Article sur les caractéristiques assignées du neutre dans l'ue

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1 Article sur les caractéristiques assignées du neutre dans l'ue Introduction La concurrence mondiale explose, forçant les sociétés à rechercher la valeur ajoutée et à automatiser les processus chaque fois que cela est possible. On recourt de plus en plus à la technologie informatique pour atteindre ces buts, ce qui se traduit par une demande accrue de puissance de calcul. Les sociétés conçoivent, consolident ou revoient la conception des centres de données afin de prendre en compte les besoins accrus de capacité tout en cherchant des solutions à la diminution des budgets et à la disponibilité limitée en puissance supplémentaire des services publics, notamment dans les zones métropolitaines. Les responsables de centres de données, responsables des installations et architectes électriciens ont besoin de coordonner leurs efforts afin de concevoir des systèmes de distribution d'alimentation flexibles et rentables pour centres de données assurant la conformité avec les codes en toute sécurité. Un point pourrait prêter à confusion ou à débat lors du processus de conception, à savoir les courants harmoniques. Cet aspect était particulièrement important dans les centres de données d il y a 10 à 20 ans. Désormais, grâce aux réglementations et aux nouvelles technologies, il ne pose plus vraiment problème. Afin de vous aider à concevoir un système de distribution d alimentation plus rentable pour des systèmes informatiques modernes, cet article définit les harmoniques, étudie certaines options qui pourraient être recommandées pour les traiter, fournit une argumentation reprenant les raisons pour lesquelles ces options coûteuses ne sont généralement plus nécessaires lors de la fourniture d'électricité à un matériel IT moderne. Charges non linéaires et harmoniques Dans les systèmes de distribution d alimentation en c.a., des harmoniques se produisent lorsque la forme d onde normale du courant électrique est déformée par des charges non linéaires. Une charge linéaire correspond au cas où une tension (onde sinusoïdale) est appliquée aux bornes d'une résistance constante pour donner un courant (autre onde sinusoïdale) comme représenté sur la Fig. 1. Figure 1. Onde sinusoïdale de charge linéaire.

2 Les charges non linéaires apparaissent lorsque la résistance n est pas constante et qu elle change durant chaque onde sinusoïdale de la forme d onde de la tension appliquée, ce qui donne une série d'impulsions positives et négatives, comme illustré sur la Fig. 2. Figure 2. Impulsions de courant dans le cas de charges non linéaires. Ces impulsions peuvent créer des courants harmoniques en plus du courant d origine. A titre d exemple, la troisième harmonique de 60 Hz est 180 Hz. Dans les systèmes d alimentation triphasés, les harmoniques paires sont annulées, de sorte que seules les harmoniques impaires posent problème. Sur les systèmes triphasés, chaque tension entre phases présente un déphasage de 120, ce qui provoque également un déphasage de 120 pour le courant par phase, comme représenté à la Fig. 3. Figure 3. Troisième harmonique. Dans le cas d'une distribution équilibrée, où chaque phase porte une quantité égale de courant, les courants s'annulent entre eux lorsqu'ils se combinent au niveau du conducteur neutre commun pour revenir à la source, ramenant le courant neutre à zéro. C est la raison pour laquelle un neutre peut assumer trois phases et pour laquelle les codes de câblage permettent de choisir une petite taille pour le fil du neutre. Bien qu il soit pratiquement impossible de réaliser une distribution parfaitement équilibrée, les circuits portant des charges linéaires ne créent généralement pas beaucoup de courant neutre. Dans le cas de charges non linéaires, la troisième harmonique sur l ensemble des trois phases est exactement en phase et s ajoute, plutôt que de s annuler, ce qui crée un courant et une chaleur sur le conducteur neutre. Des charges harmoniques laissées sans traitement peuvent réduire la capacité de distribution et détériorer la qualité de l'alimentation des systèmes d'alimentation des services publics, augmenter les coûts en énergie et CA, et entraîner des dysfonctionnements du matériel en raison d'erreurs de communication ou de pertes de données. Les effets subis par le système électrique public ont poussé les agences chargées de la réglementation à fixer des niveaux d'harmoniques plus bas et les services publics en charge de l'électricité à facturer plus cher les gaspillages d énergie.

3 Parmi les sources de charges non linéaires, on trouve le matériel informatique avec une alimentation à découpage, les moteurs et entraînement à vitesse variable, les photocopieuses, les imprimantes laser, les télécopieurs, les chargeurs de batterie, les systèmes d'alimentation sans coupure (UPS), les ballasts de tubes fluorescents, et le matériel de diagnostic médical. Traditionnellement, les charges non linéaires monophasées sont courantes dans les bureaux tandis que l on retrouve les charges non linéaires triphasées dans les usines et installations industrielles. Les centres de données se tournent toutefois de plus en plus vers la distribution de puissance triphasée. Options disponibles pour atténuer les harmoniques Il n est pas réaliste d envisager une élimination complète des harmoniques dans un centre de données, tant du point de vue de la difficulté que du coût. En revanche, lors de la construction d un nouveau centre de données ou du remodelage d'une installation existante, les ingénieurs électriciens et les responsables des installations pourraient spécifier des options afin d'atténuer les harmoniques dans le centre de distribution d'alimentation. Il est important de bien comprendre ces options et leurs coûts afin de mettre en relation la charge réelle des harmoniques et le coût d une telle solution. A l heure actuelle, il existe un certain nombre d options permettant de réduire au minimum les charges harmoniques réelles, mais il convient de les envisager avec soin en raison de la dépense supplémentaire qu'elles supposent ; en effet, elles utilisent du cuivre qui devient de plus en plus rare. Conducteurs neutres de 200% : Une possibilité revient à spécifier un conducteur neutre de 200% ou d utiliser des conducteurs neutres séparés. Des harmoniques de rang 3 (3, 9, 15, etc.) peuvent produire des courants neutres pouvant atteindre un maximum théorique de 173% du courant de phase, ce qui explique pourquoi on spécifie habituellement un conducteur neutre de 200%. Transformateurs de facteur K : Les transformateurs standard peuvent surchauffer et présenter une défaillance prématurée en raison des courants élevés produits par des charges non linéaires. Les transformateurs de caractéristique K sont conçus pour traiter la chaleur générée par les courants harmoniques. Les transformateurs standard présentent une caractéristique de facteur K égale à 1. Plus la caractéristique K est élevée, et plus le transformateur peut gérer et minimiser la chaleur générée par les harmoniques. Les transformateurs de facteur K doivent être sélectionnés avec soin afin de trouver un bon compromis coût/efficacité/sécurité. Transformateurs déphaseurs : Ces transformateurs peuvent aider à annuler les harmoniques lorsque plusieurs charges non linéaires de caractéristiques égales se partagent un système d alimentation. Les charges présentent un déphasage les unes par rapport aux autres (par exemple déphasage de -20 et déphasage de +20 ) de sorte qu une fois combinées, les harmoniques provenant des deux phases créent une onde sinusoïdale propre. Cette possibilité suppose un coût supplémentaire pour le centre de données et n'est pas toujours efficace étant donné que les charges doivent être exactement identiques sur chaque transformateur. Filtre d harmonique : Les filtres d harmonique éliminent les harmoniques et corrigent la phase du courant fondamental, convertissant ainsi les charges non linéaires en charges linéaires.

4 La meilleure option : une meilleure conception des systèmes et dispositifs La meilleure voie pour traiter les harmoniques dans un centre de données revient tout simplement à mieux concevoir les systèmes et dispositifs, objectif heureusement déjà en partie atteint. En 1982, la Commission électronique internationale (CEI) a créé la norme internationale CEI afin de limiter l'injection d'harmoniques dans le secteur alternatif et de réduire le gaspillage d'énergie. La Suisse, le Japon et d autres pays ont adopté la norme rapidement après sa publication. En 1995, la CEI a mis à jour la norme CEI par le biais de la norme CEI (également appelée EN ) afin de couvrir tous les matériels tirant jusqu'à 16 Amp par phase. La Commission européenne ainsi que de nombreux pays européens ont adopté cette norme, qui a à nouveau subi une mise à jour en 2008 et 2009, de sorte que les produits disponibles à la vente dans ces pays doivent être conformes à la norme. Afin de pouvoir proposer des produits sur le marché mondial, pratiquement tous les fabricants de matériel informatique respectent cette conformité. Afin d'être en conformité avec cette réglementation, les fournisseurs de matériel informatique du monde entier ont développé une technologie d'alimentation électrique dite à correction de facteur de puissance (Power Factor Corrected, PFC). Le facteur de puissance correspond au rapport entre l'alimentation réelle vers la charge et l alimentation apparente, et est un nombre compris entre zéro et 1 (par exemple: 0,5 pf = 50% pf). L alimentation réelle est la capacité du circuit. L alimentation apparente est le produit du courant et de la tension dans le circuit. Si l énergie est stockée dans la charge et renvoyée à la source, ou si elle est déformée par une charge non linéaire, la puissance apparente sera supérieure à la puissance réelle. Les charges présentant un facteur de puissance élevé tirent moins de courant que les charges présentant des facteurs de puissance faibles, et ces courants plus élevés augmentent la perte d'énergie, nécessitant un matériel plus gros. Les alimentations à découpage présentent un faible facteur de puissance. Les alimentations à PFC contrôlent le courant harmonique en utilisant soit un filtre, soit un système électronique qui contrôle alors la quantité d énergie tirée par la charge. Le but de la correction PFC est de rapprocher le facteur de puissance le plus possible de un, là où la forme d'onde du courant est proportionnelle à la forme d'onde de tension. Dans ce cas, la tension et le courant sont en phase et la consommation de puissance réactive est nulle, ce qui permet aux sociétés de fourniture d'énergie de livrer efficacement l'énergie. En d autres termes, la totalité de l énergie fournie par la source est consommée par la charge et aucune énergie n est retournée à la source. Aux Etats-Unis, il existe une spécification sur les performances dite label 80 PLUS faisant partie d un programme incitatif financé par les services publics, laquelle exige que les alimentations en énergie certifiées pour ordinateurs et serveurs présentent au moins une efficacité énergétique de 80%, ou qu elles soient supérieures à 20%, 50% et 100% de la charge nominale avec un facteur de puissance de 0,9 ou plus. Ce label 80 PLUS certifie des alimentations internes de 115 V et 230 V. Les alimentations certifiées 80 PLUS éliminent pratiquement les harmoniques et peuvent également donc réduire la consommation d'énergie, réduire la production de chaleur et les coûts liés au refroidissement, augmenter la fiabilité informatique et permettre aux ordinateurs de fonctionner sur le même circuit terminal. Pour de plus amples renseignements sur les certifications de fournisseurs, prière de consulter l adresse suivante :

5 Aux Etats-Unis, les exigences pour ordinateurs du programme Energy STAR, Version 4.0, intègrent les spécifications 80 PLUS et préconisent un facteur de puissance supérieur à 0,9 à 100% de la puissance de sortie assignée dans une alimentation pour PC. La Version 5.0 préconise une efficacité minimale de 85% à 50% ou à la puissance de sortie assignée, et une efficacité minimale de 82% à 20% et 100% ou à la puissance de sortie assignée avec un facteur de puissance supérieur ou égal à 0,9 à 100% de la puissance de sortie assignée. La Version 5.0 s applique aux ordinateurs de bureau, ordinateurs portables, postes de travail, clients légers et serveurs de petite échelle. Une spécification Energy Star pour serveurs informatiques est actuellement en cours de préparation et de révision. Concernant de plus amples renseignements sur les spécifications de serveurs, prière de consulter le site suivant computer_servers. Les fabricants de serveurs qui sont conformes en partie ou en totalité aux spécifications (EN , 80 PLUS, Energy STAR) sont énumérés ci-dessous : Les alimentations électriques pour les serveurs HP ProLiant contiennent toutes les circuits pour la correction du facteur de puissance. (Alimentation de base pour professionnels IT instructions de la technologie HP). HP propose actuellement 37 alimentations présentant une certification 80 PLUS en 115 V. La correction de facteur de puissance est une fonctionnalité standard sur toutes les alimentations all Cisco Catalyst série 6500 entrée c.a. et la série 7600 pour routeurs Internet. Dell propose actuellement 51 alimentations présentant une certification 80 PLUS en c115 V. FSP Technology, Inc dispose de 246 certifications 80 PLUS 115 V. Lenovo dispose de 23 certifications en 115 V. Certains fournisseurs ont reçu la certification 80 PLUS en 230 V : Dell, Fujitsu, HP, Hitachi, IBM, et NEC. Une étude entreprise par le 1196 NEC Subcommittee sur les charges non linéaires a quantifié les effets de ces améliorations technologiques : Ce sous-comité a étudié toutes les données disponibles concernant les mesures de circuits contenant des charges non linéaires. Les données ont été obtenues de consultants, fabricants de matériel et de laboratoires d essais, et comprenaient des centaines de canalisations de transport et de circuits terminaux impliquant des systèmes triphasés, à quatre fils et à montage étoile avec des charges non linéaires. Les données ont révélé que de nombreux circuits avait un courant de conducteur neutre supérieur au courant du conducteur de phase et qu environ 5% de l ensemble des circuits signalés présentaient un courant de conducteur neutre dépassant 125% du courant de conducteur de phase le plus élevé. Une étude documentée avec des données recueillies en 1988 à partir de 146 sites avec système d alimentation pour ordinateur triphasé a déterminé que 3,4% des sites avaient un courant neutre dépassant le courant assigné pleine charge du système. Les améliorations technologiques ayant encore eu lieu depuis la date de cette étude ont sans nul doute encore réduit les harmoniques de neutre. Conclusion Les harmoniques existant dans les centres de données étaient un réel problème dans le passé. On peut se réjouir qu'il s agisse d un problème sur le point d'être résolu, au moins en matière de matériel informatique, par les agences chargées de la réglementation et les fabricants de matériel informatique. Ces aspects ne font pas particulièrement l objet d une grosse couverture dans la presse ou en marketing dans la mesure où les sociétés ont plutôt tendance à se concentrer sur des avantages plus tangibles que sont l efficacité énergétique et la réduction des coûts liés à l énergie, raison pour laquelle le sujet des harmoniques est encore occasionnellement mentionné comme un problème lors de la conception des nouveaux systèmes de distribution d'alimentation. Les responsables des installations et architectes électriciens qui ne sont pas familiers de l équipement informatique moderne pourraient

6 spécifier des solutions coûteuses comme des transformateurs de facteur K ou des conducteurs neutres de 200% afin de traiter des charges non linéaires ou des courants de neutre harmoniques qui s'avèrent relativement rares dans le paysage IT actuel. Les responsables de centres de données informés sur le fait que les fournisseurs informatiques sont en conformité avec les normes d élimination des harmoniques peuvent aider à la mise en place de conceptions de distribution de l alimentation plus réalistes et rentables dans les centres de données et avoir une attitude plus proactive lors du remplacement de matériel hérité non conforme. En des termes plus simples, les conducteurs neutres nominaux de 100% conviennent pour la grande majorité des applications. On pourrait rencontrer des situations où des conducteurs neutres surdimensionnés sont nécessaires pour le restant des charges non linéaires dans le centre de données, par exemple pour l'éclairage ou le refroidissement, ou pour un matériel hérité devant être conservé pour une application particulière. Les produits Starline Track Busway proposent des conducteurs neutres efficaces surdimensionnés pouvant être utiles dans ces cas précis. En cas de doute, vérifier la conformité de votre matériel avec la norme EN , Energy Star 5.0 ou 80 PLUS, s assurer que l on achète un matériel conforme et surveiller la consommation d énergie ainsi que les niveaux d harmoniques sur le bus, ces dispositions donnant des preuves réelles sur les harmoniques et permettant de n appliquer des solutions d atténuation des harmoniques plus chères que sur les dispositifs qui en ont vraiment besoin. Vous disposerez à la fin d un centre de informatique plus éconergétique et ferez en plus des économies d énergie. Concernant StarLine Busway et Universal Electric Starline Track Busway est un système de distribution d alimentation électrique révolutionnaire, idéal pour les centres de données dynamiques d aujourd hui. Il s agit d une solution simple, flexible, rapide et économique pour l alimentation électrique de compartiments. Elle doit son originalité à la possibilité d installer des prises sur une canalisation à tout moment et partout, sans perdre un temps de fonctionnement précieux! A ce jour, L Universal Electric Corporation demeure le leader industriel de la distribution électrique personnalisée. Les systèmes STARLINE unanimement reconnus s avèrent être les seuls produits entièrement flexibles existants qui permettent un accès à l alimentation partout où cela est nécessaire. Conçus pour répondre aux besoins de puissance sans cesse changeants d acteurs en quête d une flexibilité extrême, les produits STARLINE continuent de révolutionner la distribution de l'alimentation électrique au sein des centres de données, sites industriels, chaînes de magasins et supermarchés dans le monde entier. Pour de plus amples renseignements sur Universal Electric, prière de consulter son site