Un transformateur de centre de données achemine toute la puissance que sa limite basse tension doit fournir dans un état de fonctionnement spécifique. Il alimente la charge informatique via l’onduleur (UPS) et peut également alimenter les circuits de redressement et de dérivation, la recharge des batteries, la demande de l’installation de refroidissement et les équipements auxiliaires situés sur le même tableau. Ces charges présentent des facteurs de puissance et des coïncidences différents. Se baser uniquement sur la puissance informatique en kilowatts pour le dimensionnement peut empêcher de vérifier la capacité du transformateur en cas de situation d'urgence réelle.
La méthode de travail consiste à partir du schéma unifilaire approuvé, à convertir la charge de sortie de l'onduleur en entrée du redresseur au point de fonctionnement correspondant, à distinguer la recharge du bypass, puis à attribuer les besoins en refroidissement et les besoins auxiliaires au chemin qui les achemine effectivement. Ne comparez les plaques signalétiques qu’après avoir défini les charges pouvant coïncider sur chaque voie, y compris la voie de secours, et après avoir vérifié les contraintes de courant, thermiques et de protection.
Commencez par déterminer la puissance apparente et le courant efficace aux bornes du transformateur. Les compteurs et les barèmes situés en amont et en aval peuvent concerner des équipements, des niveaux de tension et des périodes différents. Harmonisez leurs relevés sur une même base électrique et temporelle avant de les comparer.
Prenons un circuit type. Le courant du réseau alimente un poste de commutation moyenne tension, qui alimente à son tour un transformateur, dont l’enroulement basse tension est raccordé à un tableau principal. Une ligne d’alimentation est reliée au redresseur de l’onduleur. Le circuit de dérivation de l’onduleur peut utiliser la même alimentation ou disposer d’une ligne d’alimentation et d’une source distinctes. La sortie de l’onduleur alimente des unités de distribution d’énergie, puis la charge informatique. Les refroidisseurs, les ventilateurs de condenseur, les pompes et les centrales de traitement d’air peuvent se trouver sur le tableau principal, sur un tableau de refroidissement dédié alimenté par le même transformateur ou sur un circuit d’alimentation indépendant. Certains petits équipements auxiliaires de refroidissement peuvent être raccordés à la sortie de l’onduleur et faire partie de cette charge de sortie.
Quatre limites de mesure distinctes découlent de cette chaîne :
| Limite | Ce qu'il mesure | Source de données type | Ce que ce n'est pas |
|---|---|---|---|
| Puissance informatique (kW) | Consommation électrique des serveurs et des équipements réseau | DCIM, surveillance des circuits dérivés, tableau des caractéristiques techniques | Ce n'est pas l'entrée de l'onduleur |
| Puissance de sortie de l'onduleur (kW/kVA) | Puissance fournie aux bornes de sortie de l'onduleur | Affichage de l'onduleur, compteur de puissance de sortie, liste des charges nominales | Ce n'est pas la charge du transformateur |
| Puissance d'entrée de l'onduleur (kVA/A) | Puissance apparente absorbée par le redresseur | Compteur d'entrée, ampères RMS par phase, spécifications du fabricant | N'est pas égal à la puissance de sortie en kVA |
| Transformateur BT kVA | Puissance apparente coïncidente fournie aux bornes du transformateur | Compteur de basse tension du transformateur, ou tableau des charges estimées par ligne d'alimentation et par État | Comprend les onduleurs et les alimentations directes concernés |
La différence entre la charge informatique et le transformateur peut inclure les pertes liées à la distribution en aval et aux PDU, les pertes de conversion de l'onduleur, la charge des batteries, ainsi que les charges de refroidissement et les charges auxiliaires partageant le tableau électrique. Les facteurs de puissance d'entrée et de sortie établissent le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente au niveau de leurs bornes respectives. Il convient d'ajouter les charges et les pertes à l'endroit où elles apparaissent, en ne les comptant qu'une seule fois chacune.
Le deuxième point à vérifier est l’indépendance, car un onduleur doté de deux bornes d’entrée n’est pas pour autant un onduleur disposant de deux sources indépendantes. L'option d'alimentation d'entrée documentée par un fournisseur précise clairement cette distinction : la configuration à double entrée nécessite deux alimentations distinctes au niveau de l'onduleur, tandis que la configuration à entrée unique utilise un cavalier d'usine permettant à une seule source d'alimenter à la fois le redresseur et l'entrée de dérivation (Responsable des appels d'offres chez Eaton, flux de données UPS). Les deux bornes de l'onduleur fournissent donc des informations sur le câblage, mais ne permettent pas de savoir s'il existe deux transformateurs disponibles séparément ou deux raccordements au réseau électrique. Seul le schéma unifilaire du projet permet de répondre à cette question.
Établissez la liste des charges en indiquant le chemin d'accès dans chaque ligne. Une ligne « Informatique » doit comporter l'identifiant de l'appareil, la puissance en kW, le cordon d'alimentation ou la source d'alimentation, ainsi qu'une indication précisant si la valeur est mesurée ou théorique. Une ligne relative au refroidissement doit comporter l’identifiant de l’équipement, la puissance en kW en fonctionnement et le courant efficace (RMS) ou le kVA, le courant de démarrage et la durée le cas échéant, ainsi que le tableau électrique et le transformateur en amont. Notez l’intervalle de mesure ou de conception et l’état de la charge afin de pouvoir trier la liste par transformateur.
Utilisez les données mesurées lorsqu'elles existent et les données prévisionnelles lorsqu'elles ne le sont pas, mais indiquez clairement lesquelles sont lesquelles. Un pic mesuré par le système de gestion technique du bâtiment et un calendrier d'équipement établi en phase de conception reposent sur des hypothèses et des niveaux de confiance différents ; les mélanger sans les distinguer dans une même colonne masque la base de calcul. Le moment est tout aussi important que l’amplitude. Le pic informatique et le pic de refroidissement peuvent survenir au cours de mois différents, et le scénario déterminant pour le transformateur peut être la coïncidence d’un transfert de charge avec un redémarrage du système de refroidissement plutôt que le maximum annuel de l’un ou de l’autre.
Dans un système à double conversion classique, la puissance réelle du redresseur couvre la puissance de sortie de l'onduleur et les pertes de conversion, ainsi que toute charge de recharge simultanée ou tout équipement auxiliaire mesuré séparément et alimenté par cette même entrée. Divisez la puissance d'entrée réelle par le facteur de puissance d'entrée réel correspondant au cas considéré. Si la puissance d'entrée mesurée ou spécifiée inclut déjà ces charges, utilisez directement cette valeur.
La formule de l'écran est la suivante :
kVA à l'entrée du redresseur ≈ P_out ÷ η ÷ PF_in
Ici, P_out correspond à la puissance réelle de sortie de l'onduleur en kW, η au rendement CA-CA à tension, charge et mode identiques, et PF_in au facteur de puissance d'entrée réel au niveau de ces bornes d'entrée. Cette formule prend en compte le circuit de conversion sans tenir compte séparément de la recharge ni des circuits auxiliaires. Utilisez leur consommation CA coïncidente confirmée une seule fois lorsqu’elle se situe en dehors de la plage de rendement ou de courant déclarée.
Privilégiez la valeur de puissance d’entrée en kVA indiquée par le fabricant ou le courant d’entrée RMS réel et la tension aux bornes dans les conditions spécifiées. Pour une charge triphasée équilibrée, kVA ≈ √3 × tension RMS entre phases × courant RMS par phase ÷ 1,000 (en volts et ampères). Vérifiez chaque phase directement lorsque les charges sont déséquilibrées. En cas de distorsion, utilisez le facteur de puissance réel, les valeurs efficaces et le spectre de l’équipement, selon le cas. Un calcul établi à partir d’un tableau de rendement reprend les conditions indiquées dans ce tableau.
Prenons les données publiées concernant une unité de 500 kW à 400 V. La colonne « Entrée » indique un courant d'entrée nominal de 746 A, un courant d'entrée maximal et une limitation du courant d'entrée de 931 A, un courant de dérivation nominal de 729 A et un courant de sortie nominal de 722 A. Le facteur de puissance d'entrée est spécifié comme étant supérieur à 0.99 pour des charges supérieures à 25% (Caractéristiques techniques du Galaxy VXL, 990-55333).
Ces quatre courants correspondent à différentes spécifications pour un même équipement. La valeur de 722 A correspond au courant de sortie nominal, tandis que celle de 746 A correspond au courant d'entrée nominal. La valeur de 729 A pour le contournement correspond à un autre circuit ayant sa propre base de calcul. Pour un transformateur alimentant ce redresseur, utilisez le courant d’entrée du redresseur plutôt que son courant de sortie. Obtenez la base de recharge séparément. Ces lignes de courant indiquées indépendamment les unes des autres n’expliquent pas comment les différences numériques ont été calculées.
Considérez la limite maximale d'entrée et de courant d'entrée indiquée pour le modèle 931 A comme des caractéristiques techniques de l'équipement, sur la base des spécifications fournies. Le tableau des spécifications n'associe pas cette valeur à un rendement, un facteur de puissance précis ou une ligne de charge en courant continu en particulier. Demandez au fabricant de préciser la base sur laquelle repose cette limite, les modes et les tensions dans lesquels elle s'applique, ainsi que la charge CA simultanée du chargeur qui y est incluse.
Le rendement doit être mesuré dans les mêmes conditions de mode, de tension et de niveau de charge que celles du cas étudié. Pour la même unité de 500 kW à 400 V, le rendement publié en fonctionnement normal est de 97.2% à pleine charge et de 97.4% à demi-charge, tandis qu’à pleine charge, le rendement en mode ECO est de 99.6%, celui en mode eConversion de 99.4% et celui en fonctionnement sur batterie de 96.1% (tableaux de rendement, 990-55333). L'application du coefficient ECO à un transformateur alimentant l'onduleur en mode double conversion conduirait à sous-estimer la puissance d'entrée réelle estimée pour une même puissance de sortie, et cette erreur se répercuterait sur toute analyse de contingence utilisant cette estimation. Le rendement en mode batterie décrit l'alimentation en courant continu. Déterminez séparément la demande de recharge en courant alternatif.
Deux facteurs de puissance entrent en jeu et correspondent à des équipements différents. Le facteur de puissance d'entrée décrit le redresseur en tant que charge sur le transformateur ; pour cette gamme, il est indiqué comme ci-dessus : sup0.99 à partir de 25% de charge. Le facteur de puissance de la charge de sortie décrit le système IT ou tout autre équipement raccordé à la sortie de l'onduleur. Utilisez le facteur de puissance d'entrée du redresseur pour le cas de conversion normal. En cas de fonctionnement en dérivation, utilisez le facteur de puissance réel ou le courant des charges connectées à la limite d'alimentation en dérivation correspondante. Ces deux facteurs de puissance peuvent différer.
Trois autres vérifications ont une incidence sur le courant ou déterminent les cas de figure possibles :
Pour en savoir plus sur les raisons pour lesquelles la puissance apparente, la puissance active et le facteur de puissance évoluent indépendamment les uns des autres lors du choix d'un transformateur, voir Transformateurs exprimés en kVA : kW, kVA et facteur de puissance.
Ces états de fonctionnement peuvent entraîner des charges différentes selon les transformateurs. Utilisez le schéma unifilaire et la séquence autorisée pour déterminer quelles charges peuvent se produire simultanément.
Redresseur alimentant la charge. Lorsque la recharge est désactivée, utilisez l'entrée CA de l'onduleur concerné. Dans vos calculs, tenez compte des pertes de sortie et de conversion, ainsi que de toute consommation liée à la charge d'entretien ou aux circuits auxiliaires non incluse dans cette base.
Redresseur alimentant la charge et rechargeant la batterie. Après une décharge, la recharge peut s'accompagner d'une alimentation en courant alternatif tandis que l'onduleur alimente également la charge. Pour l'unité de 500 kW mentionnée, les données relatives à la batterie de 400 V indiquent une charge maximale de 100 kW à pleine charge de sortie et de 200 kW à charge de sortie nulle, sur la base d'une batterie VRLA. Ces chiffres proviennent de la section consacrée à la batterie pour différents points de fonctionnement. Le chiffre de 200 kW ne peut pas être ajouté à une charge de sortie maximale ni être considéré comme correspondant à la même consommation CA au niveau du redresseur. L’étage d’entrée présente une limite de courant spécifiée. Élaborez un scénario de recharge à partir de la charge CA documentée, des limites et du comportement de contrôle de l’équipement proposé, y compris le chevauchement et la durée, plutôt qu’à partir de la valeur la plus élevée du tableau.
Contournement. La charge est transférée vers la source de dérivation. Le redresseur peut continuer à fonctionner, être mis hors tension ou consommer un courant de recharge, selon le mode. Le bypass statique demandé, le bypass statique forcé et le bypass de maintenance externe via son propre circuit de déconnexion sont décrits comme des états distincts sur ce modèle, et le manuel précise des disponibilités différentes pour le repli sur batterie entre le bypass statique demandé et le bypass statique forcé ou de maintenance externe. La mise en veille en bypass statique des modules en parallèle est décrite séparément et dépend de la prise en charge restante des modules (Fonctionnement du Galaxy VXL, 990-55222).
En pratique, cela signifie qu'un cas de dérivation et un cas de redressement peuvent utiliser des calculs différents et alimenter des transformateurs différents. Pour la charge dérivée, utilisez le facteur de puissance réel de la charge sur la base d'alimentation applicable :
kVA en dérivation ≈ P_charge ÷ PF_charge
Le circuit de dérivation permet d'éviter les pertes liées à la double conversion principale, mais son facteur de puissance peut différer de celui de l'entrée du redresseur. Dans l'exemple ci-dessous, une charge de dérivation de 800 kW avec un facteur de puissance réel de 0.94 correspond à environ 851 kVA, contre environ 842 kVA pour le cas d'une conversion de 800 kW avec un rendement de 0.96 et un facteur de puissance d'entrée de 0.99. Dans cet exemple, c'est le cas du contournement qui présente la puissance apparente la plus élevée du côté de l'onduleur. Il convient d'inclure toutes les charges ou pertes distinctes qui se situent effectivement sur l'alimentation de contournement.
La deuxième conséquence est le double comptage. Si le redresseur reste sous tension ou se recharge alors que la charge est en dérivation statique, le redresseur et la dérivation prennent chacun en charge leur part réelle de la demande, et un seul transformateur commun peut alimenter les deux. Ne comptabilisez la charge prise en charge qu’une seule fois. Analysez chaque valeur en fonction de la ligne d’alimentation, de l’état, du statut du chargeur et de la durée. Un transfert de courte durée pour un test et un état de bypass prolongé pendant une réparation constituent des cas de figure différents. Un intervalle court peut affecter la réponse en tension ou la protection, et l’évaluation thermique dépend du courant, de la durée, de la répétition et de la température initiale.
Le contournement de maintenance mérite sa propre ligne dans le schéma, car il peut être physiquement distinct. Un contournement de maintenance externe achemine la charge en contournant l'onduleur via son propre circuit de déconnexion. Lorsque ce circuit est utilisé, l’onduleur peut être entièrement isolé et le redresseur ne consommer aucune énergie, tandis que le transformateur alimentant le circuit de dérivation de maintenance prend en charge la charge. Vérifiez si ce transformateur alimente également le système de refroidissement et quels transferts sont autorisés. Le fournisseur de l’équipement et le concepteur électrique peuvent définir les circuits de dérivation, et le responsable des opérations confirme la procédure approuvée ainsi que sa durée.
Enfin, distinguez la période de fonctionnement sur batterie uniquement de la phase de réétablissement. Pendant une période d’alimentation sur batterie uniquement, il n’y a pas de consommation du redresseur CA pour la sortie de l’onduleur prise en charge. D’autres charges peuvent rester raccordées au transformateur pendant toute la durée de l’autonomie, en fonction du schéma unifilaire et de la disponibilité de la source. Le cas déterminant peut se produire par la suite, si la charge revient et que le chargeur intervient simultanément pour recharger la batterie. Vérifiez les délais autorisés, les éventuelles charges auxiliaires et l'état à partir duquel le transformateur entame la récupération.
Le refroidissement peut représenter l'une des charges non informatiques les plus importantes sur le transformateur d'un centre de données. Il convient de déterminer les charges réelles des équipements et les chemins d'alimentation avant de comparer les caractéristiques nominales des transformateurs.
Commençons par la distinction physique que le guide du Programme fédéral de gestion de l'énergie (FEMP) du DOE établit explicitement. La puissance électrique de refroidissement, exprimée en kW, et la charge de refroidissement, exprimée en tonnes, désignent des grandeurs différentes. La section 8.7 du guide distingue ces deux notions, et l'analyse consacrée à l'installation de refroidissement montre comment les différents états des compresseurs, ventilateurs, pompes et économiseurs peuvent entraîner des besoins en électricité variables (Guide des meilleures pratiques du FEMP du DOE pour la conception de centres de données économes en énergie). Les tonnes correspondent à la chaleur évacuée. Utilisez la puissance électrique absorbée, y compris le courant ou le kVA dans les conditions applicables, pour évaluer la charge du transformateur.
Un schéma électrique de refroidissement destiné au dimensionnement d'un transformateur doit comporter, pour chaque élément :
L'installation peut utiliser différentes combinaisons d'équipements selon les états de fonctionnement. Une installation de refroidissement en mode « free cooling » peut faire fonctionner des pompes et des ventilateurs tout en réduisant ou en évitant le fonctionnement du compresseur, en fonction de la charge prise en charge par l'économiseur. Une installation fonctionnant à la température de bulbe humide de référence dispose de ses propres équipements de fonctionnement et de son propre programme de mise en service progressive. Le dimensionnement sur la combinaison d’états simultanés la plus plausible est justifié s’il peut réellement se produire. Vérifiez quelles combinaisons de demande informatique, d’étage de refroidissement et de transfert ou de redémarrage peuvent coïncider sur chaque chemin.
La ventilation ou le refroidissement de la salle des transformateurs, le refroidissement de la salle des onduleurs, l’éclairage, les commandes, les systèmes de sécurité incendie et de sécurité des personnes, la sécurité, les pompes de vidange et tous les services du bâtiment partageant le tableau électrique contribuent tous à la limite basse tension. Les pertes des transformateurs et des onduleurs dégagent de la chaleur, dont une partie peut devoir être évacuée par le système de refroidissement de la salle des équipements. Suivez séparément la consommation électrique et le rejet de chaleur. Les pertes des transformateurs se situent en amont de la mesure de la puissance fournie en basse tension par le transformateur, tandis que les ventilateurs ou les pompes de la salle alimentés à partir de ce tableau de distribution basse tension constituent des charges électriques en aval.
Associez chaque élément au chemin qui le transporte dans chaque état. Trois configurations courantes se comportent de manière très différente :
Refroidissement dédié à un chemin. Dans cette configuration, chaque transformateur alimente ses propres groupes frigorifiques et pompes. La défaillance d’un circuit peut entraîner la mise hors service des équipements de refroidissement qui y sont raccordés. Vérifiez si l’installation encore en service peut desservir l’ensemble du hall, quels sont les moyens de refroidissement qui restent disponibles pendant la transition, et comment la charge électrique du transformateur restant évolue si les équipements restants doivent fonctionner à pleine capacité.
Refroidissement sur une carte commune à l'aide d'un lien. Deux alimentations provenant de transformateurs peuvent atteindre des sections d'un tableau de refroidissement pouvant être reliées par une liaison. Vérifiez quelles sections sont sous tension en fonctionnement normal et quelles positions de liaison sont autorisées. Dans le cadre d'un scénario d'urgence approuvé, un transformateur peut prendre en charge des charges supplémentaires de l'installation si la séquence et la capacité le permettent. Ses besoins en matière de fonctionnement et de redémarrage peuvent alors déterminer le calcul du chemin de survie.
Refroidissement sur un circuit indépendant. Si l'installation de refroidissement dispose de son propre transformateur d'alimentation et reste raccordée à cette alimentation dans le cas considéré, sa charge électrique ne passe pas par le transformateur IT. Tous les équipements auxiliaires des salles ou des baies situés sur le circuit IT doivent toujours figurer dans le tableau correspondant, et le transformateur de l'installation de refroidissement doit faire l'objet d'une analyse distincte.
La section 8.1 du guide du DOE définit le PUE comme le rapport entre la consommation énergétique annuelle totale de l’installation et la consommation énergétique annuelle des équipements informatiques, ce qui en fait un indicateur énergétique utile et bien délimité. Il permet de comparer la consommation d’énergie sur une période et un périmètre de mesure cohérents. La multiplication de la puissance informatique (kW) par le PUE annuel ne permet pas d’obtenir la puissance au niveau du transformateur (kVA). Les pics de refroidissement et de consommation informatique peuvent survenir à des moments différents, et le rapport énergétique ne permet pas de déterminer le facteur de puissance ni quel circuit achemine quelle charge après un transfert. Il convient d’utiliser la demande simultanée et les circuits électriques pour calculer la puissance apparente lors de la conception.
Définissez le périmètre de l'architecture de redondance avant d'estimer le courant que le transformateur transporte après une défaillance.
Utilisez des termes concrets. N correspond à la capacité nécessaire pour supporter la charge. N+1 signifie un composant supplémentaire par rapport à cette exigence. 2N signifie deux circuits à pleine puissance, chacun capable de supporter la charge totale, dans les limites fixées par la conception. Aucun de ces termes ne désigne automatiquement le transformateur, le système de refroidissement ou le raccordement au réseau électrique.
Cette distinction est importante car les composants peuvent être redondants à un certain niveau et communs à un autre. Un bus UPS à redondance parallèle comportant N+1 modules ajoute une redondance au niveau des modules sur un bus de charge commun, tout en conservant un point de défaillance commun, à savoir le bus lui-même (Livre blanc n° 75 de Schneider Electric : Comparaison des configurations de conception des systèmes d'onduleurs). Un site peut comporter N+1 modules UPS et un seul transformateur ; dans ce cas, ce transformateur constitue un point commun. À l'inverse, un transformateur peut être redondant, contrairement au système de refroidissement. Identifiez les équipements partagés en amont et en aval.
Les configurations « système + système » prévoient deux circuits : les charges disposant de deux alimentations distinctes et les charges à cordon unique utilisant un dispositif de transfert adapté. Dans le cadre du périmètre convenu, un circuit restant en service doit prendre en charge les charges qui lui sont attribuées ou transférées. Le chapitre de l’ASHRAE consacré aux centres de données établit une distinction entre la distribution par onduleurs redondants ou à double câble et la redondance électrique et de refroidissement à l’échelle du site. Il aborde également le maintien du refroidissement critique en cas de coupure de courant, où la charge de refroidissement et les démarrages des compresseurs déterminent si le soutien peut être maintenu (Manuel ASHRAE 2023 — Applications CVC, chapitre 20).
Testez le calendrier pour chacun de ces états séparément, plutôt que d'imaginer un scénario composite représentant le pire des cas :
Deux points de vérification permettent de déterminer si le nombre de chemins de secours est réel. Premièrement, les doubles câbles d’alimentation. Si les deux câbles d’un serveur équipé d’une double alimentation sont sous tension en fonctionnement normal, les blocs d’alimentation peuvent partager le courant, et la répartition n’est pas nécessairement égale. Lorsqu’un chemin est perdu, un serveur conçu pour continuer à fonctionner sur un seul cordon peut transférer la totalité de sa consommation vers le cordon restant. Vérifiez le mode d’alimentation réel et la charge que l’alimentation doit supporter. Deuxièmement, les points communs de refroidissement. Si les deux voies alimentent une carte de refroidissement via une liaison, vérifiez quelles charges de refroidissement la voie restante est autorisée à prendre en charge. Le courant de redémarrage de l’installation peut coïncider avec la charge informatique transférée, en fonction des commandes et de la séquence d’exécution.
Évitez de définir le scénario de secours comme la somme de pics sans rapport entre eux. Le pic de refroidissement du mois d'août, le pic informatique de décembre, le pic de recharge après une coupure de courant et l'état de maintenance planifiée peuvent constituer des scénarios distincts. Déterminez les combinaisons que l'équipement et le plan d'exploitation peuvent générer. Intégrez ces chevauchements dans le programme de charge et maintenez séparés les pics sans rapport entre eux.
Une présélection kVA donne lieu à une liste restreinte, et non à une validation définitive. Entre cette présélection et le bon de commande, six contrôles sont effectués, chacun pouvant modifier le résultat.
Tension et courant. Vérifiez la tension d'alimentation réelle, la plage de prises et le courant en cas de sous-tension. Convertissez la puissance apparente (kVA) d'un circuit symétrique en ampères à la tension réelle. Vérifiez le courant par phase plutôt que de supposer un équilibre, en particulier en présence de charges monophasées, d'une répartition inégale de la charge sur les dérivations ou d'une configuration de banc de transformateurs entraînant une charge inégale sur les enroulements.
Forme d'onde et neutre. Les charges des redresseurs, des variateurs et des alimentations à découpage peuvent générer un courant non sinusoïdal. Les courants harmoniques contribuent au courant efficace total, peuvent augmenter les pertes par courants de Foucault dans les enroulements et peuvent solliciter le neutre lorsqu’il existe un chemin de propagation pour les harmoniques de troisième ordre. La demande de devis pour un transformateur doit préciser le spectre harmonique aux états de fonctionnement concernés et demander au fournisseur l’évaluation thermique ou de déclassement de l’appareil proposé. Une simple valeur de THDi ne suffit pas à décrire le spectre. Concernant le service harmonique et les cas où une conception spéciale est justifiée, voir Harmoniques des transformateurs : quand envisager une réduction de la puissance nominale ou une conception spéciale.
Charge thermique et durée. Les transformateurs possèdent une masse thermique ; par conséquent, une surcharge de courte durée et une surcharge prolongée constituent deux événements distincts. Les questions déterminantes portent notamment sur l’intensité du courant, la durée de la surcharge et la température initiale. Un circuit de secours supportant la pleine charge pendant un bref intervalle de maintenance et un circuit servant d’alimentation de secours pendant une interruption prolongée doivent tous deux disposer d’une base de charge admissible. Demandez les données applicables concernant la limite d’élévation de température, l’étape de refroidissement et la relation charge/durée pour l’unité concernée, ainsi que les hypothèses relatives à la température ambiante et à la charge antérieure. Une courte durée ne suffit pas à elle seule à établir une tolérance de surcharge.
Refroidissement, boîtier et température ambiante. Les appareils de type sec et à immersion dans un liquide présentent des classes de refroidissement différentes et réagissent différemment à la température de l'enceinte et à la température ambiante. Vérifiez les conditions relatives à chaque niveau de refroidissement indiquées sur la plaque signalétique fournie, notamment la configuration réelle de la pièce, du boîtier et de la ventilation. L'altitude, la poussière et la ventilation peuvent affecter la capacité utile, en fonction de l'équipement et de l'installation. C'est également à ce niveau que les pertes thermiques du transformateur peuvent réintervenir dans le programme de refroidissement mécanique.
Protection, courant d'appel et fonctionnement en cas de défaut. La mise sous tension d'un transformateur peut entraîner un courant d'appel transitoire. La protection en amont doit tenir compte des cas de mise sous tension applicables tout en détectant et en éliminant les défauts. La demande d'une plaque signalétique différente peut modifier l'impédance du transformateur en ohms, le courant d'appel et le courant de défaut disponible au niveau du tableau basse tension, ce qui peut modifier les résultats de l'étude de coordination existante. Vérifiez à l'aide des données réelles du transformateur et de la source. Pour les questions de coordination à régler avant la commande, voir Courant d'appel du transformateur : éléments à vérifier avant la coordination des protections.
Caractéristiques de la source. Une alimentation du réseau public et un groupe électrogène peuvent présenter des caractéristiques différentes en matière de régulation de tension, de courant de défaut disponible et de capacité de réponse aux variations brusques de charge. Une variation brusque de charge provoquée par le redémarrage d'un groupe frigorifique ou par un basculement vers un onduleur peut entraîner une chute de tension. Vérifiez comment la source d'alimentation, le transformateur et l'onduleur spécifiés réagissent ensemble, notamment si l'onduleur accepte la source à ce point de fonctionnement. Les contraintes liées au site et au groupe électrogène doivent être prises en compte lors de l'étude du transformateur.
Il convient de distinguer trois types de données. Une estimation de la charge est une valeur de planification générée par l'écran. Les données d'usine comprennent les essais de routine spécifiques à l'unité ainsi que les données de type ou de conception applicables, avec leur propre champ d'application. La puissance nominale indiquée sur la plaque signalétique identifie la puissance disponible dans les conditions déclarées. Vérifiez séparément l'installation réelle, la charge admissible et les limites fixées par le fournisseur d'énergie ou le propriétaire. Choisissez une marge de sécurité pour tenir compte des incertitudes, de la croissance, des coïncidences, de la durée, du contenu harmonique et de l'environnement propres à ce projet.
La comparaison suivante est un écran de planification. Elle utilise des hypothèses prédéfinies concernant la plaque signalétique, le rendement, le facteur de puissance et le régime de fonctionnement afin d'illustrer les calculs et les limites du cas d'étude ; aucun élément de cette comparaison ne permet de conclure qu'une topologie en amont, une configuration du réseau ou une séquence de transfert est acceptable.
Écran de chargement fictif d'un transformateur uniquement. Les plaques signalétiques des équipements, les rendements, les facteurs de puissance et les charges nominales sont des hypothèses pour ce cas précis.
Un centre de données triphasé équilibré comporte deux voies de transformateur modélisées, A et B. La charge informatique prise en charge à la sortie de l’onduleur s’élève à 800 kW, normalement répartis à raison de 400 kW sur chaque voie. L’exemple approuvé permet à une seule voie de prendre en charge la totalité des 800 kW après un transfert explicitement modélisé. Le rendement en mode conversion est de 0.96, hors recharge des batteries, et le facteur de puissance réel à l’entrée du redresseur est de 0.99 pour les cas normaux et de reprise indiqués. Les charges apparentes auxiliaires stipulées se trouvent sur la même limite BT du transformateur dans chaque rangée. La somme arithmétique des amplitudes kVA coïncidentes constitue un critère de planification prudent, arrondie au kVA le plus proche.
| Affaire | base côté UPS | Arithmétique de conversion ou de contournement | kVA auxiliaire simultané | Blindage BT du transformateur correspondant |
|---|---|---|---|---|
| Normal sur chaque chemin | Puissance de sortie de l'onduleur : 400 kW, sans recharge | 400 ÷ 0.96 ÷ 0.99 ≈ 421 kVA | 160 kVA pour le refroidissement + 40 kVA pour les autres besoins | 621 kVA par voie |
| Une seule voie supporte toute la charge | Puissance de sortie de l'onduleur : 800 kW, sans recharge | 800 ÷ 0.96 ÷ 0.99 ≈ 842 kVA | 230 kVA pour le refroidissement + 65 kVA pour les autres besoins | 1,137 kVA sur le circuit intact |
| Contournement statique sur le chemin restant | 800 kW à pleine charge avec un facteur de puissance réel de 0.94 ; dans ce cas, il n'y a ni redressement ni recharge simultanés sur ce circuit | 800 ÷ 0.94 ≈ 851 kVA | 230 kVA pour le refroidissement + 65 kVA pour les autres besoins | 1,146 kVA sur le circuit d'alimentation de dérivation |
| Chemin de survie avec charge de récupération | Puissance de sortie de l'onduleur de 800 kW + entrée CA du chargeur supplémentaire de 120 kW au facteur de puissance combiné indiqué | (800 ÷ 0.96 + 120) ÷ 0.99 ≈ 963 kVA | 230 kVA pour le refroidissement + 65 kVA pour les autres besoins | 1,258 kVA, dans ce scénario de rétablissement modélisé |
| Candidat à 1,250 kVA | Comparer avec les cas de chemin spécifié | Sur la même base LV | Aucune allocation n'a été demandée | Ci-dessous, le tamis de récupération modélisé d'une puissance de 1,258 kVA |
| Candidat à 1,500 kVA | Comparer avec les cas de chemin spécifié | Sur la même base LV | Aucune allocation n'a été demandée | Vérifie uniquement les calculs arithmétiques. Vérifier les commandes de fonctionnement réelles, ainsi que les conditions de fonctionnement en courant, en température et en cas de défaut avant validation. |
En lisant le tableau dans l'ordre :
Le cas normal est le moins exigeant parmi les scénarios illustrés. Dans ce cas, chaque transformateur supporte une puissance de 621 kVA, ce qui correspond à peu près à la moitié de la puissance nominale du plus petit modèle envisagé. Ce scénario est également pertinent pour une analyse des coûts sur toute la durée de vie s’il représente un nombre d’heures de fonctionnement suffisant. Pour cette comparaison, utilisez les heures réelles de fonctionnement, l’historique ou les prévisions de charge, ainsi que les pertes à vide et en charge fournies par le fournisseur.
Dans le cas d’un chemin unique, la puissance du transformateur restant passe à 1,137 kVA. Deux changements coïncident dans cet état modélisé. La puissance de sortie de l’onduleur double lors du transfert prévu, et les charges de refroidissement ainsi que les autres charges coïncidentes sur la limite BT restante augmentent pour atteindre les valeurs indiquées dans le tableau. Ces deux éléments constituent des données d’entrée liées à un chemin spécifique.
Le cas du contournement statique donne 1,146 kVA, soit 9 kVA de plus que le cas du redresseur à voie unique après arrondi. Les principales pertes de conversion sont évitées, mais le facteur de puissance de la charge supposé est de 0.94, contre 0.99 pour l'entrée du redresseur. Dans ce cas, l'effet du facteur de puissance est plus important. Des facteurs de puissance de charge différents, des pertes sur les lignes de contournement ou des affectations auxiliaires peuvent modifier l'ordre de classement. Calculez chaque état sur son chemin réel.
Le scénario de reprise correspond à la valeur maximale modélisée, soit 1,258 kVA. Commencez par convertir la puissance de sortie de l'onduleur de 800 kW en puissance d'entrée CA en la divisant par 0.96. Ajoutez une seule fois 120 kW de puissance d'entrée CA supplémentaire pour le chargeur, puis divisez le résultat par le facteur de puissance réel combiné indiqué de 0.99. Ajoutez les 295 kVA correspondant aux puissances auxiliaires simultanées. Le tableau part du principe que ce chevauchement est autorisé dans le scénario de reprise.
Par rapport à ce seuil, le modèle de 1,250 kVA se situe à 8 kVA en dessous du scénario de récupération modélisé arrondi. Cela justifie un examen documenté du courant réel, de la durée admissible, des conditions thermiques, de la tension et des limites de fonctionnement. Le profil de recharge réel et la limite programmée du chargeur influencent le résultat. Un chargeur dont la montée en puissance est plus lente, ou un schéma de contrôle approuvé qui reporte la recharge jusqu’à ce que le redémarrage après refroidissement soit terminé, peut modifier le chevauchement si le fournisseur et l’équipe d’exploitation le documentent.
Le candidat de 1,500 kVA satisfait aux critères arithmétiques. Il s’agit d’un candidat, et non d’un choix définitif. Il reste à vérifier le courant par phase à la tension réelle aux bornes, la charge thermique pendant la durée prévue de l’incident, la teneur en harmoniques provenant des équipements sur le circuit concerné, le courant d’appel et la coordination avec le dispositif en amont, ainsi que le niveau de défaut au niveau du tableau basse tension. Un autre candidat peut modifier le courant de défaut disponible en fonction de l’impédance réelle du transformateur et des conditions de la source. Vérifiez le tableau électrique et la protection à l’aide des données du candidat.
Le tableau présente, à titre d'illustration, les conditions de transfert, de répartition de la charge et de rétablissement. L'acceptation effective nécessite l'approbation du schéma unifilaire et de la séquence d'exploitation, y compris les sources disponibles séparément, les autorisations de transfert et la continuité du refroidissement dans les conditions requises par le projet.
Pour comparer les coûts sur toute la durée de vie des deux modèles, utilisez les valeurs indiquées pour les pertes à vide et en charge sur les profils réels de mise sous tension et de charge. Voir Pertes des transformateurs et coût total de possession : comparaison de deux devis.
Chaque numéro affiché à l'écran correspond à un document que quelqu'un doit fournir. Attribuez la demande au rôle chargé d'y répondre et précisez ce que le document doit contenir.
| Fonction | Pièces à demander | Ce que cela recouvre |
|---|---|---|
| Fournisseur d'onduleurs | Une ligne de la configuration proposée ; tableau des modes avec redresseur, recharge, dérivation statique demandée et forcée, dérivation de maintenance et mode veille applicable ; enveloppe du courant d'entrée à la tension, au mode et à la charge spécifiés ; profil de demande en courant alternatif de recharge et limite programmée ; tension et fréquence de la source de dérivation, charge prise en charge, conditions de transfert et chevauchement accepté ; données relatives au facteur de puissance d'entrée et aux harmoniques en fonction de la charge. | kVA du redresseur et du circuit de dérivation, incrément de recharge, faisabilité du transfert |
| Concepteur de systèmes de refroidissement | Tableau électrique par élément indiquant la puissance en kW et en kVA, le courant d'appel ou d'entraînement et sa durée, l'état de l'économiseur, le tableau de distribution et le transformateur en amont ; séquence de redémarrage et minuteries de temporisation ; température ambiante de référence et sa coïncidence avec le pic de charge industrielle (IT) ; CRAH et disposition des pompes ; identification de tout tableau commun relié par une liaison. | kVA de refroidissement par voie, cycle de redémarrage, charge de refroidissement des voies restantes |
| Concepteur en coordination électrique | Étude de coordination des protections pour les conditions normales et les situations d'urgence prévues ; niveaux de défaut aux sources disponibles ; impédance des transformateurs et plage de prises ; étude des courants d'appel et de mise sous tension ; caractéristiques nominales des câbles et des terminaisons ; évaluation applicable des arcs électriques et capacité des tableaux basse tension face à la charge de défaut modélisée. | Courant, transitoire et fonction de protection ; incidence d'une plaque signalétique différente |
| Responsable des opérations | Quels sont les transferts autorisés et par qui ; durée admise de l'état « single-path » ; transfert automatique ou manuel ; délai de recharge prévu après une coupure ; procédure de dérivation pour maintenance et statut d'autorisation ; points de surveillance, intervalles et enregistrement des données pour l'entrée de l'onduleur, les alimentations des cartes et le système de refroidissement. | Données réelles relatives aux coïncidences, à la durée et à la charge |
| Service public ou propriétaire | Capacité de service applicable et charge admissible au point de fourniture ; données historiques sur la demande, le cas échéant ; limites contractuelles ou tarifaires, le cas échéant. Obtenir auprès du propriétaire et du concepteur de la source les informations relatives à la capacité de secours, à la capacité de charge par paliers et à la réponse en tension. | Conditions relatives à la prestation effective du service et à la procédure de recouvrement |
| Fournisseur de transformateurs | Données nominales fournies ; impédance et pertes à la charge indiquée ; élévation de température et conditions de refroidissement ; plage de prises ; évaluation pour le spectre harmonique indiqué, l'environnement et l'altitude ; niveau sonore, dimensions et poids, le cas échéant. Se procurer les registres de routine de l'unité convenus ainsi que les preuves d'essais de type ou de conception applicables au stade de réception concerné. | Limites techniques et justificatifs de conformité à l'origine de la liste restreinte |
Distinguez les différents types de documents dès leur réception. Un rapport d’essai de routine consigne les résultats des essais effectués sur l’unité individuelle qui sera expédiée. Un rapport d’essai de type porte sur un modèle représentatif, dans les limites des caractéristiques nominales et des configurations comprises dans son champ d’application documenté. Un devis peut établir une garantie, tandis qu’un rapport d’essai précise les résultats qui ont été mesurés. Vérifiez le champ d’application de chaque document requis ainsi que la phase d’acceptation convenue.
Avant de poser une plaque signalétique, il convient de se poser deux questions par écrit :
Commencez par établir la liste de chargement triée par parcours, puis contactez les fournisseurs en joignant cette ligne. Un devis de transformateur établi sur la base d'un simple chiffre en kVA ne peut pas être vérifié, car le fournisseur n'a aucun moyen de savoir à quelles conditions ce chiffre correspond.
Pour plus d'informations sur le contexte d'application, voir Alimentation électrique des centres de données et des infrastructures publiques. Pour connaître la méthode générale de dimensionnement lorsque la topologie est plus simple qu'une salle de données à double chemin, voir dimensionnement des transformateurs en vue de l'agrandissement de l'usine.
Utilisez le courant RMS d'entrée ou la puissance apparente, ainsi que les charges auxiliaires applicables au niveau de la limite propre au transformateur. La puissance IT en kW décrit la charge réelle en aval de l'onduleur. La charge en amont peut également inclure les pertes de conversion, la puissance de charge et le refroidissement concomitant, la puissance apparente étant calculée à l'aide du facteur de puissance d'entrée applicable. Pour l'unité de 500 kW publiée à 400 V, le courant de sortie nominal est de 722 A et le courant d'entrée nominal de 746 A, ce qui explique pourquoi ces deux valeurs doivent être traitées séparément.
La redondance a une portée bien définie. Deux voies d'alimentation par onduleur peuvent tout de même partager un transformateur, une source de dérivation, un panneau de refroidissement ou toute autre dépendance. Suivez le tracé des deux alimentations par transformateur, vérifiez les capacités de leurs voies et identifiez les charges électriques et de refroidissement qui continuent d'être prises en charge après la perte ou le transfert requis. Utilisez le schéma unifilaire et la séquence de fonctionnement approuvés pour établir cette portée.
La recharge peut influencer les paramètres de l'écran lorsque des chevauchements importants sont autorisés entre la puissance de sortie de l'onduleur, l'entrée CA du chargeur et d'autres charges sur le même circuit. Dans l'exemple présenté, l'entrée CA supplémentaire spécifiée de 120 kW fait passer le calcul pour un seul circuit de 1,137 kVA à 1,258 kVA. Vérifiez la limite du chargeur proposée, la durée de charge et les contrôles de récupération réels afin de déterminer si ce chevauchement est plausible.
Utilisez le PUE pour comparer la consommation d'énergie de manière cohérente. Le PUE annuel évoqué dans le guide du DOE correspond à la consommation énergétique annuelle totale de l'installation divisée par la consommation énergétique annuelle des équipements informatiques. Pour le dimensionnement des transformateurs, utilisez la puissance apparente ou le courant spécifique à chaque région à la limite nominale, en incluant les charges de refroidissement et les charges auxiliaires qui peuvent s'y ajouter.
Une plaque signalétique de plus grande puissance peut réduire le pourcentage d'utilisation modélisé. Ses pertes réelles, son impédance et son courant de défaut disponible dépendent toujours de la conception proposée et de la source. Comparez ces valeurs en utilisant les mêmes critères de fonctionnement et de pertes, puis vérifiez les performances en matière de courant, de température et de protection pour chaque état requis.
