Alimentation des équipements à un seul cordon dans un

Alimentation des
équipements à un
seul cordon dans
un environnement
à double circuit
Par Victor Avelar
Livre blanc n° 62
Résumé de l'étude
L'utilisation d'une architecture à deux circuits d'alimentation associée à un équipement
informatique à (cordons d')alimentation double(s) fait partie des pratiques exemplaires du
secteur. Dans les installations utilisant cette approche, il est inévitable que certains appareils n'aient qu'un seul cordon d'alimentation. Il existe plusieurs options permettant d'intégrer des appareils à cordon simple dans un centre de données haute disponibilité à deux
circuits. Ce document explique les différences entre ces diverses options et facilite le choix
de l'approche qui est la mieux adaptée.
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Introduction
La plupart des centres de données haute disponibilité utilisent un système d'alimentation fournissant deux
circuits jusqu'aux charges critiques ; et la plus grande partie de l'équipement informatique d'entreprise offre
des blocs et cordons d'alimentation redondants permettant de conserver ces deux circuits jusqu'au bus
d'alimentation interne de l'équipement informatique. De cette manière, l'équipement peut continuer de
fonctionner en cas de panne sur un point quelconque de l'un des deux circuits. Toutefois, un équipement à
alimentation simple (à un seul cordon) introduit une faiblesse dans un centre de données haute disponibilité.
Les commutateurs de transfert sont fréquemment utilisés pour améliorer la disponibilité de l'équipement à un
seul cordon en procurant les avantages des circuits secteur redondants. Si cette pratique n'est pas comprise, elle peut entraîner un temps d'arrêt qui aurait pu être évité.
Il existe trois approches fondamentales permettant d'alimenter un équipement à cordon simple dans un
environnement à deux circuits. Ces trois approches sont les suivantes :
•
alimentation de l'équipement à partir d'une source – Figure 1a
•
utilisation d'un commutateur de transfert au point d'utilisation pour sélectionner une source préférée et,
en cas de défaillance de cette source, passage sur le deuxième circuit d'alimentation – Figure 1b
•
utilisation d'un grand commutateur de transfert centralisé alimenté par deux sources afin de générer un
nouveau bus qui alimentera un important groupe de charges à simple cordon – Figure 1c
Figure 1a – Une source
Circuit d'alimentation
principale
PDU
Onduleur
2
Serveur
PDU
Circuit d'alimentation
de secours
Transformateur 2
PDU
Circuit d'alimentation
principale
Souspanneau
1
Transformateur 1
Onduleur
1
Figure 1b – Commutateur du point d'utilisation
Souspanneau
2
Transformateur 2
Onduleur
2
Commutateur
de transfert
monté en rack
PDU
Circuit d'alimentation
de secours
X
Souspanneau
1
Transformateur 1
Onduleur
1
Souspanneau
2
Figure 1c – Commutation centralisée
Circuit d'alimentation principale
Onduleur
1
Commutateur
de transfert
statique
PDU avec STS
Transformateur
abaisseur
Souspanneau
Serveur
Onduleur
2
Circuit d'alimentation de secours
PDU = Unité de distribution d'alimentation
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Serveur
Fonctions du commutateur de transfert
Un commutateur de transfert est un composant courant des centres de données qui est utilisé pour effectuer
les fonctions suivantes :
1.
Passage des onduleurs et autres charges d'une alimentation secteur à une alimentation par groupe
électrogène lors d'une panne de courant
2.
Commutation d'un module d'onduleur défectueux sur le secteur ou sur un autre onduleur (selon les
conceptions)
3.
Commutation des charges informatiques critiques d'un bus de sortie d'onduleur sur un autre dans
un système d'alimentation à deux circuits
Ce document aborde uniquement la troisième fonction. Si l'ensemble des charges informatiques pouvaient
accepter des sources d'alimentation d'entrée double (par ex. à deux cordons), cette application serait inutile.
En fait, la plupart des équipements de réseau Internet, des périphériques de stockage et des serveurs haut
de gamme possèdent des cordons doubles et une alimentation d'entrée entièrement redondante. Toutefois,
l'équipement à simple cordon ne compose qu'environ 10 à 20 % de l'ensemble de l'équipement informatique
dans les installations critiques. Lorsque l'équipement à simple cordon est branché sur un seul circuit secteur
d'un environnement à deux circuits, la disponibilité globale du processus d'entreprise peut être compromise.
Selon le livre blanc APC n° 48, « Comparaison des disponibilités de diverses configurations d'alimentation
de rack », un centre de données, qui est entièrement à alimentation double avec des circuits secteur redondants et indépendants, peut générer 10 000 fois moins de temps d'arrêt qu'une conception à circuit simple.
Les commutateurs de transfert permettent de combler ce large écart en rapprochant les circuits secteur
redondants de la charge.
Types de commutateurs de transfert
Il existe deux grands types de commutateurs de transfert utilisés comme sélecteurs de source optimaux :
statiques et électromécaniques. Ces deux types se basent sur le principe de commutation entre une source
d'alimentation principale et une source d'alimentation de secours. Même si elles aboutissent au même
résultat, elles procèdent de différentes manières pour y parvenir. Chaque type de commutateur possède
des caractéristiques uniques qui avantagent différents types d'applications. Une brève présentation de la
manière dont chaque type fonctionne est décrite ci-dessous et une description plus détaillée figure dans
l'annexe A.
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Commutateurs de transfert statiques (STS)
Applications
Les commutateurs de transfert statiques disponibles actuellement ont des caractéristiques comprises entre
5 kVA et 35 MVA. Les unités de STS sont utilisées dans une vaste gamme d'applications, notamment les
services d'électricité, les usines de fabrication automobile, les fabriques de semi-conducteurs, les raffineries
de pétrole et les centres de données. La plupart de ces commutateurs se situent dans une plage de 100 à
300 kVA et occupent en principe la place de deux racks informatiques placés côte à côte. Dans des applications telles que les raffineries où le réseau et l'architecture électrique sont moins fiables que dans les centres de données critiques, les avantages des commutateurs statiques sont évidents. Toutefois, le réseau
et l'architecture électrique des centres de données critiques sont beaucoup plus solides. Dans ce cas,
la diminution de fiabilité associée à l'ajout de STS l'emporte sur l'avantage qu'ils procurent. La figure 2
présente un exemple de STS de 200 kVA. Les commutateurs statiques de cette capacité sont les mieux
adaptés pour les grandes charges triphasées à simple cordon, telles que les machines commandées par
ordinateur et les autres équipements de fabrication critiques. Même si des grands équipements informatiques triphasés tels des périphériques de stockage sont disponibles actuellement, il s'agit généralement
de systèmes à double cordon avec une alimentation redondante. Dans le cas d'appareils à cordon double,
la fiabilité et la disponibilité de l'alimentation sont optimisées par l'apport de sources secteur doubles directement sur la charge.
Les commutateurs statiques qui se situent dans une plage de 5 à 10 kVA ont généralement été conçus pour
un montage dans une armoire rack de 483 mm (19 pouces) tel qu'illustré sur la figure 3. Ces commutateurs
statiques sont généralement utilisés dans des environnements de type armoires de brassage et salles
informatiques. L'utilisation de commutateurs plus petits empêche la panne STS d'affecter une grande partie
du centre de données et atténue le temps d'arrêt de l'équipement à cordon simple d'un rack. À la différence
des STS de plus grande capacité, les commutateurs montés en rack procurent évolutivité et souplesse.
Le délai de mise en service des petits commutateurs permet aux responsables informatiques d'acheter un
commutateur uniquement en cas de besoin. En outre, ces commutateurs peuvent être installés facilement et
déplacés dans le cadre des réactualisations informatiques.
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Figure 2 – STS de 200 kVA
Figure 3 – STS monté en rack
Source : www.spdtech.com
Source : www.cyberex.com
Fonctionnement
Comme leur nom l'indique, les commutateurs statiques ne disposent pas de pièces mobiles. Cela est
possible grâce à la technologie de semi-conducteurs. Le « commutateur » d'un STS monophasé se compose pour l'essentiel de deux paires de commutateurs semi-conducteurs appelés redresseurs de courant
au silicium (SCR) ou thyristors, contrôlés par un circuit de détection. Lorsque le circuit détecte que le circuit
principal est hors tolérance, il désactive le commutateur du circuit principal et active le commutateur du
circuit de secours. Généralement, la durée de la commutation est d'environ 4 millisecondes, mais elle peut
être légèrement plus longue selon l'état des deux sources.
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Modes de défaillance
En règle générale, plus un système est complexe et plus le nombre de modes de défaillance possible est
élevé. Par rapport aux commutateurs de transfert électromécaniques, les commutateurs statiques sont
beaucoup plus complexes compte tenu de la vitesse à laquelle les décisions doivent être prises lors d'un
changement de source.
** Par exemple, le contrôleur doit surveiller plusieurs variables pour les deux côtés, notamment les angles
de phase, les états des SCR et des disjoncteurs, les tensions et les intensités.
•
Défaillance des commandes du commutateur statique
Les commandes sont les composants des commutateurs de transfert statiques les plus critiques en
raison de leur complexité. Si les commandes arrêtaient d'envoyer des signaux aux SCR, par défaut
les SCR resteraient ouverts (ils ne conduiraient plus d'électricité, ce qui entraînerait une perte de la
charge). C'est la raison pour laquelle la plupart des commutateurs statiques intègrent des alimentations
et contrôleurs redondants. Comme les commutateurs SCR sont contrôlés individuellement, le contrôleur
présente quatre principaux modes de défaillance.
1)
Le contrôleur signale le commutateur préféré comme fermé mais il doit être ouvert. Cela entraînera
une perte de charge si la source préférée ne peut pas soutenir la charge.
2)
Le contrôleur signale le commutateur préféré comme ouvert mais il doit être fermé. Cela entraînera
une perte de la charge si le commutateur de secours est ouvert ou si la source de secours ne peut
pas soutenir la charge.
3)
Le contrôleur signale le commutateur de secours comme fermé mais il doit être ouvert. Cela entraînera une perte de charge si la source de secours ne peut pas soutenir la charge.
4)
Le contrôleur signale le commutateur de secours comme ouvert mais il doit être fermé. Cela entraînera une perte de la charge si le commutateur préféré est ouvert ou si la source préférée ne peut
pas soutenir la charge.
•
Défaillance des composants SCR
Un SCR est relativement fiable, mais lorsqu'il tombe en panne, il s'agit 98 % du temps d'un court-circuit
qui entraîne une perte de la charge si l'alimentation secteur sur ce commutateur est perdue. Il est difficile de détecter un SCR court-circuité, car la différence de résistance (chute de tension) entre un SCR
court-circuité et un SCR en bon état est généralement inférieure à 0,5 volts. Ce fait ajoute à la complexité des commandes.
•
Défaillance du disjoncteur de sortie
Si le disjoncteur de sortie s'ouvre à un moment où il n'est pas censé le faire, il se produira une perte de
charge. Dans certains cas, deux disjoncteurs de sortie sont utilisés pour supprimer un point unique de
défaillance, mais cela peut rendre la coordination des disjoncteurs difficile.
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•
Erreur humaine
Comme cela est le cas avec la plupart des environnements critiques, l'erreur humaine est un mode de
défaillance courant. Vu la complexité du commutateur statique et de ses interactions avec les différentes sources d'alimentation d'entrée, l'erreur humaine peut survenir de nombreuses manières. Voici
quelques exemples courants :
- Choix sous-optimal des réglages du commutateur statique qui peut entraîner des interactions négatives spécifiques au site
- Mauvais fonctionnement des disjoncteurs de dérivation STS. Si par exemple quelqu'un se tenait
trop près du disjoncteur de dérivation préféré mais si la source préférée était indisponible, il y aurait une perte de charge
- Procédures de maintenance incorrectes
Finalement, il est important de remarquer que quel que soit le mode de défaillance, les commutateurs de
transfert de plus grande taille provoqueront la perte d'une plus grande partie de l'ensemble de la charge
d'une installation par rapport aux commutateurs de plus petite taille.
Commutateurs électromécaniques ou commutateurs de transfert automatiques (ATS)
Applications
La plupart des commutateurs de transfert électromécaniques, également appelés commutateurs de transfert
automatiques (ATS), utilisés dans cette application ne commutent pas au-delà de 10 kVA en raison des
limitations physiques des relais à ces puissances élevées. C'est la raison pour laquelle la hauteur de ces
commutateurs de transfert automatiques montés en rack a tendance à être de 1U comme illustré sur la
figure 4. Comme le STS monté en rack, l'ATS monté en rack isole les défaillances de commutation sur un
seul rack au lieu de centaines ou de milliers de racks. De même, l'ATS monté en rack procure évolutivité et
souplesse. Toutefois, l'installation d'un ATS monté en rack est plus facile que celle d'un STS monté en rack
en raison d'une taille et d'un poids plus faibles.
Figure 4 – ATS monté en rack
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Fonctionnement
Les commutateurs électromécaniques dépendent d'une combinaison de propriétés électriques et mécaniques. Comme les STS, ces commutateurs possèdent un contrôleur qui surveille les deux sources d'entrée.
Le mécanisme de transfert de la charge est dans ce cas un relais. Un relais est un commutateur mécanique
qui est maintenu sur un côté par une force magnétique. Lorsque le contrôleur détecte que la source principale est hors tolérance, il désactive le relais et un ressort force le passage sur la source de secours.
La durée totale du transfert pour ce type de commutateur de transfert est comprise entre 8 et
16 millisecondes.
Modes de défaillance
Les commutateurs électromécaniques sont beaucoup plus petits et moins complexes que les commutateurs
de transfert statiques. Cela est principalement dû au fait que les commutateurs électromécaniques sont plus
faciles à contrôler et qu'ils ne nécessitent pas de synchronisation entre les sources secteur. En raison du
déplacement physique d'un relais, les modes de défaillance des commutateurs électromécaniques ont
tendance à être liés au matériel.
•
Défaillance de la soudure du relais
L'un des modes de défaillance possibles vient du fait que le relais est soudé au contact. Cela se produit
en cas d'un transfert haute tension qui entraîne un arc de température élevée, provoquant la soudure
des surfaces métalliques. Dans un relais triphasé, ce phénomène peut se produire sur un ou plusieurs
commutateurs de relais.
•
Défaillance du contrôleur
Même si la probabilité est moindre à des puissances relativement faibles, il est possible que le contrôleur prenne une mauvaise décision de commutation. Par exemple, si l'alimentation du côté principal est
hors tolérance, le contrôleur peut passer sur le côté de secours qui n'est pas du tout alimenté.
•
Défaillance de l'alimentation du contrôleur
L'alimentation du contrôleur peut également entraîner un dysfonctionnement de celui-ci. Si la tension
d'alimentation devient instable, le contrôleur peut réagir de manière imprévisible, voire pas du tout.
•
Défaillance du disjoncteur
L'un des modes de défaillance importants dont il faut être conscient est représenté par des disjoncteurs
défectueux qui protègent la sortie du commutateur de transfert. Ces disjoncteurs sont souvent des pièces de commodité peu fiables et constituent un point de défaillance unique.
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Alimentation de l'équipement informatique
Il est important de remarquer que les deux types de commutateurs abordés précédemment présentent une
durée de transfert brève au cours de laquelle la charge critique n'est pas alimentée. Comment l'équipement
informatique peut-il continuer de fonctionner pendant ces interruptions d'alimentation ? Le livre blanc n° 79,
« Comparaison technique entre les onduleurs en ligne et en attente active », répond à cette question de
manière détaillée. Ces explications sont répétées dans l'annexe B pour plus de clarté. Par principe, l'alimentation en mode commuté (SMPS) de l'équipement informatique doit surmonter de brèves interruptions de
courant afin de pouvoir extraire le courant de la tension d'entrée c.a. sinusoïdale. Les spécifications de la
norme internationale CEI 61000-4-11 définissent les limites de l'amplitude et de la durée des interruptions
de courant acceptables pour une charge SMPS. De même, l'Information Technology Industry Council
(ITI, précédemment connu sous le nom de Computer & Business Equipment Manufacturers Association
[CBEMA]) publie un article technique qui décrit « l'enveloppe de tension d'entrée c.a. qui peut généralement
être tolérée (sans interruption de fonctionnement) par la plupart des équipements informatiques ».
La figure 5 présente la courbe ITIC et montre que l'équipement informatique continuera de fonctionner
normalement pendant 20 millisecondes à zéro volt. La courbe ainsi que l'article technique sont disponibles
à l'adresse suivante : www.itic.org/technical/iticurv.pdf
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Figure 5 – Courbe ITIC
Pourcentage de tension nominale (RMS ou équivalent de pointe)
Courbe ITI (CBEMA)
(Révisée en 2000)
500
Région interdite
400
Enveloppe de tolérance de tension
applicable à l'équipement 120 volts
monophasé
300
200
Limites continues
140
120
100
80
70
110
Aucune interruption dans la région de fonction
90
Aucune région
de dommages
40
0,01 c
1 ms
3 ms
20 ms
0,5 s
10 s
Durée en cycles (c) et secondes (s)
Sélection des commutateurs de transfert appropriés
Les grands commutateurs statiques ont une capacité beaucoup plus élevée que les commutateurs montés
en rack. Même si la plupart de l'équipement informatique d'un centre de données requiert une puissance
inférieure à 6 kW, certains appareils tels que les périphériques de stockage montés sur le sol nécessitent
une puissance beaucoup plus importante. Dans ce cas, des commutateurs statiques de grande taille doivent
être utilisés pour assurer la redondance d'alimentation de l'équipement. Toutefois, un équipement informatique critique de cette taille possède généralement des blocs / cordons d'alimentation redondants qui ne
nécessiteraient pas de commutateur statique. Le tableau 1 répertorie les capacités de puissance de chaque
type de commutateur et sert de guide pour choisir le commutateur de transfert le mieux adapté. Il est également possible de se passer de l'utilisation d'un commutateur de transfert. Les sous-sections ci-après décrivent chaque facteur de sélection de manière détaillée.
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CTP
Le coût total de possession comprend les coûts d'investissement liés à l'achat et à l'installation des commutateurs de transfert ainsi que les coûts d'exploitation associés à l'utilisation des commutateurs. Ce sujet
est abordé dans le livre blanc APC n° 37 « Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement
d’infrastructure de centres de données et de salles réseau ».
Coûts d'investissement
Les commutateurs statiques de capacité élevée surdimensionnés coûtent non seulement davantage par
kVA utilisé, mais ils finissent également par revenir cher en termes d'opportunités perdues. Les grands
commutateurs statiques (supérieurs à 10 kVA) sont généralement raccordés à l'infrastructure électrique du
bâtiment. Les commutateurs statiques et ATS plus petits sont simplement branchés sur une prise, ce qui
dispense du coût d'un électricien.
Coûts d'exploitation
Les coûts d'exploitation englobent le service d'électricité, la maintenance et les implications fiscales.
Les commutateurs statiques sont moins efficaces que les commutateurs électromagnétiques en raison de
leur plus grand nombre de composants. L'efficacité devient un problème majeur lorsque les commutateurs
statiques haute capacité sont légèrement chargés. Les coûts de maintenance varient en fonction des
recommandations du fournisseur ; toutefois, en règle générale, les coûts de maintenance des commutateurs
statiques sont plus élevés que ceux des ATS du fait de leur plus grande complexité et de leur nombre de
composants plus élevé. Les implications fiscales ne sont pas en principe prises en considération lors de la
sélection des commutateurs de transfert, mais elles peuvent aboutir à des économies considérables selon la
taille du centre de données. Le livre blanc APC n° 115, « Accounting and Tax Benefits of Modular, Portable
Data Center Infrastructure », explique comment les appareils électriques portables modulaires peuvent être
classifiés comme équipement d'entreprise, aboutissant ainsi à des économies de taxe (plus grand avantage
fiscal). Les commutateurs de transfert qui sont simplement branchés et dont l'emplacement peut être changé facilement peuvent bénéficier de cette règle.
Administration
La gestion de l'infrastructure électrique est cruciale pour assurer l'intégrité du réseau informatique et de
télécommunications. Il est fréquent que les modes de défaillance critiques n'identifient qu'eux-mêmes
lorsque le commutateur doit effectuer le transfert sur la source de secours. Cela est d'autant plus important
avec les commutateurs statiques, car ceux-ci ont beaucoup plus de modes de défaillance que les commutateurs électromagnétiques. Les commutateurs de transfert à gestion distante permettent aux responsables
informatiques et aux responsables des installations de contrôler le statut et les événements du journal,
de configurer les paramètres, d'effectuer des mises à niveau de microprogrammes et de recevoir des
alertes par e-mail et SNMP. Ces commutateurs doivent avoir une gestion normalisée via HTTP (Web),
SNMP et Telnet.
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Durée de transfert
Le commutateur de transfert doit pouvoir changer de source en 20 millisecondes au maximum lors de la
prise en charge de l'équipement informatique et de télécommunications.
Facilité de l'installation
Compte tenu de la fréquence élevée des réactualisations informatiques (1 ½ à 2 ans), les commutateurs
de transfert doivent permettre une reconfiguration rapide. Par exemple, dans le cas où un équipement
à simple cordon est déplacé, le commutateur de transfert doit être reconfiguré facilement.
Fiabilité
En règle générale, plus un système est complexe et plus il est probable qu'une défaillance survienne non
seulement à cause de ses composants et de ses commandes, mais également à cause d'une intervention
humaine. Les commutateurs statiques sont par nature plus complexes que les commutateurs électromagnétiques et ils nécessitent de ce fait des connaissances plus poussées pour les faire fonctionner et réparer.
Les commutateurs électromécaniques sont limités par le nombre de commutations que le relais doit effectuer. Les relais utilisés pour cette application sont en principe prévus pour 100 000 utilisations. En moyenne,
les commutateurs de transfert d'un centre de données subissent quatre transferts par an. De ce fait, les
relais possèdent une longue durée de vie par rapport à celle des centres de données.
Qualité de réparation
En cas de panne des systèmes, l'objectif de tout responsable informatique ou responsable des installations
doit être de remplacer le module complet par un module rénové ou réparé en usine. Les commutateurs
statiques et électromagnétiques montés en rack peuvent être entièrement remplacés, contrairement aux
STS plus grands qui sont réparés sur site dans un environnement peu ou pas standardisé. Toutefois,
la plupart des commutateurs statiques comportent des disjoncteurs de dérivation qui permettent d'effectuer
les opérations de maintenance et les réparations alors que la charge est supportée. Selon la configuration,
il est également possible de remplacer les commutateurs électromécaniques plus petits sans réduire la
charge critique.
Synchronisation de source
Lors du passage d'une source secteur à une autre, il est possible que les sources ne soient pas synchronisées, ce qui peut endommager l'équipement en aval du commutateur ou entraîner le déclenchement des
disjoncteurs. La probabilité de ce phénomène augmente avec la vitesse de commutation et la taille du
commutateur de transfert. Ainsi, les grands commutateurs statiques sont plus enclins à présenter ce problème que les commutateurs plus petits. Une commutation non synchronisée avec des commutateurs
électromécaniques ne pose pas de problème avec les charges, mais elle peut engendrer une soudure du
relais dans le commutateur. De ce fait, certains commutateurs de ce type comportent un relais supplémentaire afin d'empêcher la formation d'arcs électriques.
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Évolutivité
L'équipement d'un centre de données est réactualisé environ tous les deux ans, mais la durée de vie théorique d'un centre de données est supérieure à dix ans. Pendant les réactualisations, les responsables doivent
faire face à des variations de densités de puissance, de niveaux de redondance, de tensions et de types de
prises. L'évolutivité permet une optimisation de la capacité, simplifie la planification et réduit le coût des
investissements initiaux associés à ces variables. Plus le commutateur de transfert est grand et plus il
devient difficile de le développer et de l'adapter à ces changements constants, en particulier s'il faut éviter
les temps d'arrêt. L'utilisation de commutateurs de transfert plus petits permet aux responsables de réagir
face aux besoins changeants de l'entreprise sans arrêter les systèmes critiques.
Équipement mixte à cordon unique et à cordons multiples
La plupart des centres de données organisent l'équipement informatique par processus d'entreprise ou par
service, mais jamais exclusivement par appareil à simple et double cordons. De ce fait, la plupart des racks
des centres de données peuvent présenter un mélange d'appareils à cordon unique et à cordon double.
Dans la plupart des cas, les appareils à cordon double nécessitent deux câbles et barres d'alimentation
distincts. Toutefois, les appareils à cordon simple requièrent un câble et une barre d'alimentation à cordon
simple. Cela devient un problème pour les grands commutateurs statiques montés sur sol, car le même rack
doit loger trois câbles et barres d'alimentation distincts, ce qui occupe l'espace requis pour le câblage réseau
et l'équipement. Autrement, les petits commutateurs de transfert montés en rack sont alimentés directement
par les deux câbles et barres d'alimentation alors que l'équipement à cordon simple se branche directement
sur les prises du commutateur.
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Tableau 1 – Caractéristiques des trois types de commutateurs de transfert
Caractéristique
CTP
Absence de
commutateur de
transfert
Grand STS
STS monté
en rack
ATS monté
en rack
20 kVA à 35 MVA
5 à 10 kVA
5 à 10 kVA
0 € / kW
150 € - 225 € / kW
412,5 € - 525 € / kW
75 € - 112,5 € / kW
Administration
Aucune capacité
de gestion requise
En principe,
pas de protocoles
normalisés
En principe, pas de
protocoles normalisés
Protocoles normalisés
généralement inclus
Durée de
transfert
Aucune durée de
transfert
4 ms
4 ms
de 8 ms à 16 ms
Facilité de
l'installation
Aucune installation requise
Câblage électrique
requis
Montage en
rack / aucun câblage
requis
Montage en
rack / aucun câblage
requis
Les avantages de
fiabilité des
circuits d'alimentation de 2N sont
perdus
MTBF = 400 000 à
1 000 000 heures
MTBF = 400 000 à
1 000 000 heures
MTBF = 700 000 à
1 500 000 heures
Mode de
défaillance
Non applicable
Ouvert ou courtcircuité entre deux
phases
Ouvert ou court-circuité
entre deux phases
Bloqué sur une source
d'alimentation
Facilité de
réparation
Maintenance
simultanée de
l'architecture
électrique
impossible
Doit être réparé sur
place
Remplacé par une
unité réparée en usine
Remplacé par une
unité réparée en usine
Fiabilité
Commentaires
Le coût initial d'un STS
en rack est environ six
fois plus élevé que
celui d'un ATS en rack
La plupart des commutateurs de transfert
fournissent des relais
de contact sec par
défaut, mais ils
peuvent assurer une
gestion normalisée en
option
L'équipement informatique requiert des
durées de transfert
inférieures à 20 ms
Des électriciens agréés
sont requis pour
effectuer le branchement des grands
commutateurs
statiques
Les commutateurs
statiques ont plus de
composants et ils sont
plus complexes que les
ATS mais ils ne
comportent pas de
pièces mobiles.
Valeurs MTBF basées
sur les estimations du
secteur industriel
Les défauts d'ouverture
entraînent une perte de
charge. Les courtscircuits entre deux
phases peuvent
déclencher l'ouverture
des disjoncteurs en
amont
Les commutateurs de
transfert montés en
rack sont généralement remplacés par
une unité nouvelle ou
rénovée en cas de
panne
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Caractéristique
Absence de
commutateur de
transfert
Grand STS
STS monté
en rack
ATS monté
en rack
20 kVA à 35 MVA
5 à 10 kVA
5 à 10 kVA
Synchronisation
de source
Aucune synchronisation de source
requise
Requis pour un
transfert sécurisé
Transfert non synchronisé pas aussi critique
Aucune synchronisation de source requise
Évolutivité
Non applicable
Aucune évolutivité
Évolutif
Évolutif
Équipement
mixte à
cordon
double et
cordon
simple
Ne requiert que
deux sources
d'alimentation par
rack - aucun
avantage pour les
charges à cordon
simple
Doit avoir trois
sources d'alimentation par rack
Ne requiert que deux
sources d'alimentation
par rack
Ne requiert que deux
sources d'alimentation
par rack
Commentaires
Les effets nuisibles
d'une commutation
hors phase subsistent
avec un STS monté en
rack, mais ils affectent
une plus petite partie
du centre de données
Les commutateurs de
transfert en rack sont
flexibles et ils peuvent
surveiller la croissance
du centre de données
La distribution de
puissance des grands
commutateurs statiques complique le
câblage dans le rack et
requiert un espace
substantiel
Remarque : Le fond bleu indique les meilleures performances pour la caractéristique
Conclusions
Au fil du temps, les données prennent une importance de plus en plus cruciale pour les entreprises. Par
conséquent, il n'est pas surprenant que la plupart de l'équipement critique soit à double cordon. Toutefois,
les responsables informatiques et les responsables des installations continuent de s'interroger quant au
meilleur moyen de fournir des sources d'alimentation secteur redondantes à l'équipement à cordon simple
restant dans le rack et ils se demandent toujours si l'apport de cette alimentation est vraiment nécessaire.
La disponibilité de l'alimentation pour l'équipement à cordon simple en dessous de 10 kVA est optimisée par
l'apport de la redondance secteur directement sur le rack. Cela peut être effectué en utilisant un commutateur de transfert statique monté en rack ou un ATS monté en rack. Toutefois, d'après les critères énoncés
dans ce document, la solution optimale est l'ATS monté en rack.
À propos de l’auteur :
Victor Avelar est un ingénieur en disponibilité au service d'APC. Il est responsable des services de consulting et d'analyse pour l'étude des architectures électriques et la conception des centres de données des
clients. M. Avelar est ingénieur diplômé en génie mécanique de l'Institut Polytechnique Rensselaer (1995).
Il est membre de l'ASHRAE et de l'American Society for Quality.
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Annexe A
Commutateur de transfert statique : théorie de fonctionnement
Les commutateurs de transfert statiques, également appelés relais à état solide (SSR), sont des dispositifs électroniques assurant la commutation entre deux sources d'alimentation. Les noms « solide » et « statique » sont attribués à ces commutateurs du fait des propriétés des composants de commutation électroniques. Ces composants de commutation sont des redresseurs de courant au silicium (SCR), également
connus sous le nom de thyristors. Pour comprendre le mode de fonctionnement d'un SCR, il faut d'abord
connaître le matériau qui le compose.
Comme leur nom l'indique, tous les SCR sont composés d'un matériau semi-conducteur appelé silicium qui
est l'élément principal du sable et du quartz. Les matériaux semi-conducteurs sont un mélange d'isolants et
de conducteurs électriques. Les isolants empêchent la circulation de l'électricité tandis que les conducteurs
l'autorisent. À leur état naturel, les semi-conducteurs peuvent agir à la fois comme isolant et conducteur en
changeant leur température. Mais pour mieux maîtriser ces propriétés conductrices, les semi-conducteurs
comme le silicium subissent un processus appelé dopage qui ajoute des impuretés au semi-conducteur
naturel. En injectant une faible tension dans le SCR, ces impuretés lui permettent de devenir conducteur.
La figure A1 présente le symbole ainsi que la photo d'un SCR.
Figure A1 – Redresseur de courant au silicium
Symbole du SCR
SCR « rondelle de hockey »
Gâchette
Gâchette
Cathode
Anode
Cathode
Anode
Un SCR agit surtout comme un clapet qui autorise la circulation du courant dans une seule direction. Son
fonctionnement est similaire à celui d'une valvule cardiaque dans la mesure où le sang ne peut circuler que
dans une seule direction. Pour activer ou « fermer » un SCR, une petite tension est appliquée au SCR
au niveau de sa gâchette afin de permettre au courant de circuler de l'anode vers la cathode. Toutefois,
le « clapet » d'un SCR est désactivé (ouvert) automatiquement lorsque l'onde sinusoïdale de courant alternatif (c.a.) atteint le passage à zéro comme illustré sur la figure A2. À ce point, le SCR arrête la conduction
et agit comme un isolant pour une durée indéterminée sauf s'il reçoit un signal de la gâchette. À aucun
moment, le SCR n'autorisera la circulation du courant inverse de la cathode vers l'anode. Comment
est-il donc possible de « traiter » les moitiés directe et inverse (positive et négative) d'une onde sinusoïdale c.a. ?
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Figure A2 – Onde sinusoïdale
Signal de
gâchette
SCR 1
envoyé
Passage
par zéro
Signal de
gâchette
SCR 2
envoyé
La seule manière de conduire l'ensemble de l'onde sinusoïdale consiste à utiliser deux SCR adossés
comme illustré sur la figure A3. Désormais, un signal de gâchette peut être envoyé sur le SCR 2, lui permettant de conduire la partie inférieure (négative) de l'onde sinusoïdale de la figure A2. Cela signifie que
pour conduire les deux ondes sinusoïdales complètes de la figure A2, la gâchette du SCR 1 doit se déclencher aux premier et troisième passages par zéro, alors que la gâchette du SCR 2 doit se déclencher aux
deuxième et quatrième passages par zéro. Considérons maintenant que le contrôleur du commutateur
statique doit envoyer ces signaux de gâchette d'une manière extrêmement rapide et fiable tant que le circuit
d'alimentation principale est acceptable. Par conséquent, pour une alimentation secteur c.a. à 50 Hz
(50 ondes sinusoïdales par seconde), le contrôleur doit envoyer 100 signaux de gâchette par seconde.
Et cela vaut uniquement pour un commutateur statique monophasé. Les commutateurs de transfert statiques sont presque toujours triphasés, ce qui signifie que le contrôleur doit envoyer 100 signaux de gâchette
par seconde, par phase, pour un total de 300 signaux chaque seconde.
La figure A3 ne représente qu'une seule phase d'un commutateur de transfert statique. Cela signifie que les
côtés préféré et de secours d'un commutateur de transfert statique triphasé se composeraient chacun de
trois paires de SCR adossés (6 SCR de chaque côté, soit 12 au total). Remarque : Les commutateurs de
transfert haute capacité utilisent des « piles » de la configuration décrite, ce qui permet d'avoir des centaines
de SCR dans le même commutateur.
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Figure A3 – Commutateur statique monophasé
K
Dérivation de maintenance
Source 1
K
SCR
adossés
Sortie
LOGIQUE
K
K
SCR
adossés
Source 2
K
K
Dérivation de maintenance
Verrouillage par
serrure Kirk
Maintenant que le SCR et sa commande ont été décrits, comment un commutateur de transfert statique
finit-il par transférer le courant d'une source secteur sur une autre ? La réponse se trouve dans le comportement du SCR. N'oubliez pas que lorsque la gâchette d'un SCR se déclenche, celui-ci continue de conduire
l'électricité jusqu'à ce que l'onde sinusoïdale atteigne le passage par zéro. À ce point, les commandes du
commutateur de transfert peuvent déclencher la gâchette du même SCR ou celle du SCR du côté de
secours si la source secteur principale devient inacceptable. Ces décisions doivent être prises en l'espace
de quelques microsecondes afin d'empêcher la diminution de la charge critique. À la différence des commutateurs de transfert montés en rack, les grands commutateurs de transfert statiques font face à un nouveau
défi au cours de ces décisions. Les grands commutateurs supportent beaucoup plus de charges et sont plus
propices à des courts-circuits en aval. Le transfert de sources lors d'un court-circuit en aval peut être désastreux, car les perturbations se propagent dans un circuit stable. Par conséquent, outre ces autres décisions,
les grands commutateurs doivent d'abord déterminer si un court-circuit est présent et, le cas échéant,
empêcher une commutation.
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Commutateurs électromécaniques ou commutateurs de transfert automatiques (ATS) :
théorie de fonctionnement
Alors que les commutateurs statiques utilisent des SCR, les commutateurs électromécaniques utilisent des
composants appelés relais pour assurer la commutation entre les sources d'alimentation préférée et de
secours. Le fonctionnement des relais s'apparente au fonctionnement simple et économique d'un électroaimant. Un électroaimant très simple peut être réalisé en enroulant un fil autour d'un clou et en branchant les
extrémités de ce fil sur une batterie comme illustré à la figure A4. Lorsque la batterie est connectée au fil,
elle entraîne la circulation du courant dans la bobine, ce qui produit alors un champ magnétique. Ce champ
magnétique aimante le clou qui peut ensuite être utilisé pour collecter d'autres objets métalliques tels des
trombones. Il s'agit exactement du même principe qui permet aux grues électromagnétiques de prendre des
voitures dans une décharge si ce n'est qu'elles nécessitent beaucoup plus d'énergie qu'une petite batterie.
Figure A4 – Un électroaimant simple
Comment un électroaimant permet-il donc à un relais de commuter entre des sources d'alimentation ?
La figure A5 fournit quelques réponses intuitives. Un relais implique la présence de deux circuits : le circuit
d'excitation et le circuit de contact. L'électroaimant se situe du côté de l'excitation et les contacts du relais
(C1 et C2) sont sur le côté du contact. Comme l'électroaimant attire le métal lorsqu'il est alimenté, il est
placé près de l'armature. Dans un relais, une armature désigne le dispositif métallique qui pivote entre les
contacts électriques. Lorsque l'électroaimant est alimenté, sa force magnétique attire l'armature et la maintient contre le contact C1, ce qui complète le circuit. Toutefois, lorsque l'électroaimant n'est pas alimenté,
l'armature doit utiliser un moyen de commuter sur le contact C2. Il faut alors fixer un ressort sur l'autre
extrémité de l'armature. Désormais, quoiqu'il se produise, l'armature reste toujours en contact avec
C1 ou C2.
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Figure 5A – Diagramme du relais mécanique
BORNE COMMUNE
CHAMP MAGNÉTIQUE CRÉÉ
CONTACTS
ARMATURE
PIVOT
RESSORT
BOBINE
BORNES DE BOBINE DE RELAIS
Comme le commutateur statique, un ATS requiert également l'utilisation d'un contrôleur pour surveiller
l'alimentation d'entrée des sources d'alimentation principale et de secours. Toutefois, les commandes sont
beaucoup plus simples compte tenu qu'elles n'ont pas besoin d'envoyer des signaux de gâchette plusieurs
centaines de fois par seconde. Au lieu de cela, le contrôleur se contente de surveiller l'état des sources
d'alimentation principale et de secours et il détermine le moment où le relais doit (ne plus) être alimenté.
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Annexe B
Équipement informatique et courant alternatif : comment l'alimentation en
mode commuté (SMPS) fonctionne-t-elle ?
Comment l'équipement informatique peut-il continuer de fonctionner pendant ces interruptions d'alimentation ? Il faut d'abord prendre en compte la manière dont l'électricité est produite. L'électricité est généralement distribuée sous forme de courant alternatif (c.a.) par le secteur et les groupes électrogènes. La tension
c.a. « alterne » entre le positif et le négatif (dans l'idéal, sous forme d'onde sinusoïdale parfaite), en passant
par zéro volt deux fois par cycle. Cela peut ne pas être visible à l'œil nu, mais une ampoule branchée sur le
secteur vacille 100 ou 120 fois par seconde (pour un cycle c.a. de 50 ou 60) lorsque la tension passe au
point zéro pour changer de polarité. L'équipement informatique se « désactive »-t-il 100 fois ou plus par
seconde lorsque la tension secteur change de polarité ? Il est évident qu'il y a un problème que l'équipement
informatique doit résoudre. L'équipement informatique moderne résout ce problème avec une alimentation
en mode commuté (SMPS).1 Une SMPS convertit d'abord la tension c.a. avec l'ensemble de ses composants non idéaux (pics de tension, distorsion, variations de fréquence, etc.) en courant plat c.c. (courant
continu). Ce processus charge un élément de stockage d'énergie, appelé condensateur, qui se situe entre
l'entrée c.a. et le reste de l'alimentation. Ce condensateur est chargé par l'entrée c.a. en salves deux fois par
cycle c.a. lorsque l'onde sinusoïdale est à son maximum (pics positif et négatif) et il se décharge à la vitesse
requise par les circuits de traitement informatique en aval. Le condensateur a été conçu pour absorber ces
impulsions c.a. normales avec les pics de tension anormaux continuellement tout au long de sa durée de
vie. Ainsi, à la différence de l'ampoule qui vacille, l'équipement informatique fonctionne sur un flux constant
de courant continu et non sur le courant alternatif pulsé du réseau secteur.
Mais cela ne s'arrête pas là. Les circuits microélectroniques requièrent des tensions c.c. très faibles
(3,3 V, 5 V, 12 V, etc.), mais la tension du condensateur évoqué peut aller jusqu'à 400 V. La SMPS
convertit également ce courant continu haute tension en sorties c.c. de faible tension strictement régulées.
En réduisant cette tension, la SMPS effectue une autre fonction importante : elle assure une isolation
galvanique. L'isolation galvanique est une séparation physique dans le circuit qui a deux objectifs. Son
premier objectif est la sécurité, c'est-à-dire la protection contre l'électrocution. Son second objectif est la
protection contre les dégâts et les dysfonctionnements de l'équipement en raison du bruit ou de la tension
de mode commun (basée sur la terre). Pour en savoir plus sur la mise à la terre et sur la tension de mode
commun, consultez les livres blancs APC n° 9, « Common Mode Susceptibility of Computers » et n° 21,
« Neutral Wire Facts and Mythology ».
1
Le « mode commuté » se réfère à une fonction de circuits internes de l'alimentation qui n'a pas de rapport avec ce sujet.
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De la même manière que la SMPS « chevauche » les intervalles entre les pics de l'onde sinusoïdale d'entrée c.a., elle surmonte également d'autres anomalies et brèves interruptions d'alimentation c.a. Il s'agit
d'une fonction importante pour les fabricants d'équipement informatique, car ils souhaitent que leur équipement fonctionne même en l'absence d'onduleur. Aucun fabricant d'équipement informatique ne souhaite
mettre sa réputation en jeu en termes de qualité et de performances à cause d'une alimentation qui ne peut
pas tolérer la moindre petite anomalie sur le secteur c.a. Cela se vérifie particulièrement pour l'équipement
informatique et de réseau haut de gamme, qui est construit en général avec des alimentations de qualité
supérieure.
Afin de démontrer cette capacité de chevauchement, une alimentation d'ordinateur type a été lourdement
chargée, puis son entrée c.a. a été supprimée. La sortie d'alimentation a été surveillée afin de déterminer
combien de temps la tension de sortie acceptable allait être assurée après la perte d'entrée c.a. Les résultats sont présentés à la figure B1. Les formes d'ondes affichées correspondent à la tension d'entrée,
à l'intensité d'entrée et à la tension de sortie c.c. de l'alimentation.
Figure B1 – Chevauchement de l'alimentation
Tension
d’entrée
Intensité
d'entrée
La sortie c.c. chute brutalement
18 ms
Trace du haut :
sortie c.c. basse tension
de l'alimentation
Entrée c.a. interrompue
Traces intermédiaires :
intensité et tension d'entrée
Une fois le courant c.a. évacué, la sortie d'alimentation d'un ordinateur
lourdement chargé chute brutalement, mais uniquement au bout d'un certain temps.
Avant d'être supprimée, la tension d'entrée correspond à l'onde sinusoïdale représentée à gauche sur la
figure B1. L'intensité d'entrée (crête située sous la courbe de tension lisse) se compose d'une brève impulsion au niveau du pic positif de la tension d'entrée et d'une autre brève impulsion au niveau du pic négatif.
C'est uniquement lors de ces impulsions de courant que le condensateur de la SMPS est chargé. Le reste
du temps, l'alimentation est extraite du condensateur afin d'être fournie aux circuits de traitement. La tension
c.c. à la sortie de la SMPS est représentée par la trace du haut sur la figure B1. Vous remarquerez que la
tension de sortie reste strictement régulée pendant 18 millisecondes après la suppression de l'entrée c.a.
L'APC a testé diverses alimentations provenant de différents fabricants d'ordinateurs et d'autre équipement
informatique et a trouvé des résultats similaires. Si les alimentations sont chargées légèrement, le temps de
chevauchement sera beaucoup plus long, car le condensateur sera déchargé plus lentement.
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