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Comparaison des topologies UPS : Interactif en ligne - en ligne - hors ligne

Worton

Traducteur David
5 mars 2021

Une alimentation électrique sans interruption fait référence à un système d'alimentation qui fournit une alimentation de secours lorsque la source d'alimentation d'entrée ou l'alimentation secteur est défaillante, considérée comme une protection quasi instantanée contre les interruptions de l'alimentation d'entrée. Les trois catégories générales de systèmes UPS modernes sont les suivantes : en ligne, en ligne interactive et hors ligne. Cet article présente une analyse objective de ces trois types de topologies en fonction de leurs principes de fonctionnement, leurs fonctionnalités, leurs avantages et inconvénients et de leurs applications.

UPS interactif en ligne - UPS en ligne - UPS hors ligne : Principes de fonctionnement

UPS hors ligne - Protection de l'alimentation électrique d'entrée

EXPLICATION WiKi

Dans un système UPS hors ligne ("de secours"), la charge est alimentée directement par la puissance d'entrée, et le circuit d'alimentation de secours ne sera invoqué qu'en cas de panne de courant.

Plus précisément, la charge est alimentée directement par la puissance brute du système plutôt que par la sortie de l'onduleur. Les composants du stockage d'énergie - chargeur de batterie, batterie et onduleur - sont hors ligne en ce qui concerne la charge, bien que le chargeur et la batterie restent toujours connectés au secteur afin de garantir que la batterie est toujours complètement chargée. Lorsque la tension du secteur tombe en panne ou dépasse les limites, le commutateur connecte immédiatement la sortie de l'onduleur à la charge critique.

Principe de fonctionnement des onduleurs hors ligne

UPS interactif en ligne - Protection de puissance de niveau intermédiaire

EXPLICATION WiKi

Un onduleur interactif maintient l'onduleur en ligne et redirige le courant continu de la batterie du mode de charge normal vers la distribution de courant en cas de perte de puissance.

Dans ce design intelligent, l'onduleur de la batterie au courant alternatif est toujours connecté à la sortie de l'onduleur. Lorsque le courant alternatif d'entrée est normal, l'onduleur du UPS fonctionne en sens inverse et assure la charge de la batterie. En cas de panne de courant, le commutateur de transfert se met en marche et le courant passe de la batterie à la sortie de l'onduleur. Cette conception offre un filtrage supplémentaire et permet de réduire les perturbations transitoires de commutation puisque l'onduleur est toujours en marche et connecté à la sortie.

Principe de fonctionnement des onduleurs interactifs en ligne

UPS en ligne - La protection maximale de la puissance

EXPLICATION WiKi

Un UPS en ligne utilise une méthode de "double conversion" qui consiste à accepter une entrée en courant alternatif, à la corriger en courant continu pour qu'elle passe par la batterie rechargeable (ou les chaînes de batteries), puis à l'inverser à 120 V/230 V CA pour alimenter l'équipement protégé.

Dans un UPS en ligne (ou à double conversion), le courant alternatif d'entrée charge la batterie de secours qui alimente l'onduleur de sortie, de sorte que la défaillance du courant alternatif d'entrée n'entraîne pas l'activation du commutateur de transfert. C'est-à-dire que si une perte de puissance se produit, le convertisseur tombera simplement hors circuit et les batteries maintiendront la puissance stable et sans changement. Pas de temps de transfert pendant la panne. Lorsque le courant est rétabli, le convertisseur reprend la plus grande partie de la charge et commence à charger les batteries, bien que le courant de charge puisse être limité pour éviter que le convertisseur de forte puissance ne surchauffe les batteries et ne brûle les électrolytes.

Principe de fonctionnement des onduleurs en ligne

UPS interactif en ligne - UPS en ligne - UPS hors ligne : Fonctions

Les trois catégories susmentionnées ont été conçues pour protéger le matériel et les équipements électriques en cas de coupure de courant imprévue. Cependant, influencés par divers principes de fonctionnement, leurs capacités spécifiques sont différentes.

Protection contre les surtensions et le bruit

Les trois systèmes UPS possèdent des fonctions de protection contre les surtensions et de filtrage des bruits de ligne afin de protéger les équipements contre les dommages causés par la foudre, les surtensions et les perturbations électromagnétiques de ligne (EMI/RFI). En particulier, le système UPS en ligne offre une protection supérieure en raison de l'opération de double conversion qui isole l'équipement des problèmes sur la ligne CA.

Temps de transfert à la batterie

Lors d'une panne, une interruption de l'alimentation d'une charge de 2 à 10 millisecondes est inévitable dans les systèmes d'onduleurs hors ligne/de secours, tandis que les systèmes d'onduleurs interactifs en ligne passent généralement du courant de ligne au courant dérivé de la batterie en 2 à 4 millisecondes, ce qui est suffisamment rapide pour que tous les équipements les plus sensibles à la puissance fonctionnent sans interruption, sauf un pourcentage réduit. Étonnamment, le système UPS en ligne n'a pas de temps de transfert, car l'onduleur alimente déjà la charge de l'équipement connecté lorsqu'une panne se produit.

Régulation de la tension

Comme on le sait, la régulation de la tension est cruciale, en particulier pour les conditions de basse tension. Les systèmes d'onduleurs interactifs en ligne utilisent la régulation automatique de la tension (AVR) pour corriger les tensions anormales sans passer à la batterie. Lorsque la tension franchit une valeur limite basse ou haute prédéfinie, ce type d'onduleur détecte et utilise des transformateurs pour augmenter ou diminuer la tension d'une quantité déterminée afin de la rétablir dans la limite acceptable. Les systèmes d'onduleurs en ligne adoptent une méthode plus précise de régulation de la tension : fonctionnement continu à "double conversion", isolant les équipements connectés des problèmes sur la ligne CA, y compris les coupures, les baisses de tension, les surtensions, la distorsion harmonique, les impulsions électriques et les variations de fréquence. Lorsque le système ne fonctionne pas sur batterie, les systèmes d'onduleurs interactifs en ligne régulent généralement la sortie à ±8-15 % de la tension nominale (par exemple 120, 208, 230 ou 240 volts), tandis que les systèmes d'onduleurs en ligne régulent généralement la tension à ±2-3 %.

En fait, il y a des problèmes de puissance fréquents qui peuvent se produire lors des opérations quotidiennes. Le tableau ci-dessous indique si le système UPS susmentionné protège contre ce genre d'anomalies :

Hors Ligne Interactif en lign En Ligne
Panne de courant
Chute du courant
Surtension de courant
Sous-tension
Surtension de voltage
Perturbation des lignes électriques
Variation de la fréquence
Changement du mode opératoire
Distorsion harmonique

UPS interactif en ligne - UPS en ligne - UPS hors ligne : Avantages et inconvénients

Lorsqu'il s'agit d'une comparaison directe, il est impossible d'ignorer les avantages et les inconvénients, ce qui peut aider à prendre une décision appropriée. Les avantages et les limites de ces trois topologies du système UPS sont présentés ci-dessous.

UPS hors ligne

Benefits

  • Haute efficacité (le chargeur n'est pas constamment en marche)

  • Facilité d'utilisation

  • Prix accessible

Inconvénients

  • Utilise la batterie pendant les pannes de courant, protection limitée ou nulle contre les perturbations de courant.

  • La charge est continuellement exposée aux surcharges, aux transitoires et à toutes autres anomalies de la ligne électrique, ce qui entraîne un risque de perte ou d'endommagement des équipements et des données.

  • Temps de transfert limité entre le bloc d'alimentation et l'onduleur en cas de panne de courant.

UPS interactif en ligne

Avantages

  • Haute fiabilité

  • Haute efficacité

  • Conditionnement raisonnable de la tension

  • Réduction de la consommation d'électricité

  • Réduction de la quantité de composants

  • Des températures de fonctionnement réduites

Inconvénients

  • Peu pratique au-delà de 5kVA

  • Aucune protection contre toutes les formes d'irrégularités de courant

  • Ne fournit aucune correction du facteur de puissance ou régulation de fréquence

  • Requière une utilisation fréquente de la batterie dans des zones de forte perturbation de la tension

UPS en ligne

Avantages

  • Régulation améliorée de la tension

  • Le temps de conversion de DC à AC est négligeable et il n'y a pas de lacunes dans la couverture

  • Aucune fluctuation de la tension, ce qui indique une qualité de tension stable

  • La qualité de la tension de charge est libre de toute distorsion

  • Un taux de charge électrique presque optimal, une protection maximale contre toutes les irrégularités de courant.

Inconvénients

  • Designs complexes nécessitant un grand dissipateur thermique

  • Dissipation de puissance plus élevée

  • L'efficacité globale de l'onduleur est réduite (l'onduleur est toujours en marche).

  • La puissance du convertisseur est augmentée (il doit alimenter l'onduleur et charger la batterie).

  • Plus coûteux que les autres systèmes UPS

UPS interactif en ligne - UPS en ligne - UPS hors ligne : Applications

Compte tenu des avantages et inconvénients précédents et en combinant la situation existante et les exigences, il est temps de déployer les trois topologies dans des applications pratiques. Les applications de ces trois topologies avec des principes de fonctionnement différents varient, allant de résidences de petite taille à des centres de données à grande échelle.

En raison de son efficacité énergétique plus élevée et de sa nature économique, l'onduleur hors ligne est le plus souvent utilisé pour les foyers, les petits bureaux à budget réduit, et certains domaines qui ont des exigences relativement faibles en matière de qualité de l'alimentation électrique. Le meilleur rapport qualité-prix pour les ordinateurs personnels, et convient également aux imprimantes, scanners, alimentations électriques de secours et EPABX.

Parmi les choix principaux, l'onduleur interactif en ligne qui répond aux exigences d'une grande fiabilité de puissance est idéal pour les serveurs départementaux, les foyers, les petites et moyennes entreprises. Dans certaines zones à infrastructures défaillantes où la tension du secteur est instable, fluctue fortement ou est fortement perturbée, un onduleur interactif peut avoir besoin de charger la batterie une ou deux fois par jour, voire plus fréquemment.

Le système UPS en ligne le plus intelligent, considéré comme une solution par défaut pour fournir une alimentation de secours et une protection aux équipements et serveurs critiques des centres de données, peut également être appliqué dans des domaines tels que l'informatique, transports, banques, sécurité, communications, secteur médical nécessitant une alimentation électrique de longue durée. Plus précisément, pour certains systèmes à moteur inducteur et autres applications similaires de commande, les unités de soins intensifs, équipements médicaux, appareils électriques sensibles.

UPS interactif en ligne - UPS en ligne - UPS hors ligne : Que choisir ?

Le tableau ci-dessous résume certains des points clés abordés précédemment entre les trois modèles.

Hors Ligne Interactif en Ligne En Ligne
Taille Compact En général, grands et lourds Généralement petit et léger
Capacité pratique de puissance (kVA) 0-0.5 0.5-5 5-5000
Conditionnement de la tension Bas Dépend du design Élevé
Coût par VA Bas Medium Medium
Efficacité Élevé
(généralement 95-98%)
Élevé
(généralement 90-96%)
Bas-Modéré
(généralement 80-90%)
Coût Bas Modéré Élevé
Domaines d'application typiques Maisons ; petits bureaux Petites et moyennes entreprises Télécommunications ; Communications ; Banque ; Transports ; Environnements industriels

Lorsque vous envisagez une solution UPS, renseignez-vous sur le type d'UPS et le niveau de protection correspondant. La différence principale entre les onduleurs en ligne, hors ligne et interactifs réside dans leurs principes de fonctionnement, qui se reflètent dans la diversité de leurs caractéristiques, fonctionnalités, avantages et inconvénients. De plus, la conception interne de la topologie des UPS aura une incidence supplémentaire sur la manière dont elles fonctionneront dans divers environnements d'application.

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