Les équipements de production d'énergie, tels que les grands redresseurs à courant continu, les systèmes d'alimentation sans interruption et les groupes électrogènes, ont également conduit à une grande diversification des équipements conçus pour répondre aux besoins actuels.
Parallèlement, les entreprises dépendent de plus en plus de ces appareils électroniques, qui deviennent toujours plus sophistiqués et parfois plus vulnérables à une mauvaise qualité de l'alimentation électrique, principalement due aux harmoniques du réseau de distribution, générées en grande partie au sein même de nos installations.
Cependant, toutes ces charges décrites précédemment sont particulièrement concentrées et amplifiées dans les centres de données, dont la dénomination varie selon leur taille.
Les installations comportant de un à cinq racks sont appelées salles techniques ou salles de données ; les petits centres de données en comptent entre cinq et vingt ; les centres de données de taille moyenne, entre vingt et cent ; et les grands centres de données, plus de cent.
Pour mieux comprendre ce qui peut se produire dans un centre de données, il convient d'analyser le schéma unifilaire de l'installation présenté figure 1.
On constate que les charges électroniques générant des harmoniques de courant sont généralement situées en aval de l'installation. En bout de ligne, ces harmoniques circulent toujours vers la source de tension.
Il en résulte une contamination des sources de tension, à commencer par la plus proche, généralement l'onduleur (UPS). En amont se trouvent le transformateur moyenne/basse tension (MT/BT) et le groupe électrogène de secours. Ces courants sont également affectés lorsqu'ils sont en fonctionnement, alimentant les charges non critiques, les systèmes UPS, l'éclairage, les systèmes de refroidissement et les autres équipements du bâtiment (ascenseurs, contrôle d'accès, sécurité, surveillance, etc.).
L'une des principales caractéristiques de ces équipements générateurs d'harmoniques est la dégradation de la qualité de la tension circulant dans les réseaux électriques. Plus la qualité de la tension est mauvaise, plus la contamination est importante, ce qui augmente le taux de distorsion harmonique total (THD).
Ces charges perturbent considérablement la tension produite par le poste de transformation MT/BT, pouvant atteindre un seuil au-delà duquel la qualité de la tension devient inacceptable pour certains équipements ou alimentations. La norme IEEE-519-1992 spécifie que le seuil de distorsion de tension global doit être inférieur à 5 % et que le taux de distorsion harmonique individuel de l'amplitude la plus élevée doit être inférieur à 3 %.
Cette norme est spécifique aux équipements électroniques en raison de leur sensibilité à la distorsion du courant. Une distorsion excessive entraîne des pannes irrégulières, des défaillances prématurées et un vieillissement accéléré, impactant négativement la durée de vie moyenne des produits, telle qu'estimée par les fabricants eux-mêmes, qui basent toujours ce calcul sur une alimentation électrique de haute qualité.
Les installations sont généralement conçues pour un fonctionnement normal au niveau du poste de transformation. Il arrive que le dimensionnement du groupe électrogène soit insuffisamment pris en compte, ou que l'évolution de l'installation elle-même la rende non conforme aux paramètres acceptables pour toute extension ou rénovation du centre de données. Pour
apprécier le surdimensionnement nécessaire lors de l'installation d'un groupe électrogène de secours, examinons le tableau I, qui indique la puissance nécessaire du générateur selon qu'on utilise un redresseur avec correction du facteur de puissance (PFC), un redresseur avec correction électronique des harmoniques (THM), un redresseur avec filtre harmonique classique (FAH) ou un redresseur standard.
Un système d'alimentation sans coupure (UPS) avec un redresseur à thyristors standard nécessite un générateur d'une puissance deux fois supérieure à sa propre puissance nominale. Si un filtrage harmonique (FAH) est mis en œuvre, le générateur doit être surdimensionné de 160 %. Si le redresseur intègre une compensation active des harmoniques (THM) ou utilise un redresseur à transistors IGBT avec correction du facteur de puissance (PFC), la distorsion minimale permet un surdimensionnement suffisant de 118 %.
Il est clair qu'une fois les harmoniques maîtrisées, un générateur plus petit peut être utilisé, ce qui engendre des économies sur le prix d'achat initial, la maintenance et la consommation de carburant en fonctionnement.
Que sont les harmoniques ?
Introduction.
Concevoir une installation électrique destinée à alimenter un environnement riche en charges non linéaires ou distorsives, et notamment en charges monophasées, est complexe et source de nombreux problèmes.
Une charge linéaire présente une forme d'onde de courant sinusoïdale, à l'instar de la tension d'alimentation. À l'inverse, une charge non linéaire ou distorsive présente une forme d'onde de courant indépendante de celle de la tension.
Le graphique de la figure 2 représente la forme d'onde classique d'une alimentation monophasée à découpage (comme celle d'un PC). On peut la décomposer en sa composante fondamentale et ses harmoniques, toutes sinusoïdales.
Grâce à cette décomposition, nous pouvons déterminer la plage et l'amplitude de chaque harmonique, ce qui nous permet d'utiliser ces informations pour trouver la solution la plus appropriée.
Diverses solutions électrotechniques existent, mais elles ne résolvent ni la présence d'harmoniques dans l'installation, ni le véritable problème qu'elles engendrent : la qualité de la tension.
Si l'installation le permet, les harmoniques de rang 3 et 9 peuvent être confinées à une zone spécifique à l'aide d'un transformateur d'isolement galvanique conçu à cet effet. Ceci empêche leur circulation en amont et soulage ainsi la charge sur le conducteur neutre, maintenant ces harmoniques sous contrôle dans une zone restreinte.
Une autre solution consiste à utiliser un filtre accordé à la fréquence souhaitée. Cela implique d'effectuer les mesures nécessaires et de concevoir un filtre adapté à l'harmonique à éliminer. Ces types de filtres sont dits passifs. Leur efficacité maximale est atteinte à la puissance nominale ; en dessous de cette valeur, leur efficacité diminue considérablement.
On peut utiliser une inductance en série, dont le but n'est pas d'éliminer les harmoniques mais de les atténuer, permettant ainsi une réduction d'environ 50 % du taux de distorsion harmonique global. Cette application est principalement utilisée avec les redresseurs et les variateurs de fréquence. Comme précédemment, son efficacité diminue avec l'augmentation de la charge.
Pour résoudre efficacement et définitivement les problèmes causés par les harmoniques, des compensateurs d'harmoniques actifs sont disponibles sur le marché depuis plus de cinq ans.
Comment décongestionner un réseau électrique : compensation harmonique active.
Le compensateur harmonique actif analyse en continu chaque phase, en tenant compte de la forme d'onde du courant de charge (Ich). De cette analyse est extrait le spectre harmonique, qui consiste en la somme du courant fondamental et des courants de chaque harmonique.
Le compensateur génère un signal de courant égal à la différence entre le courant de charge et le courant fondamental. Cette différence, qui correspond à la somme des courants harmoniques déphasés de 180°, est injectée dans la charge afin que le courant sinusoïdal résultant soit égal au courant fondamental de la source.
Le compensateur est connecté en parallèle entre la source et la charge et doit être dimensionné exclusivement pour les courants harmoniques, et non pour le courant total.
Pour garantir une fiabilité élevée et des performances système optimales, des transistors IGBT sont utilisés dans l'étage de puissance.
Le compensateur actif d'harmoniques analyse en continu chaque phase, en tenant compte de la forme d'onde du courant de charge (I<sub>charge</sub>), en extrayant le spectre harmonique et en générant un signal qui reproduit la forme d'onde du courant de charge sans considérer la composante fondamentale, se concentrant uniquement sur les harmoniques présentes dans l'installation (I<sub>harmoniques</sub>).
Il contribue également à réduire la distorsion harmonique totale (THDU) en amont, ce qui permet d'obtenir une forme d'onde sinusoïdale et d'alimenter ainsi les équipements électroniques sensibles avec une tension de haute qualité et sans distorsion.
La correction de la distorsion harmonique peut réduire la puissance apparente de l'installation jusqu'à 30 %, et plus le taux de distorsion harmonique global à corriger est élevé, plus le compensateur actif d'harmoniques est efficace.
De plus, la puissance excédentaire non utilisée pour réduire les harmoniques peut être affectée à l'amélioration du cosinus de la fréquence (cos j), réduisant ainsi la puissance réactive consommée par l'installation.
Conclusions :
Dans les infrastructures telles que les centres de données, il est impératif d’anticiper les problèmes avant même qu’ils ne surviennent.
Il convient tout d’abord d’évaluer l’installation et de réaliser un audit électrique complet, en commençant par le schéma unifilaire, afin de déterminer la configuration, la nature et la fonction des charges les plus polluantes, ainsi que la distorsion du courant et de la tension à chaque point, permettant ainsi d’évaluer la qualité de l’énergie.
Ces analyses doivent être répétées annuellement afin d’analyser les tendances au sein de l’installation et d’identifier les changements, améliorations ou actions nécessaires pour atténuer les effets.
Les audits nous permettront d’améliorer de nombreux aspects essentiels de l’installation, et pas seulement de gérer la menace des harmoniques.
Auteur : Ángel Pérez, directeur technique d’APC by Schneider Electric
