs voies de secours

Comme pour l’ASI unitaire (§ 5.1), la disponibilité d’énergie estaméliorée avec l’adjonction, lorsque cela est possible, d’une voie desecours du réseau.

5.4.1 Mise en parallèle avec une voie de secours centralisée

La voie de secours d’un ensemble d’ASI en redondance activepeut être unique comme le montre la figure 23.

5.4.2 Mise en parallèle avec des voies de secours réparties

Le secours d’un ensemble d’ASI en redondance active peut êtreréparti comme le montre la figure 24.

5.5 Systèmes indépendants d’ASI

Dans cette solution, représentée sur la figure 25 dans le cas dedeux systèmes, la disponibilité de l’énergie au niveau des utilisa-

Figure 22 – ASI en redondance active

Défaillance de A

Défaillancede B

Défaillancede B

Réparationde B

A enfonctionnement

Perte del'alimentation

b disponibilité de l'alimentation

Figure 24 – ASI en redondance active avec des voies de secours réparties

Voie de secours automatique

Voie de secours automatique

ASI A

ASI B

Page 11: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

tions 1 et 2 repose sur l’indépendance des systèmes A et B, y comprisl’indépendance des sources d’alimentation.

5.6 Comparaison

■ Le diagramme de la figure 26 représente, dans le temps, les étatsdu système :

— MDT est la durée moyenne de défaillance (Mean Down Time)comprenant la détection, la réparation et la mise en service ;

— MTBF est le temps moyen entre deux défauts (Mean TimeBetween Failure).

L’indisponibilité du système est définie par le rapport .

Le temps MDT, de l’ordre de 10 ou 24 h, est toujours très petit parrapport au MTBF.

■ Le tableau 2 compare en conclusion, pour les ASI à doubleconversion, les principaux systèmes en terme de disponibilité oud’indisponibilité.

SystèmeA

SystèmeB

Voie

de

seco

urs

au

tom

atiq

ue

Voie

de

seco

urs

au

tom

atiq

ue

Voie

de

seco

urs

au

tom

atiq

ue

Voie

de

seco

urs

au

tom

atiq

ue

MDT

MTBF----------------

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 11

(0)

Figure 25 – Schéma d’alimentation à partir de deux sources indépendantes

Inverseurde source

Inverseurde source

Utilisation 1

Utilisation 2

Figure 26 – États d’un système

MDT MDT

MTBF MTBF

Détection panneRéparation

Détection panneRéparation

Tableau 2 – ASI à double conversion : comparaison en terme de disponibilité

Système MTBF Remarques

50 000 h Dans le diagramme de fiabilité, il faut prendre en compte la défaillance des sourcescontinues, c’est-à-dire l’alimentation redressée et la batterie, en plus de la défaillance duconvertisseur onduleur.

400 000 h Hypothèses prises :— temps de réparation de 10 h ;— réseau de bonne qualité : MTBF du réseau 100 h ; MTBF du by-pass automatique de

2 000 000 h.

500 000 h Dans le schéma de fiabilité, la limitation provient de la probabilité d’avoir des défauts qui se propagent sur les deux alimentations.

1 400 000 h Hypothèses prises :— temps de réparation de 10 h ;— réseau de bonne qualité : MTBF du réseau 100 h ; MTBF du by-pass automatique de

2 000 000 h.

Page 12: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

6. Choix et dimensionnement de l’ASI

6.1 Choix du système

Pour les faibles puissances, au-dessous de 2 000 VA, de typebureautique monoposte, le choix se fait plutôt sur la configurationde l’application. Dans ce cas, si l’alimentation est de bonne qualité,l’ASI de type Off line (§ 1.1) est généralement retenue. Les chargessont bien identifiées et sont généralement des redresseurs avecréserve d’énergie. Les performances en temps de basculement surla source de secours (10 ms) et de distorsion sur la tension desecours (onde quasi sinusoïdale) sont acceptables pour l’appli-cation.

Au-dessus de quelques kilovoltampères, l’ASI à double conver-sion (§ 1.3), qui permet de réguler en permanence la tension et la fré-quence, est généralement utilisée. Ce type d’ASI est recommandé sile réseau d’alimentation est très perturbé.

6.2 Dimensionnement de l’ASI

Selon la puissance demandée, il est possible de mettre plusieursASI en parallèle. Les puissances maximales des modules d’ASI sesituent vers 800 kVA.

6.2.2 Choix et dimensionnement du stockage d’énergie

Le stockage électrochimique est la solution utilisée depuis l’arri-vée des onduleurs de secours avec les couples électrochimiquesplomb-acide et nickel-cadmium. La technologie plomb dite plombouvert a subi une avancée majeure dans les années 1980 avec lesbatteries à recombinaison de gaz ou VRLA (Valve Regulated LeadAcid battery).

■ Pour comprendre le dimensionnement de la batterie d’ac-cumulateurs, on rappelle quelques définitions (cf. [E 2 140]).

● La capacité de la batterie (C 10 ou C 5) est donnée en Ah et pourune décharge en 10h ou 5h suivant le constructeur. C 10 ou C 5 est laquantité d’électricité et caractérise l’énergie stockée dans la batteriepour un régime de décharge en 10h ou 5h respectivement.

● Le taux de décharge définit le courant pendant le régime de

Exemple : une capacité C 10 de 24 Ah signifie que la batterie peutdébiter 2,4 A pendant 10 h.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 12 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

Pour dimensionner l’ASI au-dessus de 2 000 VA, on rappelle quela puissance apparente S :

— fait intervenir les valeurs efficaces de tension et du courant ;— se décompose en puissance active (P) et en puissance réac-

tive (Q).

L’énergie active est l’énergie à fournir sur l’étage continu et, enparticulier, par la batterie.

La puissance active s’exprime par

P = λ S

où λ est le facteur de puissance.

Il convient d’ajouter le facteur de crête défini par le rapport

; il caractérise la puissance instantanée demandée par la

charge. Ce facteur est important, car il intervient sur la distorsion detension en sortie de l’ASI. Pour un courant de forme sinusoïdale, cefacteur est . Des facteurs de crête de 3 sont courants.

6.2.1 Dimensionnement de l’onduleur

Ce dimensionnement fait intervenir les éléments suivants.

■ Caractéristiques de tension et de courant en régimepermanent

Il faut choisir l’ASI adaptée à la puissance apparente de la charge.

Il faut aussi vérifier que la puissance active de la charge estcompatible avec celle de l’ASI qui est généralement définie avec unfacteur de puissance λ = 0,8.

■ Puissance instantanée en régime permanentSur les ASI modernes, les commutateurs de puissance permettent

de passer les pics de puissance instantanée équivalente à un facteurde crête de 3 sur le courant, tout en ayant une distorsion sur la ten-sion inférieure à 5 %.

■ Capacité de surchargeElle est calculée sur des temps de l’ordre de plusieurs secondes,

pour passer les courants de démarrage répétitif.

Les courants d’appel à la mise sous tension de l’installation peu-vent être fournis par la voie de secours qui a une capacité de sur-charge pouvant aller jusqu’à 10 fois le courant nominal.

décharge. Par convention, le taux de décharge s’exprime en fonctionde la capacité.

● L’autonomie est le temps écoulé jusqu’à la tension d’arrêt.● La durée de vie est l’âge de la batterie lorsque son autonomie

réelle atteint 50 % de l’autonomie spécifiée.● Pendant son exploitation, la batterie est dans l’un des 3 états

suivants :— état de maintien de la charge stockée, où le chargeur fournit

l’énergie pour compenser l’autodécharge des accumulateurs ;— état de décharge où la batterie est un générateur d’énergie ;— état de recharge où la batterie est un récepteur d’énergie.

■ Pour dimensionner la batterie, il faut déterminer le besoin enautonomie et la puissance que devra fournir la batterie.

● Ce besoin en autonomie fait intervenir les aspects suivants :— la durée moyenne de défaillance du réseau d’alimentation ;— la présence ou non d’un groupe électrogène de secours ;— le temps nécessaire pour faire un arrêt « propre » de l’installa-

tion ;— la criticité de l’application en terme de disponibilité d’énergie ;— la réduction d’autonomie due au vieillissement de la batterie.● D’autres critères interviennent pour arriver au choix de la batte-

rie, c’est-à-dire :— la durée de vie souhaitée de la batterie ;— la capacité ou non de faire l’entretien de la batterie ;— l’installation dans un local technique ou en armoire.

Les constructeurs d’ASI définissent, en fonction de l’autonomie etde la puissance de l’ASI, les configurations de la batterie : associa-tions en série et en parallèle d’éléments de 2 V ou de blocs de 6 V ou12 V pour les batteries au plomb.

■ La mise en œuvre des batteries dans les états de décharge, chargeet maintien de la charge, nécessite un savoir-faire des constructeursd’onduleur pour maintenir la disponibilité de cette énergie, c’est-à-dire :

— en décharge, maîtriser les tensions d’arrêt quel que soit lerégime de décharge, pour éviter la décharge profonde des batteries,ce qui peut engendrer des phénomènes irréversibles en perte decapacité de la batterie ;

— en recharge, maîtriser le courant de recharge et le passage enmaintien de la charge ;

Icrête

Iefficace------------------

2

Exemple : un taux de décharge de 3C 10 signifie que le courant dedécharge est de 72 A pour une batterie de 24 Ah.

Page 13: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

— en maintien de la charge, tenir compte de la températureambiante de la batterie ;

— maîtriser l’environnement et l’installation de la batterie.

7. Installation des ASI

7.1 Rappels et définitions pour la protection des personnes

Le lecteur pourra également se reporter aux articles [D 5 020],[D 5 030] et [D 5 100].

■ La protection des personnes contre les contacts directs,c’est-à-dire les contacts accidentels entre une personne et unconducteur actif, est assurée par les enveloppes qui font référence àla norme CEI 60529.

L’enveloppe est caractérisée par son Indice de protection IP2X

■ La protection des personnes contre les contacts indirects,c’est-à-dire les contacts entre une personne et une masse mise acci-

7.3 Installation des ASI de moyenne et forte puissance

Ces ASI sont dites avec installation. Elles sont souvent alimentéesen aval d’un transformateur MT/BT. La distribution électrique estalors privée.

7.3.1 Choix du schéma des liaisons à la terre

Il est fortement recommandé d’alimenter les matériels de traite-ment de l’information selon le schéma TN-S. Cette recommandationvient du fait que le conducteur PE assure une bonne équipotentialitédes masses parce qu’il n’est pas parcouru par les courants harmoni-ques.

Si la distribution en amont de l’ASI est de type TN-C, la distributionen aval de l’ASI peut se faire en TN-C ou en TN-S sans prendre de dis-positions particulières au niveau de l’ASI.

Le schéma simplifié de la figure 27 représente le cas d’une ASIdite unitaire dans une configuration souvent rencontrée pour leschéma des liaisons à la terre.

Beaucoup d’autres configurations peuvent être rencontrées, soit

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 13

dentellement sous tension, à cause d’un défaut d’isolement, estassurée par :

— l’interconnexion et la mise à la terre des masses métalliquesd’une installation ;

— l’élimination d’un défaut dangereux par un dispositif de cou-pure dont le choix dépend du schéma des liaisons à la terre (SLT),du neutre d’une part et des masses d’autre part.

■ Les différents schémas des liaisons à la terre sont définis parles normes CEI 60364 et NF C 15 100 qui traitent des installationsélectriques à basse tension. Pour résumer, il existe :

— le schéma TT, utilisé dans la distribution publique basse ten-sion ;

— le schéma TN qui se présente sous deux variantes (TN-C et TN-S) ;

— le schéma IT.

■ Les termes suivants sont des abréviations couramment utilisées :— le conducteur PE est le conducteur de protection qui relie les

masses électriques à la liaison équipotentielle principale ; celle-ciest le point de jonction entre la prise de terre, les conducteurs deprotection et la structure métallique ;

— le conducteur PEN a la fonction de conducteur de protection etde conducteur neutre ;

— le CPI est un contrôleur permanent d’isolement ;— le DDR est le dispositif différentiel résiduel

La séparation galvanique est la fonction réalisée par des transfor-mateurs à enroulements séparés.

7.2 Installation des ASI monophasées compatibles avec les prises de courant 16 A

Ces produits sont considérés sans installation. Ils sont compati-bles en courant avec les prises 16 A. Ces ASI peuvent être alimen-tées sans précautions particulières parce que le courant de fuite à laterre est inférieur à 3,5 mA.

Le schéma des liaisons à la terre est souvent le TT (§ 7.1), celui dela distribution publique.

Ces ASI s’installent dans le bureau et s’alimentent par la prise decourant 16 A. Le bruit acoustique de ces appareils est compatibleavec un environnement de bureau.

pour l’ASI, soit pour les schémas des liaisons à la terre en amont eten aval.

Sur la séparation galvanique, voici quelques données qui inter-viennent dans la définition de l’installation :

— la voie principale de l’ASI possède-t-elle une isolation galvani-que ? ;

— y a-t-il des tronçons communs en amont ou en aval pour réali-ser la séparation galvanique ? ;

— y a-t-il une alimentation séparée pour la voie de secours ?

Pour traiter ce problème, il faut se reporter aux textes normatifs(NF C 15 100 et UTE C 15-402) et aux données du constructeur pourdéfinir les dispositifs de coupure.

Exemple : si le schéma des liaisons à la terre en aval de l’ASI est dif-férent de celui en amont, il faut prévoir une séparation galvanique surtoutes les voies. Cela se fait par adjonction de transformateur à enrou-lements séparés et par la reconstitution du schéma de mise à la terreen aval du transformateur.

Figure 27 – Schéma d’installation d’une ASI standard

Enveloppe de l'ASI

ConducteursL1 L2 L3

Conducteurneutre

Conducteur PE

ConducteurPEN

DisjoncteurD1 Disjoncteur

D3

TransformateurMT/BT TN-C TN-S

Page 14: Alimentations statiques

ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI) ______________________________________________________________________________________

7.3.2 Raccordement des ASI au TGBT (tableau général basse tension)

■ Pour choisir le disjoncteur D1 et la canalisation (cas de la figure28), il faut prendre en compte le courant de court-circuit du généra-teur et utiliser les données du constructeur sur l’intensité maximaleabsorbée du courant et sur les courants d’enclenchement.

En cas de défaut sur le redresseur de l’ASI, la protection interne estétudiée pour ne pas faire déclencher le disjoncteur D1. La possibilitéd’alimenter la charge par la voie de secours est alors conservée.

■ Pour améliorer la disponibilité, la voie de secours peut être ali-mentée par une source séparée avec une canalisation dédiéeconformément à la figure 29. Comme pour D1, le choix du disjonc-teur D2 doit se faire en utilisant les données du constructeur.

■ Le choix des disjoncteurs D3 doit utiliser en plus du courant decourt-circuit de l’alimentation 2 celui de l’ASI pour assurer la sélecti-vité entre les départs, sans faire appel à l’alimentation 2. Par exem-ple, un défaut sur le départ 1 ne doit pas perturber le départ 2, celaen fonctionnement sur la voie normale de l’ASI. Il peut être néces-saire de fractionner les départs ou de surdimensionner l’ASI pourréduire la perturbation.

En fonctionnement sur la voie de secours, les disjoncteurs D1re e

7.4 Installation de la batterie d’accumulateurs

Les batteries d’accumulateurs à recombinaison de gaz ou VRLA (§6.2.2) se sont imposées pour les applications de faible et demoyenne puissance, c’est-à-dire jusqu’à 150 Ah environ. Cette tech-nologie à recombinaison permet d’installer ces batteries dans touttype de locaux.

Pour les besoins en capacités au-dessus d’environ 150 Ah, les bat-teries d’accumulateurs sont souvent de technologie plomb ouvert.Pendant la recharge, ces batteries d’accumulateurs dégagent del’hydrogène. D’où l’obligation d’installer ces accumulateurs dans unlocal aménagé et répondant à la réglementation définie dans lesnormes d’installation NF C 15 100 et CEI 60364.

Un des points de la réglementation (NF C 15 100 paragraphe 554)est la ventilation du local. Le débit d’air D (en m3.h–1) de la ventila-tion est donné par la formule :

D = 0,05 N Im

avec N nombre d’éléments 2 V, Im (A) courant maximal de charge.

Exemple : pour une batterie d’accumulateurs de 32 blocs 12 V de100 Ah et un chargeur pouvant débiter 10 A, la ventilation à prévoir sera

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.D 5 185 − 14 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique

dans la 1 configuration (figure 28), et D2 dans la 2 configuration(figure 29) doivent être sélectifs avec le disjoncteur D3 mis sur lesdéparts. Pour avoir une durée de vie optimale, la température ambiante au

voisinage des batteries doit être comprise entre 15 et 25 °C.

7.5 Lieu d’installation et bruit acoustiqueLes ASI sont caractérisées en bruit acoustique selon la norme

ISO 7779 (EN 27779). Le bruit provient principalement de la ventila-tion interne de l’appareil et des forces électrodynamiques dans lescircuits magnétiques des bobinages, qui sont sollicités à différentesfréquences.

Les données du constructeur sur le bruit sont un paramètre àprendre en compte pour installer le produit :

— pour un bureau, le niveau recommandé est inférieur à 45 dBA ;— pour une installation dans une salle informatique, le niveau

recommandé est inférieur à 60 dBA ; — pour des niveaux supérieurs, l’installation se fait dans un local

énergie dédié.

7.6 Pertes thermiques des ASILes ASI ont des pertes thermiques qui peuvent élever la tempéra-

ture du local en l’absence de dispositif de ventilation adapté. La ven-tilation du local doit être vérifiée en utilisant les pertes thermiquesdonnées par le constructeur.

Les ASI sont caractérisées en rendement (le rendement est le rap-port de la puissance active en sortie sur la puissance active enentrée) pour différents niveaux de charge et dans l’état de maintiende l’énergie stockée pour la batterie d’accumulateurs.

8. Communication entre l’application et l’ASI

8.1 GénéralitésLa communication de l’ASI avec les charges alimentées est néces-

saire pour sécuriser l’application et augmenter la disponibilité del’alimentation.

Figure 28 – Raccordement d’une ASI standard

Figure 29 – Raccordement d’une ASI avec alimentation séparée de la voie de secours

TGBT

D1

Alimentation

Redresseur Onduleur

ASI

D3

Charge

Départ 1

Départ 2

TGBT

D1

Alimentation 1

TGBT

D2

Alimentation 2

Redresseur Onduleur

ASI

D3

Départ 1

Départ 2

0,05 × 32 × 6 × 10 ≈ 100 m3.h–1.

Page 15: Alimentations statiques

_____________________________________________________________________________________ ALIMENTATIONS STATIQUES SANS INTERRUPTION (ASI)

Ce besoin de communication doit s’établir pour gérer l’arrêt pro-pre de l’application. Pour cette fonction, l’ASI envoie une informa-tion pour arrêter correctement l’application avant la coupureeffective de l’alimentation.

Le besoin de communication est aussi nécessaire pour gérer aumieux l’énergie stockée en fermant si besoin les applications moinsprioritaires. Cette fonction est assurée en communiquant en perma-nence les performances de l’ASI comme le taux de charge et l’auto-nomie disponible.

Ces fonctions sont assurées par des logiciels à installer sur l’appli-cation et disponibles pour les différents environnements desréseaux.

8.2 Différents moyens■ Communication par contacts secs

Le système le plus simple est la fourniture de contacts libres detout potentiel. Ces contacts sont caractérisés par les constructeursen tension et en courant.

■ Communication de type informatiqueLes ASI proposent des interfaces RS232 (Recommended Standard

ou électrotechniques ont une durée de vie limitée, mais celle-ci estdu second ordre, soit parce que le composant est peu sollicité en

Figure 30 – Dispositifs pour assurer la maintenance de l’ASI

By-pass de maintenance

By-pass automatique

Organes pour isolement

Organepour

isolement

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 185 − 15

232) avec des protocoles ASCII (American Standard Code for Infor-mation Interchange) propriétaires. La communication avec le réseauEthernet est possible par exemple avec le protocole SNMP (SimpleNetwork Management Protocole)

■ Communication de type industrielLes ASI intègrent des interfaces de communication RS485 (Recom-

mended Standard 485) avec des protocoles JBUS ou MODBUS detype maître-esclaves point à point ou multipoints, c’est-à-dire qu’unmaître peut communiquer avec plusieurs esclaves.

9. Surveillance et entretien du système d’alimentation

Comme nous l’avons dit (§ 5.3), la maintenabilité des ASI néces-site de surveiller et de pouvoir intervenir sur les équipements.

9.1 Surveillance de l’ASIDes logiciels de supervision permettent de lire les informations

d’état, d’alarme, de mesure, disponibles sur les ASI. Le logiciel per-met une visualisation personnalisée en fonction de l’installation.

Une surveillance à distance de l’installation est possible en seconnectant au réseau téléphonique commuté (RTC), via un modem.

9.2 Maintenance de l’ASIPour assurer l’entretien, les ASI de type interaction avec le réseau

(§ 1.2) ou à double conversion (§ 1.3) disposent d’une voie desecours manuel appelée by-pass de maintenance et de dispositifsd’isolement pour intervenir sur l’ASI en toute sécurité tout en conti-nuant à alimenter la charge. L’exemple de la figure 30 est donnépour une ASI à double conversion.

9.2.1 Maintenance préventive

Les alimentations statiques sans interruption utilisent en nombreréduit des composants qui demandent une maintenance préventive.

En plus des batteries, nous avons principalement les ventilateurset les condensateurs chimiques. D’autres composants électroniques

nombre de manœuvres, soit parce que sa durée de vie dans lesconditions d’utilisation est très supérieure à celle de l’ASI.

9.2.2 Entretien de la batterie d’accumulateurs plomb-acide

L’entretien de la batterie d’accumulateurs est primordial pourl’efficacité de l’ASI. Il convient de suivre les recommandations desconstructeurs.

Nous pouvons donner les règles suivantes :— une température ambiante de 15 à 25 °C au voisinage des bat-

teries est recommandée pour ne pas accélérer le vieillissement ;— le temps de stockage de la batterie est limité ; les batteries

d’accumulateurs au plomb-acide ont des taux d’autodécharge del’ordre de 10 % par mois ; pour que ce phénomène d’autodéchargen’engendre pas une perte de capacité irréversible, les batteries doi-vent être rechargées tous les 6 mois ;

— toute batterie déchargée doit être rechargée pour éviter desphénomènes irréversibles de perte de capacité.

La batterie d’accumulateurs étant l’association en série d’élé-ments 2V, de blocs 6V ou 12V, il convient de mesurer les tensionsdes éléments ou des blocs en série pour s’assurer que le vieillisse-ment est homogène.

Si l’ASI doit être mise en arrêt prolongé, il convient d’ouvrir le cir-cuit de la batterie pour éviter toute décharge.

10. Conclusion

Nous avons présenté les alimentations statiques sans interrup-tion comme réponse aux besoins en continuité de service et en qua-lité de l’énergie fournie.

L’offre en ASI du système de quelques centaines de voltampèresaux systèmes parallèles redondants permet de répondre au besoinde sauvegarde d’une application bureautique ou scientifique mono-poste, jusqu’aux applications en temps réel de traitement de l’infor-mation ou de processus industriel nécessitant une énergie et unecontinuité de service de haute qualité.

L’accroissement constant des performances de ces interfaces stati-ques a permis d’en faciliter l’installation dans les locaux, dans lesréseaux électriques et dans le système d’information de l’application.

Page 16: Alimentations statiques

POUR

Alimentations statiques

sans interruption (ASI)

EN

SAVO

par Henri MABBOUX

Service Recherche et Développement MGE UPS SYSTEMS

Bibliographie

Guide Pratique : Les Onduleurs pour la sécurité desinstallations ; 2e édition d’octobre 96, CollectionJournal de l’Équipement Électrique et Électroni-

FIORINA (J.N.). – Harmoniques en amont desredresseurs des ASI. Cahier Technique MerlinGerin n° 160, mars 1993.

AUBER (R.) et RÉMOND (C.). – Installations électri-ques. Caractéristiques générales. Traité Génieélectrique D 5 030, 1993.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Doc. D 5 185 − 1

IR

PLUS

que (J3E).SENON (G.E.). – Évaluation des performances

d’architectures multi-ASI : fiabilité et disponibi-lité. Extrait de la Revue générale de l’Électricité,n° 11, décembre 1992.

FIORINA (J.N.). – Onduleurs et harmoniques (casdes charges non linéaires). Cahier TechniqueMerlin Gerin n° 159, juin 1992.

Charte des installations électriques Basse Tension. Laconnaissance et la prescription des schémas deliaisons à la terre. Groupe Schneider, juillet 1996.

Dans les Techniques de l’Ingénieur

CAILLON (G.). – Accumulateurs portables. TraitéÉlectronique E 2 140, 2001.

AUBER (R.) et ATLANI (C.). – Prévention des acci-dents électriques. Traité Génie électriqueD 5 100, 1996.

REPÉRANT (J.). – Réseaux électriques industriels.Traité Génie électrique D 5 020, D 5 022, 2001.

Normalisation

Association française de normalisation AFNOR

Commission électrotechnique internationale CEI

NF C 15 100 05.1991 Installation électrique à basse tension.

UTE C 15-402 09.1995 Installation électrique à basse tension. Guide pratiqueASI de type statique. Règles d’installation.

CEI 60146-1-1 04.1991 Convertisseurs à semi-conducteurs. Spécificationscommunes et convertisseurs commutés par leréseau. Partie 1 : Spécifications des clauses techni-ques de base.

CEI 60146-1-2 04.1991 Convertisseurs à semi-conducteurs. Spécificationscommunes et convertisseurs commutés par leréseau. Partie 1-2 : Guide d’application.

CEI 60146-1-3 04.1991 Convertisseurs à semi-conducteurs. Spécificationscommunes et convertisseurs commutés par leréseau. Partie 1-3 : Transformateurs et bobinesd’inductance.

CEI 60146-2 11.1999 Convertisseurs à semi-conducteurs. Partie 2 : Conver-tisseurs autocommutés à semi-conducteurs y com-pris les convertisseurs à courant continu directs.

CEI/TR2 60146-6 12.1992 Convertisseurs à semi-conducteurs. Partie 6 :Guide d’application pour la protection par fusiblesdes convertisseurs contre les surintensités.

CEI 60364-1 10.1992 Installations électriques des bâtiments.

CEI 60529 02.2001 Degrés de protection procurés par les enveloppes(Code IP).