Chapitre 10 · Sujet 5 sur 5
Machines statiques : transformateurs, onduleurs (UPS)
Transformateurs basse tension (isolement, adaptation 3 × 230 V / 3N 400 V) et onduleurs (UPS) : principes, technologies, dimensionnement et précautions d'installation.
Niveau 1
L'essentiel
- Une machine statique n'a pas de pièce en mouvement : transformateurs, onduleurs, redresseurs, chargeurs.
- Le transformateur basse tension sert à isoler un circuit, à créer une très basse tension ou à adapter la tension, par exemple pour passer d'un réseau 3 × 230 V à 3N 400 V.
- L'onduleur (UPS, « Uninterruptible Power Supply ») maintient l'alimentation de charges sensibles (serveurs, baies réseau, contrôle d'accès) pendant une coupure, grâce à des batteries.
- Un onduleur se choisit par sa puissance (en kVA et en kW), sa technologie et son autonomie.
- Ces appareils chauffent : il faut respecter la ventilation du local et les distances prévues par le fabricant.
Comprendre
Le transformateur
Un transformateur possède un enroulement primaire et un enroulement secondaire bobinés sur un même circuit magnétique. Le rapport des nombres de spires donne le rapport des tensions. Les deux enroulements ne sont reliés que magnétiquement : le secondaire est isolé du primaire.
Usages courants en tertiaire :
- adaptation de tension : un bâtiment bruxellois en 3 × 230 V doit alimenter un équipement prévu pour 3N 400 V (certains onduleurs photovoltaïques, bornes de recharge, machines). Un transformateur triangle/étoile crée le 400 V et un neutre ;
- transformateur d'isolement : alimente un circuit séparé du réseau ;
- transformateur de sécurité : produit une très basse tension de sécurité (par exemple pour des circuits de commande ou des lieux mouillés).
Le transformateur de distribution haute tension / basse tension est traité dans Le transformateur de distribution.
L'onduleur (UPS)
Il comprend un redresseur-chargeur, des batteries et un onduleur qui recrée une tension alternative. Il existe trois grandes familles :
- off-line (attente passive) : la charge est alimentée par le réseau, l'onduleur prend le relais en cas de coupure, avec un court temps de basculement ;
- line-interactive : idem, avec une régulation de tension en plus ;
- on-line double conversion : la charge est toujours alimentée par l'onduleur ; pas de basculement, tension propre. C'est la technologie habituelle pour les salles informatiques.
Un by-pass permet d'alimenter la charge directement par le réseau en cas de panne de l'onduleur ou de maintenance.
Sur le terrain
Une agence bancaire à Namur possède un local technique avec deux baies informatiques. Un onduleur on-line de 6 kVA les alimente. Le technicien de maintenance vérifie l'historique : l'onduleur a basculé sur batterie lors de deux microcoupures, sans conséquence pour les serveurs. Il lance un test de batterie : l'autonomie mesurée est tombée à la moitié de la valeur d'origine. Les batteries ont cinq ans et ont travaillé dans un local trop chaud. Il propose leur remplacement et l'ajout d'une ventilation du local.
Erreurs fréquentes
- Choisir un onduleur sur sa puissance en kVA sans vérifier sa puissance en kW.
- Placer l'onduleur dans un local non ventilé : la chaleur raccourcit fortement la durée de vie des batteries.
- Ne jamais tester l'autonomie et découvrir des batteries usées lors d'une vraie coupure.
- Raccorder en aval de l'onduleur des charges non prévues (radiateur d'appoint, imprimante laser) qui le surchargent.
- Mettre sous tension un transformateur sans tenir compte de son courant d'enclenchement : le disjoncteur amont déclenche.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Transformateur : tensions aux bornes des enroulements U1 / U2 ≈ N1 / N2 ; en triphasé, le rapport des tensions entre phases dépend aussi du couplage ; puissance apparente S = √3 × U × I en triphasé ; courant de court-circuit secondaire limité par la tension de court-circuit ucc.
- Le courant d'enclenchement d'un transformateur peut atteindre une valeur très supérieure à son courant nominal pendant quelques alternances : protection amont de courbe adaptée.
- Un transformateur ou un onduleur qui sépare galvaniquement crée une nouvelle source : le schéma de liaison à la terre en aval doit être défini, indiqué sur les tableaux et les schémas, et la protection des personnes réétudiée.
- Une alimentation sans interruption est une source de sécurité reconnue par le RGIE ; un second branchement au réseau ne l'est pas (RGIE, Livre 1, 5.5.5.2).
- L'autonomie d'un onduleur se calcule en énergie, puis se vérifie avec les tables de décharge du fabricant, car la capacité d'une batterie diminue avec la vitesse de décharge.
Approfondir
Transformateur BT/BT
Le courant nominal se calcule de chaque côté avec S = √3 × U × I. Sa tension de court-circuit ucc (en %) permet d'estimer le courant de court-circuit maximal au secondaire en supposant le réseau amont de puissance infinie :
Icc ≈ In2 / ucc
C'est une valeur majorante (l'impédance amont et les câbles la réduisent). Elle sert à choisir le pouvoir de coupure des appareils en aval. Pour l'Icc min et le déclenchement en bout de ligne, il faut au contraire tenir compte de toutes les impédances (voir Le courant de court-circuit).
Couplage et neutre
Pour créer un réseau 3N 400 V à partir d'un réseau 3 × 230 V, on utilise un transformateur de couplage triangle au primaire et étoile avec neutre sorti au secondaire (Dyn). Avec 230 V par enroulement de chaque côté (rapport de spires égal à 1), le secondaire donne 230 V entre phase et neutre et 230 × √3 ≈ 400 V entre phases : c'est le couplage, et non le rapport de spires, qui crée le facteur √3. Le secondaire est une nouvelle source : on choisit son schéma de liaison à la terre (voir Choisir un schéma de liaison à la terre), avec la prise de terre et les protections correspondantes. Le RGIE ne donne pas de règle propre au transformateur BT/BT, mais il impose de pouvoir sectionner chaque source d'énergie (RGIE, Livre 1, 5.3.3.1 a.2), de décrire les sources (puissance, tensions, courants, impédances) sur les schémas (3.1.2.2 b) et d'indiquer le schéma mis à la terre sur chaque tableau (3.1.3.3 b). Il signale aussi que le passage d'un schéma mis à la terre à un autre demande une attention particulière (5.5.7.5). Le choix se fait avec le bureau d'études et l'organisme agréé.
Onduleur : puissance, autonomie, distribution
- Puissance : un onduleur de 10 kVA dont le facteur de puissance de sortie vaut 0,9 délivre au plus 9 kW. On vérifie les deux limites.
- Autonomie : énergie demandée aux batteries E = P × t / η (η : rendement de l'onduleur sur batterie). Le courant de décharge vaut I = P / (η × Ubat). La capacité réellement disponible lors d'une décharge en quelques minutes est bien inférieure à la capacité nominale (donnée pour une décharge lente) : on dimensionne avec les tables de décharge en puissance par élément.
- Vieillissement : la durée de vie des batteries plomb diminue fortement avec la température ; un local tempéré prolonge leur vie.
- Sélectivité : en mode batterie, l'onduleur ne fournit qu'un courant de court-circuit limité, à peine supérieur à son courant nominal pour certains modèles (donnée du fabricant). Les protections en aval doivent pouvoir déclencher avec ce courant, sinon un défaut fait s'arrêter l'onduleur entier. On découpe donc la distribution en aval en petits départs.
- Neutre et différentiels : selon la technologie (avec ou sans transformateur), le neutre de sortie est ou non le même que celui d'entrée ; cela conditionne le schéma de liaison à la terre en aval et le fonctionnement des différentiels.
Pour les batteries en général, voir Le stockage par batteries. Quand l'onduleur alimente des installations de sécurité, des conditions particulières s'appliquent (voir Les installations de sécurité et leur alimentation). Le RGIE reconnaît comme sources de sécurité les batteries, les piles, les groupes électrogènes indépendants de la source normale et les alimentations sans interruption ; un transformateur alimenté par le réseau ne figure pas dans cette liste, et un branchement séparé au réseau n'est pas admis. La source s'enclenche automatiquement, est installée à poste fixe dans un local exclusivement dédié, ventilé, accessible aux seules personnes BA4 ou BA5, et subit au moins un test de basculement sur charge par an (RGIE, Livre 1, 5.5.5.2).
Exemple chiffré
1. Transformateur d'adaptation 3 × 230 V → 3N 400 V, 50 kVA, ucc = 4 %.
- Courant primaire : I1 = 50 000 / (√3 × 230) ≈ 125,5 A.
- Courant secondaire : I2 = 50 000 / (√3 × 400) ≈ 72,2 A.
- Icc max au secondaire (réseau amont supposé infini) : 72,2 / 0,04 ≈ 1804 A, soit environ 1,8 kA. Des disjoncteurs de 6 kA suffisent en aval immédiat pour ce critère.
2. Onduleur on-line 10 kVA, facteur de puissance de sortie 0,9, charge de 6 kW, autonomie souhaitée 10 min, rendement sur batterie 0,92, batterie de 192 V.
- Puissance active disponible : 10 × 0,9 = 9 kW ≥ 6 kW : la charge est admissible (vérifier aussi les kVA réels de la charge).
- Énergie demandée aux batteries : E = 6000 × (10 / 60) / 0,92 ≈ 1087 Wh.
- Courant de décharge : I = 6000 / (0,92 × 192) ≈ 34,0 A.
- Capacité théorique : 34,0 × (10 / 60) ≈ 5,7 Ah. Cette valeur ne sert pas à choisir la batterie : à une décharge aussi rapide, une batterie de capacité nominale bien plus élevée est nécessaire. On consulte la table de décharge du fabricant (puissance par élément pour 10 min jusqu'à la tension d'arrêt), puis on ajoute une marge de vieillissement.
Erreurs fréquentes
- Dimensionner les batteries d'un onduleur avec la capacité nominale en Ah sans tenir compte du régime de décharge.
- Prendre In2 / ucc pour l'Icc minimal alors que c'est une valeur maximale.
- Oublier de définir le schéma de liaison à la terre en aval d'un transformateur d'isolement ou d'adaptation.
- Raccorder un gros départ en aval de l'onduleur avec une protection qui ne déclenche pas sur le courant de court-circuit limité de l'onduleur en mode batterie.
- Protéger le primaire d'un transformateur par un disjoncteur courbe B ou C sans vérifier le courant d'enclenchement.