L'approche parallèle offre une solution idéale pour répondre aux besoins de croissance d'une organisation tout en optimisant l'utilisation des systèmes d'alimentation sans coupure existants. Ce document présente les principales différences et les problématiques courantes liées aux systèmes de dérivation centralisés et distribués afin de vous aider à choisir la solution la plus adaptée à votre organisation.
La nécessité de systèmes UPS parallèles
Les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS) fournissent une alimentation continue aux systèmes électroniques afin de protéger les données critiques de toute entreprise. Si l'onduleur de l'UPS doit s'arrêter pour une raison quelconque, il bascule sur un circuit de secours interne, laissant les charges critiques sans protection jusqu'à son redémarrage.
Le fonctionnement en parallèle prolonge la durée de vie normale d'un onduleur, offrant une capacité et/ou une redondance accrues. Ce système continue d'alimenter les charges critiques en cas de baisses de tension, de coupures de courant, de surtensions, de sous-tensions et de variations de fréquence hors tolérance. L'architecture d'un système de protection électrique est conçue pour prévenir la perte de données électroniques importantes, minimiser les temps d'arrêt des équipements et réduire les impacts négatifs sur les équipements de production dus à des problèmes d'alimentation inattendus.
Les organisations telles que les grands centres de données, les hôpitaux et les banques constatent de plus en plus que l'utilisation du réseau électrique comporte des risques importants, même sur de courtes périodes. Le coût des interruptions de service et le risque de perte de données étant prohibitifs, ces organisations mettent en œuvre des systèmes d'alimentation sans coupure (UPS) redondants afin de garantir une alimentation électrique continue, même en cas de panne d'un système UPS.
Comment les technologies de mise en parallèle améliorent la fiabilité de l'électricité
En parallèle, deux onduleurs ou plus sont connectés électriquement et mécaniquement pour former un système unifié à sortie unique, offrant ainsi une capacité supplémentaire ou une redondance accrue. Dans une configuration redondante N+1, vous disposez d'au moins un module d'onduleur supplémentaire par rapport à la charge nécessaire. Au sein de ce système unifié, chaque onduleur est prêt à prendre le relais d'un autre en cas de besoin, sans interruption de la protection.
Une configuration d'onduleur redondant est conçue pour garantir la protection des charges de travail critiques même si un ou plusieurs onduleurs de cette configuration sont indisponibles. Les configurations redondantes parallèles, notamment les architectures N+1 et N+N, figurent parmi les plus courantes et les plus efficaces.
Dans un système parallèle redondant, une panne de courant affectant un module d'alimentation sans coupure (ASI) entraîne uniquement l'isolation instantanée du module concerné, sans arrêt complet du système. Les modules ASI restants continuent d'alimenter la charge critique grâce à une alimentation de secours, ce qui accroît la fiabilité de l'application.
Le gain en fiabilité provient de la redondance de l'alimentation électrique protégée. Si le système fonctionne correctement, il est très improbable que l'utilisateur ait besoin de l'alimenter directement sur le réseau. Toute panne d'équipement est prise en charge par la redondance du système, qui isole le module défaillant ; le passage sur le système de secours n'est donc utilisé qu'en dernier recours. Concrètement, l'alimentation secteur de secours n'est utilisée qu'en cas de facteurs externes à l'onduleur, tels qu'une surcharge, une surchauffe ou un court-circuit. La maintenance courante de l'onduleur ne devrait pas nécessiter le passage sur le système de secours.
Comprendre le système de dérivation centralisé et le système de dérivation distribué
Il existe généralement deux types de systèmes d'alimentation sans coupure (ASI) multimodulaires : les systèmes à bypass centralisé et les systèmes à bypass distribué.
Dans un système à bypass centralisé, un seul interrupteur statique de grande capacité (également appelé module de bypass système ou SBM) gère l'ensemble du système ASI. Sa taille est déterminée en fonction de la puissance finale du système. Si le système ASI doit être basculé en mode bypass, le courant de charge est alors fourni par le module de bypass.
Dans un système de dérivation distribuée, chaque module d'alimentation sans coupure (UPS) possède son propre disjoncteur statique interne, dimensionné en fonction de sa capacité, comme dans un système UPS classique. Chaque module UPS contrôle sa propre sortie et, en cas de basculement en mode dérivation, les disjoncteurs statiques de chaque module s'activent simultanément et le courant de charge est partagé.
La sortie du système est généralement fournie par les modules d'alimentation sans coupure (UPS) répertoriés dans chaque module. Plusieurs modules d'alimentation (UPM) sont connectés en parallèle (regroupés) afin d'offrir une capacité de charge supérieure à celle d'un seul module, pour assurer la redondance, ou les deux. Les modules d'alimentation en parallèle alimentent la charge de sortie avec une alimentation protégée tant que celle-ci ne dépasse pas la capacité cumulée des modules.
Le système d'alimentation est redondant : si l'un des onduleurs est déconnecté du bus de sortie, les autres continuent d'alimenter la charge sans dépasser leur capacité nominale. Lorsque la charge est alimentée par les onduleurs, le bus de sortie du système est surveillé en permanence afin de détecter toute surtension ou sous-tension. En cas de dépassement des limites, les onduleurs basculent la charge vers le circuit de dérivation à l'aide de commutateurs statiques.
Quels sont les effets sur la fiabilité – y en a-t-il ?
Le temps moyen entre les pannes (MTBF) est souvent utilisé pour décrire la fiabilité d'un système, un élément clé des systèmes informatiques de toute organisation. La fiabilité est une préoccupation majeure pour les systèmes de dérivation distribués, car un plus grand nombre de composants entraîne un MTBF plus faible, et donc une fiabilité moindre. Le MTBF seul ne suffit pas toujours pour les systèmes complexes. Des méthodes plus sophistiquées, telles que les modèles de Markov, peuvent être utilisées pour estimer la fiabilité critique d'un système tolérant aux pannes, comme les onduleurs redondants. Concernant la disponibilité d'un système d'onduleur, le MTTR (temps moyen de réparation) est tout aussi important, de même que les capacités de maintenance, etc., bien que ces aspects ne soient pas abordés dans cet article.
Lors de la comparaison d'une dérivation centralisée avec une dérivation distribuée, il est nécessaire de distinguer deux types de pannes : la défaillance du commutateur statique (circuit ouvert) l'empêchant de fonctionner correctement, ou le court-circuit l'empêchant de fonctionner correctement. Examinons ces deux cas de figure pour une meilleure compréhension.
• Dans un système de dérivation centralisé, si l'interrupteur statique présente un défaut de circuit ouvert, le seul interrupteur statique du système cesse tout simplement de fonctionner lorsqu'il est nécessaire, rendant la dérivation indisponible.
Dans un système de dérivation distribuée redondante, lorsqu'un interrupteur statique tombe en panne, les autres restent opérationnels et peuvent prendre le relais en cas de besoin. Le système présente donc une fiabilité accrue face à ce type de panne, car il ne dépend pas du bon fonctionnement d'un seul interrupteur statique.
Si le système est pleinement chargé et non redondant, il est identique à un système de dérivation centralisée, à l'exception d'un plus grand nombre de composants.
Dans un cas moins fréquent, l'interrupteur statique est en court-circuit. Dans un système typique présentant un court-circuit de l'interrupteur statique, la ligne de dérivation défectueuse connecte la sortie du système au réseau électrique. Par conséquent, les onduleurs doivent être arrêtés et l'ensemble du système est mis en dérivation. Ce scénario est probable avec un grand nombre de composants.
Toutefois, si le système UPS est bien conçu et dispose d'une protection contre les retours d'information, ainsi que d'une détection fiable des courts-circuits par interrupteur statique, le dispositif de protection contre les retours d'information peut s'ouvrir dans ces conditions de défaut et les onduleurs peuvent rester en ligne pour supporter la charge.
Dans un système de dérivation distribuée redondante, chaque onduleur peut détecter et isoler indépendamment un disjoncteur statique en court-circuit, préservant ainsi une capacité de dérivation suffisante pour alimenter la charge en cas de besoin. Par conséquent, en pratique, l'augmentation du nombre de composants a un impact minimal sur la fiabilité globale du système.
Comment actionner simultanément plusieurs interrupteurs statiques en cas de défaut ?
Une autre préoccupation courante est qu'un système de dérivation distribué ne peut pas commuter simultanément des commutateurs statiques en cas de panne, ce qui peut rendre ces commutateurs inutilisables. Cela a même conduit certains experts à remettre en question l'utilisation d'un tel système dans la conception de leurs centres de données. Pour comprendre son fonctionnement en cas de panne, examinons deux cas : un basculement normal vers la dérivation et un basculement d'urgence.
Un basculement normal (ou planifié) se produit lorsque l'utilisateur ordonne au système UPS de passer en mode bypass depuis le panneau avant, via un signal externe, ou en raison de certains défauts tels qu'une surcharge, une surchauffe ou des problèmes similaires. Quelle qu'en soit la raison, le système a détecté la nécessité de basculer en mode bypass. Dans ce cas, l'un des modules initie le basculement et active son propre commutateur statique.
Simultanément, il transmet la demande de transfert aux autres unités de la ligne de communication. Ces dernières reçoivent la demande et transfèrent également les données. Le traitement des données à envoyer et à recevoir entraîne de légers délais, d'environ 2 millisecondes au maximum, lors de l'ouverture du commutateur statique.
Ce délai est négligeable, car les onduleurs sont toujours capables de supporter la charge pendant le transfert normal vers le bypass. Les niveaux de courant à la sortie du système sont modérés ; par conséquent, les composants de puissance des commutateurs ne sont pas exposés à un risque.
Le basculement d'urgence sur le système de dérivation (ETB) se produit lorsque les onduleurs ne parviennent pas à maintenir la tension de sortie du système dans les limites normales. Une situation plus critique serait un court-circuit en sortie du système d'alimentation sans coupure (UPS). Dans ce cas, les onduleurs fournissent le courant maximal possible pour maintenir la tension de sortie et peuvent atteindre leur limite de courant afin de protéger les composants d'alimentation.
Si les dispositifs de protection entre l'onduleur et le défaut ne sont pas suffisamment dimensionnés et/ou rapides, la tension de sortie de l'onduleur chutera et sortira des limites admissibles. Dans ce cas, un basculement d'urgence vers le bypass (ETB) se produit immédiatement, générant un courant de défaut élevé à travers le bypass pour corriger le défaut. Il est donc crucial que tous les commutateurs de transfert statiques s'amorcent simultanément et se répartissent le courant.
Dans un système de dérivation distribuée, chaque onduleur surveille individuellement sa propre sortie (identique à la sortie du système) et bascule sur la dérivation en cas de dépassement des limites. Chaque unité détecte la défaillance de sortie indépendamment.
La détection de la tension de sortie correcte est rapide et le besoin d'une coupure de courant est détecté quasi simultanément sur toutes les unités. Celles-ci activent alors leurs interrupteurs statiques indépendamment, sans les délais des lignes de communication. Les éventuels délais entre les unités résultent de l'exécution des boucles de programme pour la détection de la tension de sortie et sont de l'ordre de la fraction de milliseconde. Ceci permet un transfert simultané afin de répartir correctement le courant de défaut entre les interrupteurs statiques.
Il est important de comprendre le fonctionnement d'un système UPS en cas de différentes pannes. Comme on peut le constater, les deux configurations de dérivation présentent la même fiabilité dans diverses situations de panne, internes comme externes au système UPS, dès lors que ces situations ont été prises en compte lors de la conception du produit. Dans un système UPS doté de dispositifs de détection et de retour d'information adéquats, les commutateurs statiques peuvent fonctionner simultanément ou le commutateur statique défectueux peut être isolé, permettant ainsi aux onduleurs de continuer à fonctionner normalement. Les systèmes UPS et SBM d'Eaton intègrent une protection par retour d'information de série et utilisent les mêmes méthodes de détection de panne afin de garantir une fiabilité maximale pour les applications critiques.
Configuration du commutateur de dérivation statique pour le support de charge
La principale différence entre les systèmes de dérivation centralisés et distribués réside dans la configuration du commutateur de dérivation statique du système d'alimentation sans coupure (ASI).
Dans un système de dérivation centralisé (ou SBM), le commutateur de dérivation statique est dimensionné pour supporter la charge totale du système ASI, de manière momentanée ou continue.
Dans un système de dérivation distribué, chaque unité ASI possède son propre commutateur de dérivation, ces commutateurs étant connectés en parallèle.
Cette configuration différente influe sur celle du tableau de distribution de sortie :
avec un système de dérivation centralisé, un ensemble complet de commutateurs de puissance supplémentaires est nécessaire sur le tableau d'entrée et un autre ensemble complet sur le tableau de sortie pour alimenter et isoler le commutateur de dérivation statique. Plusieurs commutateurs adaptés aux ASI sont également nécessaires sur le tableau d'entrée et sur le tableau de sortie pour alimenter et isoler les modules ASI. Pour plus d'informations, voir la figure 2.
• Avec un système de dérivation distribué, plusieurs commutateurs adaptés aux ASI sont nécessaires sur le tableau d'entrée et sur le tableau de sortie pour alimenter et isoler les ASI avec les commutateurs statiques en parallèle.
Le dimensionnement du commutateur de dérivation de maintenance (MBS) étant nécessaire pour fournir la puissance totale du système, la conception de ce dernier reste inchangée à cet égard. Le MBS fera partie de l'entrée et de la sortie de l'appareillage de commutation.
Les commutateurs des unités d'alimentation sans coupure (UPS) dans les boîtes de distribution d'entrée et de sortie seront identiques dans les deux configurations si les caractéristiques de l'UPS ou du module d'entrée/sortie (IOM) sont les mêmes. Dans ce cas, « UPS » désigne l'unité d'alimentation sans coupure utilisée pour un système de dérivation distribué avec commutateur statique, et « UPS-OIM » désigne l'unité d'alimentation sans coupure utilisée pour un système de dérivation centralisé sans commutateur statique.
Généralement, une UPS ou un système de dérivation distribué possède des alimentations distinctes pour le redresseur de l'UPS et le commutateur statique (voir figure 3 pour plus d'informations). Dans un système de dérivation distribué redondant, une alimentation commune pour le redresseur et le commutateur statique peut toutefois être utilisée sans compromettre la fiabilité du système et pour réduire les coûts d'installation.
Lors de l'utilisation d'un système de dérivation distribuée, il est essentiel de s'assurer que le câblage ou le bus reliant l'appareillage d'entrée à la dérivation statique de l'onduleur, et la sortie de l'onduleur à l'appareillage de sortie, présente la même longueur et la même impédance. Ceci est nécessaire pour répartir la charge équitablement entre les interrupteurs statiques de l'onduleur lorsque le système est en mode de dérivation active. Si ces impédances ne sont pas égales, cela entraînera un déséquilibre de charge entre les interrupteurs statiques et risque de provoquer la surcharge d'un ou plusieurs d'entre eux.
L'illustration suivante présente le principe de câblage (Figure 4).
C'est la principale raison pour laquelle les systèmes distribués en parallèle ne sont pas optimaux pour une utilisation à 100 % de leur capacité, mais conviennent à une redondance N+1 ou jusqu'à 90 % (conformément à la norme Tier III). Le système de dérivation centralisé est plus tolérant aux impédances de câblage entre les onduleurs.
Le système de dérivation distribuée offre une plus grande flexibilité de dimensionnement, car il peut être étendu par l'ajout en parallèle d'onduleurs de puissance similaire afin d'accroître la redondance ou la capacité. Avec un système de dérivation centralisé (SBM), la puissance est limitée à celle du module SBM, mais il permet l'utilisation en parallèle d'onduleurs-IOM de puissances différentes.
Centralisé ou distribué ? Choisir un système d’alimentation sans coupure (ASI) parallèle.
Les grandes organisations ont besoin de configurations sur mesure répondant à leurs exigences de disponibilité et de gestion. Le choix de la configuration dépend également du contexte : installation, mise à niveau ou remplacement d’un système ASI existant.
Le tableau ci-dessous présente les avantages et les inconvénients à prendre en compte pour choisir la configuration la plus adaptée à un système ASI parallèle.
En matière de coûts système, si l'on compare deux systèmes simples à deux modules, l'un distribué et l'autre centralisé, le système distribué sera moins onéreux. Cependant, à mesure que la taille du système UPM parallèle augmente, la différence de coût global du système UPS, incluant la connexion et l'installation, devient plus significative.
Dans la solution d'Eaton, la technologie parallèle HotSync® est partagée par les deux systèmes. Si la plupart des technologies parallèles du marché répondent aux besoins de synchronisation, de partage de charge et de déclenchement sélectif, elles nécessitent généralement un câblage important entre les modules, et parfois même entre les modules et l'armoire de dérivation. En effet, la défaillance de l'une de ces boucles entraîne le transfert d'énergie du système parallèle vers la dérivation, ce que les clients cherchent précisément à éviter en acquérant un système d'alimentation sans coupure (ASI) parallèle redondant. La technologie parallèle HotSync® d'Eaton élimine ces problèmes.
Une architecture basée sur un algorithme de partage de charge HotSync® assure la connectivité et le contrôle du mode de fonctionnement, et effectue la synchronisation multi-ASI et la distribution de charge sans recourir à des réseaux de câblage inter-modules. Le système de dérivation distribué se compose de deux à six unités ASI, chacune équipée d'une carte contrôleur réseau (CAN) (connectée en parallèle à l'ASI), et d'une armoire ou d'un tableau de distribution de charge fourni par le client, servant de point de connexion. Une architecture pair-à-pair permet un fonctionnement en parallèle du système, sans nécessiter de quota de charge principal ni de contrôle de synchronisation centralisé. Chaque onduleur utilisant l'algorithme de répartition de charge HotSync régule sa propre puissance de sortie et son quota de charge partagé de manière indépendante, en fonction de ses propres mesures.
Les deux systèmes peuvent tirer parti de l'architecture Energy Advantage Architecture (EAA) d'Eaton pour optimiser la consommation d'énergie et, par conséquent, réduire les coûts d'exploitation du système informatique. Les deux technologies brevetées complémentaires, le système de gestion des modules variables (VMMS) et le système d'économie d'énergie (ESS), maximisent l'efficacité des onduleurs et réduisent considérablement la consommation d'énergie et l'impact environnemental.
Réflexions finales
Les entreprises investissent dans des systèmes d'alimentation sans coupure (ASI) parallèles afin de prévenir la perte de données électroniques précieuses, de minimiser les temps d'arrêt des équipements et de réduire les effets néfastes des coupures de courant sur les équipements de production. Dès les années 1970, des installations d'ASI étaient mises en œuvre dans divers établissements militaires, de défense, industriels, commerciaux, gouvernementaux et de santé.
Dans les systèmes modernes, il n'existe aucun point de défaillance unique. Grâce à une architecture pair-à-pair, chaque module d'ASI fonctionne indépendamment, sans contrôleur maître externe ni câblage entre les modules de contrôle. Les systèmes de dérivation centralisée (SBM) et distribuée offrent tous deux l'avantage d'une fiabilité accrue de l'alimentation électrique et, par conséquent, d'une disponibilité accrue du centre de données. Ceci se traduit par deux mécanismes : (1) la redondance du système d'ASI et (2) la possibilité d'effectuer simultanément la maintenance de n'importe quelle ASI ou SBM, tandis que l'ensemble du système continue de fournir une alimentation conditionnée et de secours par batterie.
En choisissant un système UPS parallèle Eaton, vous avez l'assurance que votre charge critique est protégée par le système le plus fiable du marché. Lors de la conception d'un système UPS, les ingénieurs se posent trois questions essentielles : « Et si… ? » afin d'éliminer tout risque de défaillance unique. Contrairement aux idées reçues concernant les systèmes de dérivation distribués, la solution Eaton offre le même niveau de fiabilité qu'un système de dérivation centralisé, à condition que la conception de l'UPS soit rigoureuse et que les différentes conditions de défaillance soient correctement prises en compte.
La longueur des câbles du système parallèle doit être identique afin d'assurer une distribution de courant approximativement proportionnelle en mode bypass. Pour un fonctionnement correct, les conditions suivantes doivent être remplies :
1A=2A=3A=4A
1B=2B=3B=4B
Afin de réduire les coûts de câblage, la condition suivante est également considérée comme suffisante :
1A + 1B = 2A + 2B = 3A + 3B = 4A + 4B
Toute différence de longueur de câble entraînera une diminution de la capacité du système UPS en mode bypass. Par exemple, une différence de 10 % entre les longueurs de câble les plus longues et les plus courtes se traduira par une diminution de 10 % de la capacité de bypass. Ceci peut empêcher le transfert vers l'onduleur.
Auteur:
Janne Paananen : Ingénieur d'applications, Groupe Grands Systèmes Eaton ;
Carlos De la Guardia : Ingénieur d'applications produits, Onduleurs triphasés chez Eaton
