Onduleur : Comment bien choisir ?

Comment choisir un onduleur ?

En raison de l’automatisation croissante des équipements, il est aujourd’hui nécessaire de protéger les traitements informatiques de données et les processus industriels, d’éventuelles pertes d’alimentation par la mise en place d’alimentation statique sans interruption (ASI), fréquemment appelée onduleur.

La plupart des équipements électroniques sont sensibles aux perturbations de tension, qu’il s’agisse d’un ordinateur ou de tout équipement à commande numérique doté de microprocesseur.

Ce type d’équipement exige une ASI pour assurer une alimentation stable et fiable et éviter ainsi des pertes de données, une détérioration du matériel ou tout simplement une perte de contrôle de processus industriels qui peut être coûteux et souvent dangereux.

Principe de fonctionnement d’un onduleur

Un Onduleur ou ASI a deux fonctions principales pour assurer la protection d’un équipement :

• La régulation de la sortie alternative afin d’obtenir une tension sinusoïdale stable et sans distorsion, à la fréquence requise.
• La compensation des absences du réseau par l’énergie stockée dans un ensemble de batteries.

L’entrée d’une ASI se connecte au réseau alternatif. La tension alternative est convertie en tension continue par un système qu’on appelle Redresseur. Cette tension continue alimente l’étage Onduleur et charge la batterie. Dans le cas d’une coupure de l’alimentation principale, la batterie prend le relais et assure l’alimentation de l’étage Onduleur. Ce dernier reconverti la tension continue en tension alternative et transmet l’énergie à la charge ou récepteur.

Certains systèmes ASI comportent une ligne secondaire, appelée By-Pass statique qui permet de dériver l’énergie vers la charge, en cas de panne de l’un des composants du Redresseur ou de l’Onduleur, ou simplement en cas de maintenance programmée sur l’ASI.

Le By-Pass statique

La particularité du By-Pass statique réside dans le fait qu’en cas d’appel de courant brutal (courant de crête, impact de courant, voire court-circuit), l’onduleur transfert la charge sur le By-Pass qui fourni alors l’énergie nécessaire notamment en cas de court-circuit sur le réseau aval.

On voit donc apparaître ici un facteur important qui doit être déterminé vis-à-vis des récepteurs situés an aval de l’onduleur, qui est le facteur de crête. L’onduleur ou ASI doit être suffisamment puissant pour fournir, à tout instant, l’énergie liée aux courants de crête sans basculer sur son By-Pass car dans cette situation, il est clair qu’en cas de coupure ou micro-coupure de la tension primaire, la charge ne sera plus alimentée.

Un autre point important à considérer réside dans le choix des batteries associées à l’ASI. L’autonomie du système est directement liée à la technologie et à la capacité des batteries (exprimée en Ah). Le fait de choisir une capacité de batterie élevée permet donc d’obtenir une autonomie importante, sachant que les constructeurs communiquent généralement l’autonomie à ¾ de charge.

Techniquement, le fait de disposer d’une capacité (en Ah) élevée permet aussi d’augmenter la valeur du courant de court-circuit. Cela même en cas de défaut en aval de l’onduleur. Ce point est très important car il est difficile de faire réagir les protections standards avec des faibles valeurs d’Icc. Nous verrons plus loin dans cette série d’articles consacrées aux onduleurs, que la valeur du courant de court-circuit est différente selon la technologie employée.

Les différents types d’onduleurs

Dans l’offre des onduleurs disponibles sur le marché, on distingue plusieurs technologies.

La première est dite Off Line. Dans celle-ci, les équipements sont alimentés normalement par le secteur et l’onduleur ne prend le relais qu’en cas de coupure, ou de baisse trop importante de la tension du secteur. Ce basculement sur batteries prend un certain temps (quelques millisecondes) ce qui n’est pas trop gênant pour les ordinateurs possédant des alimentations à découpage, mais cela peut poser des problèmes aux équipements plus sensibles. Les onduleurs Off Line sont les plus économiques, mais leur usage doit être réservé aux postes de travail, ou à une utilisation individuelle.

Dans la deuxième technologie dite Line Interactive, le principe est le même.  A l’exception de la tension d’entrée qui est contrôlée et filtrée par l’onduleur avant d’être délivrée aux matériels. Le courant fourni est donc de meilleure qualité, mais les variations de tension ne sont pas bien régulées. En conséquence, ce type d’onduleur ne doit pas être utilisé sur les serveurs vitaux de l’entreprise. 

Enfin, dans la technologie On Line Double conversion, le courant est délivré en permanence par l’onduleur. Cela garantit une tension constante et une absence de parasites. L’appareil à protéger est donc totalement déconnecté du secteur. Les tests montrent que ce sont les onduleurs On Line qui présentent la tension de sortie la plus stable et la meilleure immunité aux parasites. Ils sont très souvent utilisés sur tous les serveurs stratégiques. 
D’autres technologies sont également proposées par les constructeurs. Cependant, elles sont la plupart du temps dérivées de ces trois modèles de base.

 

Nous allons voir dans le présent article comment définir les critères qui conduiront à choisir tel ou tel onduleur.

Les critères à considérer pour les onduleurs

Avant d’entrer dans le vif du sujet concernant les divers critères à définir permettant de choisir son onduleur, il est important de considérer les points suivants :

Sur quel type de réseau l’onduleur ou ASI va être installé ?

En règle générale, le réseau de distribution, qu’il soit en haute tension (20KV) ou en basse tension (400Vac) est composé d’une structure tri ou tétraphasé.  Il comporte donc 3 phases et un neutre référencé à la terre.

• Au niveau domestique, le réseau est généralement en monophasé mais aussi parfois en tétraphasé. Sur ce type d’installation, il est rare de voir des puissances consommées élevées, aussi il est tout à fait possible d’imaginer utiliser des onduleurs ou ASI en structure monophasé même s’ils sont physiquement branchés entre phase et neutre.
• Au niveau industriel et pour des réseaux tétraphasés, il est plus vraisemblable d’utiliser des Onduleurs ou ASI en structure triphasé voire tétraphasé de façon à limiter les courants de phase pour des puissances élevées. Le cout des onduleurs monophasés est à prendre en considération vis-à-vis des Onduleurs triphasés ou tétraphasés.

Un second point à prendre en compte est le facteur de forme

Les onduleurs peuvent avoir divers facteurs de forme, qui se classent dans deux principales catégories : montage en rack modulaire ou montage en « tour » ou armoire. Les plus gros onduleurs sont généralement de type tour et imposent souvent des dispositifs de répartition de charge au sol. Pour les entreprises dont les besoins sont plus modestes, la décision entre les onduleurs à montage en rack ou tour-armoire dépend en grande partie de la conception du site d’installation.

Certains industriels utilisent des onduleurs à montage en rack dans le but de centraliser le plus de matériel possible dans leurs baies. D’autres préfèrent maximiser l’espace disponible sur la baie pour les serveurs en faisant appel à des onduleurs au format tour-armoire. D’un point de vue technique et financier, une approche peut être faite en considérant le niveau d’exploitation requis (possibilité d’intégrer ou d’extraire divers modules à « chaud » sur les onduleurs au format rack. D’où la nécessité d’avoir un courant de court-circuit élevé pour des raisons de sélectivité. Il sera généralement fourni par les onduleurs au format tour-armoire).

Un autre point à prendre en considération est la disponibilité des sources

Les utilisateurs industriels disposent d’un grand choix de solutions, de technologies et de services. Cela leur permet d’améliorer la fiabilité de leur solution de protection électrique.

Citons parmi celles-ci :

Les architectures redondantes :

Le déploiement d’onduleurs en groupes redondants permet d’améliorer la disponibilité. Il garantit que les charges critiques demeurent protégées, même en cas de défaillance d’un ou de plusieurs onduleurs. Il existe trois principaux types d’architecture redondante pour les onduleurs :

• Zone : un ou plusieurs onduleurs assurent la protection dédiée d’une partie du centre de données.
  Ainsi, si un onduleur tombe en panne lors d’une coupure de courant, les conséquences se limitent à la zone protégée par cet appareil.
• Série : plusieurs onduleurs se raccordent bout à bout ; ainsi, si l’une d’entre elles tombe en panne, les autres peuvent compenser automatiquement. Cette solution n’est pas toujours très pratique en cas de maintenance curative sur l’un des onduleurs.
• Parallèle : Les architectures parallèles font appel à plusieurs onduleurs indépendants raccordées en parallèle pour améliorer la redondance. En cas de défaillance totale d’un onduleur, les autres systèmes peuvent maintenir opérationnel les équipements informatiques protégés.

Les critères techniques à considérer

Comme nous l’avons vu précédemment, le premier critère à considérer est sa capacité à fournir la puissance nécessaire. Cette puissance se destine à un ensemble de récepteur (par exemple des ordinateurs) en cas de coupure de courant. En général, les constructeurs expriment la puissance maximale de leurs produits en KVA. 
On prend donc conscience que la puissance active (en Kw) fournie par l’ASI aux récepteurs peut être plus ou moins importante selon le cosϕ imposé par les récepteurs.

Le deuxième critère est l’autonomie du système. Celle-ci est liée à la capacité des batteries et au rendement de l’onduleur lui-même. Il dépend également de la puissance réclamée pendant la coupure. Bien que non proportionnelle (ou linéaire), on peut facilement comprendre que plus la puissance (en KW) appelée par les récepteurs s’élève et moins l’autonomie sera importante.

D’autres éléments sont également à prendre en compte comme le temps de recharge des batteries. Si les coupures de courant sont nombreuses, il faut que le temps de charge soit le plus court possible. Ensuite, il faut vérifier s’il est possible, ou non, d’échanger les batteries à chaud. Leur durée de vie n’étant pas infinie, il est pratique de pouvoir effectuer les échanges sans débrancher ou même arrêter l’onduleur, donc sans éteindre les matériels qui s’y connectent. Enfin, il est important de savoir s’il est possible d’ajouter des batteries supplémentaires pour augmenter l’autonomie.

Comme nous l’avons vu plus haut, il faut aussi considérer la qualité de la tension délivrée. C’est la distorsion harmonique qui la mesure. Sa valeur doit être la plus faible possible, et en principe inférieure à 5% voire 3%

L’onduleur – Technologie et harmoniques

La qualité du signal en tension et en courant

Les systèmes ASI utilisent pour la plupart un redresseur à « pont de Graetz » pour convertir le signal ou réseau alternatif en tension continue. Cela permet la charge des batteries et donc le stockage de l’énergie. Il se compose de deux diodes ou thyristors par phase. Cela représente un total de six diodes ou thyristors pour une entrée triphasée, suivi d’un filtre.

Un redresseur 6 pulses classique génère un taux d’harmonique de l’ordre de 30%, en courant sur le réseau qui l’alimente. Le taux en harmonique de courant ou de tension se définit et se limite par les normes CEI de la série 61000. Nous aurons l’occasion de présenter le contenu et de définir l’intérêt de ces normes dans un prochain article.

Redresseur triphasé composé d’un Pont de Graëtz à diodes

 

Tensions

Les tensions V1, V2, V3 sont des tensions entre phase et neutre (tensions simples) de valeur efficace Veff. Un montage des enroulements  en étoile en utilisant le neutre implique alors l’utilisation de tensions simples. Cela fait perdre l’intérêt du triphasé. Quand les enroulements sont en triangle on ne dispose que des tensions composées.

Les fonctions Max et Min des tensions réseaux (sinusoïdales) assurent que :

• parmi les diodes D1, D3, D5, celle qui a la tension sur son anode la plus positive conduit,
• parmi les diodes D4, D6, D2, celle qui a la tension sur sa cathode la plus négative conduit.

La réponse à ce type de redresseur avec un système triphasé sinusoïdal équilibré est :

Redresseur triphasé composé d’un Pont de Graëtz à Thyristors

Les fonctions Max et Min des tensions réseaux (sinusoïdales) assurent que :

• parmi les thyristors Th1, Th3, Th5, celle qui a la tension sur son anode la plus positive conduit,
• parmi les thyristors Th4, Th6, Th2, celle qui a la tension sur sa cathode la plus négative conduit.

La réponse à ce type de redresseur avec un système triphasé sinusoïdal équilibré est

Réinjections harmoniques

Certaines configurations des réseaux de distribution basse tension, en particulier en présence d’un groupe électrogène, imposent des contraintes particulières. Elles s’exercent au niveau des réinjections harmoniques en amont du redresseur.

Pour répondre à ces spécificités, certaines ASI possèdent une version comportant un redresseur propre. Il possède un très faible taux de réinjection harmonique (de l’ordre de 5% d’harmoniques en courant – THDI). La technologie utilisée par le redresseur propre le rend compatible avec les systèmes de filtrage ou de compensation du facteur de puissance Fp, existants sur le réseau.

Une solution que l’on peut également rencontrer, en particulier lorsque plusieurs onduleurs ou ASI sont nécessaires, consiste à utiliser un redresseur 12 pulses à double pont (deux ponts de 6 Thyristors décalé de 30°), réduisant ainsi le THDI à 10%.
Ainsi lors de la mise en parallèle de deux systèmes ASI 12 pulses, nous arrivons à un système de 24 pulses (décalage de phase) amenant à un THDI de seulement 3%.

Les filtres

Parfois, sur certaines configurations économiques, il est possible de voir des filtres passifs, composés d’inductance et de condensateur, qui fonctionnent selon le principe de résonance accordé au réseau. Le calcul des filtres  prend en compte le pourcentage de chaque harmonique en courant produit, aux fréquences propres, ainsi que l’impédance du réseau.

Comme on peut l’imaginer, cela est assez complexe et difficile à mettre en œuvre pour une efficacité réelle. Les tests montrent que l’impédance changeante et inattendue du réseau réduit malheureusement de manière significative l’efficacité du filtre.

Plus grave encore, la moindre variation de fréquence du réseau, comme cela est souvent le cas avec des groupes électrogènes, aurait pour conséquence d’amplifier les harmoniques au lieu de les supprimer. De plus, la présence des harmoniques en courant à des fréquences élevées peut engendrer une destruction des condensateurs de compensation présents sur le réseau.

L’impédance d’un condensateur étant pour mémoire :

Donc, plus la fréquence s’élève et plus l’impédance décroit, ce qui amène des échauffements internes au condensateur pouvant conduire à sa destruction.

Conclusion

Au cours de cet article, nous avons vu que la technologie employée pour constituer l’étage redresseur (à l’aide de pont de diode ou de thyristors) était importante à considérer.  En effet, la production d’harmoniques de courant, du fait de la charge non linéaire que représente un onduleur, amène une pollution sur le réseau amont que l’on doit limiter (cf normes CEI 61000). Par la suite, nous exposerons les limites définies par ces normes vis-à-vis des niveaux de pollution. Puis, nous verrons l’influence des harmoniques sur les équipements électriques (matériels, disjoncteurs, câbles, transformateurs, moteurs ou machines tournantes, etc).

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