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Choisir un onduleur

ANTOINE CAPPELLE redaction@industrie-technologies.com

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Choisir un onduleur

CHARLY BURGAUD

© D.R.

COÛT L'achat représente 38 % du coût d'un onduleur sur l'ensemble de son cycle de vie. Source : GE Power Controls.Toute installation électrique critique nécessite d'être protégée des défaillances du réseau d'alimentation. C'est le rôle des onduleurs. Ils prennent le relais en cas de panne du réseau électrique, et certains fournissent en permanence un courant électrique de qualité. Aujourd'hui, ils évoluent vers plus d'intelligence, de souplesse d'installation et une meilleure efficacité énergétique.

Ordinateurs de bureaux, data centers, machines de production : à tous les niveaux, l'électricité est une ressource critique pour les entreprises. Un arrêt de l'alimentation électrique ou un simple dysfonctionnement du réseau comme une baisse de tension peut entraîner des pertes de données, un arrêt des équipements, la perte d'une production en cours et même endommager le matériel. Par exemple, lors de la fabrication de cellules photovoltaïques, le silicium peut durcir à l'intérieur du four en cas de panne de courant et le four risque alors d'être endommagé. C'est là qu'interviennent les alimentations sans interruption (ASI), que l'on qualifie également d'uninterruptible power supply (UPS), ou onduleurs.

Du produit standard au matériel sur mesure

Leur rôle est d'abord d'assurer la continuité de l'alimentation sans perturber le fonctionnement des appareils électriques sensibles, en attendant le rétablissement des conditions normales du réseau électrique ou le démarrage d'un groupe électrogène de secours. Pour cela, une batterie prend le relais au moment de la coupure. Elle offre une autonomie variant de 10 minutes, pour les systèmes de base, jusqu'à plusieurs heures. Le courant continu de la batterie est converti en courant alternatif par un onduleur, qui donne son nom au dispositif. Cette fonction est assurée par tous les types d'ASI.

Les plus simples sont les onduleurs « offline », ou à attente passive. Ils conviennent pour sécuriser des ordinateurs de bureau. Mais pour du matériel plus sensible, il existe des ASI plus perfectionnées. La technologie en interaction avec le réseau, ou « line interactive », corrige les hausses ou baisses de tension sans solliciter la batterie, grâce à des circuits de compensation. Enfin, pour les installations les plus critiques, les onduleurs « online » à double conversion corrigent également les variations de fréquences ou distorsions harmoniques. Pour cela, le signal du réseau est en permanence redressé, puis reconverti par l'onduleur en un signal parfaitement sinusoïdal. C'est cette technologie qui est employée pour les applications industrielles.

Pour choisir un onduleur, de nombreux paramètres entrent en jeu. Si les produits utilisés pour sécuriser la bureautique sont standards, ceux destinés à l'industrie doivent souvent répondre à des cahiers des charges précis. Le premier critère est la puissance : elle dépend de la taille des installations à sécuriser. « Il est important de bien dimensionner ses onduleurs », note Jacques Perrochat, directeur France pour les solutions « datacenter et secure power » chez Schneider Electric. Si la puissance fournie est trop faible pour alimenter les équipements électriques visés, ceux-ci seront évidemment mal sécurisés. Pour autant, « il ne sert à rien de produire de la puissance sécurisée quand cela n'est pas nécessaire. Il n'y a pas si longtemps, on ne prenait en compte que la fiabilité. Aujourd'hui, on surveille de près la facture électrique », continue Jacques Perrochat.

Ces dernières années, les onduleurs sont devenus modulaires, en rack, ce qui rend les installations plus évolutives. « Si l'on prévoit d'avoir besoin, à terme, d'une puissance de 1 200 kW, il est possible d'installer une armoire dans laquelle on ajoutera des modules de 200 kW au fur et à mesure que l'augmentation du besoin se fera sentir », explique Angel Montilla, directeur des ventes en France pour le fabricant Chloride. L'investissement de base est ainsi réduit, et comme la puissance est ajustée au besoin réel, la consommation électrique est optimisée. De plus, « grâce à un système de bus, l'ajout de modules est simple : il n'y a pas besoin de refaire toute une installation électrique coûteuse », ajoute le représentant de Chloride.

Les bienfaits de la modularité

À l'usage, la modularité a d'autres avantages. Car il est plus simple et moins coûteux de faire un système redondant avec de petits modules qu'avec de gros onduleurs. La redondance consiste à utiliser plus d'onduleurs que nécessaire « Nous utilisons jusqu'à six modules en parallèle, mais n'en chargeons que cinq. Ainsi, si l'un tombe en panne, les cinq autres continuent d'assurer la sécurité de l'alimentation », décrit Cédric Brumeau, responsable des alimentations sans interruption sur le site de STMicroelectronics à de Crolles. La maintenance s'en trouve également simplifiée : « Nous pouvons éteindre un module et nous passer de la redondance pour quelques heures. » Généralement, il est possible d'échanger un module à chaud, c'est-à-dire sans interrompre le fonctionnement du système.

La modularité des onduleurs n'est pas la seule raison de leur meilleure efficacité énergétique. « Il y a 10 ans, les ASI affichaient un rendement de 92 ou 93 % », rappelle Jacques Perrochat. Aujourd'hui, certains fabricants annoncent un rendement allant jusqu'à 99 %. « Les onduleurs ayant un découpage des fréquences plus fin, il n'est plus utile d'avoir un filtre en sortie : cela représente une source d'échauffement en moins. » Car la chaleur est le principal facteur de perte énergétique. Des méthodes de refroidissement plus efficaces et de meilleurs composants de puissance contribuent à l'amélioration des performances énergétiques.

Autre évolution des onduleurs : leur intelligence. Équipés de cartes réseau, ils sont capables de communiquer avec les équipements informatiques qu'ils protègent. Lorsque survient une panne de courant, « ils peuvent donner l'ordre aux serveurs les moins critiques de s'éteindre proprement, afin de libérer de l'autonomie pour ceux qui en ont réellement besoin », explique Laurent Badiali, manager marketing chez Eaton. Mieux, à l'heure du cloud computing et de la virtualisation, ils parviennent à contrôler la répartition des données : « Grâce à la partie logicielle intégrée sur les plates-formes de virtualisation, les onduleurs peuvent faire migrer les machines virtuelles. » Si l'alimentation d'un serveur tombe en panne, les données seront déplacées sur un autre, qui n'est pas menacé. Une fonctionnalité à prendre en compte au moment de définir l'autonomie des onduleurs.

Un outil de diagnostic et de maintenance

Cette capacité à communiquer peut également servir au diagnostic à distance, dans le cadre d'un contrat de maintenance avec le fabricant : en cas de dysfonctionnement, l'onduleur envoie au technicien des informations grâce auxquelles il pourra préparer son intervention, ou l'éviter. Si la cause est par exemple un simple problème de climatisation, le client en sera prévenu et pourra le résoudre lui-même.

Plus qu'un simple relais en cas de panne électrique, les onduleurs actuels évoluent vers plus de fonctionnalités, plus de souplesse et plus d'efficacité énergétique. Pour les applications industrielles, les fabricants sont en général capables d'adapter leurs produits aux besoins spécifiques de leurs clients, et de les aider à dimensionner au mieux leur installation, chiffres de retour sur investissement à l'appui.

LES QUATRE FAMILLES

1 À ATTENTE PASSIVE (offline) Lang Ming ASC Ils ne se déclenchent qu'en cas de coupure du courant, pour prendre le relai du réseau électrique avec leur batterie. 2 EN INTERACTION AVEC LE RÉSEAU (line interactive) Must ASI Ils sont capables de corriger certains défauts de l'alimentation, comme les baisses ou hausses de tension. 3 À DOUBLE CONVERSION (online) EATON MX Ils fournissent en permanence un signal électrique parfaitement sinusoïdal et sans coupure à partir du réseau. 4 DYNAMIQUES UNIBLOCK UBT Ils génèrent de l'électricité en cas de panne à partir de l'énergie stockée dans un volant d'inertie au lieu d'une batterie.

LA PUISSANCE

Elle est déterminée par la quantité d'appareils à sécuriser. Elle s'exprime en voltampère (VA) pour la puissance apparente, ou en watts (W) pour la puissance réelle.

LES DIMENSIONS

Il existe des onduleurs modulaires, dans de larges gammes de puissances. Plusieurs dimensionnements sont ainsi envisageables pour une installation donnée.

L'AUTONOMIE

Elle dépend des batteries utilisées. Les systèmes les plus basiques fournissent une dizaine de minutes d'autonomie. Certains onduleurs atteignent plusieurs heures.

LA QUALITÉ DU SIGNAL

Tous les équipements électriques n'ont pas la même sensibilité aux perturbations du réseau électrique. Chaque famille d'onduleurs fournit un signal de qualité différente.

Le budget à prévoir

En fonction de la technologie employée, de l'autonomie et de la puissance, le prix d'un onduleur varie de moins de 100 euros à une centaine de milliers d'euros, voire plusieurs millions d'euros pour les projets de grande ampleur.

DOUZE FABRICANTS POUR DIFFÉRENTS NIVEAUX DE SÉCURITÉ

L'industrie utilise des onduleurs à double conversion, tandis que le matériel informatique de base peut se contenter d'onduleurs à attente passive. Tous les fabricants ne s'adressent pas aux mêmes marchés.

CHARLY BURGAUDRESPONSABLE ÉLECTRICITÉ ET AUTOMATISME POUR LE SITE DE CROLLES CHEZ STMICROELECTRONICS« Une trop forte puissance n'est pas nécessaire »

« Tous nos équipements électriques de production sont protégés par des alimentations sans interruption (ASI). Seuls certains réchauffeurs d'eau, dont l'arrêt n'entraîne pas la destruction de plaquettes de silicium, ne le sont pas : leur appel de puissance perturbe les ASI. Des microcoupures de l'alimentation pourraient engendrer des pertes, par exemple en interrompant la chauffe des plaquettes. Nous utilisons principalement des modules de 400 kVA, provenant de Schneider Electric et Socomec, un choix motivé par un compromis technico-économique. Un module de puissance supérieure n'aurait pas représenté une différence déterminante de prix, mais de cette façon, les modules supplémentaires pour la redondance nous coûtent moins cher. De plus, des onduleurs de plus forte puissance auraient engendré des coûts supplémentaires sur notre distribution électrique, notamment par l'utilisation de plus gros disjoncteurs. »

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