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Dossier - Février-Mars 2007

Les onduleurs deviennent indispensables

Face à la multiplication des équipements sensibles intégrant de l’électronique, les alimentations sans interruption assurent la continuité de service en cas de défaillance du réseau d’alimentation tout en améliorant la qualité du courant électrique.

On utilise également le terme d’onduleur qui correspond au dispositif
de l’électronique de puissance qui permet de fournir à un système électrique
ou électronique une alimentation électrique stable et dépourvue de coupure
ou de micro-coupure, quoi qu’il se produise sur le réseau électrique.

La multiplication des équipements sensibles aux coupures ou à la qualité de l’alimentation électrique, notamment dans les applications informatiques et télécoms, impose aujourd’hui de protéger l’alimentation. La solution la plus performante est de faire appel à une “ASI” (alimentation sans interruption) appelée encore en anglais “UPS” (Uninterruptible Power Supply).

Des perturbations multiples
Dans son usage quotidien, la distribution électrique est en effet sujette à diverses perturbations de courte ou de longue durée. La coupure électrique, correspondant à une rupture en alimentation électrique pendant un temps déterminé, représente le phénomène le plus visible. Mais d’autres événements plus insidieux perturbent le bon fonctionnement des équipements sensibles :

• micro-coupures de courant (coupures de quelques millièmes de seconde),
• surtension transitoire (valeur nominale instantanée supérieure à la valeur maximale prévue pour le fonctionnement normal),
• baisses de tension lors du démarrage de gros équipements (moteurs, ascenseurs, compresseurs, etc.),
• pics de tension dus à des surtensions instantanées (pendant un temps très court) et de forte amplitude, provoquées par l’arrêt ou la mise en route d’appareils de forte puissance,
• ondes de choc, généralement causées par la foudre, représentant une surtension très importante intervenant brusquement lors d’intempéries (orages),
• -variations de fréquence dues à la production de l’énergie à partir de groupes électrogènes,
• parasites et harmoniques, générés par les perturbations et les variations atmosphériques, les permutations de charges, les générateurs, les radio émetteurs, les équipements ménagers et industriels.

Ces diverses perturbations peuvent être lourdes de conséquences. Elles peuvent entraîner des pertes de productivité, la détérioration de la qualité des produits, des risques graves pour les personnes et pour les équipements jusqu’à compromettre toute l’existence d’une entreprise.

Comment choisir un onduleur
Au delà du choix de la technologie, il reste encore de nombreux paramètres à prendre en compte. Les deux premiers sont la puissance et l’autonomie.
Pour déterminer la puissance, il faut d’abord faire la somme de la puissance absorbée par les équipements à alimenter au travers de l’onduleur, puis convertir cette puissance en Volt-Ampère (VA) en utilisant le facteur de puissance. L’autonomie dépend de la capacité (Ah) de la batterie, mais également de la charge connectée. Le temps d’autonomie typique standard est de 10 minutes.
On considère généralement que pour une autonomie de 10 minutes en cas de coupure, il est nécessaire de se doter d’un onduleur ayant une capacité égale à la puissance de l’ensemble des matériels raccordés à l’onduleur multiplié par un coefficient de 1,6.
Il convient aussi de prendre en compte la vitesse à laquelle l’onduleur est capable de recharger ses batteries. Ce point est important si les coupures de courant sont nombreuses et répétées. La maintenance est facilitée par l’utilisation de batteries “hot swap” (échange à chaud sans arrêt des utilisations sur 1 500 et 2000 VA), mais également par la présence d’un circuit by-pass intégré.
Deux autres points restent à vérifier : la plage de tension acceptée par l’onduleur et la qualité du courant fourni en sortie. Lors du choix d’un onduleur, il est également important de vérifier le nombre de prises électriques qu’il possède.
Enfin, un dernier critère concerne les possibilités d’administration et d’intégration dans un système, qui dépendent largement des capacités de communication (via un port série ou USB) et des logiciels de supervision livrés avec les onduleurs.

Quatre bonnes raisons  pour intégrer une ASI
Placé en interface entre le réseau électrique et les matériels à protéger, l’onduleur permet de remédier à ces multiples problèmes d’alimentation et de bénéficier d’une bonne qualité de courant. Pour les applications informatiques et télécoms, il est un maillon essentiel dans la sécurité du système d’information de l’entreprise.
Ses principales fonctions sont les suivantes :
1 Assurer l’alimentation en cas de coupure du réseau électrique : c’est la fonction classique de l’alimentation sans interruption, bien qu’il ne s’agisse pas de la plus significative.
2 Fournir une alimentation de qualité en régulant la tension, en filtrant et en stabilisant la source d’alimentation qui peut provenir du réseau électrique ou d’un groupe électrogène et qui peut être fortement perturbée.
3 Assurer une gestion autonome des équipements raccordés afin d’apporter une tranquillité totale à l’utilisateur. Ainsi, en cas de coupure d’alimentation du réseau, l’ASI sauvegarde automatiquement les programmes ouverts, génère un arrêt “propre” du système, voire sa remise en route, et, en cas de panne, il est en mesure d’avertir les techniciens du service d’assistance technique.
4 Augmenter sensiblement la fiabilité du système d’alimentation au moyen de solutions redondantes qui permettent d’obtenir une qualité et une continuité d’énergie même en cas de panne.

Plus de 40 % des causes de pertes de données informatiques
proviennent de problèmes d’alimentation électrique !
Par ailleurs, les effets en termes de vieillissement précoce des équipements
et leur perte de fiabilité et d’efficacité sont moins visibles
mais tout aussi néfastes.

2006... Un bon crû pour la qualité du réseau électrique
Gestionnaire du réseau de transport de l’électricité, RTE s’engage auprès des clients industriels et des distributeurs en termes de continuité d’alimentation et de qualité de l’onde de tension. Les résultats publiés pour 2006 s’annoncent dans la continuité de l’amélioration initiée depuis quelques années.
• Le temps de coupure équivalent s’améliore considérablement en 2006 et atteint une valeur historiquement basse en passant pour la première fois, sous la barre des 2 minutes.
• La fréquence de coupure longue (CL) augmente par rapport à 2005 mais reste parmi les meilleures valeurs acquises sur la période 1999-2006 en étant légèrement supérieure au résultat de 2002.
• L’évolution à la hausse de la fréquence de coupure brève (CB) est étroitement liée à celle de la densité de foudroiement. Elle retrouve une valeur identique à celle de 2002 (976 coupures brèves dues à la foudre en 2006 contre 938 en 2002 et 683 en 2005).

Des technologies adaptées à chaque usage
Les alimentations sans interruption sont généralement constituées de trois éléments principaux :

• Un redresseur-chargeur de batteries pour convertir le courant alternatif en courant continu et charger la batterie.
• Un groupe de batteries (généralement au plomb étanche) pour emmagasiner l’énergie et la récupérer instantanément, en fonction des besoins, pendant des périodes allant de 5 à 30 minutes, voire plus.
• Un onduleur ou convertisseur statique pour transformer cette tension continue en tension alternative parfaitement stabilisée et filtrée en tension et/ou fréquence. Au sens strict, l’onduleur n’est donc qu’une partie de l’alimentation sans interruption.

Ces trois fonctions de base peuvent être intégrées à des fonctions supplémentaires : un by-pass automatique pour l’alimentation en cas de surcharge ou de panne de l’ASI, un by-pass manuel qui permet d’isoler complètement l’ASI et plusieurs options de signalisation et de maintenance locale ou à distance.
Plusieurs technologies d’onduleurs peuvent être mises en œuvre. La norme NF EN 62040-3 définit trois types d’ASI normalisées fonctionnant en :

• attente passive (en anglais “Passive Stand-By”),
• interaction avec le réseau (“Line-Interactive”),
• double conversion, (“Double Conversion”).

“Passive Stand-By”, encore dénommée ”Off-Line” ou VFD (“Voltage and Frequency Dependent”) représente la technologie la plus fréquente pour la protection des PC en environnement peu perturbé. L’onduleur est en attente passive et intervient en parallèle et en secours du réseau. En mode normal, l’onduleur alimente l’application avec le secteur, simplement filtré, mais sans aucune conversion d’énergie. Son principe de fonctionnement est séquentiel (sur secteur/sur batterie). En cas de coupure, de baisse ou hausse de tension, l’onduleur puise son énergie dans sa batterie après un temps de permutation très court (en général < 10 ms), pour fournir une énergie stabilisée. Son utilisation est inadaptée en cas de perturbations fréquentes (environnements industriels ou fortement perturbés).
Cette technologie qui est bien adaptée aux environnements résidentiel et petit tertiaire présente l’avantage d’être simple, d’un faible coût et d’un encombrement réduit. Pratiquement, ce type d’ASI n’est utilisable qu’avec de faibles puissances (< 2 kVA)

“Line-Interactive” ou VI (“Voltage Independent”) signifie que l’onduleur intervient en parallèle et en secours du réseau ; il assure aussi la charge de la batterie. Il interagit de ce fait avec le réseau par un fonctionnement réversible. La tension de sortie est contrôlée.
En mode normal, l’appareil est géré par un microprocesseur qui surveille la qualité du réseau électrique et réagit aux variations. Des circuits de compensation de tension (“booster” et “fader”) sont activés en cas de variation de l’amplitude de la tension.
Cette solution présente l’avantage de palier les baisses ou les hausses de tension prolongées sans sollicitation des batteries. Son coût peut être inférieur à celui d’une ASI de puissance équivalente fonctionnant en double conversion. Par contre, cette configuration est mal adaptée à la régulation de charge sensible en moyenne et forte puissance car elle ne permet pas de régulation de la fréquence.
“Double-conversion” ou encore “On-Line” ou VFI (“Voltage and Frequency Independent”) explique que l’onduleur est inséré en série entre le réseau et l’utilisation. La puissance électrique transite en permanence par lui. La double conversion permanente élimine les perturbations électriques : le courant est entièrement régénéré par transformation d’alternatif en continu, puis à nouveau de continu en alternatif. Assurant une protection permanente, ce type d’onduleur est compatible avec tout type de charge car il ne génère pas de micro-coupure lors du passage sur batterie.
Malgré un prix plus élevé, cette configuration est la plus complète en termes de protection de la charge, de possibilités de régulation et de performances. Ses nombreux avantages font que pratiquement, c’est la seule configuration utilisée pour protéger les applications critiques dans les moyennes et fortes puissances (à partir de 10 kVA).
En conclusion, dans le domaine des faibles puissances (< 2 kVA), les trois types d’ASI coexistent. Mais, la double conversion est le domaine des moyennes et fortes puissances.

Les principales normes

• NF EN 62040-1-1 Alimentations sans interruption (ASI). Prescriptions générales et règles de sécurité pour les ASI utilisées dans des locaux accessibles aux opérateurs.
• NF EN 62040-1-2 Alimentations sans interruption (ASI). Prescriptions générales et règles de sécurité pour les ASI utilisées dans des locaux à accès restreint.
• NF EN 62040-3 Alimentation sans interruption (ASI). Méthode de spécification des performances et procédures d’essai.
• NF EN 62040-2 Alimentation sans interruption (ASI). Prescriptions pour la compatibilité électromagnétique.

Innovations et perspectives
Si la technologie des onduleurs apparaît aujourd’hui relativement stabilisée, les progrès constants de l’électronique et des composants entraînent une amélioration constante des performances sur de nombreux points.
Ainsi, les onduleurs deviennent moins encombrants, moins chers, plus faciles à installer (avec notamment des produits encastrables en racks de 19 pouces), plus fiables, plus communicants et plus modulaires.
L’apparition de nouvelles solutions de stockage de l’énergie (batteries nouvelle génération, piles à combustible, volant d’inertie, supercondensateurs) ouvrent des perspectives.
Un autre point développé par l’ensemble des constructeurs est l’approche services, avec des offres couvrant l’aide à la configuration, l’exploitation et la maintenance.