Uninterruptable Power Supplies
Redders in nood

Naast de zuiver economische schade die stroomonderbrekingen op het net met zich meebrengen leggen ze een hypotheek op minder meetbare waarden zoals veiligheid, veiligheidsgevoel en comfort. Elk jaar verwerken de verbruikers een honderdtal kleine en grotere onderbrekingen op het elektriciteitsnet.

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Meestal zijn de onderbrekingen van korte duur. Meer dan ¾ van de incidenten duren maximaal 20 milliseconde. Deze zijn te wijten aan atmosferische omstandigheden, schakelverschijnselen, fouten op het net, fouten bij het cliënteel, bepaalde (vaak niet-lineaire) belastingen, enz. Een gewone onderbreking wordt gekenmerkt door het volledig terugvallen van de spanning, maar een gedeeltelijke spanningsdaling, « dip » genoemd, kan bij elektronische toestellen dataverlies met zich meebrengen. Om die reden kan de UPS (Uninterruptible Power Supplies en in de USA No-Break genoemd) langdurige negatieve gevolgen vermijden. Ze zorgen immers voor een continue stroomvoorziening maar ook voor een verbeterde kwaliteit van het geleverde vermogen.

Vorig jaar werd in EUROopa voor 818 miljoen EUROo UPS verkocht. 37% daarvan zijn kleine modellen met een vermogen kleiner dan 3 kVA. Net ¼ van de UPS-modellen hebben een vermogen tussen 3 en 10 kVA en 22% dekt de vermogenband van 11 tot 100 kVA. Tenslotte is er 13% van de UPS, dat meer dan 100 kVA kan leveren.

Men maakt een onderscheid tussen statische en roterende UPS. De statische zijn zowel éénfasig als driefasig leverbaar, de roterende bestaan met of zonder dieselmotor.

Voor het vermogenbereik van 0,2 kVA (voor individuele computers) tot 800 kVA is het mogelijk om een statisch toestel te kiezen. De roterende gaan van 200 tot zowat 2000 kVA per eenheid, maar het is slechts vanaf 300 kVA dat de roterende machines uit economisch gezichtspunt in aanmerking komen. Men kan evenwel UPS in parallel plaatsen, maar meestal gaat dat dan tot maximaal zes.

Roterende UPS

Men vindt steeds dezelfde basiselementen terug bij de draaiende machines : een dieselmotor, de koppeling, een module voor energie-opslag, de wisselstroommachine, de smoorspoel en de statische by-pass schakelaar. Vele systemen zijn tegenwoordig voorzien van een batterij, die eerst het defect opvangt terwijl de motor-generator – al naar lengte van de onderbrekingsduur - opstart. Men noemt dit hybride UPS-toestellen.

Er bestaan hoe langer hoe meer roterende UPS zonder dieselmotor. Onderbrekingen tot 4 seconden onder vollast kunnen zo opgevangen worden.

Het eenvoudigste middel om kinetische energie op te stapelen is het vliegwiel. Er bestaan systemen met dubbele rotor die op verschillende snelheden draaien. In elk geval gaat bij onderbreking een synchrone machine als generator werken. Intussen wordt de frequentie continu geregeld. Wanneer deze frequentie onder een minimum zakt, wordt de module voor de kinetische energie aangesproken.

Een andere manier van indelen vindt men vooral bij de statische toestellen terug. Een eerste systeem schakelt een batterij in, zodra de netspanning wegvalt. Deze overgangstijd kan evenwel voor sommige verbruikers al te lang zijn. Een gelijkrichter houdt de batterij in geladen toestand.

Hier is de noodvoeding permanent in stand-by. Een wisselrichter vangt ook de spanningsdips op.

Gezien de invertor in de vier kwadranten kan gebruikt worden, gebEUROt de lading in gelijkrichterbedrijf. Nadeel van dit en voorgaand systeem is dat er geen filtering bestaat tussen net en belasting. Zo worden frequentievariaties niet door het toestel opgevangen. Recent werd een variant op het line-interactive systeem op de markt gebracht. Men maakt hier gebruik van twee invertoren van ongelijke grootte, waarbij de kleinere de batterij oplaadt, terwijl de andere voor het volle vermogen instaat.

In normaal bedrijf werkt het toestel als gelijkrichter-wisselrichter. Bij onderbrekingen wordt op batterijvoeding overgeschakeld. Door deze volledige ontkoppeling kunnen ook frequentievariaties opgevangen worden.

Wanneer ingang en uitgang monofasig zijn, spreekt men van mono-mono systeem, een driefasenoverdracht heet tri-tri en de combinatie tri-mono vertrekt van een driefasige ingang met éénfasige belasting.

De subtransiënte reactantie bepaalt in grote mate het kortsluitgedrag. Statische toestellen hebben zowat 30%, terwijl dynamische systemen tussen 10 en 15% subtransiënte reactantie hebben. Dit betekent dat de roterende systemen een kortsluitstroom mogelijk maken, die 10 tot 20 keer de nominale stroom bedraagt. Statische toestellen daarentegen kunnen een kortsluitstroom tot 400% van de nominale stroom verwerken. Met andere woorden, een roterende machine is beter bestand tegen kortsluitingen en staat toe ze sneller te dedecteren.

De problemen van een roterende machine zijn meestal van mechanische aard. De lagers staan bloot aan grote mechanische belastingen maar laten een komend defect letterlijk horen.Bij de elektronische statische toestellen komen defecten minder voor, maar deze kondigen zich niet aan. De vervanging van een elektronisch component is veel eenvoudiger dan de vervanging van een lager.

De synchrone wisselstroommachine is in staat om aan arbeidsfactorverbetering te doen door middel van overbekrachtiging. Daartegenover staat dat roterende machines relatief duur zijn en in normaal bedrijf toch een zeker vermogen vergen, om de rotor draaiend te houden. Ze zijn pas renderend, als een onderbreking grote financiële gevolgen heeft. De aandrijving door de dieselmotor garandeert een zeer lange inzet. De statische systemen zijn geconcipieerd voor onderbrekingen van enkele minuten tot een paar uur.

Een UPS is niet goedkoop. Een klein statisch toestel voor de beveiliging van één computer (200VA off-line) met een overbruggingstijd van 5 minuten kost 150 EURO. Een on-linetoestel van 1 kVA met 1 uur werking komt op 2000 EURO. Voor 10 kVA en ook een uur autonomie betaalt men 15000 EURO en wie een statische tri-tri van 30 kVA en één uur werking nodig heeft, betaalt 30.000 EURO.

Een roterende machine van 250 kVA kost ongeveer 400.000 EURO. Hierbij is het onderhoudscontract van groot belang. Ter vergelijking : vier in parallel geschakelde statische UPS met een werkingstijd van 40 minuten (totaal vermogen 240 kVA) kosten samen 160.000 EURO.

Zoals we hierboven kunnen zien, kost een roterende UPS meer dan het dubbele van een statisch toestel. Naast deze aankoopprijs dienen we ook rekening te houden met de installatiekost, de exploitatiekost en het vervangen van defecte onderdelen. Het wordt aangeraden om het vermogen van een UPS nogal ruim te dimensioneren. Factoren zoals aanloopstroom bij aandrijvingen en toekomstige uitbreidingen moeten in rekening gebracht worden. De benodigde plaats en het gewicht kunnen bepaalde infrastructuurwijzigingen met zich mee brengen, en soms is een supplementaire koeling nodig.

Om al die redenen vinden we statische toestellen vooral in de informatica- en laboratoriumwereld terug, terwijl de roterende machines bij industriële processen en aandrijvingen terug te vinden zijn.

door Herman Paternoster
Met dank aan Kenneth Pauwels van Laborelec

Uninterruptable Power Supplies
Sauveurs au bon moment

La plupart du temps, ces interruptions sont de courte durée. Plus de ¾ d’entre elles ne durent pas plus de 20 millisecondes. Elles sont à attribuer aux circonstances atmosphériques, à des phénomènes de commutation, à des erreurs sur le réseau, à des erreurs commises par les clients, à certaines charges (souvent non-linéaires), etc. Une interruption classique se caractérise par la disparition totale de la tension ; une chute de tension partielle appelée « dip » peut cependant provoquer des pertes de données dans certains appareils électroniques. Pour cette raison, l’UPS (Uninterruptible Power Supply - aux Etats-Unis, « No-Break ») peut éviter des conséquences négatives prolongées. Il veille, en effet, à assurer un approvisionnement continu de courant, tout en améliorant la qualité de la puissance délivrée.

Distribution

L’an passé, il fut vendu en Europe des UPS pour un montant de 818 millions d’euros. 37% d’entre eux sont de petits modèles, dont la puissance est inférieure à 3 kVA. Exactement ¼ des modèles d’UPS ont une puissance comprise entre 3 et 10 kVA et 22% couvrent la gamme de puissance de 11 à 100 kVA. Enfin, 13% des UPS peuvent délivrer plus de 100 kVA.

Types

On fait une distinction entre les UPS statiques et les UPS rotatifs. Les statiques sont disponibles aussi bien en monophasé qu’en triphasé, et les rotatifs sont équipés ou non d’un moteur diesel. Pour la gamme de puissance comprise entre 0,2 kVA (pour les ordinateurs individuels) et 800 kVA, il est possible d’opter pour un appareil statique. Les appareils rotatifs couvrent la gamme qui va de 200 à quelque 2000 kVA par unité, mais ce n’est seulement qu’à partir de 300 kVA que les machines rotatives sont préférables d’un point de vue économique. On peut installer des UPS en parallèle, leur nombre étant alors le plus souvent limité à six.

UPS rotatifs

On y retrouve toujours les mêmes éléments de base des machines rotatives: un moteur diesel, un système d’accouplement, un module d’accumulation d’énergie, la machine à courant alternatif, la bobine de self et l’interrupteur statique de by-pass. Beaucoup de systèmes sont actuellement équipés d’une batterie, qui reprend la panne en première instance alors que le groupe moteur-générateur démarre pour autant que l’interruption se maintienne. Ce type d’appareil est appelé « UPS hybride ». Il existe de plus en plus d’UPS rotatifs sans moteur diesel, qui peuvent reprendre sous pleine charge des interruptions de 4 secondes au maximum.

Le moyen le plus simple qui y est mis en oeuvre pour emmagasiner de l’énergie cinétique est le volant. Il existe des systèmes à double rotor qui tournent à des vitesses différentes. Dans tous les cas, une machine synchrone va jouer le rôle de générateur lors de l’interruption. La fréquence est entre-temps réglée de façon continue. Lorsque cette fréquence tombe sous une valeur minimale, le module à énergie cinétique est mis en oeuvre.

Off-line

Une autre façon de procéder se rencontre principalement dans les appareils statiques. Un premier système met une batterie en circuit dès que la tension de réseau disparaît. Le temps d’enclenchement de ce processus peut cependant être trop long pour certains utilisateurs. Un redresseur maintient la batterie en charge.

Line-interactive

Dans cette configuration, l’alimentation de secours est en stand-by de façon permanente. Un onduleur reprend également les dips de tension. Etant donné que l’onduleur peut être utilisé dans les quatre quadrants, la charge s’opère en régime de redresseur. Le défaut de ce système réside dans l’absence de filtrage entre réseau et charge. Il en résulte que les variations de fréquence ne sont pas compensées par l’appareil. Une variante du système line-interactive est récemment apparue sur le marché. On y utilise deux onduleurs de capacités inégales ; le plus petit veille à la charge de la batterie, tandis que le plus grand est mis en oeuvre pour la pleine puissance.

ON-line

En conditions normales, l’appareil travaille en tant que redresseur-onduleur. Lors des interruptions, l’onduleur est commuté sur l’alimentation par batterie. Grâce à cette séparation totale, les variations de fréquence peuvent aussi être compensées.

Monophasé & Triphasé

Lorsque l’entrée et la sortie sont monophasées, on parle d’un système mono-mono, un transfert de triphasé s’appelle tri-tri et la combinaison tri-mono comprend une entrée triphasée avec une charge monophasée.

Court-circuit

La réactance subtransitoire détermine en grande mesure le comportement du système en cas de court-circuit. Les appareils statiques présentent une réactance de quelque 30%, tandis que les systèmes dynamiques ont une réactance subtransitoire comprise entre 10 et 15%. Ceci signifie que les systèmes rotatifs autorisent un courant de court-circuit égal à 10 à 20 fois leur courant nominal. Les appareils statiques, par contre, résistent seulement à un courant de court-circuit de 400% de leur courant nominal. En d’autres mots, une machine rotative offre une meilleure résistance aux courts-circuits et permet de les détecter plus rapidement.

Pannes

Les pannes d’une machine rotative sont essentiellement de nature mécanique. Leurs paliers sont exposés à des lourdes charges mécaniques, mais avertissent l’utilisateur de leur défectuosité à venir par le son typique qu’ils commencent alors à émettre. Par contre, les pannes sont moins fréquentes dans les appareils électroniques statiques, mais ils n’annoncent pas la panne à venir. Le remplacement d’un composant électronique est bien plus simple que le remplacement d’un palier.

Cosinus j

La machine à courant alternatif synchrone peut améliorer le facteur de puissance par surexcitation. Par contre, il faut reconnaître que les machines rotatives sont relativement chères et nécessitent, en mode normal d’opération, une certaine puissance pour maintenir le rotor en mouvement. Elles sont seulement justifiables sur le plan de la rentabilité lorsqu’une interruption peut avoir de graves conséquences financières. L’entraînement par moteur diesel garantit un emploi de très longue durée. Les systèmes statiques sont conçus pour reprendre des interruptions allant de quelques minutes à quelques heures.

Prix

Un UPS n’est pas bon marché. Un petit appareil statique pour la protection d’un PC (200VA off-line) présentant une capacité de fonctionnement de 5 minutes coûte 150 EUR. Un appareil on-line de 1 kVA garantissant 1 heure de fonctionnement autonome revient à 2000 EUR. Pour 10 kVA et une autonomie d’une heure aussi, il faut payer 15000 EUR, et celui qui désire acquérir un tri-tri statique de 30 kVA avec une heure d’autonomie devra débourser 30.000 EUR. Une machine rotative de 250 kVA coûte environ 400.000 EUR. Dans ce cas, un contrat d’entretien revêt une importance vitale. Par comparaison, quatre UPS statiques montés en parallèle présentant une autonomie de 40 minutes (240 kVA de puissance totale) reviennent ensemble à 160.000 EUR.

Facteurs

Comme on l’a vu ci-dessus, un UPS rotatif coûte plus du double du prix d’un appareil statique. Viennent aussi s’ajouter au prix d’achat les coûts d’installation, d’exploitation et de remplacement des pièces défectueuses. Il est conseillé de dimensionner la puissance d’un UPS de façon généreuse. Il y a lieu de tenir compte des facteurs tels que le courant de démarrage lors de l’entraînement et les possibles extensions ultérieures. La place nécessaire ainsi que le poids peuvent amener à devoir procéder à des adaptations de l’infrastructure existante, et un système de refroidissement est parfois indispensable.

Applications

Pour toutes ces raisons, nous retrouvons des appareils statiques principalement dans le monde de l’informatique et des laboratoires, tandis que les machines rotatives sont plus présentes dans les procédés industriels et les entraînements et commandes.

par Herman Paternoster
Avec remerciements à K. Pauwels