Alimentation sans interruption

Une alimentation sans interruption (ou ASI, ou en anglais UPS, Uninterruptible Power Supply) est un système de l'électronique de puissance qui sert à apporter 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.

Constitution

Elle est constituée de la mise en cascade d'un montage redresseur, d'un système de stockage de l'énergie (batterie d'accumulateurs, supercondensateurs, volant d'inertie, etc. ) et d'un onduleur ou «mutateur» fonctionnant à fréquence fixe.

Le terme onduleur est souvent utilisé pour désigner ce type d'alimentation. C'est le cas, par exemple, pour les onduleurs qu'on intercale entre le réseau de distribution et les serveurs d'un centre informatique.

Stockage

Le stockage d'énergie peut être fait sous différentes formes :

• sous forme chimique (batterie d'accumulateurs), on parle de BESS pour Battery Energy Storage System ;
• sous forme électrique (dans des supercondensateurs ou des bobines supraconductrices), on parle alors de «SMES» pour Superconducting Magnetic Energy Storage ;
• sous forme mécanique / énergie cinétique (utilisation d'une machine synchrone raccordée au réseau prenant le relais en cas de coupure), on parle alors d'accumulateur cinétique, ou ASI Dynamique / D-UPS / Dynamic Uninterruptible Power Supply)  ;
• sous forme de gaz comprimé.

Génération

Le courant issu de ces réserves d'énergie est continu. Soit immédiatement (accumulateurs chimiques ou électriques), soit via un étage redresseur pour les accumulateurs cinétiques (la fréquence du courant alternatif généré naturellement par ces derniers fluctue avec la décharge de l'accumulateur et ne peut par conséquent servir directement à alimenter une charge en 50 Hz ou 60 Hz).

Deux technologies sont présentes sur le marché pour la partie onduleur ou mutateur.

1. La technologie statique (s'appliquant aux onduleurs statiques) dans laquelle le tension alternative de sortie de l'ASI est produite à partir du courant continu issu de la réserve d'énergie par le biais de transistors commutés à haute fréquence pour reconstituer un signal sinusoïdal à partir du signal continu.
2. La technologie dynamique (s'appliquant aux onduleurs dynamiques ou «rotary UPS») dans laquelle une machine synchrone est utilisée (comme un alternateur) pour générer le courant alternatif de sortie.

Un premier étage à base de thyristor à basse fréquence (50 Hz ou 60 Hz) est parfois utilisé pour générer un signal alternatif carré qui est ensuite transformé en sinusoïde par la machine synchrone. Il s'agit alors de technologie «hybride».

Chaque technologie a des avantages et des inconvénients (techniques et financiers) propres qui aident à effectuer le choix pour une application donnée. On observe par exemple^[1] que la part de marché des onduleurs dynamiques est plus importante sur les applications de forte puissance telles que les gros centres informatiques (plusieurs milliers de m²).

Il faut souligner que le choix d'une technologie pour l'étage onduleur/mutateur (statique ou dynamique) ne conditionne pas le choix du type de réserve d'énergie. On peut ainsi avoir un onduleur dynamique avec comme réserve d'énergie des batteries chimiques. Ou inversement retenir un onduleur statique avec comme réserve d'énergie un (ou plusieurs) accumulateur cinétique. Dans ce dernier cas certains utilisent quelquefois l'appellation d'onduleur dynamique ou «rotary UPS».

Topologies

Bien qu'il existe sur le marché plusieurs types d'ASI, différents du point de vue de leur configuration ou de leur architecture, on parvient le plus souvent à les classer parmi les trois topologies suivantes : en attente passive (offline ou passive standby), en interaction avec le réseau (line-interactive) ainsi qu'à double conversion (online ou double conversion). Ces expressions désignent l'état de l'onduleur lors du fonctionnement normal du réseau électrique (mode normal de l'ASI).
Quelle que soit sa topologie, l'ASI fonctionne selon le même principe : quand la tension du réseau d'entrée sort des tolérances spécifiées de l'ASI, ou lors d'une défaillance de ce réseau, l'ASI se met en mode autonome. Ce mode est maintenu pendant toute la durée d'autonomie de la batterie ou, suivant le cas, jusqu'à ce que le réseau revienne dans les tolérances spécifiées, ce qui entraîne un retour au mode normal.

En attente passive

• En mode normal, l'onduleur est en attente passive, isolé de la charge par l'interrupteur d'ASI. La charge est branchée directement au réseau, ou par l'entremise d'un filtre ou conditionneur qui élimine certaines perturbations électriques. Le chargeur, branché sur le réseau, assure la recharge de la batterie.
• En mode autonome, l'alimentation de la charge est transférée du réseau vers l'onduleur via l'interrupteur d'ASI. Le temps de permutation de l'interrupteur, le plus souvent particulièrement court, est de l'ordre de 10 ms.

Simple et économique, cette configuration n'offre qu'une protection rudimentaire. La charge n'est pas véritablement isolée comparé au réseau électrique et la régulation de fréquence y est inexistante. La régulation de tension, limitée par la capacité de conditionnement d'un simple filtre en ligne, peut être sensiblement perfectionnée grâce à l'ajout d'un transformateur ferrorésonnant ou à commutation de prise automatique. D'autre part, le temps de basculement de l'interrupteur, quoique particulièrement rapide, peut être intolérable pour certaines installations sensibles. Ces inconvénients font que ce type d'ASI n'est utilisable qu'avec de faibles puissances (moins de 2 kVA) et pour des appareils tolérant assez bien le risque.

En interaction avec le réseau

• En mode normal, la charge est alimentée par le réseau conditionné constitué par l'onduleur en parallèle (en interaction) avec le réseau. L'onduleur, à fonctionnement réversible, conditionne la puissance de sortie et assure la recharge de la batterie.
• En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge. Le contacteur de puissance coupe l'alimentation d'entrée pour éviter un retour d'alimentation depuis l'onduleur

L'interaction avec le réseau permet une certaine régulation de la tension de sortie, mais elle reste moins efficace que celle effectuée sur l'ASI à double conversion.
Comme l'ASI à attente passive, il n'y a pas véritablement d'isolation entre la charge et le réseau électrique, ni de régulation de fréquence de sortie. Pour ces raisons, cette configuration reste marginale dans le domaine des moyennes et fortes puissances.

À double conversion

• En mode normal, l'onduleur est en série entre le réseau et la charge. La puissance apportée à la charge transite en permanence par le duo chargeur-onduleur qui exécute une double conversion alternatif/continu - continu/alternatif.
• En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge.

Cette configuration est la plus coûteuse, mais également la plus complète au point de vue de la protection de la charge. L'onduleur régénère en permanence la tension apportée par le réseau, ce qui permet une régulation précise de la tension et de la fréquence de sortie (il y a même possibilité de fonctionner en convertisseur de fréquence, quand cela est prévu). Qui plus est , l'isolement de la charge comparé au réseau élimine les reports des perturbations du réseau électrique sur la sortie de l'ASI. D'autre part, le passage du mode normal au mode autonome s'effectue instantanément, sans aucun délai de permutation.

L'ASI comporte un contacteur statique de dérivation pour rediriger la charge vers le réseau (ou vers une source auxiliaire constituée par exemple d'une génératrice au diésel), dans l'éventualité d'une défaillance de l'ASI ou avant la fin d'autonomie de ses batteries. L'ASI étant synchronisée avec le réseau de dérivation, ce transfert s'effectue sans coupure.

Grâce à ses nombreux avantages, l'ASI à double conversion est un excellent choix pour protéger les applications critiques dans les moyennes et grosses puissances (10 kVA et plus).

Applications

Les applications sont particulièrement diversifiées en termes de puissance : elles vont du simple onduleur d'un ordinateur spécifique (éviter la perte de données), au dispositif de secours de centrale nucléaire (éviter l'emballement du cœur), en passant par l'alimentation des réseaux critiques nécessitant une continuité dans l'alimentation électrique (blocs opératoires des hôpitaux, etc. ).

Bibliographie

Fabricants

• Alimentations Statiques sans Interruption Modulaires S2S Syrius DPA
• APC (groupe Schneider)
• Caterpillar
• Chloride
• Eaton, MGE Office protection systems, Powerware
• Emerson network power
• Finelec Onduleur UPS
• General Electric
• Piller Power Systems
• Riello UPS
• Socomec
• S2S Onduleurs
• Euro-Diesel

Notes

Liens externes

• Conférence aux journées UPSTI 2008 sur les accumulateurs cinétiques basse vitesse (vidéo)
• Fonctionnement d'une ASI (animation Flash)
• Description d'une ASI dynamique (Système No-Break KS) [pdf]
• Normes & topologies des ASI (MGE UPS systems) [pdf]
• La qualité de l'énergie électrique (Schneider electric, cahier no199) [pdf]
• (en) The different types of UPS systems [pdf]
• (en) Rounding Up Rotary UPS Features

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