Mémoire - UMMTO

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET DE

Mémoirede fin d’études Présenté en vue de l’obtention

d’Ingénieur d’Etat en Electronique

Étude du fonctionnement d’une

alimentation sans interruption LIEBERT

Proposé et dirigé par : Présenté par

Mr. M. LAGROUCHE

Mr.L.YOUNES BOUACIDA.


UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI-OUZOU

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET DE L’INFORMATIQUE

DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE

Mémoire Présenté en vue de l’obtention du Diplôme

d’Ingénieur d’Etat en Electronique

Option : Contrôle

Thème :


alimentation sans interruption LIEBERT

EMERSON

: Présenté par

L.YOUNES BOUACIDA. Mlle

L.BENDOU

Promotion 2009


du Diplôme


alimentation sans interruption LIEBERT-

: Présenté par :

L.BENDOU

2

*Remerciements*

Nous remercions vivement Mr M .LAGHROUCHE ET Mr L.BOUACIDA nos promoteurs, pour leur aide si précieuse pour leurs conseils et orientationS.

Que tous les techniciens de l’entreprise, trouvent ici l’expression de notre profonde reconnaissance et gratitude pour l’aide, le suivi, l’intérêt et les conseils qu’ils n’ont cessé de nous prodiguer tous au long de notre travail.

Ma reconnaissance va aussi aux membres du jury, pour l’honneur qu’ils nous auront accordé en acceptant de juger notre travail.

Enfin, merci profondément à tout ceux que j'aime: mes parents, toute ma famille et tous mes amis.

****************************

3

SommaireSommaireSommaireSommaire

Introduction Générale ………………………………………………………………………………………………...... 1

Représentation de l’entreprise ……………………………………………………………………………………… 2

Le cahier des charges de l’onduleur étudié ………………………………………………………………….. 5

Chapitre 1 : Fonctionnement d’une Alimentation Sans Interruption

Introduction …………………………………………………………………………………………………………… 6

1.2-Caractéristiques d’une ASI ……………………………………………………………………………….... 7

1.3-Intérêts dune ASI ………………………………………………………………………………………………. 8

1.4-La solution aux défauts des réseaux électriques …………………………………………………. 9

1.5-Technologie d’une ASI ………………………………………………………………………………………. 11

1.6-Topologies d’une ASI ……………………………………………………………………………………….... 12

1.6.1- ASI off line …………………………………………………………………………………………….... 12

1.6.2- ASI de type "line interactive"(en interaction avec le réseau) ……………………... 14

1.6.3-ASI de type on line "double conversion …………………………...................................... 16

1.7-Stratégies de commande des onduleurs ……………………………………………………………... 19

1.8-La MLI intersective ………………………………………………………………………………………….... 21

Conclusion………………………………………………………………………………………………………………. 23

Chapitre 2 : Étude d’une ASI ‘’on line’’ EMERSON

Introduction…………………………………………………………………………………………………………….. 24

2.1-Circuits de puissance ………………………………………………………………………………………… 27

2.1.1-Vue d'ensemble de circuit de puissance d'entrée………………………………….......... 27

2.1.2-Redresseur ………………………………………………………………………………………………. 28

2.1.2.1-Redresseur IGBT avec système numérique DSP………………………………………... 30

2.1.2.2-circuitPFC………………………………………………………………………………………………. 32

2.1.2.3-Démarrage lent de puissance…………………………………………………………………... 34

2.1.2.4-Principe fonctionnement…………………………………………………………………………. 36

2.1.2.5-Opération normale de redresseur …………………………………………………….......... 38

2.1.2.6-Résumé de commande logique et de protection de redresseur ………….......... 40

2.1.3-Convertisseur Batterie……………………………………………………………………………… 41

2.1.3.1-Principe opérationnel du convertisseur de batterie…………………………………. 42

2.1.3.2-Opération normale de convertisseur de batterie …………………………………….. 43

2.1.4-Le circuit balance ……………………………………………………………………………….......... 47

2.1.4.1-Fonctionnement du circuit balance …………………………………………………........... 48

2.1.4.2-État d'opération normale du compensateur ……………………………………............ 49

2.1.5-Configuration du Mutateur ……………………………………………………………………….. 50

2.1.5.1-Fonction du mutateur ……………………………………………………………………………. 51

2.1.5.2-Principe de fonction ………………………………………………………………………………. 53

4

2.1.6-Vue d'ensemble des étages de puissance de sortie ………………................................ 54

2.1.7-Modalités des transferts …………………………………………………………………………… 57

2.2-Contrôles en ligne ……………………………………………………………………………………………... 58

2.3-Description des cartes ………………………………………………………………………………… …….. 65

2.3.1-Carte alimentation UHW241M5 ………………………………………………………….......... 65

2.3.2-carte DSP …………………………………………………………………………………………………. 67

2.3.3-Carte mesure …………………………………………………………………………………………… 68

2.3.4-Carte détection ………………………………………………………………………………………… 68

2.3.5-Carte monitor ………………………………………………………………………………………….. 69

2.3.6-Carte parallèle …………………………………………………………………………………………. 69

2.3.7-Carte transmission……………………………………………………………………………………. 70

2.3.8-Carte de driver ………………………………………………………………………………………… 70

Conclusion ……………………………………………………………………………………………………….. 70

Chapitre 3 : Présentation de la cellule de commutation IGBT

Introduction …………………………………………………………………………………………………….. 71

3.1-Historique ……………………………………………………………………………………………………….... 71

3.2-Procédé de fabrication ………………………………………………………………………………………. 72

3.3-Structure interne de module IGBT ……………………………………………………………………... 73

3.3.1-Structure PT ……………………………………………………………………………………………. 73

3.3.2-Structure NPT ………………………………………………………………………………………….. 74

3.4-Commande des IGBT …………………………………………………………………………………………. 75

3.5-Les caractéristiques en commutation ……………………………………………………………….... 76

3.6-Tester un IGBT ………………………………………………………………………………………………….. 78

3.6.1-Contrôle d'IGBT ……………………………………………………………………………………….. 78

3.6.2-Contrôle de thyristor ………………………………………………………………………………... 80

Conclusion ………………………………………………………………………………………………………………. 81

Chapitre 4 : Caractéristiques d’une batterie au plomb

Introduction …………………………………………………………………………………………………………... 82

4.1-Caractéristiques d’une batterie ……………………………………………………………………......... 83

4.2-L'électrolyte caractéristiques d’une batterie ……………………………………………………… 84

4.3-Familles technologiques de la batterie au plomb ………………………………………………… 85

4.3.1-La batterie au plomb ouverte ………………………………………………………………….... 86

4.3.2 -La batterie à recombinaison de gaz ………………………………………………………….. 86

4.4-Principe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb ouvert………………………….. 86

4.4.1-Oxidation /Réduction aux électrodes ………………………………………………….......... 86

4.4.2-Principales réaction en charge /décharge …………………………………………………. 86

4.5-Charge …………………………………………………………………………………………………………….... 88

4.6-Décharge ………………………………………………………………………………………………………….. 90

4.6.1-Tension d'EOD ……………………………………………………………………………………….... 90

4.6.2-Tension d’arrêt / décharge profonde …………………………………………………........... 91

4.6.3-L'autodécharge ………………………………………………………………………………….......... 91

4.6.4-Tension aux bornes de la batterie ……………………………………………………..…….... 92

4.6 .5-Effet du régime de décharge sur la capacité ………………………………………............ 94

4.7-Courbes batteries ………………………………………………………………………………………........... 94

4.7.1-Courbe générale ………………………………………………………………………………………. 96

5

4.7.2-Courbe spécifique …………………………………………………………………………………….. 97

4.8-Problèmes lie aux batteries ……………………………………………………………………………….. 98

4.9-Facteurs affectent la durée de vie de la batterie ………………………………………………….. 100

4.10-Compensation de température ………………………………………………………………………… 101

4.11-Gestion intelligente de la batterie …………………………………................................................. 102

4.11.1-Chargement de batterie sans les ondulations AC …………………………………….. 103

4.11.2-Réduction du nombre de cycles de décharge …………………………………………… 103

Conclusion …………………………………………………………………………………………………….............. 104

Chapitre 5 : installation d’une alimentation sans interruption

Introduction ……………………………………………………………………………………………………………. 105

5.1-Mode d’installation ……………………………………………………………………………………………. 105

5.1.1-Groupes de secours …………………………………………………………………………............. 107

5.1.2-Interface ASI/Groupe électrogène……………………………………………………………... 108

5.1.3-Installation des batteries …………………………………………………………………............. 109

5.1.4-Calcule de la ventilation …………………………………………………………………………… 109

5.2-Communication locale ………………………………………………………………………………............ 110

5.2.1-Communication ASI/Utilisation ………………………………………………………………... 111

5.2.3-Communication série ……………………………………………………………………………….. 111

5.2.4-Réseau de communication ……………………………………………………………….............. 111

5.2.5-Communication entre ASI et un centre d’assistance technique…………………… 112

Conclusion ………………………………………………………………………………………………….………….. 112

Conclusion générale ………………………………………………………………………………………………. 113

6

Introduction générale

7

INTRODUCTION GINTRODUCTION GINTRODUCTION GINTRODUCTION GÉÉÉÉNNNNÉÉÉÉRALERALERALERALE

De nos jours, l’informatique numérique les systèmes de communication, de commande de processus ou médicaux nécessitent une très haute protection de leur alimentation. Toutefois, ces systèmes sont confrontes a de multiples menaces en ce qui concerne leur disponibilité, notamment un manque de qualité d'alimentation nécessaire au fonctionnement des systèmes électroniques sensibles. L’objectif d’ASI est de répondre à ces défis grâce a une solution d’alimentation alliant de hautes performances, une taille compacte, la fiabilité ainsi que la rentabilité. Le Liebert NX constitue la nouvelle génération d’ASI numérique à double conversion On Line. Conçu afin de répondre aux besoins en matière de haute disponibilité d'énergie pour une large gamme d’applications, L’ASI allie l’innovation à la simplicité et à la rentabilité. Le résultat est un système d’alimentation offrant à la fois la fiabilité et le retour sur investissement. Les avancées technologiques, la simplicité d’utilisation globale et les innovations importantes ont été combinées avec soin dans le produit afin de nous offrir le meilleur rapport " disponibilité-prix " et de proposer ainsi à l’utilisateur les meilleurs avantages possibles). Ainsi afin de mener à bien notre travail nous l’avions organisé comme suit : Dans le premier chapitre on présente un système d’alimentation sans interruption statique avec les définitions au besoin, les différentes topologies et leurs modes de fonctionnement. Nous consacrons le deuxième chapitre à l’étude d’une UPS LIEBERT EMERSON type NXA d’une puissance qui varie entre 30 à 80 KVA. On commence avec une décomposition de l’étage de puissance, ensuite nous précéderons à la présentation des résultats obtenus à l’aide d’un oscilloscope pour tracer les formes d’ondes. Enfin une étude rapide des cartes électroniques que contient l’UPS. Le troisième chapitre est une étude simple du composant de puissance le plus important dans une ASI, l’IGBT qui est l’élément que contient chaque bloc de l’étage de puissance (redresseur, chargeur batterie, circuit balance et mutateur).

Le quatrième chapitre est un aperçu de l’élément clé de l’ASI, la batterie plomb VRLA qui fournit l’autonomie en cas de défaillance du réseau électrique.

Enfin le cinquième chapitre est une description simple de procédure de l’installation de l’ASI ainsi que les méthodes de communication.

Présentation de l’entreprise___________________________________________________________

8

Présentation de l’entreprise SOCARAM:

La SOCARAM, présente depuis 40 ans sur le marché de l'énergie ondulée et courant continu, de la climatisation de haute précision, des réseaux informatiques et téléphoniques et des aménagements spécifiques, en partenariat avec des firmes aussi mondialement connues que EMERSON Network Power, a su s'assurer et fidéliser la clientèle de tous les principaux grands comptes publics ou privés du pays, dont certaines des entreprises étrangères elles-mêmes comme la Société Générale, Natixis dans le secteur bancaire, AREVA dans le secteur de l'énergie ou encore OTA pour les télécommunications par

exemple. Elle envisage de poursuivre l'accroissement de ses capacités et de ses compétences, pour prendre une part toujours plus importante dans ce processus de développement national.

SOCARAM réalise en 2005 un chiffre d’affaires de 640 million de DA, son capital s’élève aujourd’hui à 90.000 .000, 00 DA. Avec un effectif de 141 employés dont 19 ingénieurs, la SOCARAM fidele à sa démarche rigoureuse, continue de distribuer des produits de grandes marques tout en assurant un service après vente et un support technique de qualité. L’option de ses partenaires (EMERSON, DELL, OMEGA…) n’est pas le fruit du hasard mais reflète la bonne position de SOCARAM sur le marché, ainsi que le niveau de compétence et d’expérience de ses ingénieurs. Au delà du partenariat, SOCARAM puise sa force d’une direction ambitieuse et soucieuse de la qualité, d’un service commercial dynamique et toujours à l’écoute du client et d’un personnel technique hautement qualifié et expérimenté. Le client dispose désormais des services d’un grand intégrateur système.

Métier ::::

Pionnière et leader, depuis sa création en 1970(date ou les ASI ont fait leur apparition sur le marché de façon industrielle), dans les domaines des réseaux et aménagements spécifiques divers, et forte de compétences technologiques et humaines avérées et d'un savoir faire, outre une activité de vente de produits, une activité d'intégrateur étendu aux:

• Étude et conception, • Travaux d’aménagement et de réalisation, • Mise en service, • Maintenance de touts équipements spécifiques dans les domaines de l’énergie

électrique, de la climatisation de haute précision et des réseaux techniques divers.


9

Études et conception:

Dotée d’un Bureau d’Études qui concerne plusieurs disciplines, la SOCARAM étudie

et conçoit des :

Réseaux :Réseaux :Réseaux :Réseaux :

• D’énergie secourue, • Informatiques et téléphoniques, • Sans fil.

Solutions :Solutions :Solutions :Solutions :

• Climatisation spécifique de haute précision • Onduleurs, • Systèmes de transfert statiques (STS), • Ateliers d'Énergie Courant Continu, • Systèmes de Supervision à distance, • Stabilisateurs et protections d'installations électriques, • Détection et protection anti-incendie, • Protection par Paratonnerre et Parafoudre.

Aménagements spécifiques :Aménagements spécifiques :Aménagements spécifiques :Aménagements spécifiques :

• Salles blanches • Salles d’ordinateurs • Salles de contrôle • Data canters • Centraux téléphoniques • Centres de tri postal • Laboratoires • Salles de radiologie et d’imagerie médicale • Studios d’enregistrement, de radio et télé diffusion • Banques et bureau etc...


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Le but de ce stage a été l’étude de l’alimentation sans interruption (ASI) Emerson nouvelle génération.

-En premier lieu connaître les compositions de l’alimentation sans interruption ASI de toutes les gammes et puissances, connaitre les différents modules de puissances, les cartes, les modèles batteries (YUASA, CSB)

Nous avons appris à tester les composants : Diode, résistance, transfo, l’igbt, thyristor, fusibles et surtout les batteries… avec un multimètre de qualité et surtouts nous avons appris l’utilisation de matériels mécaniques utilisés dans l’installation des ASI comme les clés mixtes à cliquet , la pince à sertir…

-Dessouder les composants défectueux (comme les diodes) dans les cartes électroniques et les remplacer par de nouveaux composants.

-Changement des batteries pour le GXTu, NXE, NXA, UPS 7200, INET et la reprogrammation de l’ASI selon la capacité et le nombre des batteries utilisées.

-Installation des UPS pour le modèle mono-tri GXTu (10 kva).

-Mise en service des UPS de modèle tri-tri NXE (10 15 20 30 40 KVA) et NXA (40 60 80 100 120 160 KVA) avec un seul réseau d’entrée, et la configuration avec le logiciel de service ‘’PARAMSET’’ pour le NX et ‘’MULTILINK’’ pour GXTU.

-Extension des nombres de batteries externes (installation champs de batteries pour augmenter l’autonomie).

Cahier des charges__________________________________________________________________________________________

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Le cahier des charges de l’onduleur étudié

Paramètres d’entrée

Type de redresseur : IGBT – correction du facteur de puissance par contrôle vectoriel

Tension d’entrée [Vac] : 380 / 400 / 415 (admet de 305 a 477 V sans utilisation de batterie)

Fréquence d’entrée [Hz] : 50 ou 60 (plage de tolérance entre 40 et 70)

Courant d’entrée THD <3% (sans aucun filtre)

Facteur de puissance d’entrée ≥ 0,99 (sans aucun filtre)

Montée en puissance [s] 5 à 30 (sélectionnable)

Paramètres de by-pass

Tension d’entrée [Vac] 380 / 400 / 415

Paramètres de batterie

Type de batterie Plomb étanche ou Plomb ouvert ou Cadmium Nickel

Tension minimum [Vcc/Elt] Sélectionnable de 1,60 a 1,90 (pour VRLA) batterie

Courant résiduel cc en mode floating (paramètres) <5% (de capacité C10 AH) Valeur RMS

Tension résiduelle cc en mode floating et charge constante <1% (Valeur RMS)

Compensation de la charge standard pour les batteries internes de 10, 15, 20, 30, 40 kVA

batterie/temp et en option (pour tous les autres types de configurations de batterie)

Paramètres de sortie

Type d’onduleur : IGBT – contrôle vectoriel

Puissance de sortie : [kW] 24, 32, 48, 64 pour le 30, 40, 60,80 KVA respectivement

Tension de sortie [Vac] : 380 / 400 / 415 +/- 0,5 (Valeur RMS 3-phases)

Fréquence de sortie [Hz] : 50 ou 60 avec +/- 0,05

Tension de sortie THD : 1% (maximum)

Facteur de crête maximal : 3:1 (conforme à la norme IEC 62040-3)

Facteur de puissance capacitif maximum : Jusqu’a 0,9

Décalage de tension [°el] : 120°+/-10 el (avec une charge 100% non équilibrée)

Surcharge : 110% pendant 60 minutes, 125% pendant 10 minutes, 150% pendant 1 minute.

Cahier des charges__________________________________________________________________________________________

12

Chapitre 1

Fonctionnement d’une alimentation sans interruption

(ASI)

Chapitre 1______________________________________ Fonctionnement d’une Alimentation Sans Interrupti

13

Introduction :

Depuis de nombreuses années, les ASI font partie intégrante de la distribution

d’énergie électrique de qualité aux utilisateurs. Tous leurs composants sont conçus par le

constructeur de façon à permettre une parfaite intégration au site d’implantation, qu’il

s’agisse d’une alimentation de 250 VA pour un ordinateur personnel dans un bureau ou

d’une installation très complète de 2000 kVA pour un grand centre informatique d’entreprise

ou pour la protection d’une unité de production.

1.1-Définitions :

Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des

tensions et des courants alternatifs à partir d'une source d'énergie électrique continue. C'est

la fonction inverse d'un redresseur.

Fig.Fig.Fig.Fig.1111----1111 : Convertisseur: Convertisseur: Convertisseur: Convertisseur Continu (DC) Continu (DC) Continu (DC) Continu (DC) ---- Alternatif (AC)Alternatif (AC)Alternatif (AC)Alternatif (AC)

Une alimentation sans interruption (ASI, ou en anglais UPS, Uninterruptible Power

Supply), est un dispositif de l'électronique de puissance, installée entre le réseau

d’alimentation et un réseau d’utilisation alimentant des équipements, de façon à les protéger

des perturbations survenant sur le réseau d’alimentation. L’ASI fournit à ces équipements un

courant épuré de ces altérations et il peut même, s’il dispose d’une autonomie, suppléer

l’alimentation en cas de défaillance du réseau. Bien évidemment cette définition est

sommaire, car il existe plusieurs types et modèles d'onduleurs. Les puissances et la

technologie de conception, de fabrication et de mise en exploitation utilisées dépendent de

chaque constructeur.


14

Fig.Fig.Fig.Fig.1111----2222 : R: R: R: Représentationeprésentationeprésentationeprésentation simplifiésimplifiésimplifiésimplifiéeeee d’d’d’d’une alimentation sans interruption une alimentation sans interruption une alimentation sans interruption une alimentation sans interruption (ASI)(ASI)(ASI)(ASI)

1111....2222----Caractéristiques Caractéristiques Caractéristiques Caractéristiques d’une ASId’une ASId’une ASId’une ASI :::: [3] [3] [3] [3] [4][4][4][4] [9][9][9][9] Les unités utilisées pour mesurer la charge des onduleurs sont watts et les volt-ampères (VA). La puissance en watts correspond à la puissance réelle utilisée par l'équipement. Quant aux volt-ampères, ils correspondent à la puissance « apparente». Rappelons que la puissance en watts (P) est donnée par la formule : P = VI cos j dans laquelle j représente l’angle de déphasage entre la tension et l’intensité. Ce cosinus, encore appelé facteur de puissance, étant toujours inférieur à 1, la puissance réelle délivrée sera donc toujours inférieure à la valeur calculée en multipliant simplement la tension par l'intensité. Il n'est pas simple de mesurer cet angle de déphasage qui dépend des matériels connectés.

Le deuxième critère est l'autonomie du système. Celle-ci est liée à la capacité des batteries, au rendement de l'onduleur lui-même, et bien évidemment à la puissance réclamée pendant la coupure. Une longue durée est évidemment préférable puisqu'elle laisse le temps aux utilisateurs, lors de coupures de courant de courte durée, de sauvegarder le travail en cours sans avoir à éteindre les serveurs.

Facteur de Facteur de Facteur de Facteur de crêtecrêtecrêtecrête :::: Une charge linéaire absorbe un courant sinusoïdal qui a une valeur efficace (Ieff habituellement mesurée) et une valeur crête (Ipk). Le facteur crête est défini par :

FC = lpk / Ieff.


15

CoûtCoûtCoûtCoût de consommationde consommationde consommationde consommation :::: Sur une base annuelle, le coût des pertes électriques pour une charge donnée s’obtient par :

Coût des pertes électriques = Pu x ( 1 ) x T x c η- 1

Où, Pu est la puissance active (kW) fournie à l’utilisation, η : est le rendement de l‘ASI pour ce taux de charge et, de ce fait, pas nécessairement le rendement nominal de l’ASI, T : est le temps d’utilisation, en heures de fonctionnement, sur une année, à ce taux de charge, c est le coût du kWh d’électricité. Si l’on doit prendre en compte la climatisation, le coût de l’énergie augmentera de façon significative.

Fiabilité et disponibilité d’un systèmeFiabilité et disponibilité d’un systèmeFiabilité et disponibilité d’un systèmeFiabilité et disponibilité d’un système::::

A= MTBF/ (MTBF + MTTR) %

A : est le pourcentage de temps de fonctionnement d’un système sur une année ; C’est la disponibilité du système. MTBF : (Mean Time Between Failures) nombre d’heures de fonctionnement du système entre deux pannes (fonction de la fiabilité du système). MTRR : (Mean Time To Repair) nombre d’heures nécessaire à la réparation du système.

Le rendementLe rendementLe rendementLe rendement :::: Le rendement est le rapport entre la puissance active de sortie et la puissance active d’entrée.

η= P sortie P entrée

1.1.1.1.3333----Intérêts dune ASIIntérêts dune ASIIntérêts dune ASIIntérêts dune ASI ::::

Les onduleurs remplissent une double fonction. Ils protègent les équipements

informatiques contre les variations de la qualité du courant qui risqueraient de les

endommager, contribuant ainsi à leur pérennité. Par ailleurs, en cas de coupure de secteur,

ils sont en mesure de continuer à alimenter ces équipements durant quelques minutes,


16

évitant ainsi les interruptions de service. Lorsque la coupure se prolonge, ils déclenchent

l'arrêt des serveurs selon des procédures normales, qui éviteront au démarrage suivant des

états non cohérents. Ou encore laisser à un groupe électrogène le temps de démarrer pour

rétablir l’alimentation en électricité. Les onduleurs constituent donc un élément-clé de

l'amélioration de la disponibilité de l'informatique d'entreprise.

1.41.41.41.4----La solution aux défauts des réseaux électriquesLa solution aux défauts des réseaux électriquesLa solution aux défauts des réseaux électriquesLa solution aux défauts des réseaux électriques :::: [12] [13][12] [13][12] [13][12] [13] L'énergie électrique est l'objet de différentes perturbations dues au moyens de

production, à l'environnement atmosphérique (orages, givre, vent…) et industriel (avaries de matériel, récepteurs polluants, fausses manœuvres…) qui l'affectent durant son transport et sa distribution.

Des coupures de courant de quelques millisecondes non visibles à l’ œil nu (Micro- coupures) sont fréquentes sur le réseau électrique. L’UPS élimine ce type de problème, et corrige aussi les défauts suivants :

Variations de tensionVariations de tensionVariations de tensionVariations de tension /C/C/C/Chutes de courhutes de courhutes de courhutes de courantantantant de faible amplitudede faible amplitudede faible amplitudede faible amplitude ::::

Fig.Fig.Fig.Fig.1111----3333 : C: C: C: Chutes de tensionhutes de tensionhutes de tensionhutes de tension Elles sont lentes lors des variations de la charge du réseau ou rapides, lors de commutations de charges importantes (gros moteurs, machines à souder). Elles ont pour conséquences sur les systèmes alimentés des disfonctionnements et la destruction de composants lors des surtensions.

Surtensions / Hausses de tensionSurtensions / Hausses de tensionSurtensions / Hausses de tensionSurtensions / Hausses de tension ::::

Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1----4444 : S: S: S: Surtensionurtensionurtensionurtension


17

La tension du réseau est supérieure à la tension nominale des alimentations (pensez

aux diodes d'entrées). Ceci est spécifique aux installations proches des cabines électriques

"haute tension". Même si cela n'est par forcément dangereux pour les installations

informatiques, elles provoquent des contraintes de composants électroniques de

l'alimentation qui, à terme, la mettent en panne.

ParasitesParasitesParasitesParasites ::::

Fig.Fig.Fig.Fig.1111----5555 : P: P: P: Parasitesarasitesarasitesarasites

Les parasites peuvent être occasionnés par le démarrage de moteurs électriques,

robots, ascenseurs et autres. L’onduleur est équipé de filtres antiparasites. .

Variations de fréquences généralement liées aux groupes électrogènesVariations de fréquences généralement liées aux groupes électrogènesVariations de fréquences généralement liées aux groupes électrogènesVariations de fréquences généralement liées aux groupes électrogènes ::::

FigFigFigFig.1.1.1.1----6666 : V: V: V: Variations de fréquenceariations de fréquenceariations de fréquenceariations de fréquence

Elles apparaissent lors de la production de l'énergie à partir de groupes électrogènes et particulièrement lors d'impacts de charge qui entraînent la variation de la vitesse de rotation du moteur et celle de l'alternateur. Elles provoquent des erreurs dans les calculs basés sur le temps, la modification de la vitesse de rotation des moteurs synchrones, l'impossibilité de relire les supports magnétiques (disques).

Pics de tension / TPics de tension / TPics de tension / TPics de tension / Transitoires instantanésransitoires instantanésransitoires instantanésransitoires instantanés ::::

Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1----7777 :P:P:P:Pics de tensionics de tensionics de tensionics de tension


18

Pics de tension, il s'agit de surtensions instantanées (pendant un temps très court) et

de forte amplitude. Ces pics, dus à l'arrêt ou la mise en route d'appareils de forte puissance,

peuvent à terme endommager les composants électriques.

Distorsion de la sDistorsion de la sDistorsion de la sDistorsion de la sinusoïdeinusoïdeinusoïdeinusoïde ::::

FigFigFigFig.1.1.1.1----8888 : D: D: D: Distorsion de la sinusoïdeistorsion de la sinusoïdeistorsion de la sinusoïdeistorsion de la sinusoïde

Les distorsions de la sinusoïde correspondent à un multiple naturel de l’onde standard et sont appelées harmoniques. Elles peuvent être déclenchées par un équipement dans le réseau mais aussi par des distorsions générées à des centaines de kilomètres.

Pannes secteurPannes secteurPannes secteurPannes secteur ::::

FigFigFigFig.1.1.1.1----9999 : P: P: P: Pannes secteurannes secteurannes secteurannes secteur Typiquement définies comme une position ‘’tension zéro ‘’pendant plus d’un demi cycle, les Pannes secteur peuvent être provoquées par un réseau électrique défectueux, par des incidents techniques, par la foudre, etc. Conséquences : un dysfonctionnement du système et un endommagement du matériel. 1111.5.5.5.5----Technologie Technologie Technologie Technologie d’une d’une d’une d’une ASI:ASI:ASI:ASI:

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

1-La technologie statique (s'appliquant aux onduleurs statiques) dans laquelle la 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.


19

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.

1111.6.6.6.6----TopologieTopologieTopologieTopologiessss d’d’d’d’une une une une ASIASIASIASI :::: [[[[18]18]18]18] [19] [4][19] [4][19] [4][19] [4] [16][16][16][16]

Bien qu'il existe plusieurs types d'ASI, différents du point de vue de leur configuration ou de leur architecture, on parvient généralement à les classer parmi les trois topologies suivantes : en attente passive (offline ou passive standby), en interaction avec le réseau (line-interactive) et 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).Quelque soit sa topologie, l'ASI fonctionne selon le même principe: lorsque 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.

1111.6.6.6.6....1111---- ASIASIASIASI off lineoff lineoff lineoff line :::: Cette dénomination se réfère à une topologie différente. L’onduleur n’est pas en série avec le réseau, mais en parallèle et en attente passive. Il n’intervient plus en permanence, mais uniquement lorsque le réseau est hors tolérance. Un filtrage aux fonctions parfois floues, car présenté abusivement comme une régulation de tension, complète la topologie. Il n’y a plus de contacteur statique, ce qui introduit un temps de permutation rédhibitoire pour certaines applications .Là aussi, les normalisateurs ont constaté que l’appellation "off-line", qui signifie "non alimenté par le réseau", n’était pas satisfaisante. En effet la charge est principalement alimentée par le réseau alors que l’onduleur n’intervient qu’épisodiquement. Néanmoins l’usage a entériné cette topologie et sa terminologie, qui concernait surtout les ASI de faibles puissances (<2 k VA).


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Fig.Fig.Fig.Fig.1111----10101010 : ASI fonctionnant en interaction avec le réseau ASI fonctionnant en interaction avec le réseau ASI fonctionnant en interaction avec le réseau ASI fonctionnant en interaction avec le réseau –––– VFDVFDVFDVFD

aaaa----Marche sur réseauMarche sur réseauMarche sur réseauMarche sur réseau : La charge est connectée directement à l’alimentation d’entrée et le chargeur batterie est opérationnel. Le réseau est transmis à l ‘utilisation par l’interrupteur à travers un anti foudre et un anti parasite qui permettent d’épurer le courant. -Le chargeur est prévu pour recharger la batterie après une décharge. Le réseau public ou privé de distribution alimente le redresseur chargeur. Celui-ci délivre une

tension continue filtrée et régulée destinée à constituer la source d’énergie de l’onduleur et à

maintenir la batterie chargée pour qu’elle soit toujours prête à faire face à une coupure du

réseau (ex: 2,3V par élément batterie).Cette tension continue est ensuite retransformée en

tension alternative par l’onduleur, lequel alimente en permanence l’utilisation (charge).

bbbb----Marche sur batterieMarche sur batterieMarche sur batterieMarche sur batterie : Lorsque le réseau est absent, le redresseur chargeur n’est plus alimenté, l’onduleur puise l’énergie électrique dans la batterie et le transmit à l’utilisation. La batterie se décharge jusqu’à la valeur de fin de décharge (ex: 1,7V par élément batterie)

ce qui provoque l’arrêt de l’onduleur. Aucune perturbation n’apparaît sur l’utilisation jusqu’à

la fin de cette autonomie batterie (10, 40, 75 minutes).


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cccc---- Retour du réseauRetour du réseauRetour du réseauRetour du réseau ::::

Le redresseur chargeur se remet en marche automatiquement .Il alimente à nouveau

l’onduleur normalement et fournit en plus le courant de recharge de la batterie. Si le retour

du réseau est intervenu avant que la fin de l’autonomie batterie ait été atteinte, l’onduleur a

continué de fonctionner normalement et aucune perturbation n’a affecté l’utilisation. Si la fin

d’autonomie batterie a été atteinte, l’onduleur s’est arrêté.

Les avantages de ce type d’alimentation de secours sont: -Le faible cout, un rendement élevé en fonctionnement normale et une faible consommation électrique.

Parmi les inconvénients de type off line : -Il ne régule ni la tension ni la fréquence et ne protège pas la charge contre les perturbations du réseau ,pas de régulation de fréquence ou de tension, cette dernière pouvant fluctuer de plus ou moins 10% suivant les réglages de l'appareil ,de plus, en cas de variations de fréquences d'un réseau très perturbé ou de mauvaise qualité, la batterie sera fréquemment sollicitée et déchargée. L’onduleur OFFLINE ne fait aucun reconditionnement de puissance (pas de compensation du facteur de puissance).Les harmoniques crées par des charges avec un facteur de crête important sont réinjectées dans le réseau d’alimentation amont. Cela amplifie les pertes dans le câblage et augmente la puissance absorbée. Certains des ces appareils "OFFLINE" délivrent un signal de sortie non sinusoïdal (appelé "pseudo-sinusoïdal" ou "trapézoïdal"). -Ce type d’onduleur a un temps de basculement (commutation) entre 2 et 20 ms lors de disparition du secteur. 1111.6.6.6.6....2222---- ASI de type "line interactive"(en interaction avec le réseau)ASI de type "line interactive"(en interaction avec le réseau)ASI de type "line interactive"(en interaction avec le réseau)ASI de type "line interactive"(en interaction avec le réseau) ::::

Le réseau est transmis à l’utilisation par l’interrupteur à travers un antiparasite et un parasurtenseur qui permettent d’épurer le courant, la batterie est rechargée par l’onduleur qui fonctionne en sens inverse. Le micro processeur de l’onduleur scrute le réseau en permanence, dés que ce dernier sort d’une fenêtre de tolérance, un ordre de démarrage est transmis à l’onduleur qui va convertir le courant continu de la batterie En courant sinusoïdal pendant le temps de l’autonomie.


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aaaa----Marche sur réseauMarche sur réseauMarche sur réseauMarche sur réseau : 1- La charge est alimentée par le réseau en général via un filtre/conditionneur qui élimine certaines perturbations et peut réaliser une régulation de la tension. Les normes ne mentionnent pas ce filtre et parlent seulement d’un "interrupteur d’ASI". Elles précisent toutefois que "des dispositifs additionnels peuvent être incorporés pour assurer le conditionnement de l’alimentation, par exemple transformateur ferro-résonnant ou à commutation de prises automatique". 2- L’onduleur est en parallèle avec le réseau et en attente passive.

RemarqueRemarqueRemarqueRemarque :::: Le booster joue le rôle d’un régulateur. Lorsque la tension baisse, il rehausse cette dernière pour la maintenir dans une tolérance compatible avec les équipements électroniques sensibles.

Fig.1Fig.1Fig.1Fig.1----11111111 :::: ASI fonctionnant en attente passive ASI fonctionnant en attente passive ASI fonctionnant en attente passive ASI fonctionnant en attente passive ---- VIVIVIVI

bbbb----Marche sur batterieMarche sur batterieMarche sur batterieMarche sur batterie ::::

L’onduleur est inséré en série entre le réseau et l’utilisation. La puissance électrique transite en permanence par lui.


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La compatibilité avec un groupe électrogène est très mauvaise : Les produits Offline et Line interactive requièrent une fréquence d’alimentation stable. Le problème classique de fonctionnement est l’impact de courant du démarrage d’une charge informatique .Cet impact cause une variation de la fréquence du groupe électrogène qui entraine un passage en mode batterie des onduleurs Offline et Line interactif. Les passages répétitifs en mode batterie peuvent entrainer une décharge complète de celle-ci ainsi qu’une réduction significatrice de sa durée de vie. Un autre problème est l’instabilité en fréquence du groupe électrogène au moment où celui-ci réalimente l’onduleur (impact de charge). 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. Les termes «Boost/Buck» et «AVR» (ajustement automatique de la tension) désignent des topologies de type line-interactive.

Les avantages d’une alimentation en interaction avec le réseau : Le circuit Buck/boost régule la tension d’entrée, convient pour les ordinateurs en réseau et produit une onde sinusoïdale pour les hauts de gamme.

Parmi les inconvénients d’une ASI en interaction avec le réseau: -Il n’ya pas d’isolement véritable de la charge par rapport au réseau amont. -Faible protection contre les surtensions et pics de tension. -Faible rendement en fonctionnement sur charges non linéaires.

1111.6.6.6.6.3.3.3.3----ASI de type on line "double conversion"ASI de type on line "double conversion"ASI de type on line "double conversion"ASI de type on line "double conversion" ::::

Une solution On-line est la meilleure, en termes de protection des réseaux informatiques, de stabilisation de tension réseau et d'autonomie de la batterie. Mais il faut qu'il s'agisse d'une véritable technologie On-line. Certains fabricants intitulent " On-line " des modèles Line-interactive, et on trouve également des hybrides " On-line " avec une batterie Offline. Un logiciel de communication de réseau peut également s'avérer nécessaire pour la protection des applications vitales.


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FigFigFigFig.1.1.1.1----12121212 :::: ASI fonctionnant en double conversionASI fonctionnant en double conversionASI fonctionnant en double conversionASI fonctionnant en double conversion---- VFVFVFVF

aaaa----Mode rMode rMode rMode réseauéseauéseauéseau :::: Une sinusoïde quasi parfaite est crée à partir du signal continu généré à partir du secteur (double conversion).En fonctionnement normal l’utilisation est alimentée en permanence par l’onduleur. La tension continue nécessaire à l’onduleur est fournie par le redresseur lorsque l’alimentation normale présente une tension dans les tolérances admissibles par le redresseur, ou par la batterie dans le cas contraire. Sur ce schéma la batterie est représentée en permanence sur la partie continue de l’onduleur et le redresseur fait également fonction de chargeur de batterie. Dans certaines réalisations la batterie dispose d’un chargeur indépendant et elle est connectée à l’onduleur directement par un interrupteur lors de la disparition de l’alimentation normale. Dans d’autres réalisations surtout lorsque la tension de la batterie est faible, un convertisseur continu / continu est inséré entre la batterie et la partie continue de l’onduleur. Dans ce cas la batterie peut disposer d’un chargeur spécifique ou bien c’est le convertisseur continu / continu qui fait office de chargeur. Une voie dite de bypass permet d’augmenter la disponibilité de l’alimentation en cas de surcharge ou en en cas d’arrêt de l’onduleur suite à une défaillance ou pour des raisons de maintenance. Cette disposition est la plus répandue surtout pour les ASI de moyennes ou fortes puissances, car c’est celle qui donne le meilleur résultat en


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terme de qualité de la tension délivrée à l’utilisation. Elle convient donc pour tous les types de charge y compris les plus sensibles bbbb----Mode batterieMode batterieMode batterieMode batterie ::::

En cas de défaillance de réseau, l’onduleur et les batteries assurent la permanence de l’alimentation de la charge. L’ASI continue à fonctionner sur batteries pendant la durée d’autonomie ou, suivant le cas,

jusqu’a ce que le réseau revienne.

cccc----Mode bypass Mode bypass Mode bypass Mode bypass : Ce type d’ASI comporte en général un bypass statique, le plus souvent appelé contacteur statique. L’alimentation de la charge peut alors être transférée sans coupure sur l’entrée bypass (entrée 2) via le bypass dans les cas suivants : défaillance de l’ASI, transitoire de courant de charge (courant d’appel ou d’élimination de défaut), surcharges, fin d’autonomie de batterie. Toutefois l’adjonction d’un bypass suppose des fréquences d’entrée et de sortie identiques et, si les niveaux de tension sont différents, un transformateur de bypass doit être prévu. L’ASI est synchronisée avec le réseau d’alimentation du bypass afin de pouvoir assurer un transfert sans coupure de l’onduleur vers ce réseau.

NoteNoteNoteNote : Une autre voie, appelée bypass de maintenance, est prévue pour pouvoir réaliser la maintenance. Sa fermeture est réalisée par un interrupteur manuel (bypass manuel).

Les avantages de ce type d’UPS sont les suivants : Régénération permanente de la tension fournie en sortie par l’onduleur, que la puissance provienne du réseau ou de la batterie. Isolement de la charge par rapport au réseau amont et donc pas de report des fluctuations du réseau amont telles que surtensions, pics, sur l’aval. Acceptation de tolérances de tension d’entrée très large tout en permettant une régulation de la tension de sortie précise. Régulation précise de la fréquence de sortie. Possibilité de fonctionner en convertisseur de fréquence, lorsque cela est prévu, en inhibant le contacteur statique, et la performance statique et dynamique beaucoup plus élevées. Passage instantané en mode autonomie en cas de défaillance du réseau. Transfert sans coupure en mode bypass et bypass manuel facilitant la maintenance. Le tableau suivant résume les caracterisiques des trois types :


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TTTTableauableauableauableau....1.11.11.11.1 : C: C: C: Comparaisonomparaisonomparaisonomparaison entre les différentes topologiesentre les différentes topologiesentre les différentes topologiesentre les différentes topologies

1.71.71.71.7----Stratégies de commande des onduleursStratégies de commande des onduleursStratégies de commande des onduleursStratégies de commande des onduleurs ::::

Courants de rang croissants, cette impédance est de plus en plus grande.

Onduleur à commande symétriqueOnduleur à commande symétriqueOnduleur à commande symétriqueOnduleur à commande symétrique ::::

Débit sur charge résistive :

Il s’agit d’actionner alternativement les interrupteurs K1 et K2 durant des intervalles de temps réguliers.

FFFFig.ig.ig.ig.1111----13131313 : M: M: M: Montage de l’onduleurontage de l’onduleurontage de l’onduleurontage de l’onduleur :::: Relations: i = i1 - i2 V - v1 – u = 0 V + u - v2 = 0


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Analyse: • de 0 à T/2• de 0 à T/2• de 0 à T/2• de 0 à T/2 K1 est fermé v1 = 0 K2 est ouvert ⟹i2 = 0 ⟹u = V i = i1 = V/R v2 = V + u = 2.V • de T/2 à T• de T/2 à T• de T/2 à T• de T/2 à T K1 est ouvert i1 = 0 K2 est fermé ⟹v2 = 0 ⟹u = -V i = -i2 = -V/R v1 = V - u = 2.V

FigFigFigFig....1111----14141414: S: S: S: Signal ignal ignal ignal onduleur à commande symétriqueonduleur à commande symétriqueonduleur à commande symétriqueonduleur à commande symétrique

Le THD est très mauvais, de l'ordre de 48% :

→

Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée)Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée)Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée)Onduleur en créneaux (ou onduleur à commande décalée) ::::

La forme d’onde obtenue avec une commande décalée est plus proche d’une forme sinusoïdale que les créneaux obtenus avec la commande symétrique. Signal : : : : :angle de commande, et THD dépend de l'angle de commande ß.

FigFigFigFig....1111----15151515 : O: O: O: Onde rectangulaire à trois états de sortiende rectangulaire à trois états de sortiende rectangulaire à trois états de sortiende rectangulaire à trois états de sortie


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Onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou pulse width modulation Onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou pulse width modulation Onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou pulse width modulation Onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI) ou pulse width modulation

(PWM) en anglais(PWM) en anglais(PWM) en anglais(PWM) en anglais ::::

(a)(a)(a)(a) (b)(b)(b)(b) FigFigFigFig....1111----16161616 : (a: (a: (a: (a) Pleine onde (ou ) Pleine onde (ou ) Pleine onde (ou ) Pleine onde (ou bipolaire), (b) Dbipolaire), (b) Dbipolaire), (b) Dbipolaire), (b) Demiemiemiemi----onde (ou unipolaire) onde (ou unipolaire) onde (ou unipolaire) onde (ou unipolaire) La tension de sortie est composée de créneaux de tension de largeur variable (d'où le

nom de MLI : modulation de largeur d'impulsion, PWM : pulse width modulation en anglais). Les angles de commutations sont calculés de façon à éliminer un certain nombre d'harmoniques en calculant soigneusement les angles de commutation. , le THD est alors voisin de zéro 1.81.81.81.8----La MLI intersectiveLa MLI intersectiveLa MLI intersectiveLa MLI intersective :::: [11][11][11][11] L’objectif de la commande à MLI est de diminuer les harmoniques présents dans les courants générés par l’onduleur. Le principe est de comparer un signal triangulaire appelé porteuse qui détermine la période de découpage à une modulante dont le fondamental est à la fréquence du réseau. Le résultat de cette comparaison est le signal MLI qui est utilisé comme fonction de commutation pour commander les interrupteurs de l’onduleur. Cette méthode permet d’obtenir, de façon simple, les temps de conduction de chaque transistor. L’intérêt de cette méthode est d’obtenir, durant une période de découpage, une tension en sortie de l’onduleur directement proportionnelle à la valeur de la modulante utilisée. Plusieurs types de MLI intersectives sont utilisés. On peut citer par exemple, la MLI intersective sinus avec porteuse triangulaire, la MLI avec injection d’harmonique de rang 3, la MLI avec une porteuse aléatoire... Pour expliquer le fonctionnement de la technique PWM c’est à dire modulation de largeur d’impulsion, il faut considérer le transistor de puissance non pas comme un amplificateur mais plutôt comme un interrupteur.ces dernières années ,de nombreux moyens de construction des angles d’amorçage de l’étage de puissance pour onduleur PWM on été


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suggérés, les uns, les plus récents, sont fondés sur le calcul de ces angles en fonction de la tension, et opèrent au moyen de techniques numérique à base de microprocesseurs, de mémoires et de matériel digital, les autre reposent sur le circuits analogiques ,nous développements la plus classique :

Fig.Fig.Fig.Fig.1111----17171717 : Technique: Technique: Technique: Technique de génération d’une PWMde génération d’une PWMde génération d’une PWMde génération d’une PWM

Soit une onde porteuse triangulaire à hautes fréquences est comparée à un signal de référence de sortie du fondamental, les intersections des deux ondes déterminent les instants de commutations dans l’onduleur PWM. L’onde porteuse triangulaire a habituellement une amplitude fixe et, le rapport de l’amplitude de la sinusoïde As à l’amplitude de la porteuse Ap est appelé taux de modulation.

M=As/ApM=As/ApM=As/ApM=As/Ap

FigFigFigFig.1.1.1.1----18181818 : Principe: Principe: Principe: Principe de de de de générationgénérationgénérationgénération d’une PWMd’une PWMd’une PWMd’une PWM


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Chaque intersection du signal de référence au signal triangulaire, commande le

changement d’état d’un comparateur qui donne les ordres de commutation aux semi-

conducteurs constituant l’onduleur.

ConclusionConclusionConclusionConclusion :::: Dans ce chapitre ,nous nous somme interessés à l’etude des differentes caracteristiques d’ une alimentation sans interruption , ainsi que ses differents types : off line pour l’utilisation domestique ,line interactive et on line double conversion pour l’utilisation industriel . Dans le chapitre suivant ,nous allons faire l’étude détaillé d’une ASI de la marque EMERSON de type on line double conversion .


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Chapitre 2

Étude d’une ASI on line

Emerson

Chapitre 2________________________________________________________ Étude d’une ASI ‘’on line’’ EMERSON

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Introduction : Deux modeles d’alimentation sans interruption les plus utilisès à l’entreprise SOCARAM sont le modele NXA 40 KVA et le modele 80 KVA . Nous donnons ci-après une description sommaire des différentes fonctions utilisées dans les ASI ; certaines seront décrites plus en détail dans les paragraphes qui suivent :

• Le redresseur Le redresseur Le redresseur Le redresseur : A partir du réseau, il fournit une tension continue qui sera utilisée pour alimenter la batterie et le mutateur ;

• Le chargeur Le chargeur Le chargeur Le chargeur : Il maintient la batterie en charge ; • Le mutateur Le mutateur Le mutateur Le mutateur (onduleur) (onduleur) (onduleur) (onduleur) : Il fournit, à partir de la tension continue du redresseur-

chargeur une tension alternative régulée en tension et en fréquence. Il découpe la tension continue en impulsions modulées en largeur de façon à fournir après filtrage, la tension sinusoïdale exigée en sortie ;

• Le convertisseur élévateur Le convertisseur élévateur Le convertisseur élévateur Le convertisseur élévateur : Il permet de générer une tension continue plus élevée que celle fournie par le redresseur ou la batterie. Il est ainsi possible de produire une tension de sortie égale ou supérieure à celle de l'entrée sans utiliser de transformateur. Cette option est intéressante si le poids et l'encombrement sont des objectifs prioritaires.

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----1111 : : : : SchéSchéSchéSchéma modèle 30&40KVAma modèle 30&40KVAma modèle 30&40KVAma modèle 30&40KVA

Chapitre 2________________________________________________________

FIG 2.2FIG 2.2FIG 2.2FIG 2.2

______________________________________________ Étude d’une ASI ‘’on line’’ EMERSON

FIG 2.2FIG 2.2FIG 2.2FIG 2.2 ::::SCHÉMA ONDULEUR 30/40 KVASCHÉMA ONDULEUR 30/40 KVASCHÉMA ONDULEUR 30/40 KVASCHÉMA ONDULEUR 30/40 KVA

Étude d’une ASI ‘’on line’’ EMERSON

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Chapitre 2________________________________________________________

FIG FIG FIG FIG 2.32.32.32.3


2.32.32.32.3 ::::SCHÉMA ONDULEUR 60/80 KVASCHÉMA ONDULEUR 60/80 KVASCHÉMA ONDULEUR 60/80 KVASCHÉMA ONDULEUR 60/80 KVA


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2.12.12.12.1----description des cdescription des cdescription des cdescription des circuits de puissanceircuits de puissanceircuits de puissanceircuits de puissance :::: [[[[1]1]1]1]

2222.1..1..1..1.1111----Vue d'ensemble de circuit de puissance d'entréeVue d'ensemble de circuit de puissance d'entréeVue d'ensemble de circuit de puissance d'entréeVue d'ensemble de circuit de puissance d'entrée ::::

Liebert NXa est proposée en quatre puissances nominales : 30, 40, 60 et 80kVA. Les modèles (30 et 40 kVA) sont conçus pour recevoir, en interne, une batterie en option avec une autonomie de fonctionnement donnée. En cas d’exigences supérieures à cette durée (fournie par la batterie intégrée), des armoires batterie externes sont disponibles en option. Le (60 et 80 kVA) peut être complété par une ou plusieures armoires batterie externes optionnelles afin d’allonger cette durée d’autonomie et répondre ainsi aux exigences. La conception d’un circuit de puissance pour le 60/80kVA correspond à celle de

30/40 kVA avec plusieurs composants additionnels.

Les variations des composants pour 60/80kVA sont:

· Tous les disjoncteurs sont remplacés par des commutateurs isolants.

· Fusibles intégrés installés dans l’entrée principale du circuit redresseur.

· Pas de contacteur interne installé pour les batteries.

Les circuits de puissance d'entrée pour l'ASI de NXa sont illustrés dans les schémas

suivants:

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----4444 : Circuit: Circuit: Circuit: Circuit de puissance d'entrée 30/40kVAde puissance d'entrée 30/40kVAde puissance d'entrée 30/40kVAde puissance d'entrée 30/40kVA

Chapitre 2________________________________________________________

Fig.Fig.Fig.Fig.

Un filtre d'EMI (Electromagnetic interference

pour supprimer l'interférence

peut être employé pour supprimer l'interférence produite par le dispositif lui

que pour supprimer l'interférence produite par l'autre équipement pour améliorer l'immunité

d'un dispositif aux signaux d'IEM actuels dans son environnement électromagnétique.

2.1.22.1.22.1.22.1.2----RedresseurRedresseurRedresseurRedresseur:::: [1][1][1][1]

Le redresseur se compose de

305~478V à charge nominale, et la

sortie déclassée (basé sur une limitation du courant d’entrée).

(+405V et -405V) et la fréquence de découpage

Avec un facteur de puissance proche de 1, le redresseur limite auconsommation active en entrée et permet ainsi de réduire le dimensionnement des câbles, des protections électriques, des groupes électrogènes ou des factures dde l’ASI.


Fig.Fig.Fig.Fig.2222----5555 :::: Circuit d’entrée 60/80kVACircuit d’entrée 60/80kVACircuit d’entrée 60/80kVACircuit d’entrée 60/80kVA

Electromagnetic interference) est un circuit électronique passif utilisé

pour supprimer l'interférence électromagnétique présente sur n'importe quelle puissance. Il

peut être employé pour supprimer l'interférence produite par le dispositif lui


ux d'IEM actuels dans son environnement électromagnétique.

se compose de 3 phases + neutre, la plage de tension d’entrée est

305~478V à charge nominale, et la tension minimum d’entrée est 208V avec charge de

sortie déclassée (basé sur une limitation du courant d’entrée).La tension de

réquence de découpage du redresseur est 7.5 kHz.

Avec un facteur de puissance proche de 1, le redresseur limite auconsommation active en entrée et permet ainsi de réduire le dimensionnement des câbles,

lectriques, des groupes électrogènes ou des factures d’é


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électronique passif utilisé

présente sur n'importe quelle puissance. Il

peut être employé pour supprimer l'interférence produite par le dispositif lui-même aussi bien


ux d'IEM actuels dans son environnement électromagnétique.

lage de tension d’entrée est

208V avec charge de

de bus DC est 810V

7.5 kHz.

Avec un facteur de puissance proche de 1, le redresseur limite au maximum la consommation active en entrée et permet ainsi de réduire le dimensionnement des câbles,

électricité en amont

Chapitre 2________________________________________________________

Fig.2

L’inductance à l’entrée du redresseuratténuation de l'ensemble des harmoniquesElle consiste à insérer une inductance de filtrage LF en amont du redresseur de l'ASI, qui s'ajoute à l'inductance totale LS de source distorsion d'un facteur : LS (LS+LF)THDU(A) = THDU(B) xLS ; ( (LS+LF) Le THDU en A est le plus souvent sensiblement la moitié de celui en BCette inductance constitue le

Fig. 2-7 : L'insertion d'une inductance supplémenta

d'atténuer l'effet


Fig.2-6: Circuit redresseur 60/80 KVA

à l’entrée du redresseur est une solution palliative qui permet une atténuation de l'ensemble des harmoniques. [[[[2]2]2]2] Elle consiste à insérer une inductance de filtrage LF en amont du redresseur de l'ASI, qui s'ajoute à l'inductance totale LS de source (générateur + câblage). Ceci permet de réd

LS (LS+LF)

; (THDU : taux de distorsion harmonique de tension)

Le THDU en A est le plus souvent sensiblement la moitié de celui en B (fig.2filtre de base de toutes les ASI.

L'insertion d'une inductance supplémentaire LF en amont de l'ASI d'atténuer l'effet des harmoniques.


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est une solution palliative qui permet une

Elle consiste à insérer une inductance de filtrage LF en amont du redresseur de l'ASI, qui (générateur + câblage). Ceci permet de réduire la

de tension).

(fig.2-7).

ire LF en amont de l'ASI permet


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2222.1.2.1.2.1.2.1.2....1111----Redresseur IGBT avec système numérique(DSP)Redresseur IGBT avec système numérique(DSP)Redresseur IGBT avec système numérique(DSP)Redresseur IGBT avec système numérique(DSP) : [8] [11]: [8] [11]: [8] [11]: [8] [11] [10][10][10][10] Les SCR (Silicon Controlled Rectifier, thyristor) 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 DC (bus continu). Il fallait ajouter des circuits et dispositifs de protection pour protéger le bus DC contre ce mode de défaillance, les SCR sont faciles à allumer mais difficiles à couper. Le problème a été résolu avec l’introduction des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Les IGBT ont rendu possible une conversion dans un mode «modulation de largeur d'impulsion haute fréquence ». Le mode MLI haute fréquence réduit la taille des filtres requis, ce qui permet d’autres améliorations de l’efficacité. Le redresseur à IGBT est un composant essentiel. Il réduit de manière drastique la pollution sur le réseau amont et procure une parfaite compatibilité avec les groupes électrogènes sans nécessité de les sur dimensionner. La technologie du système de contrôle est numérique : Elle permet une surveillance parfaite et bien plus détaillée et précise qu’avec les systèmes électroniques analogiques traditionnels. Ces caractéristiques permettent à l’ASI de fournir une alimentation électrique parfaite dans de nombreuses conditions. L’ASI utilise un redresseur FPC (facteur de puissance corrigé) à contrôle vectoriel pour améliorer deux paramètres de grande valeur. L’un est la "THD (distorsion harmonique totale) du courant en entrée < 3% " et l’autre le " facteur de puissance d’entrée (FP) >= 0,99 ". Le premier garantit des flux d’alimentation en amont quasiment propres, évitant ainsi la pollution et les dommages sur d’autres charges semi-critiques reliées au bus de distribution de l’alimentation en amont, tandis que le deuxième garantit l’optimisation de l’alimentation active, ce qui réduit ainsi les coûts d’exploitation (en termes de factures d’électricité moins élevées) et participe à l’optimisation de l’investissement dans un groupe électrogène (en réduisant sa taille). 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.


39

Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2----8888:::: PF d’entréePF d’entréePF d’entréePF d’entrée Globalement, l’ASI est un système propre pour l’environnement électrique avec son redresseur transparent pour la source d’alimentation. Les processeurs DSP (Digital signal processing) 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. 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. Le redresseur IGBT, les signaux de piloteur de grille MLI (La modulation de largeur d'impulsions), le commutateur statique d'entrée et la commande de convertisseur batterie sont générés par un processeur de signaux numériques (DSP). Les technologies IGBT et DSP sont des améliorations technologiques majeures qui ont permis d’accroître l’efficacité des onduleurs de la toute dernière génération.

Chapitre 2________________________________________________________

Redresseur IGBT

-Réduction de la puissance et du coût du G.de 3:1 à 1,4:1 (6 pulses). -Pas d’interférence avec les autres charges critiques connectées en amont de la distribution. -Très faible bruit émis, environment de travail agréable. -Ne nécessite pas de filtre anti(actif ou passif).

Courant et tension de sortie

Tableau.2.1

2.1.2.22.1.2.22.1.2.22.1.2.2----Circuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor corrected

Le circuit PFC se compose dune self L dans le circuit d'entrée, d’un pont

triphasé a commande MLI, et des condensateurs mis en parallèle à travers le bus DC. Ses

fonctions principales sont: [1][1][1][1]

Correction de facteur de puissance d'entrée et pour maintenir une tension réglée de

BUS DC. En principe, le circuit PFC com

pour contrôler le courant à travers l’inductance. Le courant d'inductance se

parties, active et réactive. Le courant réactif commande le facteur de puissance d'entrée en

réglant l'angle de séparation entre la tension d'entrée et le courant d'entrée, tandis que

courant actif contrôle le facteur de puissance d’entrée en réglant la tension

redresseur.


Redresseur “6 pulse

Réduction de la puissance et du coût du G.E

rence avec les autres charges critiques connectées en amont de la

Très faible bruit émis, environment de travail

Ne nécessite pas de filtre anti-harmonique


-Facteur de puissance d’entrée: 0.8.-THDi =30%. -Durée de vie des câbles réduite. -Cause des pertes de puissance et du bruit additionnels. -Cause des interférences dans le réseau et les équipements proches.


: Comparaison des performances du redresseur [

Circuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor correctedCircuit PFC (power factor corrected , facteur, facteur, facteur, facteur de puissance corrigé):de puissance corrigé):de puissance corrigé):de puissance corrigé):

Le circuit PFC se compose dune self L dans le circuit d'entrée, d’un pont



BUS DC. En principe, le circuit PFC commande la tension CA du pont redresseur triphasé

pour contrôler le courant à travers l’inductance. Le courant d'inductance se

. Le courant réactif commande le facteur de puissance d'entrée en

aration entre la tension d'entrée et le courant d'entrée, tandis que

courant actif contrôle le facteur de puissance d’entrée en réglant la tension


40

6 pulses”

d’entrée: 0.8.

Durée de vie des câbles réduite. Cause des pertes de puissance et du bruit

Cause des interférences dans le réseau et les


redresseur [1]

de puissance corrigé):de puissance corrigé):de puissance corrigé):de puissance corrigé):

Le circuit PFC se compose dune self L dans le circuit d'entrée, d’un pont redresseur



mande la tension CA du pont redresseur triphasé

pour contrôler le courant à travers l’inductance. Le courant d'inductance se compose de deux

. Le courant réactif commande le facteur de puissance d'entrée en

aration entre la tension d'entrée et le courant d'entrée, tandis que

courant actif contrôle le facteur de puissance d’entrée en réglant la tension de sortie du


41

Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2----9999 : : : : Diagramme de vecteur d'entréeDiagramme de vecteur d'entréeDiagramme de vecteur d'entréeDiagramme de vecteur d'entrée

Le schéma montre le diagramme de vecteur du circuit de PFC, dont :

• Ui représente le vecteur de tension d'entrée,

• Ur représente le vecteur de tension du pont redresseur.

• UL représente le vecteur de tension d'inductance,

• Ii représente le vecteur courant d'inductance,

• id représente la composante active de courant d'entrée,

• Iq représente la composante réactive de courant d'entrée.

Dans l’état stable, le vecteur de tension d'entrée Ui et le vecteur courant d'inductance

li ont fondamentalement la même direction et le facteur de puissance d'entrée est proche

de 1.

THDi d'entrée et FP avec une tension 400VTHDi d'entrée et FP avec une tension 400VTHDi d'entrée et FP avec une tension 400VTHDi d'entrée et FP avec une tension 400V

100% linéaire 100% non linéaire

THDi_A (%) 2,353 2,630

THDi_B(%) 1,941 2,420

THDi_C (%) 2,439 2,030

FP_A 0,9993 0,9998

FP_B 0,9998 0,9999

FP_C 0,9997 0,9999

TableauTableauTableauTableau....2222....2222:::: THDi & FP d’entréeTHDi & FP d’entréeTHDi & FP d’entréeTHDi & FP d’entrée [1][1][1][1]

Le redresseur produit un courant continu constant, la commande de SPWM

(modulation de largeur d'impulsions sinusoïdale) conduit la commutation triphasée du pont

de rectification avec une fréquence de découpage de 7.5kHz pour 30-120kVA et 5kHz pour

140-200kVA.


42

Comme le principe de base de la modulation de largeur d'impulsions prouve que

quand la fréquence de découpage est élevée, la tension latérale alternative du redresseur

maintient la tension fondamentale sinusoïdale. Les harmoniques de tension très élevées

produisent des courants harmoniques très bas dus au filtrage inductif. Par conséquent, on

considère que l'inductance produira le courant très proche a la forme sinusoïdale avec l'effet

de tension secteur et la tension du sortie de redresseur.

La modulation de la tension et de la phase de la sortie de redresseur peut

commander le courant inductif, c.-à-d le courant et la phase d'entrée peuvent être

commandés. Quand le courant et la tension d'entrée ont la même phase, le facteur de

puissance d'entrée est 1. Le système adopte le mode de commande voltage-current à circuit

fermé, qui est la méthode de contrôle la plus populaire et la plus pratique.

Le redresseur permet à l'énergie d'écouler dans deux directions et d'améliorer la

réponse du système. Le redresseur triphasé de SPWM avec le circuit survolteur exige la

tension de bus est plus élevé que la tension de crête de la ligne d'entrée. Le redresseur est

alimenté par l'intermédiaire d'un commutateur statique, il fournit un courant de walk-in au

démarrage et commande les phases pendant le test batterie.

2222.1.2..1.2..1.2..1.2.3333----Démarrage lent de puissanceDémarrage lent de puissanceDémarrage lent de puissanceDémarrage lent de puissance ::::

Le démarrage lent comprend 2 étapes : Démarrage lent des thyristors SCR d’entrée

et démarrage lent du PFC.

Fig.2-10 : Démarrage lent des SCR d’entrée [1]


43

La tension positive DC croît en fonction de l’augmentation graduelle de l’angle de conduction du SCR de la phase A.

Démarrage lent du PFC:Démarrage lent du PFC:Démarrage lent du PFC:Démarrage lent du PFC:

La tension DC totale croît à sa valeur nominale en augmentant graduellement la

référence de contrôle du bus DC.

Fig.2-11 : Circuit de démarrage lent du PFC

Démarrage de la puissance:Démarrage de la puissance:Démarrage de la puissance:Démarrage de la puissance:

Le redresseur démarre lentement afin de minimiser l’impact de charge en amont

(fonctionnement sur Groupe Électrogène), limitation possible de la puissance maximum du

redresseur. La temporisation de démarrage peut être réglée de 5 à 30 secondes.

Fig.2-12: Démarrage d’un redresseur d’un module unitaire avec sa montée progressive Pin_limit : Puissance maximum du redresseur pour un module unitaire.


44

Fig.2-13 : Démarrage d’un redresseur dans un système parallèle 2+1 avec sa montée progressive

Pin_Total_limit : Puissance totale maximum des redresseurs dans un système parallèle

Les conditions de démarrage lent:

· L’IGBT chargeur et l’IGBT mutateur ne sont pas court-circuités.

· Tension d'entrée ok (176 volts à commencer, min 120V opérationnel, max 276V).

· La rotation de phase est correcte, avec trois phases présentent.

· La fréquence est dans les limites.

· Pas de sur température de refroidisseur de redresseur et de l’inductance d’entrée.

· Fusible d'entrée à C.A. non ouvert (60kVA et plus) et pas de signal EPO.

2.1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.4444 :::: Principe Principe Principe Principe fonctionnementfonctionnementfonctionnementfonctionnement :::: aaaa---- Conditions et étapes de démarrage du redresseurConditions et étapes de démarrage du redresseurConditions et étapes de démarrage du redresseurConditions et étapes de démarrage du redresseur :::: La tension d’alimentation AC doit être normal (Tension : 276V~176V et la fréquence est de 45~66Hz). *La rotation correcte des phases d’entrée, pas de faute interne dans l’onduleur et enfin le démarrage redresseur avec contrôle du démarrage lent.


45

*Dès le fonctionnement normal du redresseur, celui-ci alimente le mutateur et charge les

batteries à travers le convertisseur DC/DC.

bbbb----Modes de fonctionnement du redresseur:Modes de fonctionnement du redresseur:Modes de fonctionnement du redresseur:Modes de fonctionnement du redresseur:

****Le redresseur alimente le mutateur et charge les batteries à travers un convertisseur

DC/DC. Dans ce cas la tension du bus DC est de 810V (+ 405V et -405V)

****Lorsque le redresseur et les batteries alimentent le mutateur simultanément, la tension du

bus DC est de 790V (+ 395V et -395V).

*Les batteries alimentent le mutateur à travers un convertisseur DC/DC, la tension du bus

DC est de 790 (+ 395V and -395V). La redresseur transfert automatiquement dans ce mode

de fonctionnement lorsque la tension du bus DC est inférieure à +365V ou -365V.

cccc----Conditions d’arrêt du redresseur:Conditions d’arrêt du redresseur:Conditions d’arrêt du redresseur:Conditions d’arrêt du redresseur:

Tension d’entrée AC anormale ou redresseur non synchronisé avec l’entrée AC.

Lorsqu’il y a un signal EPO (les SCR entrée et redresseur seront OFF).

Panne démarrage lent (+ ou – bus DC < 150 volts après démarrage lent)

Fusion fusible d’entrée.

Pannes redresseur:

• La tension totale du bus DC est < 600V

• La tension totale du bus DC est > 880V.

• La surtension DC (hardware) est activée lorsque le bus DC est > 960V

Sur-température refroidisseur redresseur ou self redresseur, et surintensité redresseur.

d-Protection du circuit redresseur :

Il existe deux types de protection hardware et software :


46

Protection “Hardware" :

La limitation hardware est utilisée pour la limitation de courant impulsion par impulsion, la

protection de l’IGBT par détection du Vce sat et la protection de surtension DC à 480V.

Protection “Software “:

Elle est utilisé pour la limitation du courant d’entrée RMS et la protection de tension d’entrée

anormale : tension haute, tension basse, absence phase réseau et perte du neutre.

2222.1.2.5.1.2.5.1.2.5.1.2.5----Opération normale de redresseur:Opération normale de redresseur:Opération normale de redresseur:Opération normale de redresseur:[1][1][1][1]

aaaa----La lLa lLa lLa logique de contrôle numérique duogique de contrôle numérique duogique de contrôle numérique duogique de contrôle numérique du redresseur:redresseur:redresseur:redresseur:

Plusieurs conditions sont nécessaires pour le déclenchement du redresseur à six

IGBT et aux thyristors, en effet nous allons utiliser la logique de contrôle numérique, le

schéma suivant résume ces conditions.

Fig.2-14 : Logique de commande de redresseur

u2

x3

u1

x2

x1

f(x 1...x n)VIN_A

VIN_B

VIN_AVIN_B

VIN_C

VIN_CFIN

M_ph_rev

FU_AC_IN

L_IN_Ov Temp

REC_OVLOAD

CHG_SHORT

Heatsink_Ov Temp

INV_SHORT

POW_OK

REC_FAULT_OFF1

REC_FAULT_OFF2

SCR_ON

REC_IGBT_ON

EPO

Vbus<600v with rectif ier ON

Vbus>880v with rectif ier ON

DC_OV with rectif ier ON

REC_FAULT


47

L'abréviation et les fonctions de signal sont expliquées dans le tableau suivant:

AbréviationAbréviationAbréviationAbréviation SignificationSignificationSignificationSignification

DC_OV Le redresseur DSP a détecté une sur tension dans le bus DC

REC_FAULT Le bus DC fonctionne hors tolérance

Vbus Somme de la tension positive et la tension négative de DC bus

Fin_norm La fréquence principale d'entrée est 40Hz~70Hz

Vin_norm La tension principale d'entrée est normale. Note : quand le convertisseur batterie est allumé, la gamme normale de la tension d entré est 208v~478v, autrement c'est 305v~478v

M_ph_rev La rotation de phase d'entrée est renversée

FU_AC_IN Le micro commutateur (switch) sur le fusible d'entrée est actionné

L_IN_OvTemp Sonde de surchauffe d'inductance de redresseur actionnée

REC_OVLOAD Le redresseur est surchargé

Heatsink_OvTemp La sur-température de refroidisseur est actionnée

CHG_SHORT Le redresseur DSP a détecté que le chargeur a un court-circuit

INV_SHORT Le mutateur DSP a détecté que le mutateur a un court-circuit

POW_OK Les alimentations redondantes de commande fonctionnent

EPO Boutton d’arret d’urgence

SCR_ON Le thyristor de redresseur est allumé(ON)

REC_IGBT_ON Le redresseur IGBT est allumé(ON)

Tableau.2.3 : Logique de commande de redresseur

b-Le contrôle analogique du redresseur : [1]

Dans cette alimentation sans interruption, le redresseur est constitué de six IGBT

qu’on utilise pour avoir 6 signaux PWM (modulation de largeur d’impulsion) qui à leurs tours

sont utilisé pour diminuer les THDI (taux de distorsion harmonique de courant) minimum

possible < 3%.


48

Fig.2-15 : Contrôle analogique du redresseur

Les abréviations et les fonctions de signal sont expliquées dans le Tableau suivant :


VIN_A tension phase A

VIN_B tension phase B

VIN_C tension phase C

IN_A Courant phase A

IN_B Courant phase B

IN_C Courant phase C

IIN_SUM Somme des courants d'entrée principaux

VBUS_P tension de BUS DC+

VBUS_N tension de BUS DC-

REC_IGBT_ON Redresseur a IGBT est “ON”

Tableau.2.4 : Contrôle analogique du redresseur

2.1.2.6-Résumé de commande logique et de protection de redresseur :

Pour les 60 et le 80kVA l'entrée du redresseur est protégée par les fusibles,

FU1~FU3 et pour toutes les estimations, le courant transitoire est supprimé par un système

x3

x4

u1

x2

x1

f(x1...xn)

u1

x2

x1

f(x1...x

n)

x3

u1

x2

x1

f(x1...x

n)

u2

u3

u4u5

un

x3

x4

u1

x2

x1

f(x1...x

n)

V IN _A

V IN _B

V IN _C

IIN _A

IIN _B

IIN _C

IIN _S U M

V B U S _P

V B U S _N

R E C _P W M 1

R E C _P W M 6

R E C _P W M 2

R E C _P W M 3

R E C _P W M 4

R E C _P W M 5

R E C _IG B T _O N


49

de protection D-classe contre la foudre .Le circuit de suppression d'interférence

électromagnétique se compose d'un anneau ferromagnétique et de condensateurs sur les

cartes EMI. Après que l'isolateur de l'entrée de redresseur Q1 est fermé, le signal d'entrée

relié au filtre d'IEM est appliqué au circuit de commande.

Si le démarrage lent d'entrée fonctionne normalement, (vbusN >150v de, VbusP >150v)

après le traitement par le circuit PFC comportant des ondes filtrés de l'inductance et du

condensateur, le courant de puissance d'entrée sera rectifié (redressé) par les 6 semi-

conducteurs de puissance d'IGBT.

La tension de BUS DC montera lentement sur une période sélectionnable (5 à 30

secondes) par le logiciel de service et le BUS DC réglera à 405 volts à travers DC 1 etDC2.

Le DSP surveillera la tension de BUS DC et si la tension est < 600 volts ou

>880volts, il mentionne un « défaut redresseur » et désactivera le commutateur statiques

d’entré et les signaux de piloteur de grille du redresseur pour isolement et l'arrêt de

redresseur.

Evaluation en KVAEvaluation en KVAEvaluation en KVAEvaluation en KVA

Temps Temps Temps Temps de de de de

fonctionnementfonctionnementfonctionnementfonctionnement

méthode de limitation de courantméthode de limitation de courantméthode de limitation de courantméthode de limitation de courant 30303030 40404040 60606060 80808080

Le hardware Limite le courant impulsion par impulsion

112 151 224 302

2S Le software limite le courant

RMS d’entrée(A)

67.5 90 135 180

Longue durée Le software limite le courant RMS d’éntrée(A)

50.25 67 100.5 134

Tableau.2.5 : Capacité de puissance du redresseur

2.1.3-Le convertisseur Batterie :

Le convertisseur batterie est un circuit qui se compose d’un IGBT duel pack(Q7) avec

des diodes internes, d’une inductance (L7) et des condensateurs filtres DC1, DC2, comme

illustré sur le schéma suivant (fig. 2-16) :


50

La batterie est reliée au bus DC mutateur par l'intermédiaire d'un convertisseur

bidirectionnel DC/DC (hacheur). Quand l’énergie de secteur est normale la batterie est

chargée par le convertisseur, qui dans cette condition fonctionne comme un convertisseur

BUCK (hacheur dévolteur). Le chargeur est contrôlé pour garder le courant de l'inductance

de batterie L7 constant pendant l’étape de limitation de courant initial de la batterie, puis il

maintient une tension floating constante de la batterie. Quand le secteur fournissant l’énergie

au redresseur échoue ou se trouve dans un état anormal, la batterie est déchargée par le

convertisseur, qui dans ces conditions fonctionne comme convertisseur BOOST (hacheur

survolteur). Le contrôle du convertisseur maintient une tension continue constante à la barre

de BUS DC du mutateur.

Fig.2-16 : Circuit de puissance de convertisseur batterie 60/80kVA

2222.1.3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1----Le pLe pLe pLe principe opérationnel du convertisseur de batterierincipe opérationnel du convertisseur de batterierincipe opérationnel du convertisseur de batterierincipe opérationnel du convertisseur de batterie ::::

Comme chargeur, le convertisseur batterie est actionné en mode Buck et utilise la

commande PWM pour maintenir le courant et la tension de charge.

Le courant et la tension de floating de chargement maximum sont déterminés par

les données de batterie saisies en utilisant le logiciel de service. La valeur par défaut dans le

logiciel pour le courant maximum de recharge batteries est 0.1 A\H.

Chapitre 2________________________________________________________

Le courant maximum de recharge disponible dépend de la charge de sortie d'ASI.

Basé sur la charge de 100% sur le mutateur, les capacités respectives de recharge sont

30kVA - 5.1KW, 40kVA - 6.8KW, 60kVA

Si la charge de sortie diminue, le logiciel permettra selon le besoin au courant de recharge

d’augmenter jusqu'à un maximum de 80%. Dans ce mode de fonctionnement la fréquence

de découpage de PWM est de 15 kilohertz.

aaaa----Le cLe cLe cLe convertisseur chargeur:onvertisseur chargeur:onvertisseur chargeur:onvertisseur chargeur:

Ce convertisseur fournit le

25%, si la charge est inférieure au nominal, il donnera une capacité de charge additionnelle:

Pbatt=20 %( P

Buck

Fig.2-17 : 60/80 kVA

Comme étant déchargeur, le convertisseur de batterie est actionné en mode BOOST

pour commander la tension continue pour le mutateur. La tension de bus DC mutateur est

maintenue par commande de PWM pour fournir +/

fonctionnement la fréquence de découpage de PWM est 3.75kHz



Basé sur la charge de 100% sur le mutateur, les capacités respectives de recharge sont

6.8KW, 60kVA - 10.2KW, 80kVA - 13.6KW.

tie diminue, le logiciel permettra selon le besoin au courant de recharge


de découpage de PWM est de 15 kilohertz.

ournit le courant de recharge des batteries, la capacité de charge:

, si la charge est inférieure au nominal, il donnera une capacité de charge additionnelle:

Pbatt=20 %( P nominale-P charge) +25%P nominale

Buck Boost

kVA modes de convertisseur batterie BUCK & BOOST


tension continue pour le mutateur. La tension de bus DC mutateur est

maintenue par commande de PWM pour fournir +/- 395 volts constants. Dans ce mode de

fonctionnement la fréquence de découpage de PWM est 3.75kHz


51


Basé sur la charge de 100% sur le mutateur, les capacités respectives de recharge sont :

tie diminue, le logiciel permettra selon le besoin au courant de recharge


urant de recharge des batteries, la capacité de charge:

, si la charge est inférieure au nominal, il donnera une capacité de charge additionnelle:

Boost

odes de convertisseur batterie BUCK & BOOST


tension continue pour le mutateur. La tension de bus DC mutateur est

395 volts constants. Dans ce mode de


52

bbbb----Le cLe cLe cLe convertisseur “déchargeur”onvertisseur “déchargeur”onvertisseur “déchargeur”onvertisseur “déchargeur” ::::

Il alimente le bus DC à partir des batteries en cas d’absence réseau. Une diode de

“roue libre” limite la surtension lors de l’ouverture du disjoncteur batteries pendant une

décharge de celles-ci.

RemarqueRemarqueRemarqueRemarquessss::::

La batterie est connectée au bus DC via le circuit “charge” et “décharge”

(convertisseur DC/DC).

La même self est utilisée pour le convertisseur “chargeur “ et pour le convertisseur

“déchargeur”.

Les convertisseurs utilisent différentes fréquences (15 kHz/3.75kHz) afin de diminuer

les pertes en puissance et améliorer l’ondulation de courant (ripple).

Deux modes de protection sont disponibles :

Limitation de courant, impulsion par impulsion, et protection contre les surtensions pendant

la recharge.

Évaluation en KVA Temps de fonctionnement

Méthode de limitation de courant

30 40 60 80

200 ms Limitation de courant, impulsion par impulsion par le hardware

153.75 205 307.5 410

Tableau.2.6: Limitation de courant

2.1.3.2-Opération normale du convertisseur de batterie : [1]

a- Les conditions du convertisseur batterie “on”:

S'il n'y a aucun défaut, pas de signal EPO, et la batterie est normale, le convertisseur

batterie est en état “ON” après que le redresseur est en fonctionnement, alors les détails

sont illustrés comme suit:


53

Fig.2-18 : La logique de la commande 60/80kVA pour le convertisseur batterie

Signaux de commande de convertisseur batterie :


CHG_SHORT Court-circuit dans le chargeur de circuit de puissance

CHG_OV Sur- tension chargeur

DC_OV Sur -tension bus DC

BAT_CONVERTER_FAULT Défaut de convertisseur batterie

VBAT_norm La batterie est reliée à l'UPS, le raccordement n'est pas inversé et la tension de batterie supérieure à celle de l'EOD.

BOOST_OVLOAD sur intensité du convertisseur batterie

L_BOOST_OvTemp Température excessive de l'inductance de convertisseur batterie

Heatsink_OvTemp Température excessive du refroidisseur

INV_SHORT Il y a court-circuit de mutateur

POW_OK les deux blocks de commande puissances sont échouées

EPO Bouton arrêt d’urgence est “off”

BAT_CONTACT_ON Le contacteur batterie est allumé pour 30/40KVA ou pour 60KVA/80KVA avec le contacteur. Le BCB est allumé pour


54

60/80KVA avec des options de BCB sans contacteur

BAT_IGBT_ON Le mutateur IGBT batterie est allumé

Tableau.2.7 : logique de commande du convertisseur batterie

Le convertisseur batterie fonctionne comme chargeur ou déchargeur alors il y aura deux signaux analogiques rapportés au fonctionnement normal du convertisseur, le BUCK et le BOOST.

b- Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du convertisseur batterie Buck:

Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2----19191919 :::: SSSSignaux analogiques pour l'opération de convertisseur batterie Buckignaux analogiques pour l'opération de convertisseur batterie Buckignaux analogiques pour l'opération de convertisseur batterie Buckignaux analogiques pour l'opération de convertisseur batterie Buck

Les abréviations et les fonctions des signaux sont expliquées dans le Tableau suivant:


VHF La tension mesurée de chargeur

VCHG_SET La valeur réglée de la tension de chargeur

IBAT_CHG Le courant mesuré de batterie

ICHG_LIMIT_SET La valeur réglée du courant maximum de batterie

BAT_IGBT_ON Le chargeur on

Tableau.Tableau.Tableau.Tableau.2222....8888 :::: SSSSignauxignauxignauxignaux analogiques de BUCKanalogiques de BUCKanalogiques de BUCKanalogiques de BUCK


55

c- Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du convertisseur batterie

BOOST:

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----20202020 :::: Signaux analogues pour l'opération de décharge de convertisseur BoostSignaux analogues pour l'opération de décharge de convertisseur BoostSignaux analogues pour l'opération de décharge de convertisseur BoostSignaux analogues pour l'opération de décharge de convertisseur Boost

Les abréviations et les fonctions des signaux sont expliquées dans le Tableau suivant:

Abréviation Signification VBUS_set La valeur réglée de la tension de barre DC

bus VBUS Somme de la tension positive et négative de

DC bus IBAT_DISCHG Le courant de décharge mesuré de batterie BAT_IGBT_ON Le déchargeur est en état ”on”

Tableau.3.Tableau.3.Tableau.3.Tableau.3.9999 :::: signauxsignauxsignauxsignaux analogiques de convertisseur Boostanalogiques de convertisseur Boostanalogiques de convertisseur Boostanalogiques de convertisseur Boost

2222.1.4.1.4.1.4.1.4---- Le Le Le Le circuit balancecircuit balancecircuit balancecircuit balance::::

FigFigFigFig.2.2.2.2----21212121 ::::CircuiCircuiCircuiCircuit balancet balancet balancet balance


56

Comme illustré sur le schéma (2-21) le circuit balance se compose de :

· Diodes d'IGBT internes.

· Inductance L8

· Double IGBT (duel pack), Q8.

· filtre Condensateurs DC1, DC2 de C.C

2.1.4.12.1.4.12.1.4.12.1.4.1----Fonction du circuit balanceFonction du circuit balanceFonction du circuit balanceFonction du circuit balance ::::

La fonction principal est l’équilibrage du bus DC en cas de fonctionnement sur batteries,

et la diminution de l’ondulation de courant (ripple) dans les condensateurs continus.

(a) (b)

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----22222222 :::: FonctionnementFonctionnementFonctionnementFonctionnement du circuit balancedu circuit balancedu circuit balancedu circuit balance

Quand la tension positive de bus DC est supérieure à la tension négatif, le

condensateur DC2 positif est déchargé, alors que le condensateur DC1 négatif est chargé

(a). Pour l'état opposé le condensateur DC2 positif est chargé et le condensateur DC1

négatif est déchargé (b) par le circuit régulateur d'équilibre. La fonction principale de ce

circuit balance est le contrôle de l’équilibrage (balance) entre le DC bus positif et négatif, il

compense la composante DC de la charge (jusqu’à 10%) et il compense aussi le

déséquilibre dynamique du bus DC.


57

On aura un défaut dans le circuit balance si :

| vbus P-vbusN |>50V pendant 10s, avec :

vbus P est la tension positive de bus DC

vbus N est la tension negative de bus DC

2222.1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2----État d'opération normale du État d'opération normale du État d'opération normale du État d'opération normale du compensateurcompensateurcompensateurcompensateur ::::

aaaa----Les conditions du circuit balance on :Les conditions du circuit balance on :Les conditions du circuit balance on :Les conditions du circuit balance on :

Fig. 2Fig. 2Fig. 2Fig. 2----22223333 :::: CircuitCircuitCircuitCircuit logique d'équilibrelogique d'équilibrelogique d'équilibrelogique d'équilibre

Quand les tensions positives et négatives de DC bus sont > 100v, et il n'y a aucun

défaut et pas de signal EPO ⟹ le cercuit balence est “on”.

Des abréviations et les fonctions du signal sont expliquées dans le Tableau suivant:


Bal_OVLOAD Sur tension balance

L_Bal_OvTemp Temperature excessive self batterie

POW_OK La commande de puissances a échouées

INV_SHORT Il y a court-circuit de mutateur

EPO Bouton arret d’urgence

BAL_IGBT_ON IGBT balance on

Tableau.Tableau.Tableau.Tableau.2222....10101010 :::: SignauxSignauxSignauxSignaux de commande logique de circuit d'équilibrede commande logique de circuit d'équilibrede commande logique de circuit d'équilibrede commande logique de circuit d'équilibre


58

bbbb----Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du c. balance :Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du c. balance :Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du c. balance :Le signal analogique rapporté au fonctionnement normal du c. balance :

Fig.2Fig.2Fig.2Fig.2----22224444 :::: OpérationOpérationOpérationOpération analogique de circuit d'équilibreanalogique de circuit d'équilibreanalogique de circuit d'équilibreanalogique de circuit d'équilibre

Les abréviations et les fonctions du signal sont expliquées dans le Tableau :

AbréviationAbréviationAbréviationAbréviation DescriptionDescriptionDescriptionDescription

VBUS_P Tension dc bus +

VBUS_N Tension dc bus -

I_Bal Courant balance

BAL_IGBT_ON Balance est en état ”on’’

Tableau.2.11 : Balance signaux analogiques et commande de circuit

2.1.5-Configuration du Mutateur :

La technologie évoluée de la partie onduleur offre la meilleure qualité d’alimentation électrique, avec une onde parfaitement sinusoïdale pour protéger les charges connectées en aval. L’onduleur supporte des charges 100% non linéaires avec un facteur de crête 3 :1 et 100% déséquilibrées. Grace a son système de contrôle onduleur spécifique, l’ASI peut fonctionner avec différentes catégories de charges y compris celles avec un facteur de puissance 0,9 capacitif.

Chapitre 2________________________________________________________

Comme illustré sur le schéma

Pont d'IGBT mutateur, un

RemarqueRemarqueRemarqueRemarque ::::

Le mutateur est triphas

découpage du mutateur: 7.5 kHz.

2222.1.5..1.5..1.5..1.5.1111----FonctionFonctionFonctionFonction de mutateur:de mutateur:de mutateur:de mutateur:

– Convection de la tension du bus DC en tension AC de sortie.

– Contrôle de la sinusoïde

– Répartition du courant entre modules dans les systèmes parallèles.

– Transfert de la sortie vers le bypass et inversement.

– Verrouillage de phase pour assurer un transfert sans interruption et pour les

systèmes parall

Protection du circuitProtection du circuitProtection du circuitProtection du circuit mutateur:mutateur:mutateur:mutateur:

– Protection “Hardware” : Limitation

par détection du Vce sat.

– Protection “Software” : Protection Surcharge et p


Fig.Fig.Fig.Fig.2222----22225555 :::: CircuitCircuitCircuitCircuit de puissance mutateurde puissance mutateurde puissance mutateurde puissance mutateur

omme illustré sur le schéma (2-25) le mutateur inclut les composants

filtre mutateur, des fusibles et un commutateur statique.

triphasé +un neutre, sans transformateur et la f

découpage du mutateur: 7.5 kHz.

de mutateur:de mutateur:de mutateur:de mutateur:

Convection de la tension du bus DC en tension AC de sortie.

Contrôle de la sinusoïde de sortie en fonction du type de charge.

Répartition du courant entre modules dans les systèmes parallèles.

Transfert de la sortie vers le bypass et inversement.

Verrouillage de phase pour assurer un transfert sans interruption et pour les

systèmes parallèles.

mutateur:mutateur:mutateur:mutateur:

Limitation de courant impulsion par impulsion, et la p

: Protection Surcharge et protection court-circuit en sortie.


59

clut les composants suivants:

commutateur statique.

neutre, sans transformateur et la fréquence de

Convection de la tension du bus DC en tension AC de sortie.

de sortie en fonction du type de charge.

Répartition du courant entre modules dans les systèmes parallèles.

Verrouillage de phase pour assurer un transfert sans interruption et pour les

courant impulsion par impulsion, et la protection IGBT

circuit en sortie.

Chapitre 2________________________________________________________

Remarque:Remarque:Remarque:Remarque:

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----2222

Capacité de surcharge du mutateur:

10min pour 110%-125%

200ms pour 150% et plus (y compris les courts

Surcharge: confirmation et retour (hystérésis): 105% / 95%.

170

150

130

110

Load (%)


22226666 :::: Importante capacité Importante capacité Importante capacité Importante capacité de sde sde sde surchargeurchargeurchargeurcharge mmmmutateurutateurutateurutateur

Capacité de surcharge du mutateur: 1 heure pour101%

125% 1 min pour 125%

(y compris les courts-circuits, le bypass).

: confirmation et retour (hystérésis): 105% / 95%.

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----22227777 :::: Formes d’ondes de sortieFormes d’ondes de sortieFormes d’ondes de sortieFormes d’ondes de sortie

170

150

130

110

1hr 10min 1min Time

Bypass

AC - AC

Load (%)


60

utateurutateurutateurutateur

1 heure pour101%-110%

1 min pour 125%-150%

: confirmation et retour (hystérésis): 105% / 95%.


61

2222.1.5.2.1.5.2.1.5.2.1.5.2----principe de fonctionprincipe de fonctionprincipe de fonctionprincipe de fonction ::::

aaaa---- Conditions de fonctionnement du mutateurConditions de fonctionnement du mutateurConditions de fonctionnement du mutateurConditions de fonctionnement du mutateur ::::

– La tension du bus DC est supérieure à 660 volts.

– Pas de défaut interne du mutateur.

– Pas de EPO (arrêt d’urgence).

– Redresseur ou convertisseur batterie disponible.

– Commande “INVERTER ON “ faite par l’opérateur.

bbbb---- Conditions d’arrêt du mutateur:Conditions d’arrêt du mutateur:Conditions d’arrêt du mutateur:Conditions d’arrêt du mutateur:

_ _ _ _ EPO (bouton d’arrêt d’urgence), ou tension du bus DC inférieure à 660V (+330V,-330V).

– Faute interne du mutateur.

cccc----Conditions de transfertsConditions de transfertsConditions de transfertsConditions de transferts ::::

Le contrôle ON /OFF du mutateur via des touches sur le panneau avant de l’onduleur.

Transfert (puis retransfert) par surcharge, par impact de charge.

Transfert sur défaut.

– Défaut bus DC, défaut mutateur.

– Défaut par erreur de manipulation.

– Transfert avec coupure : 15ms mini pour les unités 50Hz, 13ms mini pour les unités 60Hz


62

Fig. 2Fig. 2Fig. 2Fig. 2----22228888 :::: DiagrammeDiagrammeDiagrammeDiagramme bloc de gestion de mutateurbloc de gestion de mutateurbloc de gestion de mutateurbloc de gestion de mutateur

Le schéma 2-28 détaille les éléments de commande pour le mutateur. Toutes les

tensions et tous les courants détectés sont transformés à des vecteurs par une manipulation

mathématique.

Des doubles boucles (loop) sont adoptées. La boucle externe est le régulateur de

tension, et elle engendre la référence de vecteur courant pour réduire au minimum l'erreur

entre la référence de vecteur tension et le vecteur détecté de tension. La boucle intérieure

est le régulateur de courant, et elle produit un signal de commande de SPWM pour le pont

mutateur.

2222.1.6.1.6.1.6.1.6----Vue d'ensemble des étages de puissance de sortieVue d'ensemble des étages de puissance de sortieVue d'ensemble des étages de puissance de sortieVue d'ensemble des étages de puissance de sortie ::::

La conception de circuit de puissance de sortie est identique pour les 30 à 80kVA. Le

circuit comporte un IGBT duel Q8, pour maintenir l'équilibre de bus DC mutateur et pour

supprimer le contenu harmonique injecté du neutre. Un circuit en pont d'IGBT convertit le

DC bus en tension triphasée réglée.

Le mutateur a IGBT, les signaux de commande PWM, le régulateur d'équilibre, et les

commandes statiques de commutateur sont produits par un deuxième processeur de signal

numérique (DSP). La carte mesure M4 fournit l'interface pour les signaux de commande et

Chapitre 2________________________________________________________

une carte de puissance consacrée (M

conducteurs de puissance.

FigFigFigFig .2.2.2.2----29292929

Excellente performance de sortie:

– Stabilité importante de la tension de sortie, temps de réponse rapide et faible THD.

– Capable d’alimenter des charges avec un déséquilibre de 100%

– Capacité de surcharge et d’impact de charge importante

– Ajustage sur site de la tension de sortie pour compenser les pertes en ligne


une carte de puissance consacrée (M1) fournit la commande et l'isolement pour les semi

29292929 ::::CCCCircuit de puissance de sortie 60/80kVAircuit de puissance de sortie 60/80kVAircuit de puissance de sortie 60/80kVAircuit de puissance de sortie 60/80kVA

Excellente performance de sortie:

Stabilité importante de la tension de sortie, temps de réponse rapide et faible THD.

Capable d’alimenter des charges avec un déséquilibre de 100%.

Capacité de surcharge et d’impact de charge importante.

Ajustage sur site de la tension de sortie pour compenser les pertes en ligne


63

1) fournit la commande et l'isolement pour les semi-

Stabilité importante de la tension de sortie, temps de réponse rapide et faible THD.

Ajustage sur site de la tension de sortie pour compenser les pertes en ligne.

Chapitre 2________________________________________________________

2.1.6.12.1.6.12.1.6.12.1.6.1----Commutateur statiqueCommutateur statiqueCommutateur statiqueCommutateur statique

Le by-pass ou interrupteur statique réalise le pontage du redresseur, de l’onduleur et

de l’accumulateur sans interruption des récepteurs branchés en aval de l’ASC. Ce pontage

intervient en cas d’arrêt de l’onduleur, pour les raisons suivantes :

arrêt volontaire, surcharge sur l’utilisation dépassant les canomalie interne. Il est composé de 2 ou 6 thyristors permettant à l’ASIréseau lorsqu’elle passe du mode secours en mode normal (carfréquence de sortie de l’ASI par rapport à celle du réseau). Si les exigences de l'utilisation dépassent les possibilités de l'ASI, le contacteur statique bascule automatiquement, sans coupure, l'utilisation sur le réseau n'est pas valable si l'ASI fonctionneProtection: tolérance admissible pour pouvoir alimenter la charge.

paramétrables.

– Amplitude: +10%, +15%, +20%;

– Fréquence: +-10% +-20%


Commutateur statiqueCommutateur statiqueCommutateur statiqueCommutateur statique ::::

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----30303030 :::: CommutateurCommutateurCommutateurCommutateur StatiqueStatiqueStatiqueStatique

pass ou interrupteur statique réalise le pontage du redresseur, de l’onduleur et


intervient en cas d’arrêt de l’onduleur, pour les raisons suivantes :

ontaire, surcharge sur l’utilisation dépassant les capacités de limitation de l ’ASI

6 thyristors permettant à l’ASI de retrouver le synchronisme du réseau lorsqu’elle passe du mode secours en mode normal (car il y a dérive possible de

par rapport à celle du réseau).

Si les exigences de l'utilisation dépassent les possibilités de l'ASI, le contacteur statique bascule automatiquement, sans coupure, l'utilisation sur le réseau n'est pas valable si l'ASI fonctionne en convertisseur de fréquence. Protection: tolérance admissible pour pouvoir alimenter la charge. Amplitude et fréquence

Amplitude: +10%, +15%, +20%; -10%, -20%, -30%,-40%.

20%


64

pass ou interrupteur statique réalise le pontage du redresseur, de l’onduleur et


apacités de limitation de l ’ASI , ou

de retrouver le synchronisme du il y a dérive possible de la

Si les exigences de l'utilisation dépassent les possibilités de l'ASI, le contacteur statique bascule automatiquement, sans coupure, l'utilisation sur le réseau d'entrée. Ceci

Amplitude et fréquence


65

Gamme de synchronisation:

– Amplitude: idem protection.

– Fréquence :+-1,+-0.5,+-2,+-3Hz

Transfert : Tolérance admissible pour synchronisation du mutateur, afin d’assurer un

transfert sans coupure .Paramétrable en fréquence uniquement.

2222.1.7.1.7.1.7.1.7----Modalités des transfertsModalités des transfertsModalités des transfertsModalités des transferts::::

(1(1(1(1））））Transfert du bypass vers le mutateurTransfert du bypass vers le mutateurTransfert du bypass vers le mutateurTransfert du bypass vers le mutateur ::::

Inter Maintenance ouvert, inter sortie fermé, mutateur opérationnel, pas de surcharge

ni de faute” sévère””””.... Transfert avec ou sans interruption selon l’état du bypass et de la

synchronisation. La demande manuelle d’un transfert avec interruption Devra être confirmée

par l’utilisateur.

(2)Transfert du mutateur vers le bypass2)Transfert du mutateur vers le bypass2)Transfert du mutateur vers le bypass2)Transfert du mutateur vers le bypass ::::

Mutateur OFF, délai de surcharge expiré, impact de charge ou défaut “sévère”.

Transfert avec ou sans interruption selon l’état du bypass et de la synchronisation. Le

mutateur est arrêté pendant le transfert, puis redémarré automatiquement après

10secondes si aucune faute “sévère” n’est détectée.

PPPPourourourour le transfert dans lele transfert dans lele transfert dans lele transfert dans les s s s systèmes systèmes systèmes systèmes ASI ASI ASI ASI parallèlesparallèlesparallèlesparallèles ::::

(1)Principe d’exclusion bypass-inverter : Le bypass d’un module ne peut pas conduire en

même temps que le mutateur d’un autre module afin d’éviter les retours de puissance. Donc,

tant qu’un mutateur alimente la charge, les bypass des autres onduleurs sont bloqués

(2) Principe de synchronisation : Les mutateurs travaillant ensembles, ils doivent donc être

synchronisés afin de minimiser les courants de circulation entre les modules et assurer la

fiabilité du système.

(3) Retransfert synchronisé : Si le bypass est dans la gamme de synchro, les mutateurs vont

retransférer simultanément sans interruption, afin d’assurer une capacité de charge maxi


66

même durant le transfert (par exemple pendant Un retransfert suite à la disparition d’une

condition de surcharge).

(4) Retransfert prioritaire : Si le bypass n’est pas dans les tolérances admissibles, le système

va retransférer avec interruption sur un mutateur. Le système ne peut donc pas alimenter

une charge dont la puissance dépasse celle d’un seul mutateur.

(5) Transfert par surcharge synchronisé : En cas de transfert sur bypass par Surcharge ou

impact de charge, tous les mutateurs vont transférer sur bypass simultanément afin

d’assurer la sécurité de l’alimentation de la charge critique.

(6) Surveillance de l’état de l’interrupteur du bypass de maintenance externe.

(7) Surveillance de l’état de l’interrupteur de sortie externe.

Note :Note :Note :Note :

La conception du bypass n’incorpore pas la limitation de courant afin de l’isoler de la

charge et seul le mutateur est capable de supporter un court-circuit.

2222.2.2.2.2----Contrôles en Contrôles en Contrôles en Contrôles en ligneligneligneligne : [: [: [: [1]1]1]1]

Quand l'UPS est en marche, on mesure les signaux. Les valeurs mesurées peuvent

varier légèrement de celles indiquées dans ce qui suit.

1111. On visualise les formes d'onde de courant d'entrée. À l'entrée principale, on vérifie tous

les courants triphasés en utilisant une sonde de courant et un oscilloscope. Les figures (2-31

et 2-32) montrent les formes d'ondes typiques, sans charge puis d’une charge de 50%.


67

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----33331111 :::: Forme d'onde typique sans chargeForme d'onde typique sans chargeForme d'onde typique sans chargeForme d'onde typique sans charge

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----33332222 :::: Forme d'onde typique avec une charge de 50%Forme d'onde typique avec une charge de 50%Forme d'onde typique avec une charge de 50%Forme d'onde typique avec une charge de 50%

2222.... Si un thyristor est ouvert, soit parce qu’il est défectueux, ou bien parce que le circuit drive

est défectueux, un courant de palpitation continu doit être observé sur l’onde. Les mesures

de phases de courants avec un ampèremètre est un contrôle rapide et utile pour que les 3

phases des circuits de puissances fonctionnent correctement, si le déséquilibre est de 10%

ou plus, des enquêtes postérieures doivent être effectuées.


68

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----33333333 : F: F: F: Forme d'onde typique du courant avec un thyristor ouvertorme d'onde typique du courant avec un thyristor ouvertorme d'onde typique du courant avec un thyristor ouvertorme d'onde typique du courant avec un thyristor ouvert

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----33334444 : F: F: F: Forme d'onde typique avec le thyristor ouvertorme d'onde typique avec le thyristor ouvertorme d'onde typique avec le thyristor ouvertorme d'onde typique avec le thyristor ouvert

3333. On mesure chacun des courants dans le filtre AC d'entrée. Si le déséquilibre est de 10%

ou plus et s’il n'y a aucun écoulement (flux) de courant dans le condensateur filtre AC, on

doit remplacer le condensateur. La figure (2-35) montre la forme d'onde typique de courant

de filtre d'entrée.


69

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----33335555 :::: Forme d'onde typique de courant de fForme d'onde typique de courant de fForme d'onde typique de courant de fForme d'onde typique de courant de filtre d'entréeiltre d'entréeiltre d'entréeiltre d'entrée

4.4.4.4. On va mesurer le courant neutre d'entrée en utilisant une sonde de courant et un

oscilloscope. La valeur de courant neutre devrait être <+ 5 ampères. Si le courant

dépasse 5 ampères, une enquête devrait être effectuée. La figure ci-dessous montre la

forme d’onde typique de courant neutre d’entrée :

ffffigigigig....2222----33336666 :::: Forme d'onde typique du courant neutre d'entréeForme d'onde typique du courant neutre d'entréeForme d'onde typique du courant neutre d'entréeForme d'onde typique du courant neutre d'entrée


70

5.5.5.5. on va mesurer la tension positive et négative de bus continu en utilisant une sonde de

tension et un oscilloscope. Après avoir démarré l'UPS, la tension de bus DC devrait

augmenter suivant les indications de la figure ci-dessous. Il y a deux étapes :

aaaa. Démarrage lent de thyristor d'entrée.

b.b.b.b. Démarrage lent des IGBT redresseur (pfc).

La figure ci-dessous montre la forme d'onde typique de bus DC positif et négatif après 30

secondes de déclenchement de l'UPS :

Fig. 2-37 : Forme d'onde typique du bus positif et négatif après 30 secondes de démarrage

La tension d'ondulation résiduelle sur la barre de bus DC est négligeable s'il n y a

aucune charge sur l'UPS. La tension d'ondulation approximative est 5~10Vrms. La figure (2-

38) nous montre la forme d'onde typique de bus DC positif et négatif après une durée de

30s avec une charge complète (à 100%).


71

Fig.2-38 : Forme d'onde typique de bus positif et négatif après 30 s (charge complète)

6666. On Vérifie la tension et le courant de la batterie en utilisant une sonde de tension et une

sonde de courant. On mesure les formes d'ondes sur un oscilloscope. Le NXa comporte un

étage convertisseur bidirectionnelle où le convertisseur charge la batterie après qu'il soit

correctement relié. Les formes d'onde de courant et de tension de convertisseur sont

illustrées dans les figures ci-dessous.

Fig. 2-39 : La forme d'onde typique pendant le chargement pour le convertisseur batterie, ch1 tension batterie, ch. 2 courant batterie


72

Fig.2-40 : La forme d'onde typique sous la condition de floating pour le convertisseur batterie, ch1 tension de batterie, ch2 pour courant de batterie

7.7.7.7. On examine le mutateur pour chacune des trois phases avec un oscilloscope. On mesure

la tension et le courant.

La figure ci-dessous montre la forme d'onde typique de la tension, sans charge en sortie.

Fig. 3Fig. 3Fig. 3Fig. 3----41414141 :::: Forme d'onde typique de tension sans chargeForme d'onde typique de tension sans chargeForme d'onde typique de tension sans chargeForme d'onde typique de tension sans charge en sortieen sortieen sortieen sortie de l’ASIde l’ASIde l’ASIde l’ASI

Une charge non linéaire montrera une tension de mutateur semblable à la figure (2-42).


73

Fig. 2Fig. 2Fig. 2Fig. 2----42424242 : Tension: Tension: Tension: Tension typique et formes d'onde du courant avec la charge non linéairetypique et formes d'onde du courant avec la charge non linéairetypique et formes d'onde du courant avec la charge non linéairetypique et formes d'onde du courant avec la charge non linéaire

2222.3.3.3.3----Description Description Description Description des cartesdes cartesdes cartesdes cartes :::: [1][1][1][1]

Fig.Fig.Fig.Fig. 2222----43434343 :::: schéma fonctionnelschéma fonctionnelschéma fonctionnelschéma fonctionnel

2222.3.1.3.1.3.1.3.1----Carte alimentation Carte alimentation Carte alimentation Carte alimentation UHW241M5UHW241M5UHW241M5UHW241M5 ((((Auxiliary Power Supply Board)Auxiliary Power Supply Board)Auxiliary Power Supply Board)Auxiliary Power Supply Board):::: But: La carte d’alimentation est un convertisseur continu/continu avec une tolérance d’entrée de 160 à500 Vdc et régule ses tensions de sortie à +15Vdc, -15Vdc, +24Vdc.


74

L'UPS a une double alimentation stabilisée redondante indépendante conçus pour fournir l'énergie opérationnelle à tous les composants de circuit de détection, de commande et de drive. L’alimentation stabilisée utilise une sortie redondante « 1+1 » parallèle pour améliorer sa fiabilité. Les panneaux d'alimentations sont conçus pour fonctionner à partir d’une alimentation continu avec une gamme d'opération de 200 à 500 volts et ceci est obtenu à partir de 3 sources, le courant alternatif d'entrée principal (réseau1), de courant alternatif d’entrée bypass (réseau2) et le bus DC mutateur. Les 3 sources sont rectifiées et relié ensemble au panneau de transmission. Pour améliorer la fiabilité, le système adopte deux cartes qui sont complètement les mêmes

pour la sortie redondante.

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----44444444 : UHW241X1: UHW241X1: UHW241X1: UHW241X1«««« 1+11+11+11+1 » cartes » cartes » cartes » cartes transmission transmission transmission transmission redondantesredondantesredondantesredondantes

Important: La détection d’un problème sur la carte se fait en regardant le +15Vdc de la carte. Si la tension dépasse 17Vdc ou descend en dessous de 12Vdc alors la carte est considérée comme en panne, dans ce cas un message d’erreur s’affiche sur l’écran du NXA et la led1 s’éteint.


75

Fig.3Fig.3Fig.3Fig.3----45 :UHW241M5 D45 :UHW241M5 D45 :UHW241M5 D45 :UHW241M5 Diagrammeiagrammeiagrammeiagramme bloblobloblocccc de la carte d’alimentationde la carte d’alimentationde la carte d’alimentationde la carte d’alimentation

2.3.22.3.22.3.22.3.2----Carte DSP (Carte DSP (Carte DSP (Carte DSP (Digital Signal Processor Board Digital Signal Processor Board Digital Signal Processor Board Digital Signal Processor Board UHW241U1)UHW241U1)UHW241U1)UHW241U1):::: La carte DSP contrôle le redresseur et le pont onduleur. Il y’a deux processeurs de traitement de signal pour réaliser les fonctions arithmétiques. Cette carte envoie aussi des signaux numériques sur l’état de l’onduleur (comme le bypass ou la charge/décharge des batteries.Elle gère également la mise en parallèle de plusieurs modules.

Fig.Fig.Fig.Fig.2222----46464646 :::: Diagramme bloc de la carte DSPDiagramme bloc de la carte DSPDiagramme bloc de la carte DSPDiagramme bloc de la carte DSP


76

Les autres fonctions principales sont : -Circuit « reset » U14 permet de remettre à zéro les processeurs redresseurs et onduleur ainsi que l’état des signaux numériques. -Le signal de l’arrêt d’urgence est géré aussi par cette carte. -Un bus rs485 est connecté entre cette carte et la carte monitor. -Le signal de synchronisation (LBS) est généré par cette carte. -Le contrôle de l’alimentation à J1 est fait par U24 pour générer le 3,45V dont ont besoin les composants électroniques de la carte. U25 génère le 5V pour la DSP, U27 génère le 3,3V pour le circuit de conversion analogique/numérique pour la DSP. 2222.3..3..3..3.3333----Carte Mesure (UHW241M4)Carte Mesure (UHW241M4)Carte Mesure (UHW241M4)Carte Mesure (UHW241M4) :::: But : Transformer les signaux digitaux. -Source Alternative : Mesure la tension d’entée du redresseur, du by-pass, la tension de

sortie onduleur, et la sortie ASI, et mesure le courant de sortie et des inducteurs en entrée

et en sortie.

-Source Continue : Mesure la tension du bus continu, de la batterie et du chargeur, et la mesure le courant de la charge/décharge de la batterie et des inducteurs du balanceur. -Ventilateurs : Mesure le courant dans chaque ventilateur. -Signaux numériques : Mesure l’état du Switch rotatif. -Contrôle IGBT : Le circuit fait une pré interface analogique pour la carte DSP. -Contrôle Thyristors : Le circuit fait une pré interface analogique pour la carte DSP. -Limitation courant : Le circuit de limitation impulsion par impulsion surveille le courant en entrée dans les IGBT du redresseur et de sortie dans les IGBT de l’onduleur et batterie chargeur pour protéger les IGBTs si une surcharge apparait.

2.3.42.3.42.3.42.3.4----Carte détection UHW241M4Carte détection UHW241M4Carte détection UHW241M4Carte détection UHW241M4 ::::

Cette carte est employé dans les ASI de 30 à 120kVA et se relie à la carte DSP,

au système, au panneau de transfert de signal (transmission) et à la carte d'alimentation qui

actionne le panneau UHW241M4 avec des sources de +15V (PV15) et de -15V (NV15).


77

Fig.3Fig.3Fig.3Fig.3----47474747 :::: Schéma fonctionnel UHW241M4Schéma fonctionnel UHW241M4Schéma fonctionnel UHW241M4Schéma fonctionnel UHW241M4 2222.3.5.3.5.3.5.3.5----Carte Monitor (UHA241U2)Carte Monitor (UHA241U2)Carte Monitor (UHA241U2)Carte Monitor (UHA241U2) :::: But : Cette carte permet l’interfaçage des périphériques (carte de communication, contacts d’entrée, de sortie, arrêt d’urgence…) -Contacts secs d’entrée ou de sortie (relais) -Arrêt d’urgence -Entrée des paramètres ASI (liaison informatique série) -Liaison RS 232, RS 486 -Interface intellislot (carte relais, SNMP …), interfaçage des sondes de température. -Interfaçage Modem. La carte embarque aussi un chipset flashable pour pouvoir mettre à jour facilement le logiciel de la carte (port RS232-2). 2222----3333----6.6.6.6.Carte parallèleCarte parallèleCarte parallèleCarte parallèle :::: But : -Détecte le courant moyen du système et l’envoie à la DSP.


78

-Les connecteurs pour les câbles parallèles et LBS se trouvent dessus. -C’est l’interface de communication dans le système parallèle. -Détecte le statut des switchs en sortie. -Détecte le statut du switch by-pass de maintenance.

2.3.2.3.2.3.2.3.7777-CaCaCaCarte de transmissionrte de transmissionrte de transmissionrte de transmission (Signal Convey Board Signal Convey Board Signal Convey Board Signal Convey Board UHW241X1)UHW241X1)UHW241X1)UHW241X1):::: But: -Pont redresseur sur la carte qui envoie la tension continue aux cartes DC/DC -Fusibles qui protègent les cartes DC/DC, les ventilateurs et la carte mesure. -Convoie les tensions d’entrée, du by-pass et de la sortie.

2.3.82.3.82.3.82.3.8----Carte de driver UHW242M1Carte de driver UHW242M1Carte de driver UHW242M1Carte de driver UHW242M1 ::::

L'interface aux semi-conducteurs de puissance est fournis par un panneau de

commande, deux cartes identiques sont employées, une pour les composants d'entrée et en

second et l’autre pour les composants de sortie. Pour l'application de redresseur les

fonctions sont :

1) Commander les thyristors et les IGBTs pour l'étage d'entrée et les IGBT de convertisseur

de batterie.

2) Détection de la température de redresseur (signal analogique).

Pour l'application de mutateur les fonctions sont :

1) Commander les thyristors et les IGBTs mutateur et la commande des IGBTs balance.

2) Détecter le signal numérique de la température excessive du redresseur et le signal de

courant d'IGBT Vsat.

ConclusionConclusionConclusionConclusion Emerson Network Power répond aux problèmes de réseau électrique par une solution ASI qui associe performance, compacité, fiabilité et rentabilité, grâce à l’utilisation d’une ASI Liebert NX on line ≪ double conversion ≫, avec un redresseur et un onduleur IGBT et contrôles par processeurs numériques qui nous permet d’avoir un facteur de puissance unitaire et THDi<3%.


79

Chapitre 3

Présentation de la cellule de commutation IGBT

Chapitre 3_____________________________________________ Présentation de la cellule de commutation IGBT

80

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction Les IGBT (insolated Gate Bipolar Transistor) sont des composants de puissance qui associent les transistors MOSFET et les transistors bipolaire de puissances. Ils cumulent les avantages des deux sans totalement en éliminer les inconvénients, l’IGBT constitue aujourd’hui un dispositif de premier choix dans les ASI de moyenne et de forte puissance. 3333.1.1.1.1----HistoriqueHistoriqueHistoriqueHistorique :::: [5][5][5][5] Depuis 1979, se développe l’idée d’intégrer sur une même puce un transistor MOS et un transistor bipolaire afin de profiter des avantages de chacun des deux dispositifs en évitant au mieux leurs inconvénients. Cet assemblage a donné naissance à une variété de dispositifs: - IGT (Insulated Gate Transistor) par General Electric; - GEMFET (Gain Enhaced MOSFET) par Motorola; - COMFET (Conductivity Modulated FET) par RCA Tous ont permis d’aboutir vers ce qu’on appelle aujourd’hui l’IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor).La première génération de transistors IGBT présentait d’importants problèmes de verrouillage (ou latching), qui ont été corrigés dans la 2e génération apparue au début des années 1990. La fin du Modèle: XXe siècle a connu trois nouvelles générations de transistors IGBT, qui ont augmenté les performances pour des courants et des tensions importants. Les caractéristiques de l’IGBT font que dans les années 2000 il s’est largement imposé dans tous les domaines de l’électronique de puissance face aux autres types de composants pour les gammes de tension 600 V à 3 300 V, et qu’il perce dans les tensions supérieures face au GTO, ainsi que dans les tensions inférieures face au MOSFET, bien qu’il soit plus lent .

Photo 3Photo 3Photo 3Photo 3----1111:::: Module IGBT SKM 400 GA 122D de SEMIKRONModule IGBT SKM 400 GA 122D de SEMIKRONModule IGBT SKM 400 GA 122D de SEMIKRONModule IGBT SKM 400 GA 122D de SEMIKRON [8][8][8][8]


81

PhotoPhotoPhotoPhoto.3.2.3.2.3.2.3.2----Vue interne d’un module IGBT 400AVue interne d’un module IGBT 400AVue interne d’un module IGBT 400AVue interne d’un module IGBT 400A----1200V1200V1200V1200V [8][8][8][8]

Le transistor IGBT est un interrupteur unidirectionnel en tension et en courant.

3333.2.2.2.2----Procédé de fabricationProcédé de fabricationProcédé de fabricationProcédé de fabrication :::: [5] [6][5] [6][5] [6][5] [6] La structure sera schématisée pour deux cellules hexagonales, non à l’échelle (figure.4), afin de permettre une meilleure compréhension des mécanismes intercellulaires. Le processus de fabrication débute par une oxydation. Un niveau de masquage permet d’implanter les zones P+ au centre des cellules fig. I 4 (étape A). Après décapage chimique l’oxyde est alors déposé. La croissance de l’oxyde de grille sur la surface active du composant est suivie du dépôt d’une couche de silicium poly cristallin (ou polysilicium) qui constituera la grille. Cette couche polysilicium recouvre la zone N- et le bord de la zone P qui constituera le canal du MOSFET Fig. I 4 (étape B). Les zones de cathode n++ sont réalisées par diffusion en masquant le centre des cellules Fig. I 4 (étape C).


82

Fig.3Fig.3Fig.3Fig.3----3333: Principales étapes de la réalisation technologique d’un IGBT.: Principales étapes de la réalisation technologique d’un IGBT.: Principales étapes de la réalisation technologique d’un IGBT.: Principales étapes de la réalisation technologique d’un IGBT. Les diffusions P du canal et n++ de cathode sont auto-alignées par rapport à la grille. Ce procédé permet un contrôle précis de la longueur du canal. Un oxyde d’isolement est ensuite déposé puis gravé pour les prises de contact. Enfin, la structure est métallisée Fig. I 4 (étape D) puis passivée. 3333....3333----Structure interne de module IGBTStructure interne de module IGBTStructure interne de module IGBTStructure interne de module IGBT :::: [[[[7]7]7]7] 3333.3.1.3.1.3.1.3.1----StructureStructureStructureStructure PTPTPTPT :::: Les IGBT de type PT (punch through, punch : perforation through : à travers) ou asymétrique ainsi appelés car la zone Nest percée par le champ électrique à l'état bloqué,

possèdent une couche N+ (buffer) de faible épaisseur entre la zone N_ et le substrat P

+. Cette

couche permet de réduire l'épaisseur de la zone N_ pour une valeur donnée de la tension de claquage de la jonction J

2 et sert de centre de recombinaison pour les électrons de la zone

N_ à la fin de la phase de blocage. Ce type de structure est utilisé dans la majorité des IGBT; les caractéristiques résultent d'un compromis entre le temps de disparition du courant de queue (tail current) et la chute de tension directe à l'état passant. En principe les IGBT de type PT présentent une tension directe à l'état passant plus faible que les IGBT de type NPT pour une même tension de claquage Les IGBT de type PT perdent leurs capacités de tenue de tension inverse qui ne peut pas dépasser quelques dizaines de volts à cause du fort dopage des deux zones situées de part et d'autre de la jonction J

1.


83

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----2 : Cellule 2 : Cellule 2 : Cellule 2 : Cellule élémentaire de type PTélémentaire de type PTélémentaire de type PTélémentaire de type PT

3333.3.2.3.2.3.2.3.2----Structure NPTStructure NPTStructure NPTStructure NPT ::::

Les IGBT de type NPT (non punch-through) or symétrique présente une zone N_ qui n'est jamais complètement envahie par la zone de déplétion à l'état bloqué.

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----3 : Cellule élémentaire de 3 : Cellule élémentaire de 3 : Cellule élémentaire de 3 : Cellule élémentaire de type NPTtype NPTtype NPTtype NPT

La jonction J1

est réalisée de façon à réduire l'injection de trou du substrat P+

vers la

zone N_. La fraction de courant IC

due au courant d'électrons et empruntant les canaux est

donc très importante (jusqu'à 90%) et la charge stockée à évacuer par recombinaison, directement liée au courant de trous, est plus faible, entraînant une commutation au blocage plus rapide que pour l'IGBT de type PT. Le traînage dépend alors peu de la température et la valeur initiale du courant de queue (tail current) est plus faible. Par contre la chute de tension à l'état passant, principalement due à la partie MOSFET de l'IGBT, est plus importante. Dans ce cas l'IGBT est capable de tenir une tension inverse égale à la tension directe à l'état bloqué. Cette caractéristique peut s'avérer utile pour certaines applications. Cette structure élimine le risque de latch-up mais la rapidité de la commutation augmente la surtension au blocage.


84

PTPTPTPT NPTNPTNPTNPT Couche P coté collecteurCouche P coté collecteurCouche P coté collecteurCouche P coté collecteur Fortement dopée, forte

injection dans la couche N- Faiblement dopée

Zone de drain NZone de drain NZone de drain NZone de drain N---- Fine Moyennement épaisse Couche additionnelle NCouche additionnelle NCouche additionnelle NCouche additionnelle N Stoppe le champ électrique à

l’état bloqué Pas de couche N

Carrier lifetimeCarrier lifetimeCarrier lifetimeCarrier lifetime Méthodes pour accélérer la recombinaison

Durée de vie non optimisée

Tableau.Tableau.Tableau.Tableau.3333----1111 : : : : CCCComparaison entre la omparaison entre la omparaison entre la omparaison entre la structurestructurestructurestructure PT et NPTPT et NPTPT et NPTPT et NPT 3333.4.4.4.4----Commande des IGBTsCommande des IGBTsCommande des IGBTsCommande des IGBTs : [: [: [: [6]6]6]6] Pour la commande des transistors IGBTs on peut avoir trois stratégies de commande, une commande en tension, en courant et une commande mixte :

CCCCommande en tensionommande en tensionommande en tensionommande en tension :::: l'IGBT possède une commande en tension ; Il s'en suit que la puissance nécessaire pour le commander s'en trouve considérablement réduite elle consiste à faire commuter l’IGBT avec une source de tension commutable possédant deux états stables possibles, un niveau haut et un niveau bas. Elle est la plus présente dans le domaine pratique, par sa simplicité de réalisation et autres avantages techniques économiques car elle permet une commutation.

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----4 : 4 : 4 : 4 : PPPPuissance de commande en fonction de la fréquenceuissance de commande en fonction de la fréquenceuissance de commande en fonction de la fréquenceuissance de commande en fonction de la fréquence


85

La puissance de commande d'un bipolaire est sensiblement constante, quelle que soit la fréquence, alors que celle d'un IGBT croît avec celle-ci, puisque l'impédance d'entrée est essentiellement capacitive (environ 20 nF) avec un courant de fuite négligeable (500 nA max.).

Commande en courantCommande en courantCommande en courantCommande en courant :::: La commande en courant consiste à faire commuter l’IGBT avec une source de courant. La source doit pouvoir fournir un courant positif et négatif avec une tension aussi bien positive et négative (source quatre quadrants). Des écrêteurs de tension sont ajoutés en parallèle sur la grille d’IGBT pour limiter la tension Vge.

CommandeCommandeCommandeCommande mixtemixtemixtemixte Elle consiste à faire commuter le transistor IGBT avec deux sources, source de tension et source de courant simultanément .La source de courant est utilisée pendant le régime transitoire, quand le régime permanent est établis c’est la source de tension qui intervient .Les circuit utilisant l’une de ces méthodes qui font commuter le transistor sont appelés circuits driver.

PilotagePilotagePilotagePilotage :::: Le driver a pour rôle de piloter un module IGBT en fonction des ordres qu’il reçoit d’une commande globale. Le module IGBT peut être composé d’un bras d’onduleur avec diodes de roue libre ou bien d’un seul IGBT avec diode de roue libre. 3.53.53.53.5----LLLLes caractéristiques en commutationes caractéristiques en commutationes caractéristiques en commutationes caractéristiques en commutation :::: La supériorité de l'IGBT en vitesse de commutation est altérée par ses performances plus modestes si l'on examine le VCEsat. Les caractéristiques globales de l'IGBT restent sensiblement constantes en fonction du courant collecteur alors que celles du transistor bipolaire se dégradent de 75 à 100 % de son courant collecteur nominal. De plus, son temps de stockage élevé (jusqu'à 15 ms) conduit à une limitation sensible de sa fréquence de travail.

Commutation au blocageCommutation au blocageCommutation au blocageCommutation au blocage :::: [7][7][7][7] Les IGBT de type PT ont un comportement au blocage, fortement dépendant de la température (Figure 4-6) et présente un courant de queue nettement supérieure au type NPT. Une comparaison montre qu’un IGBT de type NPT dissipe 3 à 5 fois moins d'énergie qu'un IGBT de type PT lors de la commutation à l'ouverture.


86

Fig.3-6 : Commutation à l'ouverture d'un IGBT type PT On voit à la Figure 4-7 que la commutation est non seulement plus rapide que pour un IGBT de type PT mais aussi assez peu dépendante de la température.

Fig.3-7: Commutation à l'ouverture IGBT type NPT

3333.6.6.6.6----Tester unTester unTester unTester un IGBTIGBTIGBTIGBT : [12] [4] : [12] [4] : [12] [4] : [12] [4] On mesure les signaux de commande de PWM dans la carte de puissance (carte UHW241M1), puis on relie les sondes d'oscilloscope à travers la grille, ceci nous permis de visualiser les formes d'ondes .On répète l'essai avec chaque connecteur. La forme d'onde de l'IGBT devrait être suivant les indications de la figure (3.9), avec la tension négative -8V~-11V et la tension positive à +13.5V~+16.5V.


87

Fig.Fig.Fig.Fig.3333----9999 : Forme: Forme: Forme: Forme d'onde typique d'IGBTd'onde typique d'IGBTd'onde typique d'IGBTd'onde typique d'IGBT Même chose pour le thyristor SCR, on mesure le signal drive de thyristor, le résultat est représenté sur le schéma suivant :

FigFigFigFig.3.3.3.3----10101010 : Forme: Forme: Forme: Forme d'onde typique de thyristord'onde typique de thyristord'onde typique de thyristord'onde typique de thyristor

3333.6.6.6.6.1.1.1.1----Contrôle d'IGBTContrôle d'IGBTContrôle d'IGBTContrôle d'IGBT :::: Il y a 8 modules d'IGBT dans le système. Le tableau suivant détaille les IGBT utilisés dans le système ASI :


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Module IGBTModule IGBTModule IGBTModule IGBT FonctionFonctionFonctionFonction

3333 Redresseur

1111 Balance

1111 Chargeur batterie

3333 Mutateur

Tableau.3Tableau.3Tableau.3Tableau.3....2222 : N: N: N: Nombreombreombreombre d’IGBT dans l’ASId’IGBT dans l’ASId’IGBT dans l’ASId’IGBT dans l’ASI [1][1][1][1] L’IGBT utilisé est un IGBT de marque allemande SEMIKRON, il est sous forme de boitier duel pack (il contient deux IGBTs à l’interieur), le probleme qu’on rencontre le plus souvent est l’explosion de ce module, suite a une surtension .

FigFigFigFig....3333----11111111 : : : : Boitier Boitier Boitier Boitier IGBTIGBTIGBTIGBT

FigFigFigFig....3333----12121212 :::: CircuitCircuitCircuitCircuit interne de thyristorinterne de thyristorinterne de thyristorinterne de thyristor Pour tester l’IGBT avec un multimètre :

1-Il faut attendre deux minutes pour permettre aux condensateurs de bus DC de se décharger, ensuite on vérifie si la tension du bus est zéro avant l’étape suivante. 2. Vérification des impédances à travers les bornes d'IGBT en utilisant un multimètre réglé à la chaîne « diode », (Se référer au tableau.4.3 ci-dessous). 4. Remplacement d'IGBT si les valeurs indiquées sont différentes de celles montrées dans le tableau (4-3)

Le tableau suivant détaille les procédures d'essais pour examiner l’IGBT avec un multimètre. Les valeurs mesurées pendant l'essai d'IGBT duel-pack peuvent varier légèrement de celles énumérées dans le tableau suivant :


89

Action Borne (+) Borne(-) Indication(Ω) Interprétation Vérification d'IGBT1

Relier le multimètre à travers la jonction d'émetteur-collecteur

C2/E1 C1 OL IGBT éteint, aucun défaut de court-circuit.

Renverser le DVM à la position diode pour tester la diode interne

C2/E1 C1 0.356 La tension de diode est correcte

Relier le multimètre à travers la jonction émetteur collecteur : G1 E1

G1 E1 OL Une haute résistance indique que le dispositif est éteint

Vérification d'IGBT2 Relier le multimètre à travers la jonction d'émetteur-collecteur

C2/E1 E2 OL IGBT éteint, aucun défaut de court-circuit.

Renverser le DVM pour vérifier la diode interne

C2/E1 E2 0.356 La tension de la diode est normale

Relier le multimètre à travers le G2 E2

C2 E2 OL Une haute résistance indique que le dispositif est éteint

Tableau.3Tableau.3Tableau.3Tableau.3....3333 :::: LesLesLesLes résultats de testerésultats de testerésultats de testerésultats de teste d’IGBT avec un multimètred’IGBT avec un multimètred’IGBT avec un multimètred’IGBT avec un multimètre

3333.6.2.6.2.6.2.6.2----Contrôle de thyristorContrôle de thyristorContrôle de thyristorContrôle de thyristor : : : : En examinant un thyristor avec un multimètre, il faut déconnecter tous les raccordements avec le système. Les valeurs mesurées peuvent varier légèrement de celle montrées dans le tableau ci-dessous en raison de la caractéristique différente de chaque thyristor.

ActionActionActionAction Multimètre + filMultimètre + filMultimètre + filMultimètre + fil Multimètre filMultimètre filMultimètre filMultimètre fil---- Indication de Indication de Indication de Indication de

multimètremultimètremultimètremultimètre

InterprétationInterprétationInterprétationInterprétation

Examiner le thyristor pour le court-circuit

1 de l’SCR 2 de l’SCR OL Ouvert

1 de l’SCR 3 de l’SCR OL Ouvert

4 de l’SCR 5 de l’SCR 10~20

6 de l’SCR 7 de l’SCR 10~20

Tableau.3Tableau.3Tableau.3Tableau.3.4.4.4.4 : : : : RésultatsRésultatsRésultatsRésultats de teste d’un thyristor(SCR)de teste d’un thyristor(SCR)de teste d’un thyristor(SCR)de teste d’un thyristor(SCR)


90

FigFigFigFig....3333----12121212 ::::boitier thyristorboitier thyristorboitier thyristorboitier thyristor

FigFigFigFig....3333----13131313 : circuit: circuit: circuit: circuit interneinterneinterneinterne

ConclusionConclusionConclusionConclusion

L'IGBT apparaît actuellement le composant le plus intéressant par sa vitesse de commutation, la simplicité de sa commande et sa tenue aux surcharges. Dans les ASI de forte puissance dont le mutateur travaille entre 2 et 4 kHz, l'IGBT apporte surtout une simplification de la commande des transistors (gain en fiabilité) ; le rendement est équivalent à celui que procure les transistors bipolaires. Dans les ASI de moyenne puissance, installées souvent en salle informatique, le critère de bruit acoustique impose la suppression du transformateur 50 ou 60 Hz, et un mutateur fonctionnant à une fréquence de 16 kHz qui rend l'IGBT incontournable, tant par la diminution du nombre de composants nécessaires à sa commande que par le gain de poids et d'encombrement. L’IGBT s’avère donc comme le meilleur choix pour les ASI de moyenne et forte puissances. Dans les années à venir, il est amené à évoluer encore, avec en particulier l’intégration de plusieurs IGBT dans un seul boitier (six pack).


91


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Chapitre 4

Caractéristiques de la batterie au plomb

Chapitre 4____________________________________________ Caractéristiques d’une batterie au plomb

93

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction

La batterie joue un rôle principal dans la fiabilité et la disponibilité globales d'un

système d'ASI. Elle assure l'énergie exigée par la charge critique en cas d'un échec de

secteur, ou quand la tension et la fréquence d'entrée sont en dehors de l’intervalle de

valeurs acceptable. D'ailleurs, la batterie représente une part importante du coût total de

l'UPS, et donc le soin et la gestion de batterie sont d'importance primordiale quand un UPS

est conçu.

Une batterie d’accumulateurs est un générateur électrique qui utilise généralement

les propriétés électrochimiques d’un couple oxydant-réducteur. Les accumulateurs se

distinguent des piles classiques par leur aptitude à la recharge. Les transformations

chimiques, au cours de la charge et de la décharge d’un accumulateur sont presque

réversibles. C’est pourquoi celui-ci peut être chargé et déchargé un grand nombre de fois.

Malgré la concurrence de nombreux générateurs électrochimiques (générateurs alcalins

Lithium-ion, batteries au Ni/Cd, Ni/MH). La batterie utilisée dans notre application est du type

à accumulateur au plomb.

Tension: bleu Tension: bleu Tension: bleu Tension: bleu 40Ah Courant: rose40Ah Courant: rose40Ah Courant: rose40Ah Courant: rose

Fig. 5Fig. 5Fig. 5Fig. 5----1 Processus typique de charg1 Processus typique de charg1 Processus typique de charg1 Processus typique de charge et de déchargee et de déchargee et de déchargee et de décharge

FigFigFigFig....4444----1111 : : : : Processus typique de charge et de Processus typique de charge et de Processus typique de charge et de Processus typique de charge et de déchargedéchargedéchargedécharge [[[[1]1]1]1]


94

4.14.14.14.1---- Caractéristiques d’une batterieCaractéristiques d’une batterieCaractéristiques d’une batterieCaractéristiques d’une batterie ::::

3 informations sont généralement précisées sur l'étiquette de la batterie :

La tension nominale, La capacité, La puissance de démarrage.

aaaa----La tension nominale (12V)La tension nominale (12V)La tension nominale (12V)La tension nominale (12V) :::: Batteries de 12 volts décomposées en 6 éléments d'environ 2,2 volts auxquels

correspondent les 6 bouchons qui se trouvent sur le dessus.

bbbb----L'ampérageL'ampérageL'ampérageL'ampérage----heureheureheureheure ::::

Cette inscription "XX Ah" (Ampères heures) indique la capacité de la batterie à tenir la

charge dans le temps. C’est la quantité d'énergie que peut restituer la batterie bien chargée

à 20 °C pendant 1 heure. Par exemple, une batterie de 100 Ah peut fournir un courant de 5

ampères pendant 20 heures. Cette capacité n'est toutefois que théorique. En effet, après

une première décharge de forte intensité, la tension fournie par chaque élément diminue et

par conséquent, l'intensité du courant débité baisse.

On appelle capacité d’un accumulateur ou d’une pile, la quantité maximale d’électricité que

ce générateur peut fournir. Cette capacité est limitée par la consommation des électrodes

(généralement la négative) ou de l’électrolyte. Pour un accumulateur, cette capacité est

également limitée par les conditions de réversibilité des phénomènes électrochimiques.

Cette quantité est de la forme :

dt)t(iQT

0∫=

T : Durée de passage du courant en seconde

i : intensité en Ampères (constant)

Q : exprimé en Coulombs ou Ampère-heure (1Ah = 3600 C)

La capacité d'une batterie est variable suivant la manière dont elle a été chargée et

déchargée i.e. selon l'intensité du courant de charge ou de décharge. Plus une batterie est

chargée ou déchargée avec un courant faible, plus la capacité est importante.


95

On parle de C10 ou C100 selon que le courant de charge ou de décharge est égal au

1/10 ou au 1/100 de la capacité (I = C/10 ou I = C/100).

cccc----La puissance de démarrageLa puissance de démarrageLa puissance de démarrageLa puissance de démarrage ::::

C'est l'intensité (exprimée en ampères) que peut fournir une batterie de 12 volts à une température de -18 °C pendant 30 secondes sans que la tension ne tombe en dessous de 1,4 volts par élément. 4.24.24.24.2----L'électrolyteL'électrolyteL'électrolyteL'électrolyte : : : : [14][14][14][14] Selon le type de batterie, l'électrolyte est liquide, gélifié ou absorbé. Au sein de l'accumulateur au plomb, l'électrolyte joue un double rôle : il assure le transport d'électricité par conduction ionique et participe, en tant que réactif, aux réactions de charge et décharge. a) Électrolyte liquide ("libre")a) Électrolyte liquide ("libre")a) Électrolyte liquide ("libre")a) Électrolyte liquide ("libre") :::: L'électrolyte est une solution dont le solvant (composé en grande quantité) est de l'eau distillée, H2O, et le soluté (composé en petite quantité) est de l'acide sulfurique, H2SO4. La proportion du mélange définit la densité de l'électrolyte. Un électrolyte ayant 33% (en masse) de H2SO4 aura une densité de 1,25g.cm-3. À l'état liquide, la molécule d'eau se dissocie en ions H3O+ et OH-. L'ion H+ n'existe pas seul, il est toujours associé à une molécule H2O, pour former un H3O+. Dans l'eau, les molécules d'acide sulfurique se dissocient majoritairement en ions hydrogène H+ (qui deviennent H3O+) et en ions hydrogénosulfate (HSO4 -) (anion solvaté, entouré de molécules H2O). Dans une plus faible proportion, il existe aussi des ions sulfate(SO4)2-. b) Électrolyte gélifié ou absorbé ("immobilisé")b) Électrolyte gélifié ou absorbé ("immobilisé")b) Électrolyte gélifié ou absorbé ("immobilisé")b) Électrolyte gélifié ou absorbé ("immobilisé") :::: L'électrolyte gélifié est produit à partir d'une poudre de silice colloïdale, coagulée par réaction avec l'acide contenu dans l'électrolyte. Le gel ainsi formé permet d'immobiliser l'électrolyte à l'intérieur des bacs. L'électrolyte absorbé est un électrolyte liquide imbibant un séparateur fibreux placé entre les plaques de polarité différente. Mis à part le fait qu'ils soient immobilisés, ces électrolytes restent une solution aqueuse d'acide sulfurique. Le volume d'électrolyte et sa densité sont définis par les fabricants en fonction du type et de l'usage de la batterie. Ils résultent d'un compromis conciliant la capacité désirée, la durée de vie, l'intensité des courants à fournir, la tenue aux basses températures (la température agissant sur la viscosité et donc la conductivité de l'électrolyte).


96

4444----3333 : : : : Familles technologiques de la batterie au plombFamilles technologiques de la batterie au plombFamilles technologiques de la batterie au plombFamilles technologiques de la batterie au plomb :::: [14][14][14][14] 4444----3333----1. La batterie au plomb ouverte1. La batterie au plomb ouverte1. La batterie au plomb ouverte1. La batterie au plomb ouverte :::: Il s'agit de la technologie initiale, associée aujourd'hui par de nombreux utilisateurs à la batterie de démarrage des véhicules vu l'importance de ce marché, mais cette technologie s'emploie dans tous les domaines. En effet, la batterie au plomb ouverte est généralement considérée comme plus fiable et plus endurante que la batterie à recombinaison. Les paragraphes suivants traiteront de l'accumulateur ouvert. L'adjectif "ouvert" désigne le fait que les productions de gaz (dioxygène et dihydrogène) inhérentes à l'accumulateur s'échappent naturellement par les orifices prévus sur le bac. Le dégagement de dihydrogène dans le lieu de stockage des batteries est source de danger, car son mélange avec l'air ambiant est potentiellement explosif à partir de 4% en volume. Dans le cadre du stationnaire de secours, une installation en locaux spécifiques ventilés est obligatoire. Les batteries ouvertes produites aujourd'hui (constituées de grilles à fortes surtensions d'oxygène et d'hydrogène) sont souvent qualifiées de batteries "sans maintenance" ou "sans entretien". Ces appellations (plutôt trompeuses) ont été choisies car la consommation d'électrolyte est si faible que la réserve d'électrolyte d'origine est suffisante pour assurer le bon fonctionnement de la batterie pendant toute sa durée de vie.

RemarqueRemarqueRemarqueRemarque :::: Dans des conditions normales de température et de pression, l'oxygène se présente sous la forme d'un gaz diatomique: le dioxygène. 4.3.24.3.24.3.24.3.2----La batterie à recombinaison de gazLa batterie à recombinaison de gazLa batterie à recombinaison de gazLa batterie à recombinaison de gaz :::: La batterie à recombinaison des gaz est une forme évoluée de la batterie plomb/acide traditionnelle, de par son électrolyte gélifié, rendu solide grâce à une technologie spéciale. Les gaz (oxygène et hydrogène), qui se forment lors de la charge, ne peuvent s’échapper par les soupapes de sécurité. Ils sont transformés en eau (par recombinaison) à l’intérieur de la batterie. Ce n’est qu’en cas de forte surtension que les gaz peuvent s’échapper par les soupapes de sécurité. Ce type d'électrolyte offre plusieurs avantages : Il permet la formation de chemins gazeux facilitant le transfert rapide du dioxygène, qui suit alors un cycle interne : produit à l'électrode positive, sa diffusion vers l'électrode négative est optimisée (105 fois plus rapide qu'en électrolyte liquide) et il atteint l'électrode négative où il y est réduit.


97

Cette propriété se traduit par une très faible consommation en eau lors de surcharges de la batterie; avantage séduisant pour le domaine du stationnaire de secours. Il supprime quasiment le phénomène de stratification de l'électrolyte. Il autorise le placement des batteries dans des locaux quelconques, dans n'importe quelle position (souvent horizontale, ce qui facilite l'accès aux bornes). 4.44.44.44.4---- Principe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb ouvertPrincipe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb ouvertPrincipe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb ouvertPrincipe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb ouvert :::: Considérons un élément de technologie "plomb ouvert". À ses bornes, apparaît une f.e.m. d'environ 2,1V : l'électrode en dioxyde de plomb (PbO2) correspond au pôle positif et celle en plomb (Pb) au pôle négatif. 4.4.14.4.14.4.14.4.1----Oxydation/réduction aux électrodesOxydation/réduction aux électrodesOxydation/réduction aux électrodesOxydation/réduction aux électrodes : double sulfatation [14]: double sulfatation [14]: double sulfatation [14]: double sulfatation [14] :::: Système électrochimique réversible transformant l'énergie chimique en énergie électrique, l'accumulateur est le siège de réactions d'oxydoréduction (transferts d'électrons) qui se produisent à l'interface des électrodes avec l'électrolyte :

(1)

• • • • L'électrode positive a un comportement de cathode en décharge car le PbO2 est réduit en PbSO4, et devient anode en charge puisque le PbSO4 s'oxyde en PbO2:

(2)(2)(2)(2) • • • • L'électrode négative est anode en décharge (oxydation du Pb en PbSO4) et cathode en charge:

(3)(3)(3)(3)

4.4.24.4.24.4.24.4.2----Principales réactions en charge/décharge [14]Principales réactions en charge/décharge [14]Principales réactions en charge/décharge [14]Principales réactions en charge/décharge [14] :::: Bien que les phénomènes électrochimiques mis en jeu pendant la charge et la décharge soient complexes et imparfaitement connus, certaines réactions prédominent et peuvent être décrites. En plus de l'évolution des matériaux actifs (équations (2) et (3)), une autre réaction (dite secondaire) se produit en permanence au sein de l'accumulateur :


98

l'électrolyse de l'eau. Les principaux phénomènes en charge et en décharge aux deux électrodes sont donc : A la décharge, les deux polarités se sulfatent, l'électrolyte est consommé (les ions SO42-vont sur les électrodes). L'oxygène libéré par l'électrode positive s'unit aux ions H+ en solution pour former de l'eau. Si la décharge est totale, l'électrolyte ne sera plus composé que d'eau distillée. A la recharge, les deux polarités se désulfatent, l'électrolyte est regénéré (mise en solution d'ions SO42-). La plaque positive est peroxydée (formation de PbO2) et des ions sont libérés (augmentation de la concentration H+ de l'électrolyte).

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----2222 :::: recharge et décharge d’une batterierecharge et décharge d’une batterierecharge et décharge d’une batterierecharge et décharge d’une batterie

....À l'électrode positive on rappel la réaction de la matière active positive :

• Production permanente de dioxygène (gaz) :

À l'électrode négative la réaction de la matière active négative :


99

• Production permanente de dihydrogène9 (gaz) :

Au bilan, l'électrolyse de l'eau d'un élément s'écrit :

L'électrolyte immobilisé est la clef du processus de recombinaison, dont le rendement est élevé. Toutefois, 2 à 3% des gaz produits ne sont pas recombinés, et pour se prévenir de tout risque de surpression, une soupape d'aération régulée par pression est nécessaire. C'est pourquoi les batteries à recombinaison de gaz sont appelées aussi batteries VRLA

(pour Valve-Regulated Lead-Acid) et parfois improprement batteries étanches. Cette

technologie est par construction "sans maintenance", donc cette précision n'est jamais

mentionnée, contrairement aux batteries ouvertes où ce qualificatif est employé lorsque la

consommation d'eau est amoindrie en surcharge.

4.54.54.54.5----ChargeChargeChargeCharge :::: [4] [4] [4] [4] [15][15][15][15]

On charge une batterie au plomb en lui appliquant un courant continu d'une valeur

quelconque (sous réserve de limites technologiques liées à la batterie elle-même ou à ses

connexions), pourvu qu'elle n'entraîne pas aux bornes de la batterie l'apparition d'une

tension supérieure à 2,35-2,40 V/élément (valeur à 25 °C).

L’UPS est doté d’un système de recharge batterie conçu pour prolonger la durée de vie des batteries. Le temps de recharge pour les batteries internes de l’UPS est de cinq (5) heures maximum (à pleine charge) pour une capacité de charge de 95%. Une protection contre les surtensions permet de couper automatiquement l’UPS et de transférer la charge critique sur by-pass lorsque la tension dépasse les limites préfixées. La méthode de charge la plus courante pour les batteries VRLA utilisées en cyclage est la caractéristique en trois étapes, dans laquelle une phase à courant constant (phase "Bulk" ou charge rapide) est suivie par deux phases à tension constante ("Absorption" ou égalisation et "Float" ou maintien).


100

Fig.4Fig.4Fig.4Fig.4----3333 :::: rechargerechargerechargerecharge batterie en 3 étapesbatterie en 3 étapesbatterie en 3 étapesbatterie en 3 étapes

Les trois étapes de la recharge batterie sont les suivantes : [15[15[15[15]]]] aaaa---- Charge rapideCharge rapideCharge rapideCharge rapide :::: Pour recharger plus rapidement les batteries, on doit charger à tension constante de 2.35V à 2.45V +/- 1% par élément. (Selon précautions particulières).

NoteNoteNoteNote :::: La charge rapide est augmentation de la tension de fonctionnement après décharge de la batterie (consécutive à une coupure du réseau) permettant de la recharger rapidement. bbbb---- Charge d'égalisationCharge d'égalisationCharge d'égalisationCharge d'égalisation Une charge d'égalisation a pour objet de charger pleinement chaque accumulateur afin d'éviter des déséquilibres entre les différents accumulateurs qui composent les batteries. Elle consiste à charger les batteries avec un faible courant, mais sous une tension supérieure à la tension appliquée en fin de charge cccc---- Charge en floatingCharge en floatingCharge en floatingCharge en floating Pour recharger et maintenir correctement la charge des batteries, nous préconisons la charge à tension constante à 2.26V +/-1% par élément (à 20°C).A cette tension, aucune limitation du courant de charge n’est nécessaire, les batteries limiteront, en début de charge, la pointe de courant (<3 x C10*max).Le courant d’ondulation doit être limité à 0.05C10*. A noter que pour les montages en série des batteries, une dispersion des tensions de floating de chaque monobloc, due à la recombinaison des gaz, peut être observée. Cette dispersion peut être de +6% / -3% en début de vie et +/- 2% après 6 mois d’utilisation. * : C10 représente la capacité de la batterie en 10h (tension d’arrêt =1.8V/élé.), Le choix du floating dans la totalité des alimentations de secours s'explique en grande partie par sa simplicité : entre le réseau et la charge, un redresseur est nécessaire, et pour un maintien en floating, il suffit juste de connecter les batteries sur la sortie du redresseur.


101

4.4.4.4.6666----DéchargeDéchargeDéchargeDécharge : Une batterie est dite en décharge lorsqu'elle délivre un courant au circuit extérieur.

Quand un élément se décharge, il se forme du sulfate de plomb sur les plaques positives et

négatives, par incorporation d’acide en provenance de la solution électrolytique. La quantité

d’électrolyte dans les éléments reste pratiquement identique. Cependant, l’acidité de

l’électrolyte diminue, ce qui est perceptible au changement de la densité.

4.6.4.6.4.6.4.6.1111----TensionTensionTensionTension d'EODd'EODd'EODd'EOD :::: [[[[4444]]]]

Si la tension de batterie est inférieure à celle de fin de décharge ‘’EOD’’ (end of

discharge en anglais), le convertisseur de batterie va s’arrêter. L’EOD peut être réglée de 1V

à 1,9 V par cellule VRLA (ou de 1,0 à 1,3 V par cellule NiCd).

Fig.4Fig.4Fig.4Fig.4----4444 :::: TensionTensionTensionTension d'EODd'EODd'EODd'EOD

RRRRemarqueemarqueemarqueemarque ::::

Usuellement le rendement de charge est inférieur au rendement de décharge. Lorsque l’onduleur est en mode batterie, et que la tension batterie atteint le seuil de fin de décharge (EOD) , le mutateur s’arrêtera.


102

4.6.24.6.24.6.24.6.2----Tension d’arrêt / décharge profondeTension d’arrêt / décharge profondeTension d’arrêt / décharge profondeTension d’arrêt / décharge profonde :::: [15][15][15][15] La figure 4-5 montre l’évolution de la tension batterie en fonction des régimes et du temps de décharge (autonomie). La ligne en pointillé indique la tension minimale recommandée en décharge.

Fig. 4Fig. 4Fig. 4Fig. 4----5555 :::: caractéristiquescaractéristiquescaractéristiquescaractéristiques de déchargede déchargede déchargede décharge

La décharge profonde est la valeur qu’une batterie ne doit jamais atteindre, sans quoi il se produit une détérioration irrémédiable qui entraîne une dégradation importante de ses performances. Pour éviter toute décharge profonde et dégradation des batteries par sulfatation des plaques, il ne faut pas descendre en dessous de cette tension d’arrêt. Si accidentellement les batteries sont déchargées en dessous de cette limite, il faut les recharger dans les plus brefs délais.

4.6.34.6.34.6.34.6.3----L'autodéchargeL'autodéchargeL'autodéchargeL'autodécharge ::::

Une batterie se décharge même sans être utilisée. Pour un stockage sans utilisation

à une température de 20°C la perte de capacité peut atteindre 6% par mois pour des

batteries de mauvaise qualité (1% pour certaines batteries AGM). Plus la température sera

basse moins cette perte sera importante.


103

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----6666 :::: AutodéchargeAutodéchargeAutodéchargeAutodécharge Le taux d’autodécharge des batteries est d’environ 3% par mois pour un stockage à 20°C. Le taux d’autodécharge augmente avec la température .on doit stocker des batteries dans un endroit frais et sec. Pour éviter toute dégradation de la batterie, ou difficulté à recharger la batterie, le temps de stockage doit être limité.

4.6.44.6.44.6.44.6.4----Tension aux bornes de la batterieTension aux bornes de la batterieTension aux bornes de la batterieTension aux bornes de la batterie : [: [: [: [17]17]17]17]

La détermination de l’état de charge de la batterie pose le problème de la

connaissance de la capacité maximum réelle disponible en fonction des conditions réelles

d’utilisation. On peut retenir en première approximation que les conditions de décharge et la

température sont les facteurs principaux qui influent sur la capacité réelle. L’influence des

conditions de décharge sur la capacité réelle de la batterie a été mise en œuvre dès 1897

par W. Peukert pour le cas des batteries au plomb. La relation qu’il proposa lie un courant

constant de décharge au temps de décharge. Cette relation a été reprise par un grand

nombre de logiciels et adaptée à d’autres couples électrochimiques, les coefficients étant

déterminés à partir de calculs par régression effectués sur des résultats de bancs d’essais.

La détermination de la tension de batterie fait intervenir un terme représentant les conditions

statiques, liées à la profondeur de décharge et la température, et un autre pour les

conditions dynamiques, lié au courant.


104

Mayer propose pour des éléments au plomb, une relation qui fait intervenir le potentiel du

couple plomb acide, une décroissance de la tension avec la décharge ainsi que l’influence

de la résistance interne, soit l’expression suivante :

Avec : ke, le coefficient de tension (en V), positif en décharge et négatif en charge. E0, le potentiel du couple plomb acide (en V).

Bumby, qui utilise la tension à vide et calcule une résistance de polarisation en fonction de la

profondeur de décharge, soit :

Avec u0, la tension à vide, Rp, la résistance de polarisation et Rb la résistance interne de la batterie (en Ω) Le modèle de batterie implanté dans les programmes de simulations numériques s’inspire du modèle des batteries Ford.

Soit U la tension aux bornes de la batterie.

-E0 : est la tension à vide de la batterie chargée.

-K : est une constante qui dépend de la batterie.

-Rb : est la résistance interne de la batterie.

-Ib : est le courant de décharge (Ib>0).

-∫Ib dt /Q0 : indique l’état de décharge de la batterie.

-Q0 : est la capacité de la batterie en (Ah).


105

FigFigFigFig....4444----7 : 7 : 7 : 7 : Modèle électrique de la Modèle électrique de la Modèle électrique de la Modèle électrique de la batteriebatteriebatteriebatterie

4.64.64.64.6....5555----Effet du régime de décharge sur la capacitéEffet du régime de décharge sur la capacitéEffet du régime de décharge sur la capacitéEffet du régime de décharge sur la capacité :::: [2][2][2][2] La capacité disponible d’une batterie dépend du courant de décharge. Plus la décharge est rapide, moins il y aura de capacité disponible. En 1897, le scientifique Peukert, a découvert que la relation entre le courant de décharge I et le temps de décharge T (de charge totale à la décharge totale) peut être décrite ainsi: Cp = In x T Où Cp est une constante (la ‘capacité Peukert’) et où «n» est appelé l’exposant de Peukert. L’exposant de Peukert est toujours supérieur à 1. Plus «n» est grand, plus la prestation de la batterie sera mauvaise en cas de courant de décharge élevé. L’exposant de Peukert peut être calculé comme suit, en fonction de mesures effectuées sur la batterie ou en fonction des tableaux ou graphiques de décharge du fabriquant. Quand on détermine ou quand on mesure le temps de décharge T1 et T2 pour deux courants de décharge différents, I1 et I2, alors:

Et donc : n = log (T2 / T1) / log (I1 / I2) L’augmentation du courant de décharge d’une batterie de 200 Ah de 200 / 20 = 10 A à 200 / 1 = 200 A peut diminuer la capacité disponible de 50%.

4.74.74.74.7----Courbes batteriesCourbes batteriesCourbes batteriesCourbes batteries : [1]: [1]: [1]: [1]

(1) Courbe de décharge théorique (Tpb)

(2) Courbes de pré-alarme 3min et 6 min


106

(3) Quelques points de données

(4)Quelques coefficients

Fig.4Fig.4Fig.4Fig.4----8888 :::: ExempleExempleExempleExemple courbes de précourbes de précourbes de précourbes de pré----alarme 3min et 6minalarme 3min et 6minalarme 3min et 6minalarme 3min et 6min

Pour les batteries au plomb ouvert (VRLA), une courbe de décharge personnifiée

peut être faite à partir des caractéristiques techniques de la batterie données par le

constructeur.ou grâce à un fichier de calcul empirique. Une courbe personnifiée augmentera

la précision du calcul de l’autonomie prévisionnelle et permettra une meilleure protection de

la charge.

Tableau.4.1Tableau.4.1Tableau.4.1Tableau.4.1 : C: C: C: Caractéristiques de la constante de déchargearactéristiques de la constante de déchargearactéristiques de la constante de déchargearactéristiques de la constante de décharge

Tension basse batterie

1,61,71,81,92

0,833

1,496

2,457

3,739

5,362

W /AH

Tension

U P 3

U P6


107

Fig. 4Fig. 4Fig. 4Fig. 4----9999 :::: Caractéristiques techniques et courbe pour batterie type CSB 26AhCaractéristiques techniques et courbe pour batterie type CSB 26AhCaractéristiques techniques et courbe pour batterie type CSB 26AhCaractéristiques techniques et courbe pour batterie type CSB 26Ah

Afin de créer une courbe de décharge sans les caractéristiques techniques données

par le constructeur, il est possible de retrouver la puissance de décharge en replaçant le

coefficient “C” dans la première ligne, par la capacité réelle de la batterie.

Fig. 4Fig. 4Fig. 4Fig. 4----10101010 :::: CréationCréationCréationCréation d’une courbe batteried’une courbe batteried’une courbe batteried’une courbe batterie

Il existe deux types de courbe de batterie, courbe général et spécifique.

4.7.14.7.14.7.14.7.1----Courbe générale (recommandée)Courbe générale (recommandée)Courbe générale (recommandée)Courbe générale (recommandée) ::::

Entreposé (stocké) dans le panneau U2 (moniteur), elle est appliquée aux deux types

de batteries VRLA et NiCd (Nickel-Cadmium). Elle peut être choisie par Paramset. On doit

placer d’abord le type de batterie : 1 pour VRLA et 4 pour NiCd, ensuite la Capacité entrée

de batterie (l’unité doit être en AH).


108

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----11111111 :::: CourbeCourbeCourbeCourbe générale de batteriegénérale de batteriegénérale de batteriegénérale de batterie

4444.7.2.7.2.7.2.7.2----Courbe spécifiqueCourbe spécifiqueCourbe spécifiqueCourbe spécifique ::::

Réservé à certaine batterie spéciale, aussi elle est compatible aux vieux fichiers de

courbe. Habituellement il est seulement utilisé dans la version de moniteur V210 et. A partir

de la V220, ce type de courbe n’est pas préférable.

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----12121212 :::: CourbeCourbeCourbeCourbe spécifique de batteriespécifique de batteriespécifique de batteriespécifique de batterie


109

NoteNoteNoteNote ::::

Le format de VRLA pourrait être identifié si la quatrième ligne du fichier courbe est

« 0.833 1.111 1.496 1.773 2.457 3.333 3.739 4.38 5.362 ».

Le format du taux élevé VRLA pourrait être identifié si la quatrième ligne du fichier

courbe est « 0.20825 0.27775 0.374 0.44325 0.61425 0.83325 0.93475

1.095 1.3405 ».

4.84.84.84.8----Problèmes lie aux batteriesProblèmes lie aux batteriesProblèmes lie aux batteriesProblèmes lie aux batteries ::::

Selon la construction et l’utilisation, la durée de vie de la batterie peut varier de quelques années à 10 ans et même plus.Voici les raisons les plus importantes du vieillissement des batteries :

a- Perte de massePerte de massePerte de massePerte de masse : Un « cyclage » intensif (Le cyclage est le fait de réaliser des cycles successifs charge / décharge) est la principale cause de perte de masse. L’effet de la transformation chimique répétitive de la masse active dans les plaques a tendance à diminuer la cohésion ; la matière active se détache alors des plaques et tombe au fond de la batterie. La durée de vie des batteries dépend directement du nombre de cycles effectués. Ce même nombre possible de cycles effectués dépend directement de la profondeur de décharge qui sera appliquée. Suivant les fabricants, les valeurs sont extrêmement différentes. Une moyenne a été réalisée pour exprimer la forme de la courbe et des valeurs pondérées.

Fig.4Fig.4Fig.4Fig.4----13131313 :::: CyclageCyclageCyclageCyclage


110

b-CorrosionCorrosionCorrosionCorrosion dededede la grille de la plaque positivela grille de la plaque positivela grille de la plaque positivela grille de la plaque positive ::::

Cela arrive lors de la charge de la batterie, surtout à la fin du cycle de charge quand

la tension de la batterie est élevée. C’est un processus lent, mais continu, durant la charge

d’entretien de la batterie. La corrosion fait que la résistance interne augmente et aura pour

résultat final la décomposition des plaques positives.

cccc----SulfatationSulfatationSulfatationSulfatation : Contrairement au deux processus de vieillissement mentionnés ci-dessus, la sulfatation peut être évitée. Quand une batterie se décharge, la masse active est transformée en de tous petits cristaux de sulfate de plomb aussi bien dans les plaques positives que dans les négatives. Si la batterie n’est pas rechargée rapidement, ces cristaux ont tendance à croître et à se durcir pour former une couche impénétrable qui ne peut être retransformée en matière active. Le résultat est une perte de capacité progressive, jusqu’à ce que la batterie soit devenue inutilisable Il faut savoir qu’une batterie souffre de la décharge, principale cause de la sulfatation

Création d'une couche isolante en surface des électrodes qui empêche la recharge Perte de molécules de l'électrolyte (acide sulfurique) qui devient progressivement

inefficace. La première règle à respecter est donc de ne pas laisser la batterie déchargée pendant une

longue période.

Pour pallier ce phénomène de sulfatation, il est nécessaire de désagréger les cristaux en

appliquant une surtension pendant environ deux heures après une charge complète (charge

d'égalisation).Si la batterie est utilisée normalement (pas de poudre blanche au niveau des

cosses) il est conseillé de réaliser cette charge d'égalisation une fois par an avant

l'hivernage.

Pour réaliser cette charge, appelée aussi charge d'égalisation (elle sert aussi à

homogéneiser l'electrolyte pour les batteries liquides), il faut appliquer une tension comprise

entre 15 et 16 Volts avec un courant maximum égal à 5% de la capacité de la batterie.

Lorsque l'on réalise cette charge d'égalisation il est important d'isoler la batterie pour éviter

de détériorer les instruments sensibles aux surtensions.


111

Les batteries gel et AGM étant moins sujettes à la sulfatation, il n'est pas nécessaire

d'appliquer cette charge d'égalisation.

dddd----La perte de gazLa perte de gazLa perte de gazLa perte de gaz ::::

C’est un phénomène important pour la batterie car elle correspond à l’échappement

d’hydrogène et d’oxygène (donc à une perte d’eau). Cette perte est expliquée par les

variations du rapport entre l’oxygène et l’hydrogène au sein de la batterie durant la charge.

La présence de ces gaz conduit à une surpression du bac étanche et le risque d’explosion

est éliminé par évacuation du surplus par la valve

4444.9.9.9.9----FFFFacteurs acteurs acteurs acteurs qui qui qui qui affectent la durée de vie de la batterieaffectent la durée de vie de la batterieaffectent la durée de vie de la batterieaffectent la durée de vie de la batterie :::: [[[[20]20]20]20]

Les deux facteurs avec l'impact principal sur la vie de batterie sont la température et

le nombre de cycles batterie décharge-recharge. L'expectative de durée de vie de la batterie

diminuera nettement avec l'augmentation de la température ambiante.

Le graphique ci-dessous montre que la capacité diminue fortement à basse température

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----14141414 :::: EffetsEffetsEffetsEffets de la température sur la capacitéde la température sur la capacitéde la température sur la capacitéde la température sur la capacité

A noter que la durée de vie des batteries est directement affectée par : • La température ambiante.La durée de vie des batteries est divisée par 2 pour chaque tranche de 10°C au dessus de 20°C. A noter que le fait de compenser la tension de floating en fonction de la température réduit les pertes de durée de vie de 20%.


112

La capacité des batteries évolue en fonction de la température, le tableau ci-dessous indique le coefficient de correction de la capacité (à 20°C) en fonction de la température et des autonomies de décharge. En tenir compte pour votre détermination en puissance ou en courant. Ex : La capacité à 5°C pour 38 mn d’autonomie = capacité à 20°C x 0,83 (idem pour courant et puissance).

Tableau.4.1Tableau.4.1Tableau.4.1Tableau.4.1----Compensation de la charge batterie en fonction de la températureCompensation de la charge batterie en fonction de la températureCompensation de la charge batterie en fonction de la températureCompensation de la charge batterie en fonction de la température Liebert NXa permet à l’utilisateur d’utiliser des capteurs de température en option (à relier à la batterie) pour surveiller la température de la batterie et ainsi contrôler la tension de charge de celle-ci. Ce système nous aide à protéger notre investissement en batterie. Pour les modèles ASI 30 et 40 KVA, avec batteries internes, cette fonction est prévue en standard. 4.104.104.104.10----Compensation de températureCompensation de températureCompensation de températureCompensation de température :::: [15][15][15][15] Afin d’optimiser la durée de vie des batteries, il faut éviter toute surcharge à température élevée (risque d’emballement thermique) ou sous-charge à basse température. Pour les applications floating, il est conseillé de compenser la tension décharge de

floating à (–3mV/°C) pour les températures supérieures à 25°C et (+3mV/°C) pour les

températures inférieures à 15°C (point central 2.26V/élé. à 20°C).A partir de 45°C il est

préférable de stopper la charge.

A noter que la sonde de température doit être installée au plus près des batteries

(nous consulter). Si la température batteries est constante (en intérieure par exemple) et que

le chargeur n’est pas compensé, ajuster la tension de floating en fonction de la température

batteries.

*Pour les applications en cyclage, il est conseillé de compenser la tension de charge

à -4mV/°C pour les températures supérieures à 25°C et +4mV/°C pour les températures

inférieures à 15°C (point central 2.45V/élé. à 20°C).


113

4.4.4.4.11111111-Gestion intelligente de la batterieGestion intelligente de la batterieGestion intelligente de la batterieGestion intelligente de la batterie : [20]: [20]: [20]: [20]

L’ASI est compatible avec tous les modèles de batteries. Compatibilité du chargeur

avec tous les types de batteries (VRLA, Nickel Cadmium & batteries au plomb ouvert), elle a

été conçue spécialement pour protéger la durée de vie de la batterie en limitant le courant

résiduel (ondulation résiduelle) en courant continu (CC) à moins de 5%. Par ailleurs, la

tension (ondulation) résiduelle CC est inférieure à 1%.

Les buts de gestion d'un système batterie sont de protéger la batterie contre les

(impacts) incidences négatives, telles que la température élevée, et d’éviter de raccourcir la

durée de vie de la batterie. Si ces buts sont atteints, l'utilisateur sera requis de remplacer des

batteries moins souvent, par les avantages financiers et environnementaux. La batterie

protégée et contrôlée est une batterie saine, et par conséquent elle augmente la

disponibilité globale du système d'UPS.

Il est important de noter que dans une ASI, la conception du circuit DC est décisive

en ce qui concerne la vie de batterie. On compare la technologie traditionnelle de circuit DC

à la technologie avancée de FBM (gestion flexible de batterie Flexible Battery Management)

trouvée dans l’ASI. Dans le FBM , l'introduction des thyristors protège la batterie en bloquant

tous les impacts négatifs (ondulation AC et perturbations non désirées) qui sont produits par

le redresseur/chargeur et/ou mutateur et atteignent traditionnellement la batterie.

(a) (a) (a) (a) (b)(b)(b)(b)

Fig.Fig.Fig.Fig.4444----15151515 :::: ((((a)a)a)a)TechnologieTechnologieTechnologieTechnologie traditionnelletraditionnelletraditionnelletraditionnelle, (b) , (b) , (b) , (b) technologietechnologietechnologietechnologie FBMFBMFBMFBM


114

4.11.14.11.14.11.14.11.1----Chargement de batterie sans les ondulations ACChargement de batterie sans les ondulations ACChargement de batterie sans les ondulations ACChargement de batterie sans les ondulations AC ::::

Ondulation CA (alternative) produite par le redresseur/chargeur et/ou mutateur est la

cause principale de l'augmentation de la température interne de batterie et de la détérioration

des pôles. La plupart des systèmes d'UPS possèdent des circuits D.C. qui sont riches en

ondulation AC. Les circuits de protection à thyristor fournissent le chargement de batterie

sans les ondulations, en réduisant la température et la protection internes de batterie. En

outre, un algorithme optimise la tension de charge de batterie à la température ambiante.

Les deux dispositifs aident à prolonger la durée de vie de la batterie.

(a) (b)

Fig. 4Fig. 4Fig. 4Fig. 4----16161616 ::::(a) chargeur traditionnels de batterie riche d’ondulations AC ; (b) sans (a) chargeur traditionnels de batterie riche d’ondulations AC ; (b) sans (a) chargeur traditionnels de batterie riche d’ondulations AC ; (b) sans (a) chargeur traditionnels de batterie riche d’ondulations AC ; (b) sans

ondulationsondulationsondulationsondulations

4.11.24.11.24.11.24.11.2----Réduction du nombre de cycles de déchargeRéduction du nombre de cycles de déchargeRéduction du nombre de cycles de déchargeRéduction du nombre de cycles de décharge

Les cycles de décharge fréquents et les courants élevés de décharge font

détériorer les pôles de batterie. Beaucoup de batteries utilisées dans des applications d'UPS

tolèrent un nombre relativement peu élevé de décharges .Afin de réduire le nombre de

décharges de batterie, les UPS fournissent un grand choix de tension d'entrée (- 23%/+15%

à 100%, charge de -40%/+15% à 60%) et un grand choix de fréquence (40 à 77Hz).

Dans l'UPS traditionnel où la conception du redresseur/chargeur et le mutateur

sont directement liés à la batterie, des cycles de décharge se produisent en cas des sauts de

charge a la sortie de l'UPS.


115

Ces sauts de charge causent un déclin la de tension de bus C.C (DC- link

voltage), et la batterie sera déchargée. Quoique le temps de décharge soit en général

seulement de150 msec, les courants de décharge élevés (fig .a) causeront les réactions

chimiques qui dégraderont encore les poles de batterie. Les thyristors séparent le chargeur

de batterie de la batterie, et empêchent un déclin de tension de C.C-lien, ou la décharge de

batterie, en cas des sauts de charge (fig. b).

(a) (b)

Fig.5-16 :(a)Traditionnellement, la décharge de batterie se produit quand un saut de charge se

produit ; (b) sans le lien direct entre le chargeur de batterie et la batterie, aucune décharge ne se

produit

Conclusion Conclusion Conclusion Conclusion

La batterie est un produit mystérieux. De l’extérieur, on ne peut rien savoir sur la qualité, le vieillissement éventuel ou l’état de charge. Il n’est même pas possible de la démonter pour évaluer le vieillissement interne. Ouvrir en la sciant serait possible, mais la batterie serait alors définitivement inutilisable ; seulement des spécialistes peuvent en analyser le contenu pour éventuellement connaître la cause du problème. L’objectif de ce chapitre est d’expliquer pourquoi les batteries vieillissent parfois trop rapidement et ce que l’on peut faire pour leur donner une durée de vie plus longue.


116

Chapitre 5

(Partie pratique)

Installation d’une alimentation sans interruption

Chapitre 5(partie pratique) ______________________________________________ Installation d’une ASI

117

IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction La plupart des ASI sont conçues à la base pour des installations monophasées ou triphasées avec un neutre raccordé à la terre. Des transformateurs d’isolement sont généralement disponibles en option pour permettre la conversion de ces autres installations en un fonctionnement avec neutre à la terre. Dans certains cas, il sera demandé de prévoir des dispositifs additionnels de protection ou de coupure/sectionnement dans l’installation. Avec des protections par disjoncteur, une temporisation doit être prévue pour éviter les déclenchements intempestifs dans les cas suivants : a) courants d’appel de l’ASI. À sa mise sous tension, une ASI peut absorber, sur le réseau pendant une période, un courant d’appel jusqu’à 8 fois son courant normal à pleine charge. Ceci peut aussi se produire si l’alimentation de la charge de l’ASI est transférée dans un mode de fonctionnement sur bypass, b) courant de fuite à la terre due à la présence de filtres de CEM. Lors de la mise sous tension, les courants instantanés circulant dans les câbles d’alimentation peuvent ne pas s’équilibrer occasionnant un courant à la terre qui provoque le déclenchement de dispositifs différentiels. Selon la technologie de l’ASI, la protection contre les surcharges peut être assurée par des circuits internes de limitation. Une exigence de sécurité impose que, lorsque la tension de sortie tombe en dessous de 50 % de sa tension nominale, l’ASI s’arrête dans un maximum de 5.0 secondes. 5.15.15.15.1-Mode d’installationMode d’installationMode d’installationMode d’installation :::: Plusieurs UPS sont configures dans un système pour permettre une augmentation de la capacité de charge et/ou pour améliorer la fiabilité. Il existe plusieurs configurations avec plusieurs UPS. Ces configurations présentent un même inconvénient : toutes comprennent des composants cruciaux qui ne sont pas redondants.

Système parallèle avec commutateur de transfert automatique(CTA): Le système parallèle avec un Commutateur de Transfert Automatique (CTA) comprend un ou plusieurs modules UPS avec des sorties connectées par un commutateur qui détecte une chute de tension et transfère la charge vers un ou plusieurs autres modules.


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Fig.5.1Fig.5.1Fig.5.1Fig.5.1 : : : : Installation en mode parallèle de deux unitésInstallation en mode parallèle de deux unitésInstallation en mode parallèle de deux unitésInstallation en mode parallèle de deux unités

Système parallèle avec coffret de mise en parallèle :

La configuration avec coffret de mise en parallèle utilise un ensemble externe d’éléments électroniques centralises pour repartir la charge entre les modules UPS du système.

Fig.5.2Fig.5.2Fig.5.2Fig.5.2 : Installation : Installation : Installation : Installation parallèle avec coffret de mise en parallèleparallèle avec coffret de mise en parallèleparallèle avec coffret de mise en parallèleparallèle avec coffret de mise en parallèle

Système parallèle en cascade “Hot Standby” :

Le système en cascade ou le système isole redondant utilise le commutateur statique du by-pass de l’UPS principal pour relier la sortie d’un UPS secondaire (de réserve) a la charge.

Fig.5.3Fig.5.3Fig.5.3Fig.5.3 : Installation en mode hot stand by: Installation en mode hot stand by: Installation en mode hot stand by: Installation en mode hot stand by


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Système parallèle avec logique centralisée :::: Le système parallèle avec logique centralisée est globalement identique a la configuration avec coffret de mise en parallèle, a ceci prés, que les UPS utilisent l’électronique de contrôle d’un module UPS “directeur” pour contrôler la répartition de la charge entre les autres modules du système.

Fig.5.4Fig.5.4Fig.5.4Fig.5.4 : Installation de six unités: Installation de six unités: Installation de six unités: Installation de six unités

5.5.5.5.1.11.11.11.1----Groupes de secoures : Les groupes électrogènes de secours peuvent suppléer l’alimentation réseau. Spécifier au fournisseur du groupe que la charge sera vraisemblablement un équipement électronique pour s’assurer que la régulation du groupe peut supporter des charges non-linéaires et se synchroniser avec des tensions comportant une distorsion harmonique. Le dimensionnement du groupe électrogène de secours dépend de plusieurs facteurs. Outre la puissance nominale, le taux d’harmoniques du courant absorbé par l’ASI est un des paramètres les plus importants à prendre en compte lors du choix d’un groupe. Plus le taux d’harmoniques est élevé, plus le risque d’une forte distorsion harmonique de la tension est élevé. L’expérience suggère de maintenir le niveau de distorsion harmonique en dessous de 8 % pour éviter des dysfonctionnements, un déclassement et un vieillissement anormal des équipements raccordés. Les courants harmoniques sont souvent générés par l’étage d’entrée (redresseur) de l’ASI s’il n’a pas fait l’objet de précautions ou d’un choix particulier. Les courants harmoniques deviennent une préoccupation majeure avec un système de moyenne ou de forte puissance ou en cas de concentration de nombreux systèmes plus petits. La distorsion de courant et l’impédance de sortie de la source (transformateur ou groupe électrogène) génèrent et augmentent le taux de distorsion en tension de la source. Pour un


120

taux d’harmoniques donné, plus l’impédance de source est élevée, plus la distorsion de tension est élevée. Les paramètres suivants affectent la distorsion de la tension : 1. puissance maximum d’entrée de l’ASI, 2. impédance des câbles, 3. impédance de la source (groupe électrogène), 4. spectre harmonique (taux de distorsion individuel de chaque rang 3, 5, 7, 11, etc.), 5. courant d’appel au démarrage de l’ASI. Les solutions pour réduire l’effet des harmoniques sont : a) réduire l’impédance de la source en augmentant la taille du groupe ou en améliorant ses performances (choix d’un groupe ayant une impédance de sortie plus faible). Mais cette solution n’est pas la mieux adaptée en terme de coût, b) réduire soit le niveau des harmoniques amont générés par l’ASI, soit les harmoniques au niveau des charges _ En choisissant un équipement avec un courant d’entrée à faible taux d’harmoniques, _ En utilisant des dispositifs de filtrage externe additionnels.

NoteNoteNoteNote :::: Ces dispositifs peuvent être indifféremment : - des filtres à technologie active, - des filtres passifs résonnants accordés sur les rangs des harmoniques les plus importants. En général, cette solution requiert une analyse soigneuse du réseau avant installation, prenant en compte les possibilités de résonance. Les deux solutions peuvent être utilisées séparément ou ensemble.

5.5.5.5.1.21.21.21.2----Interface ASI / Groupe électrogène : L’ASI peut communiquer et interagir avec les groupes électrogènes. Différentes interfaces permettent à l’ASI de modifier son fonctionnement lorsque le groupe électrogène démarre. Par exemple en : _ inhibant la recharge de la batterie, _ augmentant les tolérances de la tension et de la fréquence d’entrée, _ désynchronisant la sortie de l’entrée.


121

L’ASI peut aussi transmettre des informations du groupe électrogène (généralement disponibles via des contacts secs) à un ordinateur ou à un réseau informatique pour la surveillance ou la maintenance à distance. Dans ce cas, le groupe électrogène peut bénéficier de l’intelligence et des interfaces de l’ASI pour améliorer les fonctions de diagnostic et de surveillance.

5.5.5.5.1.31.31.31.3----Installation des batteries :

La durée de vie des batteries au plomb est réduite de moitié pour toute élévation de 10 degrés de leur température ambiante au delà de la température de référence 20/25 °C pour laquelle elles sont conçues. Dans la mesure du possible, il faut prévoir une installation dans un environnement disposant d’une régulation de température pour assurer une durée de vie optimale. Les batteries installées à distance de l’ASI doivent être équipées de dispositifs de protection correctement calibrés pour un fonctionnement en courant continu, installés le plus près possible des raccordements. Un dispositif d’isolement doit aussi permettre la maintenance de la batterie. Si la batterie comporte plus d’une chaîne en parallèle, chaque chaîne doit pouvoir être isolée. Ceci permettra d’intervenir sur une chaîne en laissant les autres en fonctionnement. Une ventilation appropriée doit être fournie afin que tout mélange potentiellement explosif d’hydrogène et d’oxygène soit dispersé en toute sécurité et maintenu à une teneur en dessous des seuils dangereux. Les batteries de type “Valve Regulated batteries” (VRLA), ou batteries régulées par valve, plus connues sous le nom de batteries étanches au plomb à recombinaison de gaz, peuvent être installées dans des emplacements ne faisant pas l’objet de dispositions de sécurité particulières dans la mesure ou le niveau d’aération demandé pour ces batteries est faible. Les câbles entre les batteries externes et l’ASI doivent être dimensionnés de façon à ne pas dépasser les niveaux de chutes de tension admissibles préconisés par le constructeur. 5.5.5.5.1.1.1.1.4444----Calcule de la ventilation : La quantité d’air “Q” nécessaire à la ventilation d’un compartiment batterie doit être calculée suivant la formule simplifiée suivante : Q = 0,05 x n x Igaz x Crt x 10-3 (m3/h) Q = 0,05 = v x q x s (v = densité d’hydrogène, q = hydrogène produit ; s = facteur de sécurité)


122

n = nombre d’éléments batterie Igaz = courant produisant du gaz exprime en mA par Ah de capacité fournie, pour le courant de recharge en floating (Ifloat) ou en charge forcée (Iboost). Crt = capacité nominale de la batterie (Ah pour une batterie unitaire) La formule de calcul de la quantité d’air “Q” varie avec la technologie de la batterie utilisée. Le débit d’air de la ventilation doit être obtenu préférentiellement par une ventilation naturelle, sinon par une ventilation forcée (artificielle). Pour la ventilation naturelle, les locaux ou armoires batteries doivent avoir une entrée d’air et une sortie d’air présentant une surface libre calculée par la formule suivante : A = 28 x Q Q = débit d’air (m3/h) A = surface libre de l’entrée d’air et de la sortie d’air (cm2) Exemple de calcul pour des batteries VRLA (étanches) à technologie AGM (batteries au plomb) ASI avec 40 batteries de 12 V (6 éléments de 2 V par batterie), de capacité 100 Ah Q = 0,05 x n x Igaz x Crt x 10-3 (m3/h) = 0,05 m3/Ah n = nombre de batteries x Nb d’éléments par batterie = 240 éléments batterie (nombre total d’éléments) Igaz = 1 (mA/Ah) (pour la tension de floating) Crt = 100 Ah Q = 0,05 x 240 x 1 x 100 x 10-3 = 1,2 m3/h A = 28 x 1,2 = 33,6 cm2 L’ASI s’intègre de plus en plus dans un système d’équipements communicants. Dans ce type d’environnement, l’ASI doit se comporter comme un périphérique du système capable d’envoyer les informations répondant aux besoins de l’utilisateur. Ceci doit se faire de manière efficace et sûre, et souvent sous le pilotage d’un microprocesseur. La communication peut être divisée en deux types : locale et à distance. 5.25.25.25.2---- Communication locale: [4][4][4][4] Pour des informations plus spécifiques sur le fonctionnement de l’ASI et ses paramètres électriques, il peut être utile d’équiper l’ASI d’un écran LCD pour fournir des informations claires. En complément, il est possible de mettre en oeuvre des fonctions spéciales liées à l’utilisation et au diagnostic de l’ASI. Cette solution est adaptée pour les ASI de plus forte puissance.


123

Si l’exploitant ne dispose pas d’un accès facile à l’ASI, cette dernière peut être équipée d’une signalisation à distance pour les principales fonctions d’exploitation (au moins ”alarme générale” et “fonctionnement sur batterie”). Cette signalisation peut être transmise à des systèmes d’information alimentés par l’ASI, à un coffret de signalisation client ou à un synoptique de contrôle fourni avec l’ASI. 5.2.15.2.15.2.15.2.1----Communication asi / utilisateur : Une communication entre l’ASI et l’utilisateur par contacts secs ou par une liaison série permet l’arrêt maîtrisé des systèmes d’exploitation en cas de coupure et la transmission des informations d’état de l’ASI aux opérateurs. 5.2.25.2.25.2.25.2.2----Communication série : Pour un diagnostic à distance plus détaillé de l’ASI, les informations peuvent être reportées sur un afficheur LCD ou directement sur un ordinateur personnel. Dans ces cas, la communication est réalisée via une liaison série RS232, RS422 ou RS485 garantissant une transmission complète des informations par une simple paire de câbles torsadés. L’interface série peut aussi être utilisée pour afficher sur un PC une plus grande quantité d’informations que celles qui sont disponibles localement et ce, sans limitation de distance. L’installateur est libre d’utiliser tout équipement de communication compatible avec ces standards, ex. modem téléphonique, fibres optiques ou tout autre moyen nécessaire pour se connecter à des sites distants.

5.2.35.2.35.2.35.2.3----Réseau de communication :::: Les ASI d’aujourd’hui peuvent être connectées au réseau informatique et devenir un élément communicant vers les autres équipement du réseau. Lors du choix d’une solution de gestion de l’infrastructure physique des réseaux informatiques, il faut prévoir la gestion individuelle de chaque équipement afin de visualiser les nombreux éléments d’information nécessaires à la fiabilité de fonctionnement de l’infrastructure physique critique de réseau. Les solutions de gestion par élément constituent l’approche optimale car elles gèrent un type particulier d’équipement et ont la capacité d’assimiler et, élément primordial, de gérer le volume important de données nécessaires pour la disponibilité du réseau. Les interfaces réseau des ASI permettent leur gestion individuelle en les connectant directement au réseau avec une adresse IP dédiée, évitant le recours à un serveur proxy. Les technologies embarquées procurent une fiabilité exceptionnelle et permettent aux ASI de redémarrer les équipements qui leurs sont reliés. Chaque ASI peut être gérée


124

individuellement via un navigateur web, SNMP. La notification automatique vous informe des problèmes au fur et à mesure de leur apparition. Pour les serveurs protégés, un logiciel d’arrêt maîtrisé assure sans intervention l’arrêt propre des systèmes en cas de coupure prolongée. Les systèmes de Gestion Technique Centralisée (GTC) utilisent fréquemment des réseaux distincts du réseau informatique. Ces réseaux sont couramment réalisés à l’aide de liaisons série utilisant des protocoles propriétaires ou des protocoles standards comme MODBUS . 5.2.45.2.45.2.45.2.4----Communication entre asi et un centre d’assistance technique : La commande à distance peut être étendue et traitée jusqu’à devenir un complément du service d’assistance technique. Il est possible d’établir une connexion, à l’aide d’une ligne téléphonique normale reliant l’ASI installée et le centre d’assistance technique, pour déclencher une alarme immédiate et permettre une surveillance préventive afin d’assurer un bon fonctionnement de l’ASI. Le niveau de détail des informations d’une ASI unitaire peut même inclure l’enregistrement des paramètres importants lors d’événements particuliers.

Conclusion

La norme décrit les dispositions de sécurité, incluant les protections contre les dangers de l’électricité, de l’électrolyte et des gaz explosifs. D’autres dispositions sont décrites pour assurer la sécurité de fonctionnement des batteries et des installations.


125

Conclusion générale


126

CONCLUCONCLUCONCLUCONCLUSION SION SION SION GGGGÉNNNNÉRALERALERALERALE

L’étude effectuée dans le cadre de notre projet de fin d’études nous a ouvert d’autre

fenêtres sur le monde de l’électronique tels que le monde de l’électrotechnique et celui de la

mécanique donnant ainsi un complément à notre formation.

Le travail qui nous a été confié est bénéfique du fait qu’il s’étend sur plusieurs domaines tels

que :

L’électronique de puissance. La connaissance de l’environnement d’un micro-ordinateur. La manipulation dans un laboratoire et sur les chantiers.

On aurait aimé faire des calcules mathématique (calcules des THD, calcule de peak de

puissance réactive a la sortie de l’ASI…) mais en vu les problèmes rencontrés au cours de

notre stage du, au manque de bibliographie et de la documentation concernant les onduleurs

(on a basé sur la documentation fournis par des constructeur d’UPS comme MGE, EATON

powerware ,APC, RIELLO ,CHLORIDE ,SOCOMEC…) ainsi que le manque énorme des

moyens de recherche.

Ainsi, ce projet a donc permis le développement de nos connaissances en électronique tant

sur le plan pratique que théorique.

Le monde des onduleurs est un monde très dangereux (on travaille avec des tensions

jusqu'à 600 VDC et la moindre faute peut couter cher), difficile (les batteries pèsent jusqu’a

20 Kg pour certain onduleur comme celui de 500 KVA), et surtout c’est un monde exclusif

pour homme, beaucoup de gens mon sous s’estimé , m’on dit que je vais abandonner après

quelques semaines, mais pense que j’ais gagner le défit et j’ai terminé le stage convaincu

que rien n’est impossible.


127

Bibliographie [1] Documentation technique LIEBERT EMERSON 30 40 60 80 KVA

[2] Uninterruptible Power Supplies and Active Filters (Power Electronics and Applications Series) by Ali Emadi , Abdolhosein Nasiri , Stoyan B. Bekiarov (crc press florida 2005) [3] Watts et volt-ampères comprendre les différences majeures Par Neil Rasmussen APC (American Power Conversion 2003) [4] Alimentations Sans Interruption, Antoine de FLEURIEU (2009) [5] « Conception, Réalisation et Caractérisation d’interrupteurs (thyristors et JFETs) haute tension (5kV) en carbure de silicium » Par Pierre BROSSELARD Pour obtenir le grade de docteur (L’institut national des sciences appliquées de Lyon ,2004)

[6] « Étude, conception et réalisation de circuit de commande d’IGBT de forte puissance »

Par pierre LEFRANC, pour obtenir le grade de docteur (institut National Des Science Appliquées De Lyon, 2005)

[7]Documentation technique internet Les semi conducteur de puissance troisième partie : l’IGBT par M. Correvon (Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton du Vaud)

[8]Thèse « apports des techniques de câblages laminaires dans un onduleur a IGBT de moyenne puissance » par LOUNIS zohra en vue d’obtention du titre de DOCTORAT de L’INPL (Institut National Polytechnique de Lorraine ,2000)


128

[9] « Uninterruptible Power Supplies AND STANDBY POWER SYSTEMS» By Alexander King (Author), William Knight (Author) copyright Mc GRAW-HILL, 2003 [10] Amélioration de l'efficacité des onduleurs à forte puissance Par Richard L. Sawyer, Livre blanc n°108 APC (American Power Conversion, 2003) [11] Uninterruptible Power Supplies By John Platts (Author), John St. Aubyn (Editor), (I E E Power & Energy Series, I E E Power Engineering Series, 1988) [12] “Electrician’s Troubleshooting and Testing” Pocket Guide, Third Edition by H. Brooke Stauffer John E. Traister, (EDTION McGraw-Hill, 1996) [13] Power Quality in Electrical Systems, By Alexander Kusko, Sc.D., P.E. Marc T.Thompson, Ph.D. (EDITION McGraw-Hill, 2003) [14] « Caractérisation de nouveaux modes de maintien en charge pour batteries stationnaires de secours » Guillaume DILLENSEGER mémoire de doctorat (Université Montpellier II, 2004) [15]Documentation internet WWW.YUASA.fr

[16] « Les différents types d’onduleurs » Par Neil Rasmussen Livre blanc n°1(APC ,2003) [17] « Étude et optimisation d’un ensemble alternateur à aimants/redresseur commande, application a un véhicule hybride » BERNARDINIS Alexandre (Institut National Polytechnique de Lorraine ,2000) [18] « Cahier technique n° 129 Protection des personnes et alimentations statiques Cas des alimentations statiques sans interruption», Par Jean-Noël FIORINA (groupe Schneider Electric STS CT 129 édition, septembre 2004)


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[19] «The Different Types of UPS Systems » Par Neil Rasmussen White Paper #1(APC, Rev 2004-2005) [20] “ Looking After The Battery The Key Component In UPS Systems”, Uninterruptible Power Supplies Limited backs Power WAVE Web site: www.upspower.co.uk

AnnexeAnnexeAnnexeAnnexe ::::


130


131


132

Carte alimentation


133

Carte interface

Carte moniteur


134

Carte parallèle

Carte commande redresseur /mutateur (driver board)


135

Filtre AC d’entrée

Bornes de raccordements des 6 phases (3 phases d’entrée et 3 phases de sortie) et des

deux neutres (entrée sortie)


136

Armoire de batteries externes

Cartes filtres EMI entrée (bas), sortie (haut)


137

Les 11 selfs utilisés dans l’ASI

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