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Amélioration de l'efficacité des onduleurs à forte puissance

Livre blanc n°108

Par Richard L. Sawyer

2006 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 droits d'auteur. www.apc.com Rév 2006-0

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Résumé de l'étude Les ressources énergétiques se faisant plus rares et coûteuses, l’efficacité électrique est un

facteur toujours plus important dans la détermination et la sélection des onduleurs à forte

puissance. Trois facteurs subtils mais significatifs peuvent affecter matériellement le coût

d’exploitation d’un onduleur pour une entreprise, en particulier la facture d’électricité.

Hélas, ces facteurs échappent souvent aux personnes en charge du système, entraînant

ainsi des coûts élevés pour le propriétaire, faute de prendre correctement en compte les

inefficacités opérationnelles. Ce livre blanc présente les erreurs et malentendus courants

dans l’évaluation de l’efficacité des onduleurs. Il explique et compare les courbes

d’efficacité des onduleurs et quantifie les implications en termes de coûts.


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Introduction L’approche traditionnelle de la détermination et de la sélection des onduleurs s’est attachée presque exclusivement à la leur fiabilité, exprimée par le temps moyen de panne (Mean Time Between Failure) fournie par les constructeurs et les consultants. Deux problèmes concourent aujourd’hui à faire de l’efficacité, autant que de la fiabilité, un paramètre de premier plan dans l’évaluation des onduleurs : (1) un intérêt majeur pour le coût total de possession (TCO) sur toute la durée de vie de l’onduleur et (2) des initiatives publiques et privées en matière d’environnement, par exemple les programmes de certificats évologiques et les programmes de gestion à la demande proposés par les compagnies d’électricité.

Deux grands facteurs interviennent dans l’inefficacité des onduleurs : les pertes inhérentes aux onduleurs proprement dits et la façon dont ils sont implémentés (adaptation des dimensions, redondance). Souvent, lors de la détermination d’un onduleur, la seule efficacité prise en compte est celle publiée par les fabricants, laquelle est une valeur obtenue dans le meilleur scénario. Cette valeur est trompeuse, comme nous allons l’expliquer.

La meilleure façon de montrer comment cette pratique peut exercer un impact matériel sur les dépenses énergétiques d’une entreprise consiste à prendre un exemple fictif. Prenons deux onduleurs 1 MW de deux fabricants différents. Onduleur1 et Onduleur2 ont la même efficacité annoncée (93 % à pleine charge), sont employés dans une architecture 2N, utilisent un coût de l’électricité de 0,10 € / kW/h et servent une charge de 300 kW. D’aucuns prétendront qu’il n’y aura pas de différence dans le coût de l’électricité annuel généré par l’utilisation de ces deux systèmes. Cette réflexion est faussée : sauf dans les cas d’urgence ou de maintenance, les onduleurs n’opèrent jamais à 100 % de charge dans une configuration 2N, puisque chacun des deux « N » doit être capable de reprendre la pleine charge en cas de défaillance de son homologue. Par conséquent, la charge maximale spécifiée sur chaque onduleur en mode de fonctionnement normal ne peut pas dépasser 50 %. Dans la réalité, les systèmes d’onduleurs 2N atteignent rarement 50 % de charge par onduleur. Certaines enquêtes sur le terrain révèlent que les datacenters 2N opèrent à 20-40 % de leur capacité 2N1. Cet exemple suppose une charge typique de 30 %, à raison de 150 kW par onduleur. Dans le système 1, chaque onduleur subit une perte d’électricité équivalant à un coût annuel de 10 470 € contre 28 322 € pour chaque onduleur du système 2. Puisqu’il y a deux onduleurs dans chaque système, les pertes électriques sont doublées, soit 20 940 € et 56 644 € par an, respectivement. Ces pertes liées aux onduleurs se transforment en chaleur qui doit être éliminée par le système de refroidissement. En supposant que chaque kW de chaleur exige 400 watts pour être refroidi par le système de refroidissement, le coût additionnel est de 8 376 € et 22 651 € par an2. Dans cet exemple, avec une durée de vie typique de 10 ans pour le datacenter, le coût total des pertes liées aux onduleurs s’élèveraient à 293 165 € et 793 021 €, comme indiqué au Tableau 1. Alors, comment se fait-il que les pertes électriques entre deux onduleurs apparemment identiques puissent différer pratiquement du simple au triple ?

Tableau 1 – Des systèmes différents à la même charge dans une architecture 2N présentent des coûts différents

Système onduleur

Coût des pertes

à l’onduleur Coût du

refroidissementCoût annuel de

l’inefficacité Coût de l’inefficacité

sur 10 ans

Onduleur1 20 940 € 8 376 € 29 317 € 293 165 €

Onduleur2 56 644 € 22 651 € 79 302 € 793 021 €

1 La charge typique d’un onduleur dans un datacenter est d’environ 30 %, selon le livre blanc APC n° 37 « Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement d’infrastructure de centres de données et de salles réseau ». 2 400 watts est une estimation prudente du coût réel du refroidissement d’un datacenter. Selon le rapport suivant, le kW de refroidissement estimé représentait 51 % de la charge thermique totale du datacenter : Jennifer Mitchell-Jackson, Energy Needs in an Internet Economy : A Closer Look at Data Centers, 10 juillet 2001, p. 35-37.


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Création d’une courbe d’efficacité d’un onduleur

Une courbe d’efficacité est créée en mesurant d’abord la puissance fournie à l’onduleur (entrée) et la puissance fournie par l’onduleur à la charge (sortie). Ces mesures sont prises à différents niveaux de charge, généralement 25 %, 50 %, 75 % et 100 %. Une mesure est également prise à 0 % de charge pour savoir combien d’électricité l’onduleur lui-même consomme (perte sans charge). À partir de ces mesures, les pertes sont calculées en soustrayant la puissance d’entrée à la puissance de sortie. Ces pertes sont ensuite portées dans un graphique et une ligne de tendance est tracée selon ces points. La ligne de tendance fournit une formule à partir de laquelle tous les autres points peuvent être tracés pour chaque pourcentage de charge. Une fois toutes les pertes de puissance calculées, on crée la courbe d’efficacité en traçant le rapport de la puissance de sortie à la puissance d’entrée selon le niveau de charge.

La réponse tient dans les courbes d’efficacité des deux systèmes onduleurs et dans leur dimensionnement

par rapport à la charge. Une amélioration de 5 % de l’efficacité d’un simple onduleur peut entraîner une

réduction des coûts d’électricité de 18 % à 84 % selon la charge appliquée à l’onduleur. Nous l’illustrerons

plus loin à partir de conceptions d’onduleurs actuellement sur le marché.

Pour répondre aux exigences d’efficacité et d’environnement d’aujourd’hui, les fabricants d’onduleurs

peuvent utiliser trois facteurs pour améliorer l’efficacité des onduleurs à forte puissance : technologie,

topologie et modularité. Ensemble, ces facteurs peuvent réduire les pertes électriques aux onduleurs

sous la forme d’énergie thermique (kW). Ce livre blanc explique la courbe d’efficacité et présente les erreurs

courantes dans l’évaluation de l’efficacité des onduleurs. Il montrera comment la technologie, la topologie et

la modularité permettent aux fabricants d’améliorer l’efficacité des onduleurs. Pour une discussion complète

sur l’efficacité des datacenters, vous pouvez consulter le libre blanc APC n°113, « Modélisation de

l'efficacité électrique des datacenters ».

Courbe d’efficacité des onduleurs Si la fiche technique d’un onduleur ne comporte qu’un seul chiffre d’efficacité, il est quasi certain que

celui-ci s’entend à pleine charge (nominale) et à divers autres états favorables du système tels que des

batteries entièrement chargées, une tension d’entrée nominale de l’onduleur et d’éventuels transformateurs

et filtres déconnectés ou pas installés. Le fait est que la plupart des onduleurs mentionnent une efficacité

à 100 % de la charge, car c’est la meilleure efficacité que l’onduleur peut atteindre. Malheureusement, très peu de clients profiteront de cette efficacité, car ils n’atteindront jamais une charge de 100 %. Caractériser un onduleur sur la base de sa fiche technique, c’est comme acheter une voiture pour rouler

uniquement en ville alors qu’elle n’atteint son meilleur rendement que sur autoroute. Une meilleure façon

de qualifier un onduleur est d’utiliser l’efficacité à une charge d’environ 30 %, ce qui tend à être la moyenne

à laquelle fonctionnent la plupart des moyens à grands datacenters. Pour cela, il faut d’abord comprendre ce

qu’est la courbe d’efficacité d’un onduleur et comment elle est créée.

La Figure 1 illustre la forme de base de la courbe

d’efficacité d’un onduleur. Le point le plus élevé de la

courbe correspond à l’efficacité la plus élevée (axe Y)

et à la charge la plus élevée (axe X). Selon l’onduleur,

cette chute se produit à 20-30 % de la charge. Dans cette

courbe, l’efficacité maximale de l’onduleur est de 93 %.

Pour spécifier un onduleur à un niveau de charge réaliste,

le client doit trouver ou tester l’efficacité de l’onduleur à

un niveau de charge courant tel que 30 %, soit 89 % sur

cette courbe. Lorsqu’un datacenter utilise des onduleurs

redondants (2N), l’efficacité chute encore davantage en

raison du fait que la charge est répartie entre les deux

onduleurs, ce qui ramènerait l’efficacité à 82 %. Cet effet

de la redondance est discuté plus loin dans ce livre blanc.


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Figure 1 – Courbe d’efficacité d’un onduleur

La Figure 2 aide à mieux comprendre la courbe d’efficacité de la Figure 1 en indiquant où va la puissance.

Figure 2 – Répartition de la puissance d’entrée totale de l’onduleur, indiquant où va cette puissance

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

% Charge

% R

ende

men

t

La partie sans charge de la perte reste constante depuis la pleine charge jusqu’à la charge zéro

{

}

La perte sans charge est présente même sans charge

De nombreux datacenters fonctionnent dans cette plage

Charge de % de puissance total

100% 90%80%70%60%50%40%30% 20% 10% 0%

Courant fourni à la charge

Consommation électrique interne de l’onduleur (perte)

93.4% 93.3%

93.1%92.8%

92.4%91.8%

90.7%88.9%

85.5% 76.4%

EFFICACITE

} Pertes proportion-nelles et quadratiques

0%


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Dans ce schéma, les barres vertes représentent toute la puissance allant aux charges informatiques,

tandis que les barres rouges correspondent à des pertes internes dans les onduleurs qui définissent la

courbe d’efficacité de la Figure 1. Si un onduleur jouissait d’une efficacité parfaite, toute la puissance

fournie à l’onduleur serait transmise aux charges du datacenter et les barres seraient entièrement vertes

(pas de pertes) pour tous les niveaux de charge. Dans ce cas, la « courbe » d’efficacité prendrait la forme

d’une ligne horizontale (100 % pour toutes les charges). Cependant, comme l’indiquent les barres rouges,

une partie de la puissance d‘entrée est utilisée directement par l’onduleur. Il existe trois types de pertes liées

aux onduleurs : les pertes « sans charge », les pertes « proportionnelles » et les pertes « quadratiques ».

Pertes sans charge À une charge de 0 %, toute la puissance d’entrée est utilisée par l’onduleur, d’où le nom de pertes

« sans charge ». Ces pertes peuvent aussi prendre d’autres noms : perte de marche à vide, constante,

fixe, parallèle et perditance. Ces pertes sont indépendantes de la charge et sont attribuées à l’alimentation

d’éléments tels que les transformateurs, condensateurs, cartes logiques et cartes de communication.

Les pertes sans charge peuvent représenter plus de 40 % de toutes les pertes liées aux onduleurs et sont

de loin la plus grande opportunité d’améliorer l’efficacité des onduleurs. Ce point est discuté plus en détail

dans l’annexe.

Pertes proportionnelles : À mesure qu’une charge plus élevée est ajoutée à un onduleur, une plus grande quantité de puissance

doit être « traitée » par différents composants dans la trajectoire d’alimentation. Par exemple, les pertes de

commutation des transistors et les pertes de résistance des condensateurs et inducteurs viennent s’ajouter

aux pertes proportionnelles.

Pertes quadratiques À mesure que la charge appliquée à l’onduleur continue d’augmenter, le courant électrique passant

par ses composants augmente. Cela entraîne des pertes dans l’onduleur proportionnelles au carré du

courant, parfois appelées « I-R carré ». Les pertes de puissance dissipées sous la forme de chaleur sont

proportionnelles au carré du courant. Les pertes quadratiques deviennent significatives (1-4 %) aux charges

plus élevées des onduleurs.

En comparant les efficacités de plusieurs onduleurs, on ne fait qu’évaluer leurs pertes (barres rouges dans

la Figure 2). Une courbe d’efficacité en soi peut en dire beaucoup sur un onduleur en quantifiant ses pertes

proportionnelles, sans charge et quadratiques à tous les niveaux de charge. Le tracé d’une courbe de ces

trois types de pertes en rapport avec le pourcentage de charge de l’onduleur produira un graphique de perte

semblable à celui de la Figure 3. Remarquez comment les pertes sans charge restent constantes sur tout le

spectre alors que la perte proportionnelle augmente à mesure que d’autre équipements informatiques sont

connectés à l’onduleur.


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Figure 3 – Graphique des pertes de puissance

Erreurs fréquentes dans la qualification d’onduleurs Pour sélectionner un onduleur, il est très facile d’ignorer le gain d’efficacité d’un onduleur sur un autre.

Le Tableau 2 en répertorie les raisons et explique pourquoi elles sont fausses.

Tableau 2 – Raisons d’ignorer l’efficacité des onduleurs

Raison Erreur Les efficacités des onduleurs sont presque toujours égales à des chiffres valables à 100 % de la charge dans les conditions les plus favorables, ce qui donne des efficacités quasi identiques pour tous les onduleurs.

Les efficacités annoncées ne doivent être prises en compte que si l’onduleur est chargé à plus de 80 % dès le début. Sinon, il faut utiliser l’efficacité à plus faibles charges pour spécifier l’onduleur. Qui plus est, les fabricants excluent souvent les filtres d’entrée, qui réduisent les efficacités annoncées de 0,5 à 1 %.

Lorsqu’un onduleur est chargé à plus de 80 %, le coût électrique des pertes liées aux onduleurs représente un petit pourcentage en comparaison du coût de l’alimentation de la charge informatique.

Bien que ce soit vrai, les économies financières réelles entre deux onduleurs peuvent être assez importantes.

Les efficacités annoncées des onduleurs que l’on compare servent à calculer les pertes électriques pour tous les scénarios de charge, ce qui donne des coûts similaires.

Bien que l’efficacité apparaisse constante au-dessus de 30 % de charge, elle diminue légèrement, puis fortement en dessous d’une charge de 20 à 30 %. En outre, une petite différence d’efficacité se traduit par une différence de coût électrique plus importante qu’on ne le croit.

Les calculs de coûts sont effectués sur une base annuelle, ce qui réduit les coûts.

Les coûts annuels apparemment bas sont dix fois trop petits. Les calculs de coûts devraient prendre en compte toute la durée de vie du datacenter, qui est généralement de 10 ans.

Sans charge

Perte électrique

en kW (Pertes pour

cause d’inefficacité)

Charge des équipements

Pleine charge

50% 10% 30% 90% 70%

SSAANNSS CCHHAARRGGEE Perte

PPRROOPPOORRTTIIOONNNNEELLLLEE Perte

Perte QQUUAADDRRAATTIIQQUUEE


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L’entreprise paie l’électricité mesurée par le compteur du fournisseur – Tel est le facteur ultime sur lequel

devrait reposer la définition de tout équipement. Aussi la courbe d’efficacité des fabricants devrait-elle

être basée sur des installations client réalistes. Qui plus est, la conception du système d’alimentation d’un

datacenter doit prendre en compte l’impact sur l’efficacité de tous les composants du système, pas seulement

des onduleurs. Un cas à remarquer est le retrait des filtres d’entrée pour augmenter l’efficacité mesurée

des onduleurs. Par leur nature, les onduleurs produisent des harmoniques, des courants indésirables

qui augmentent les pertes thermiques dans le câblage et les transformateurs en amont, réduisant ainsi

l’efficacité. Les filtres d’entrée des onduleurs minimisent cet impact en atténuant le composant harmonique

du courant alternatif. En retirant les filtres dans le but d’augmenter l’efficacité mesurée des onduleurs, un

fabricant ne fait que déplacer les pertes thermiques et le coût d’électricité correspondant plus loin en amont.

En fin de compte, l’utilisateur final paie sans le savoir une pénalité supérieure à 0,5 à 1 % pleine charge.

En effet, l’onduleur est généralement chargé à environ 30 %, un niveau de charge où les pertes fixes

des filtres pèsent plus lourdement. Par exemple, à 0,10 € / kW/h, un onduleur de 1 MW à 30 % de charge

offrira au mieux une efficacité de 89 %. Si on y ajoute un filtre qui fait chuter l’efficacité de 3 % au niveau

de la charge, le coût électrique annuel passe de 32 481 à 42 781 €, soit une augmentation de près de 32 %.

La meilleure méthode pour définir l’efficacité d’un onduleur consiste peut-être à demander au fabricant une

courbe d’efficacité qui décrira complètement les économies d’énergie d’un onduleur par rapport à un autre.

Notez que la courbe doit s’accompagner de données de puissance d’entrée et de sortie afin qu’une simple

feuille de calcul permette de déterminer les économies d’énergie sur tout le spectre de 0 % à 100 % de

charge. Il importe que la courbe du fabricant soit basée sur une configuration similaire à celle qui sera spécifiée. L’annexe de ce livre blanc fournit une discussion approfondie des comparaisons d’efficacité

des onduleurs par l’examen de différents scénarios. La section qui suit décrit comment les fabricants

peuvent améliorer l’efficacité des onduleurs en utilisant différents éléments de conception.

Amélioration de l’efficacité des onduleurs à forte puissance Il existe trois grandes pertes contre lesquelles un fabricant peut lutter pour augmenter l’efficacité des

onduleurs : pertes sans charge, pertes proportionnelles et pertes quadratiques. Dans cette lutte, les

fabricants disposent de trois moyens : technologie, topologie et modularité. Une bonne compréhension

de l’influence de ces facteurs sur l’efficacité permettra de mieux identifier les onduleurs qui réduiront

sensiblement les coûts d’électricité liés à leur utilisation.

Technologie Le concept de technologie tend à se mélanger aux concepts de topologie et de modularité mais, dans

ce document, sa signification est limitée à la description des modules matériels et logiciels d’un onduleur.


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Technologie de commutation : IGBT au lieu de SCR Les onduleurs à forte puissance à semi-processeurs (« statiques ») opèrent en convertissant du courant

alternatif (CA) en courant continu (CC) et inversement. Une partie de ce processus de conversion consiste

en des séquences rapides de commutation qui entraînent des pertes de puissance en chaleur dans le

commutateur en raison de sa résistance électrique inhérente. En fait, même lorsqu’un commutateur est

ouvert, il existe toujours une petite perte thermique due au courant de fuite. Ce phénomène est similaire

à la chaleur produite lorsque l’on tire rapidement une corde (le courant) avec ses mains (commutateur).

Lorsque la corde est tenue fermement (commutateur fermé), de la chaleur est générée ; lorsque la corde

est relâchée (commutateur ouvert), une très petite quantité de chaleur est générée.

Initialement, la commutation était accomplie par des thyristors au silicium (Silicon-Controlled

Rectifier - SCR) qui offraient des capacités de commutation à haute intensité / haute tension. Les SCR ont

été des composants standard des onduleurs jusqu’au milieu des années 1990 et ils sont toujours utilisés

aujourd’hui dans certaines architectures plus anciennes. Ils étaient relativement peu coûteux et permettaient

une conception facile des onduleurs, mais ils présentaient de sérieux inconvénients : le plus grave était leur

tendance à provoquer un court-circuit au point le plus critique de l’onduleur – le bus CC. Il fallait ajouter des

circuits et dispositifs de protection pour protéger le bus CC contre ce mode de défaillance, et cette

multiplication des composants augmentait en même temps le risque de défaillance de composants. Les

SCR sont faciles à allumer (un signal de 1-2 volts à la gâchette suffit) mais difficiles à couper (requérant

une crête de tension à polarisation inverse). Les transistors n’ont pas ce problème – ils exigent moins de

puissance pour se déclencher et s‘enclencher. Fondamentalement, ils sont « ouverts » lorsque le signal

de gâchette est présent et « fermés » dans le cas contraire. Jusqu’au milieu des années 1990, cependant,

ils étaient limités en termes de capacité de courant. Le problème a été résolu avec l’introduction des

transistors bipolaires à grille isolée (Isolated Gate Bipolar Transistor - IGBT). Capables d’offrir des vitesses

et des tensions plus élevées, les IGBT ont rendu possible une conversion dans un mode « modulation de

largeur d'impulsion haute fréquence » (Pulse Width Modulation - PWM). Le mode PWM haute fréquence

réduit la taille des filtres requis, ce qui permet d’autres améliorations de l’efficacité.

Commandes : DSP au lieu d’analogique Nombre de fabricants remplacent aujourd’hui la commande analogique par des contrôleurs de signaux

numériques (Digital Signal Processing - DSP). Le changement est similaire à celui qui s’est produit lorsque

les mécanismes à engrenages et aiguilles des montres ont fait la place à une pile et un écran à cristaux

liquides. Les processeurs DSP sont bien plus intelligents et bien plus rapides, et prennent ainsi bien plus

de décisions qui contribuent à améliorer l’efficacité. Les processeurs DSP réduisent également le nombre

de composants par rapport aux circuits analogiques.


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Les processeurs DSP plus avancés peuvent améliorer l’efficacité par une commutation adaptative

intelligente, où les commutateurs haute fréquence principaux peuvent maintenir la précision de la

tension de sortie avec moins de transitions de commutation susceptibles de générer des pertes.

Pour les charges plus légères, la réduction des transitions de commutation avec les DSP peut atteindre

50 %, ce qui améliore sensiblement l’efficacité. En outre, les processeurs DSP exigent bien moins de

puissance que les commandes des générations précédentes, ce qui permet une réduction substantielle

des pertes sans charge.

Les technologies IGBT et DSP sont des améliorations technologiques majeures qui ont permis d’accroître

l’efficacité des onduleurs de la toute dernière génération.

Topologie La topologie des onduleurs définit comment leurs composants d’alimentation sont connectés en interne.

Les fabricants peuvent agir sur la topologie pour réduire les pertes pour une application ou une plage de

dimensions particulière. Deux topologies principales sont utilisées pour les onduleurs à forte puissance :

Online double conversion et Online delta conversion. Dans le cas d’onduleurs haute puissance au-dessus

de 200 kVA, une publication récente de l’institut US Electrical Power Research Institute a découvert que

la topologie Online delta conversion offre actuellement la plus grande efficacité3 (Figure 4). L’effet de la

topologie sur l’efficacité des onduleurs est expliqué dans les paragraphes qui suivent.

Figure 4 – Extrait du rapport EPRI sur les onduleurs (p. 20)

3 My Ton, Brian Fortenbury, High Performance Buildings: Data Centers Uninterruptible Power Supplies (UPS), p. 20. http://hightech.lbl.gov/documents/UPS/Final_UPS_Report.pdf (dernier accès le 28 avril 2006).


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Dans le cas d’onduleurs delta conversion, l’efficacité est principalement améliorée par la réduction des

pertes sans charge, mais aussi par une réduction des pertes quadratiques. En utilisant le transformateur

d’entrée dans une disposition en série, il est possible de réguler et contrôler l’intensité d’entrée de l’onduleur

et sa tension de sortie sans devoir convertir toute la puissance entrante vers CC et de nouveau vers CA,

comme pour les onduleurs Online double conversion. Ce système est illustré à la Figure 5. Notez que la

tension de sortie dans la topologie Online delta conversion est entièrement régénérée par l’inverseur de

sortie et isolée du secteur tout comme dans une configuration à double conversion. Un autre exemple de la

façon dont la topologie réduit les pertes sans charge est l’élimination du filtre d’entrée associé à la topologie

à double conversion. Les onduleurs traditionnels à double conversion génèrent un fort courant harmonique

en entrée (de 9 % à 30 % de distorsion harmonique totale) et un faible facteur de puissance (0,9 à 0,8).

Pour cette raison, on ajoute un filtre d’entrée aux topologies à double conversion, ce qui augmente le facteur

de puissance et réduit les harmoniques où le courant indésirable qui augmente les pertes thermiques dans

le câblage et les transformateurs en amont. Notez cependant que l’ajout de ce filtre interfère dans la

régulation de tension du générateur. En soutirant du courant sinusoïdal, la topologie delta conversion

génère un courant harmonique d’entrée négligeable (moins de 3 %) avec un facteur de puissance unitaire,

éliminant ainsi entièrement le besoin d’un filtre d’entrée. Pour d’autres commentaires sur les différences

entre les topologies d’onduleurs, consultez le Livre blanc APC n°1, « Les différents types d'onduleurs ».

La topologie delta conversion est une bonne illustration de la possibilité pour les constructeurs pour

augmenter l’efficacité des onduleurs et accroître les économies d’énergie sans compromettre les

performances électriques. La comparaison qui suit contribue à illustrer ces économies.

Figure 5 – 2 Technologies de conversion de puissance avec des onduleurs « On-line »

Selon le livre blanc APC N°1, « Les différents types d'onduleurs »

Online double conversion Online delta conversion


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Quantification de l’effet de la topologie

Comparaison de topologies 1N – Delta conversion et Double conversion La configuration « A » est un onduleur 1 MW Online delta conversion. La configuration « B » est un onduleur

1 MW Online double conversion. La Figure 6 illustre les courbes d’efficacité en fonction du pourcentage de

charge, pour chaque onduleur. Dans les deux cas, la charge est supposée être de 300 kW. L’efficacité de la

configuration A à 30 % de charge est de 94,9 %, contre 88,7 % pour la configuration B. Cela représente une

différence de 6,2 % d’efficacité, ce qui constitue une économie sensible sur la durée de vie de l’onduleur.

Figure 6 – Courbes d’efficacité des topologies Double conversion (A) et Delta Conversion (B)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

% Charge

Efficacité de l'onduleur « A »

Efficacité de l'onduleur « B »

Configuration B à 30 % de charge

Configuration A à 30 % de charge

Le Tableau 3 illustre une économie de 58 % avec la topologie delta conversion de la configuration A par

rapport à la topologie à double conversion de la configuration B. Il est évident que l’essentiel des coûts

dans les deux onduleurs est constitué des pertes sans charge, qui représentent quelque 60 % de toutes

les pertes.

Tableau 3 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Delta conversion contre Double conversion (1N)

Système onduleur Rendement %

Perte proportionnelle

Perte sans

charge Perte

quadratiqueCoût du

refroidissement Coût total de l’inefficacité

Économies sur 10 ans

Configuration A – Delta conversion 94,87 % 16 820 € 116 771 € 8 523 € 56 846 € 198 960 €

Configuration B – Double conversion 88,67 % 25 213 € 283 298 € 27 239 € 134 300 € 470 051 €

271 091 €58 %

Les coûts présentés dans le Tableau 3 doublent pratiquement lorsque les mêmes onduleurs sont analysés

dans une architecture redondante 2N (système plus système). C’est ce qu'illustre la comparaison suivante.


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Comparaison de topologies 2N – Delta conversion et Double conversion La configuration A se compose d’onduleurs Online delta conversion redondants (2N) de 1 MW. La

configuration B se compose d’onduleurs Online double conversion redondants (2N) de 1 MW. À nouveau,

la charge est supposée être de 300 kW. Cela signifie que chaque onduleur est maintenant chargé à

uniquement 15 % car chacun des deux onduleurs dans chaque configuration supporte la moitié de la

charge en fonctionnement normal. Le Tableau 4 décrit la répartition des coûts pour ce scénario 2N. Notez

que, pour tout onduleur particulier, bien que les pertes quadratiques soient réduites de moitié dans une

architecture 2N, cela ne compense pas le doublement des pertes sans charge puisque ces pertes de kW

sont indépendantes de la charge.

Tableau 4 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Delta conversion contre Double conversion (redondance 2N)

Système onduleur Rendement %


Perte sans charge

Perte quadratique

Coût du refroidis sement

Coût total de l’inefficacité


Configuration A – Delta conversion 91,17 % 16 820 € 233 542 € 4 262 € 101 849 € 356 473 €

Configuration B – Double conversion 81,28 % 25 213 € 566 597 € 13 620 € 242 172 € 847 601 €

491 129 €58 %

Modularité La modularité est le troisième élément dont disposent les constructeurs pour réduire les pertes d’énergie.

Comme l'illustre la courbe d’efficacité de la Figure 5, plus l’onduleur fonctionne à un niveau proche de sa

capacité maximale, plus il est efficace. La modularité permet aux utilisateurs de dimensionner l’onduleur

aussi près de la charge que possible (autrement dit, de faire en sorte que l’onduleur fonctionne le plus à

droite possible sur la courbe). Une façon très efficace d’adapter la capacité à la charge peut s’illustrer

facilement à l’aide d‘un exemple bien connu des datacenters – le serveur lame (Figure 7).

Figure 7 – Un onduleur lame modulaire, évolutif

L’architecture du serveur lame illustre deux propriétés de conception essentielles qui peuvent être mises

à profit dans les onduleurs : elle est modulaire et évolutive.


14

Un serveur lame est modulaire en ce sens que le client achète le châssis des serveurs lames, puis y installe

des « lames » standard de manière à obtenir la capacité de calcul requise par l’application. À mesure qu’il

installe d’autres lames dans le châssis, la puissance de calcul augmente. Le système est donc « évolutif »

puisqu’il peut être dimensionné en fonction des besoins de calcul.

Imaginez maintenant un onduleur basé sur les mêmes principes. Par exemple, supposez qu’un châssis

d’onduleur offre une capacité de 1 MW et que, à mesure que la charge augmente sur l’onduleur, vous

puissiez ajouter des modules de puissance standardisés pour atteindre la capacité de sortie voulue.

L’onduleur pourrait offrir une capacité augmentant progressivement de 200 kW à 1 MW au rythme des

ajouts. Une telle solution permet d’éviter des investissements inutiles – vous n’achetez que les composants

dont vous avez besoin – et l’onduleur fonctionne à une charge plus élevée puisque la capacité du système

est plus proche de la charge réelle, ce qui donne une plus grande efficacité électrique. La comparaison qui

suit illustre l’avantage de cette meilleure adaptation des dimensions pour la même charge de 300 kW que

dans les exemples précédents.

Quantification de l’effet de la modularité

Comparaison de modularité 1N – Dimensions adaptées vs surdimensionnement La configuration A est un onduleur Online delta conversion évolutif de 1 MW, dont les dimensions sont

adaptées au moyen de (2) modules de 200 kW (400 kW). La configuration B comporte le même onduleur,

mais surdimensionné à 1 MW à l’aide de (5) modules de 200 kW. La courbe d’efficacité résultante est

illustrée à la Figure 84.

Figure 8 – Courbe d’efficacité pour un onduleur delta conversion de 1MW

Le graphique illustre les deux points de la courbe où cette comparaison s’effectue (75 % de charge et 30 %

de charge pour les configurations A et B, respectivement). Ces deux points correspondent à des efficacités

de 96,87 % et 94,87 % respectivement. Le Tableau 5 illustre la répartition de l’analyse des coûts d’efficacité

dans chaque cas. Si les pertes proportionnelles sont équivalentes, les pertes sans charge de l’onduleur

surdimensionné sont 2,5 fois supérieures à celles de l’onduleur correctement adapté. Cependant, le

4 La courbe d’efficacité de la Figure 7 représente l’onduleur surdimensionné, mais donne aussi une bonne approche de l’efficacité lorsque la capacité de l’onduleur est adaptée.

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

% Charge

Configuration A

Configuration B


15

gain d’efficacité de l’ajustement des dimensions est légèrement amoindri par l’augmentation des pertes

quadratiques, lesquelles sont 2,5 fois supérieures à celles de l’onduleur surdimensionné. En effet, les

pertes quadratiques s’accentuent aux charges plus élevées.

Tableau 5 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Onduleur Delta conversion évolutif ajusté en comparaison avec le même onduleur surdimensionné (1N)

Système onduleur % efficacité Perte proportionnelle

Perte sans charge

Perte quadratique

Coût du refroidissement



Configuration A – Onduleur évolutif ajusté

96,87 % 16 820 € 46 708 € 21 308 € 33 935 € 118 772 €

Configuration B – Onduleur évolutif surdimensionné

94,87 % 16 820 € 116 771 € 8 523 € 56 846 € 198 960 €

80 188 €40 %

La comparaison qui suit illustre comment ces économies augmentent lorsque les architectures sont

redondantes.

Comparaison de modularité 2N – Dimensions adaptées vs surdimensionnement La configuration A est un système d’onduleurs Online delta conversion 2N (système plus système) évolutif

de 1 MW, dont les dimensions sont adaptées au moyen de (2) modules de 200 kW (400 kW) dans chaque

onduleur. La configuration B est identique, mais chaque onduleur est surdimensionné à 1 MW à l’aide de

(5) modules de 200 kW. Le Tableau 7 illustre la répartition de l’analyse des coûts d’efficacité dans chaque

cas. Ce qui est intéressant à noter, c’est que les rapports des pertes proportionnelles et sans charge

entre les deux onduleurs sont identiques à ceux obtenus dans la comparaison de modularité 1N, mais

les économies sur 10 ans montent à 53 %. De nouveau, les pertes quadratiques expliquent cette diminution

nette, car elles représentent un plus petit pourcentage des pertes totales à faibles charges.

Tableau 6 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Onduleur Delta conversion évolutif ajusté en comparaison avec le même onduleur surdimensionné (2N)


Perte sans charge

Perte quadratique




Configuration A – Onduleur évolutif ajusté en 2N

95,60 % 16 820 € 93 417 € 10 654 € 48 356 € 169 247 €

Configuration B – Onduleur évolutif surdimensionné en 2N

91,17 % 16 820 € 233 542 € 4 262 € 101 849 € 356 473 €

187 225 €53 %

Quantification de l’effet de la topologie et de la modularité Les comparaisons qui précèdent montrent clairement les avantages de la topologie et de la modularité

en termes d’efficacité. Peut-on encore augmenter l’efficacité en combinant les avantages de la topologie

et de la modularité ? Les comparaisons qui suivent quantifient cette amélioration.


16

Comparaison de topologie et modularité 1N – Onduleur delta conversion ajusté vs onduleur double conversion surdimensionné La configuration A est un onduleur Online delta conversion évolutif de 1 MW, dont les dimensions sont

adaptées au moyen de (2) modules de 200 kW (400 kW). La configuration B est un onduleur Online double

conversion de 1 MW non évolutif, donc surdimensionné. Dans les deux cas, la charge est supposée être

de 300 kW. L’efficacité de la configuration A à 30 % de charge est de 96,9 %, contre 88,7 % pour la

configuration B, soit un différentiel de 8,2 %.

Le Tableau 7 révèle des économies de 75 % sur le coût de l’inefficacité par l’utilisation d’un onduleur delta

conversion évolutif et ajusté au lieu de l’onduleur double conversion non évolutif surdimensionné. Dans

cette architecture 1N, le coût total de l’énergie de la configuration A est près de quatre fois celui de la

configuration B. Qui plus est, les pertes sans charge de la configuration A sont maintenant réduites à 39 %

de l’ensemble des pertes, soit près de la moitié de celles de la configuration B (60 %). La Figure 9 illustre

la répartition des coûts d’électricité selon les différentes pertes dans une architecture 1N. Tableau 7 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Delta conversion ajustée

contre Double conversion non évolutive sans redondance (1N)


Perte sans charge

Perte quadratique




Configuration A – Onduleur évolutif ajusté delta conversion

96,87 % 16 820 € 46 708 € 21 308 € 33 935 € 118 772 €

Configuration B – Onduleur double conversion non évolutif surdimensionné

88,67 % 25 213 € 283 298 € 27 239 € 134 300 € 470 051 €

351 279 €75 %

Figure 9 – Répartition des coûts de pertes sur 10 ans dans une architecture 1N

$0

$50,000

$100,000

$150,000

$200,000

$250,000

$300,000

Online double conversionsurdimensionné

Online delta conversionsurdimensionné

Online delta conversion ajusté

Pertes quadratiquesPertes proportionnellesPertes sans chargeRefroidissement

Les coûts présentés dans le Tableau 7 doublent pratiquement lorsque les configurations A et B sont

analysées dans une architecture redondante 2N (système plus système). Dans une architecture 2N, le coût

total de l’énergie pour la configuration B est près de 5 fois celui de la configuration A, comme l'illustre le


17

Tableau 8. La Figure 9 et la Figure 10 montrent clairement que l’impact financier des pertes sans charge

est supérieur à celui de toutes les autres pertes. Notez que, pour un onduleur particulier, bien que les pertes

quadratiques soient diminuées de moitié dans une architecture 2N, cette réduction ne compense pas le

doublement des pertes sans charge, qui sont les plus importantes à presque tous les niveaux de charge.

Tableau 8 – Analyse de coûts sur 10 ans pour une charge de 300 kW – Delta conversion ajustée en comparaison avec Double conversion non évolutive avec redondance 2N

(système plus système)

Système onduleur % efficacité


Perte sans

charge Perte

quadratique Coût du

refroidissement Coût total de l’inefficacité


Configuration A – Onduleur évolutif ajusté delta conversion

95,60 % 16 820 € 93 417 € 10 654 € 48 356 € 169 247 €

Configuration B – Onduleur double conversion non évolutif surdimensionné

81,28 % 25 213 € 566 597 € 13 620 € 242 172 € 847 601 €

678 354 € 80 %

Figure 10 – Répartition des coûts de pertes sur 10 ans dans une architecture 2N

$0

$100,000

$200,000

$300,000

$400,000

$500,000

$600,000



Online delta conversion ajusté

Pertes quadratiquesPertes proportionnellesPertes sans chargeRefroidissement

Ces comparaisons montrent clairement que cette augmentation de l’efficacité des onduleurs peut s’obtenir

de deux manières : en optant pour une topologie offrant une plus grande efficacité et en ajustant la taille

des onduleurs. Dans ces exemples, c’est immanquablement le choix d’une topologie plus efficace qui

permet de réaliser le plus grand gain d’efficacité. Cependant, ce gain exige l’achat d’un nouvel onduleur, ce

qui n’est réaliste que lorsque l’onduleur existant est en fin de vie. Si le choix se porte sur une adaptation du

système d’onduleurs pour augmenter l’efficacité, l’achat d’un nouvel onduleur peut parfois être nécessaire.

S’il y a plusieurs onduleurs existants, l’adaptation des dimensions pourrait se faire en déplaçant des charges

vers un ou plusieurs onduleurs, ce qui permettrait d’éteindre les systèmes déchargés. La méthode de

l’adaptation des dimensions s’applique aussi aux climatiseurs dans des datacenters surdimensionnés.


18

Ce que vous pouvez faire

• Lorsque vous évaluez des onduleurs, considérez

l’efficacité comme un facteur crucial et obtenez

les courbes d’efficacité des fabricants.

• Comprenez que tout onduleur est moins

efficace à moindre charge ; assurez-vous donc

que les données d’efficacité des fabricants sont

présentées comme une fonction de la charge,

pas comme une simple valeur à pleine charge.

• Choisissez une architecture d’onduleur modulaire

permettant de mieux adapter la capacité de

l’onduleur à la charge actuelle. Cela aura un impact significatif sur l’efficacité.

• Renseignez-vous sur les programmes éventuels

de gestion « à la demande » dans votre région.

• Renseignez-vous sur les critères en vigueur

dans votre région pour obtenir une nomination

« bâtiment vert ».

La Figure 11 illustre un exemple d’onduleur modulaire de 1 MW évolutif par paliers de 200 kW. Le résultat

net est que le coût total de possession (TCO) diminue en raison des économies d’investissement en amont

et des économies dans l’exploitation quotidienne du système.

Outre le gain d’efficacité électrique obtenu par l’adaptation de

la capacité des onduleurs à la charge servie, une conception

modulaire présente d’autres caractéristiques qui contribuent

grandement à la disponibilité, à la flexibilité et au coût total

de possession. Pour en savoir plus sur les avantages de la

conception modulaire, consultez le livre blanc APC n° 116,

« Standardisation et modularité de l'infrastructure physique

de réseaux critiques ».

Avantages économiques supplémentaires Une efficacité accrue offre d’autres avantages que la réduction

directe de la consommation d’énergie. Aux États-Unis, par

exemple, l’Energy Policy Act de 2005 octroie des avantages

fiscaux pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des

bâtiments commerciaux.5 De même, le programme Enhanced

5 http://www.energy.gov/taxbreaks.htm (accès le 28 avril 2006).

Figure 11 – Un onduleur modulaire, évolutif

Module d’alimentation


19

Capital Allowances (ECA) permet aux entreprises britanniques de déduire 100 % du capital investi dans la

qualification des équipements d’efficacité énergétique la première année6. Dans certaines régions (dont de

nombreuses régions des États-Unis), les fournisseurs d’électricité incentivent les conceptions haute

efficacité au travers de programmes de gestion « à la demande » visant à réduire la demande globale

d’électricité.

Dans ces programmes, les utilisateurs efficaces peuvent obtenir de leur compagnie d’électricité

une réduction du tarif ou un subventionnement des coûts d’investissement dans des technologies

plus efficaces. Ces avantages contribuent à réduire encore le coût total de possession (TCO) des

datacenters.

Pour pouvoir caractériser avec confiance des onduleurs efficaces au plan énergétique, il faut que

toutes les mesures d’efficacité des onduleurs se fassent dans des conditions similaires chez les

différents fournisseurs et qu’elles soient administrées et certifiées par des organismes d’essai

indépendants. Récemment, le laboratoire LNBL (Lawrence Berkeley National Laboratory) a publié

un rapport sur les onduleurs dans le cadre du projet « High-Performance High-Tech Buildings » qui

se penche sur l’amélioration de l’efficacité énergétique dans les datacenters ainsi que dans les salles

blanches et les laboratoires7. Ce rapport propose un plan de labellisation de l’efficacité énergétique et

de la qualité de l’alimentation pour différents types d’onduleurs comme encouragement à l’utilisation

d’onduleurs à plus haute efficacité.

Il existe aussi des désignations « bâtiment vert » pour des conceptions à haute efficacité, qui distinguent

des datacenters efficaces comme membres d’un mouvement qui est en train de gagner une grande

crédibilité sur le marché. Les entreprises considèrent ces désignations comme un plus pour leur entreprise

dans leurs communications marketing, qu’elles peuvent obtenir en bénéficiant en plus d’une réduction de

leurs coûts d’exploitation. Tout le monde y gagne : l’entreprise, ses clients (par la réduction des coûts

de production) et l’environnement. La qualification verte est appelée à une reconnaissance croissante

du marché et à gagner de l’importance alors que les ressources énergétiques se raréfient et se font plus

coûteuses.

Conclusion Les datacenters consomment une grande quantité d’électricité – ce qu’ignorent largement le marché et les

entreprises. Le coût total de possession (TCO) devenant un facteur de poids dans les décisions, l’efficacité

des systèmes devient un élément de différentiation. Les technologies des onduleurs continuent d'évoluer

vers une plus grande efficacité électrique. Il importe de se rappeler que la vraie mesure du succès

(en préservant par ailleurs les standards de fiabilité) est l’efficacité réellement atteinte, pas les détails

6 http://www.eca.gov.uk/etl/page.asp?pageCode=w0002&showHeader=1&showMenu=1 (accès le 11 mai 2006). 7 My Ton and Brian Fortenbury, High-Performance High-Tech Buildings - Uninterruptible Power Supplies (UPS), décembre 2005.


20

de la technologie qui permet d’y parvenir. Des nouvelles technologies peuvent être inventées, d’anciennes

technologies peuvent être améliorées, mais, du point de vue de l’utilisateur, c’est la courbe d’efficacité qui

est révélatrice et qui, combinée au coût de l’équipement, fournit des informations exploitables. Si tous les

systèmes offrent la même fiabilité, comme c’est le cas pour la plupart, le bon sens économique consiste

à employer le système le plus efficace possible. La contribution à une image « verte », l’augmentation de

la flexibilité et la simplification des besoins de maintenance grâce à une conception modulaire sont autant

d’avantages supplémentaires qui renforcent le bien-fondé de ce choix.

Lectures associées Livre blanc APC n°1 Les différents types d’onduleurs

Livre blanc APC n°17 Understanding Power Factor, Crest Factor, and Surge Factor

Livre blanc APC n°75 Comparaison des configurations des types d’onduleurs

Livre blanc APC n°78 Mean Time Between Failure: MTBF : Définitions et normes

Livre blanc APC n°113 Modélisation de l'efficacité électrique des datacenters

Livre blanc APC n°116 Standardisation et modularité de l'infrastructure physique de réseaux critiques

À propos de l’auteur : Richard L. Sawyer est Directeur des technologies de datacenters chez APC à West Kingston, Rhode

Island (USA) ; il dirige l’équipe Professional Services d’APC. Il est membre de 7x24 Exchange et siège

à la commission consultative de l’AFCOM Data Center Institute. Rick a participé à la conception, à la

construction et à l’exploitation de datacenters dans le monde entier pour Fidelity Investments, Aetna

Life and Casualty et CIGNA Corporation avant de rejoindre APC.


21

Annexe Dérivation des coûts dans les tableaux 3 à 8 Cette annexe explique comment ont été dérivés les coûts présentés dans les tableaux 3 à 8. Les variables

suivantes ont été utilisées dans les calculs :

Coût par kW/h = 0,10 €

Nombre d’heures par année = 8 760 heures

Nombre d’années de fonctionnement = 10 ans

Énergie requise par le système de refroidissement pour éliminer 1kW de chaleur = 0,4 kW

Charge sur l’onduleur pour un scénario 1N (pas de redondance) = 300 kW

Charge sur chaque onduleur pour un scénario 2N (système plus système) = 150 kW

Les coûts calculés dans ce document ont été dérivés des courbes de la Figure A1. Tant l’onduleur Online

delta conversion que l’onduleur Online double conversion ont été mesurés sous une charge ohmique de

100 % par un tiers, TUV Rheinland Group. Ces courbes de pertes de puissance ont été créées en mesurant

d’abord la puissance fournie à chaque onduleur (entrée) et la puissance fournie par chaque onduleur à la

charge (sortie). Ces mesures ont été prises à plusieurs niveaux de charge, dont 25 %, 50 %, 75 % et 100 %.

Une mesure a également été prise à 0 % de charge pour savoir combien d’électricité l’onduleur lui-même

consomme (perte sans charge). À partir de ces mesures, les pertes ont été calculées en soustrayant la

puissance d’entrée de la puissance de sortie. Les pertes ont ensuite été divisées par la capacité nominale

de l’onduleur pour chaque onduleur, ce qui permet de décrire facilement les pertes de l’onduleur à tout

niveau de charge. Ces pourcentages de pertes ont ensuite été portés dans un graphique Excel et une ligne

de tendance de 2e ordre a été ajoutée pour relier ces points avec une valeur R2 minimale de 0,99988. La

tendance fournit une formule à partir de laquelle toutes les autres pertes peuvent être tracées pour chaque

pourcentage de charge (voir ci-dessous). Le traçage de 1000 pourcentages de pertes uniformément

espacés par rapport au niveau de charge a permis de produire la courbe de la Figure A1.

Formule de la ligne de tendance de 2e ordre pour un onduleur Online delta conversion

y = 0,01081x2 + 0,00640x + 0,01333

Formule de la ligne de tendance de 2e ordre pour un onduleur Online double conversion

y = 0,03455x2 + 0,00959x + 0,03234

Il importe de noter que le premier terme représente la perte quadratique sous la forme d’un pourcentage

de la capacité nominale de l’onduleur. Le second terme représente la perte proportionnelle et le troisième

la perte sans charge. L’ensemble forme un modèle mathématique pour les pertes totales de l’onduleur

à tout niveau de charge.

8 R-carré (R2) est une unité statistique de 0 à 1 qui indique avec quelle précision les valeurs de la ligne de tendance sont liées aux valeurs mesurées. Une valeur R2 de 1 indique une corrélation ou adaptation parfaite.


22

Figure A1 – Courbes de perte de puissance pour les onduleurs delta conversion et double conversion

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

% Charge

expr

imée

en

pour

cent

age

de la

cap

acité

no

min

ale

de l’

ondu

leur

Online delta conversionOnline double conversion

Les coûts indiqués dans les comparaisons sont basés sur les données du Tableau A1, lesquelles sont

dérivées des équations du 2e degré présentées plus haut.

Tableau A1 – Données utilisées dans les calculs pour les Tableaux 3 à 8

Système onduleur Charge (kW et %)

Perte proportionnelle %

Perte sans charge %

Perte quadratique % % efficacité

Pas de redondance – 1N

Configuration – Onduleur évolutif ajusté delta conversion

300 (75 %) 0,48 % 1,33 % 0,61 % 96,87 %

Configuration – Onduleur évolutif surdimensionné delta conversion

300 (30 %) 0,19 % 1,33 % 0,10 % 94,87 %

Configuration – Onduleur double conversion non évolutif surdimensionné

300 (30 %) 0,29 % 3,23 % 0,31 % 88,67 %


23

Redondance – 2N (système plus système)

Configuration – Onduleur évolutif ajusté delta conversion

150 (38 %) 0,48 % 2,67 % 0,30 % 95,60 %

Configuration – Onduleur évolutif surdimensionné delta conversion

150 (15 %) 0,19 % 2,67 % 0,05 % 91,17 %

Configuration – Onduleur double conversion non évolutif surdimensionné

150 (15 %) 0,29 % 6,47 % 0,16 % 81,28 %

Notez que les pourcentages de pertes sont relatifs à la capacité nominale de l’onduleur (1000 kW pour

les onduleurs surdimensionnés et 400 kW pour l’onduleur ajusté). Bien que les pertes sans charge (kW)

soient constantes quel que soit le pourcentage de charge, lorsqu’elles sont exprimées en pourcentage de

la capacité nominale de l’onduleur, le pourcentage augmente à mesure que le niveau de charge décroît.

L’exemple qui suit aidera à clarifier la façon dont les pourcentages de pertes du Tableau A1 ont été dérivés.

Pour calculer le pourcentage de perte quadratique à 75 % de charge pour la « Configuration – Onduleur

évolutif ajusté delta conversion », on utilise la formule de delta conversion y = 0,01081x2 + 0,00640x

+ 0,01333, où « x » est égal à 0,75. Cependant, nous cherchons la partie des pertes correspondant

à la perte quadratique, qui est représentée par le premier terme 0,01081x2. Par conséquent, la perte

quadratique est de 0,01081*(0,75)2 soit 0,61 % de la capacité nominale de l’onduleur (400 kW dans

ce scénario). Cela signifie que, à 75 % de charge, cet onduleur ajusté de 400 kW produit 2,4 kW de

perte quadratique.

Pour calculer le pourcentage de perte totale à 75 % de charge pour la « Configuration A – Onduleur évolutif

ajusté delta conversion », on utilise la formule de delta conversion y = 0,01081x2 + 0,00640x + 0,01333,

où « x » est égal à 0,75. Le résultat est y = 0,02421, soit 2,42 % de la capacité nominale de l’onduleur

(400 kW dans ce scénario). Cela signifie que, à 75 % de charge, cet onduleur ajusté de 400 kW produit

9,7 kW de pertes.

Pour calculer le coût sur 10 ans des pertes internes de l’onduleur, on utilise la formule suivante :

Coût des pertes de l’onduleur sur 10 ans = Perte kW x 8,760 x 0,10 x 10

Dans une architecture 2N, le coût calculé à partir de l’équation ci-dessus doit être multiplié par 2, car il y

a deux onduleurs produisant ces pertes. Outre le coût des pertes internes de l’onduleur, il faut ajouter le

coût de refroidissement. Pour calculer le coût sur 10 ans pour le refroidissement des pertes internes de

l’onduleur, on utilise la formule suivante :

Coût des pertes de l’onduleur sur 10 ans = (Coût des pertes de l’onduleur sur 10 ans) x 0,4

amélioration de l'efficacité des onduleurs à forte puissance · 2006 american power...

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