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Notes – Comment calculer la puissance nécessaire pour un régulateur de tension ou un onduleur ?

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Bien que la confidentialité des données semble avoir pris le pas sur tous les autres aspects de la sécurité informatique, la disponibilité reste à n’en point douter, un indispensable. Après tout, sans disponibilité des équipements et par conséquent des données qu’ils contiennent, l’on ne saurait pas vraiment parler de confidentialité et d’intégrité. Ainsi et avec la force des usages, les équipements de protection électriques sont de plus en plus prisés mais parfois, au petit bonheur la chance, ou sur la base d’une évaluation superficielle. Les régulateurs de tension et les onduleurs puisqu’il s’agit majoritairement d’eux, peuvent-ils réellement se substituer l’un à l’autre ? Qu’est ce qui fait leurs particularités, susceptibles de les rendre plus appropriés dans tel ou tel contexte ?

1. Spécificités des régulateurs de tension et des onduleurs

1.1. Les régulateurs

Le régulateur de tension encore appelé stabilisateur de tension est un appareil conçu pour corriger automatiquement la tension électrique. Toutefois, son fonctionnement varie d’une technologie à l’autre. Ainsi, on distingue :

  • Le régulateur de tension à découpage : utilise des transistors de commutation pour transférer l’énergie, ce qui permet d’atteindre des rendements de 60 à 90%, donc plus élevés, permettant de ce fait d’avoir des tensions de sortie supérieures à la tension d’entrée. Néanmoins, Ils peuvent être configurés en abaisseur (réduire la tension), élévateur (augmenter la tension), ou abaisseur-élévateur.
  • Le régulateur de tension linéaire : utilise un transistor pour réguler la tension, ce qui simplifie le circuit le rendant moins coûteux mais moins efficace. Aussi, son rendement est plus faible de l’ordre de 40 à 50%.
  • Le régulateur de tension dit fixe : fournit une tension de sortie constante, sans possibilité de réglage.
  • Le régulateur de tension ajustable ou programmable : permet de modifier la tension de sortie, généralement avec un potentiomètre ou un contrôle numérique.

1.2. Les onduleurs

Un onduleur est un convertisseur qui transforme une source de courant en un courant alternatif, offrant une protection contre les coupures et les variations de tension du réseau électrique. Bien que des questions peuvent surgir quant au fait de le voir le plus souvent branché à une source de courant électrique alternatif, c’est tout simplement parce que l’onduleur en réalité dans un appareil de ce type, c’est le composant cible sur lequel repose le principe de sécurité pour lequel il est conçu.

Comme nous l’avons si bien souligné plus haut, il est conçu pour offrir une protection contre les coupures et les variations de courant du réseau électrique. Ce qui implique donc qu’il devrait être capable d’alimenter un appareil électrique tel qu’un ordinateur, un réfrigérateur, le chargeur de votre téléphone, et bien d’autres en courant alternatif. Or le stockage d’énergie se fait sur batterie et le courant issu de celle-ci est un courant continu. C’est là qu’entre réellement en jeu la composante qui donne ce rôle à l’appareil : l’onduleur.

L’onduleur est donc le principal composant qui permet de passer du courant continu en courant alternatif que nous utilisons pour alimenter nos appareils électriques. Bien qu’on retrouve également les onduleurs dans des dispositifs photovoltaïques (panneaux solaires), les onduleurs auxquels nous faisons référence ici, sont ceux utilisés entre un appareil et le réseau électrique courant dont la source peut être un barrage, une centrale nucléaire, gazière ou autre.

Ce type d’onduleur, rappelons-le est conçus pour fournir une alimentation de secours en cas de coupure de courant. On parlera donc d’Onduleurs UPS (Uninterruptible Power Supply) à contrario des onduleurs solaires qui eux, sont utilisés dans les systèmes photovoltaïques pour convertir le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif.

Les technologies employées dans les UPS influent sur leurs performances, leur réactivité et la qualité de courant qu’ils sont capables d’assurer aux appareils qu’ils sont censés protéger. Nous distinguons à cet effet les technologies suivantes :

  • En attente passive (offline ou passive standbye): offre une technologie basique avec un temps de commutation trop long ce qui réduit son champs d’utilisation. Le temps de commutation est aussi appelé temps de basculement ou temps de transfert, et désigne le laps de temps qui s’écoule entre le moment où l’onduleur détecte une coupure de courant et le moment où il bascule sur sa source d’alimentation de secours (batterie). Il pourra être ainsi recommandé pour des environnements au sein desquels le courant électrique est peu pertubé.
  • En interaction avec le réseau (line-interactive): permet d’avoir un temps de commutation court grâce à son pilotage par micro processeur. De plus, ce type d’onduleur régule la tension à travers un Régulateur Automatique de Tension (AVR) qui ajuste la tension d’entrée en utilisant un transformateur pour compenser les variations. Ces atout lui permettent de protéger les équipements connectés contre les surtensions et les sous-tensions sans avoir besoin de basculer sur la batterie, comme le ferait un onduleur off-line. Ils seront donc mieux adaptés pour palier aux pertubations électriques importantes.
  • A double conversion (online ou double conversion): son temps de commutation est nul par l’entremise de son système de reconstitution permanant du courant. En raison du courant électrique pur et régulé que ce type d’onduleur produit, il se révèle être adapté à tout environnement électrique même très perturbé, et plus encore, pour tous systèmes électroniques sensibles ou critiques, allant des gros serveurs informatiques aux applications industrielles. Leur différence fondamentale avec les onduleurs line-interactive réside dans le fait que les onduleurs « line-interactive » peuvent basculer sur la batterie en cas de coupure ou de variation de tension importante, alors que les onduleurs online ou double conversion régulent la tension en tout temps, la batterie n’intervenant qu’en cas de coupure de courant.

2. Relations entre les unités de mesure

Le Watt et le Volt Ampère (VA) sont souvent utilisés pour mesurer la puissance, la quantité d’énergie requise ou la charge de courant supportable par un régulateur de tension ou un onduleur. La différence entre les deux est la suivante : les Watts mesurent la puissance réelle utilisée par vos appareils, tandis que les VA mesurent la puissance totale, y compris la puissance utile et la puissance perdue en raison d’inefficacités.

Illustration de la différence entre les Watts et les VA. Source: https://xantrex.com/about-xantrex/blog/marine/watt-vs-va-avoiding-power-pitfalls/#:~:text=In%20technical%20terms%2C%20watts%20measure,and%20power%20lost%20in%20inefficiencies.

Dans un souci d’harmonisation, basculer vers l’une ou l’autre unité de mesure peut être nécessaire et peut permettre d’offrir des éléments de calcul uniformes pour un dimensionnement adapté. Il faudra donc noter que :

  • Watts = Volts xAmpères xFacteur de Puissance ou encore Watts = VA x FP ce qui implique que VA = Watts / FP. Le nombre de volts renvoie à la tension du courant et le nombre d’ampères à son intensité. Le facteur de puissance quant à lui, diffère d’un contexte ou d’un appareil à un autre. Toutefois, il fait référence à la puissance effective qu’un appareil est capable de consommer. Celle-ci peut varier en fonction des résistances inhérentes au circuit électrique ou aux composantes utilisées dans l’appareil. Le facteur de puissance est toujours compris entre 0 et 1. Pour les serveurs informatiques par exemple, le FP courant est de 0,9 ou plus. Celui des ordinateurs personnels quant à eux est compris entre 0,6 et 0,75 mais la valeur usuelle est de 0,66. Pour un réfrigérateur, le facteur de puissance est souvent considéré comme proche de 1, ce qui signifie que la puissance consommée par celui-ci est principalement de la puissance active.

3. Calcul de la charge maximale acceptable

Avant de choisir un onduleur ou un régulateur de tension, il faut faire la somme des puissances (quantités d’énergie) requises par tous les appareils qu’il devra alimenter.

Si nous prenons pour exemple un matériel informatique, nous pourrons utiliser la formule estimative suivante : Nombre VA = Nombre de Watts /0,66 où 0,66 représente le facteur de puissance.

Pour les calculs concernant d’autres appareils, des valeurs communes pourront être recherchées, mais nous pouvons déjà noter les suivantes en ce qui concerne le matériel informatique :

  • Pour 1 PC classique : 200 Watts de consommation soit 300 VA de puissance ;
  • Pour 1 serveur : 250 Watts de consommation soit 350 VA de puissance ;
  • Pour 1 écran standard : 90 Watts de consommation soit 150 VA de puissance.

Pour plus de sécurité, il serait judicieux de choisir un onduleur de puissance supérieure d’environ 20% ou 25% à la somme des charges qu’il devra supporter. En d’autres termes, il faudrait dimensionner l’appareil afin qu’il fonctionne à 80 ou 75% de sa puissance maximale, soit la somme des charges calculées divisée par 80 ou 75%. Par exemple, pour choisir un onduleur ou un régulateur de tension devant supporter une charge totale de 450 VA, on ajoutera une marge de sécurité de 25%, ce qui nous mène vers une puissance requise de 450/0.75 = 600 VA. En connaissance de cette puissance et des réalités du marché, nous pourrons jeter notre dévolu sur un appareil de 1000 VA.

Les régulateurs de tension et les onduleurs présentent des atouts en termes de performances qui influent inévitablement sur leurs coûts. La plus-value technique des seconds réside dans le fait qu’ils peuvent offrir un temps de fonctionnement supplémentaire en cas de coupure de courant, minimisant ainsi les effets des arrêts brusques dommageables pour certains équipements tels que les ordinateurs de bureau. Le facteur principal du choix de l’un par rapport à l’autre repose donc à ce niveau et il paraît évident que certains appareils peuvent être protégés de façon plus aisée si les arrêts brusques ne leurs sont pas dommageables, ou s’ils sont dotés de batteries fonctionnelles (ordinateurs portables, certains modems, etc.). Toutefois, un bon dimensionnement est crucial pour ne pas créer un problème en essayant de résoudre un autre du fait de la surcharge sur l’un ou l’autre appareil.

Références:

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