Alimentation de secours : groupe électrogène, onduleur ASI, inverseur

Une coupure du réseau public ne prévient pas. Dans un logement, on attend. Dans une clinique, une salle informatique, un entrepôt frigorifique ou un magasin plein de clients, chaque seconde sans tension a un prix, parfois une conséquence sur la sécurité des personnes. Le technicien supérieur en électrotechnique doit donc savoir répondre à trois questions : quels circuits faut-il secourir, avec quelle source, et l'installation reste-t-elle protégée quand ce n'est plus le transformateur qui l'alimente ?

Ce chapitre de BTS s'appuie sur le bilan de puissance, sur le calcul du courant de court-circuit et sur les régimes de neutre. On ne les refait pas ici : on les applique à une installation qui possède deux sources.

Source de remplacement, source de sécurité : le vocabulaire

Le langage courant parle de « secours » pour tout. Les textes sont plus précis, et l'examen aussi. Le règlement de sécurité des établissements recevant du public (article EL 3) distingue :

• la source normale, en général le raccordement au réseau public, en haute ou en basse tension ;
• la source de remplacement, qui permet de poursuivre tout ou partie de l'exploitation quand la source normale fait défaut : c'est un choix de l'exploitant, motivé par la continuité de service ;
• la source de sécurité, prévue pour maintenir en service les matériels qui concourent à la sécurité contre l'incendie et la panique (éclairage de sécurité, système de sécurité incendie, désenfumage, ascenseurs utilisables en cas d'incendie, surpresseurs d'incendie) quand l'ensemble « normal-remplacement » est défaillant : c'est une obligation.

Le même article définit l'alimentation électrique de sécurité (AES), dispositif qui fournit l'énergie aux installations de sécurité, et le temps de commutation : l'intervalle entre l'apparition de la défaillance et le moment où la tension est disponible aux bornes de la source de sécurité. L'article EL 12 impose, hors éclairage de sécurité, une AES conforme à la norme NF S 61-940 et une autonomie des sources de sécurité d'au moins 1 heure. Dans les lieux de travail, l'arrêté du 26 février 2003 admet qu'un groupe de remplacement serve de source de sécurité, à condition qu'il réponde à la même norme et que la puissance nécessaire aux équipements de sécurité reste disponible dans tous les cas. L'éclairage de sécurité, lui, a ses propres sources (blocs autonomes ou source centralisée) : il est traité dans le cours sur l'éclairage de sécurité en ERP, et les autres équipements dans celui sur l'alarme et le SSI.

Retenez la logique : la source de remplacement protège l'activité, la source de sécurité protège les personnes. Les deux ne se dimensionnent ni ne se câblent de la même façon.

Les classes de coupure : combien de temps peut-on rester sans tension ?

Toute étude commence par un tri des récepteurs selon la durée de coupure qu'ils tolèrent. Un serveur s'arrête sur un creux de quelques dizaines de millisecondes. Un éclairage de bureau, une chambre froide ou une pompe de relevage supportent quelques secondes. Un chauffage électrique peut attendre le retour du réseau. On range donc les charges, et les sources capables de les reprendre, en trois familles :

Les normes d'installation et les guides de constructeurs découpent plus finement (sans coupure, coupure très brève, brève, moyenne, longue), et les mêmes mots ne recouvrent pas toujours les mêmes durées d'un document à l'autre : dans un sujet ou un cahier des charges, lisez la durée en secondes, pas seulement le qualificatif.

Ce tri donne directement l'architecture. On sépare l'installation en trois ensembles : les circuits non secourus, les circuits prioritaires repris par le groupe, et les circuits critiques alimentés en permanence par une ASI, elle-même placée sur le jeu de barres secouru. La batterie n'a alors à tenir que le temps du démarrage du groupe.

L'alimentation sans interruption (ASI)

On dit « onduleur » sur le chantier, mais l'onduleur n'est qu'une partie de l'appareil. Une ASI réunit un redresseur-chargeur (alternatif vers continu), une batterie d'accumulateurs, un onduleur proprement dit (continu vers alternatif) et, sur les modèles sérieux, un by-pass statique qui renvoie la charge sur le réseau si l'onduleur est en défaut ou en surcharge. Un by-pass manuel de maintenance permet d'intervenir sur l'appareil sans couper les utilisations.

Off-line, line-interactive, double conversion

La norme IEC 62040-3 classe les ASI selon ce que leur sortie doit au réseau en fonctionnement normal.

L'ASI en attente passive (off-line, classe VFD : tension et fréquence dépendantes) laisse passer le réseau, simplement filtré. À la coupure, un commutateur bascule la charge sur l'onduleur en un temps de l'ordre de 10 ms. Il faut vérifier que l'équipement supporte cette micro-coupure. On la réserve aux petites puissances : un poste de travail, une caisse.

L'ASI en interaction avec le réseau (line-interactive, classe VI : tension indépendante) ajoute une régulation de tension. Un convertisseur réversible, en parallèle, charge la batterie en temps normal et alimente la charge à la coupure, pendant qu'un contacteur statique isole le réseau. La fréquence n'est pas régulée : en marche normale, c'est celle du réseau.

L'ASI à double conversion (on-line, classe VFI : tension et fréquence indépendantes) convertit en permanence toute la puissance, deux fois. La charge ne voit jamais le réseau, seulement l'onde reconstruite par l'onduleur. À la coupure, la batterie, déjà raccordée au bus continu, prend le relais sans aucune commutation. C'est la seule topologie qui régule aussi la fréquence, donc la seule qui convient derrière un groupe dont la fréquence fluctue. On la retient pour les charges sensibles de moyenne et forte puissance. Son prix : un rendement inférieur à 100 % en permanence, donc des pertes à payer et à évacuer.

Dimensionner une ASI en kVA et en kW

La plaque d'une ASI porte deux puissances : une puissance apparente Sn en kVA et une puissance active Pn en kW, liées par son facteur de puissance de sortie. Les deux limites doivent être respectées en même temps :

• S charge ≤ Sn, avec S = P / FP (FP étant le facteur de puissance de la charge) ;
• P charge ≤ Pn.

Prenons le fil rouge du chapitre : une salle serveurs et des baies réseau qui absorbent P = 24 kW avec un facteur de puissance de 0,95. La puissance apparente vaut S = 24 / 0,95 ≈ 25,3 kVA. Une ASI de 30 kVA et 27 kW convient sur le papier (25,3 ≤ 30 et 24 ≤ 27), mais elle serait chargée à 24 / 27 ≈ 89 % : aucune réserve pour une baie de plus. Avec une ASI de 40 kVA et 36 kW, le taux de charge tombe à 24 / 36 ≈ 67 %, ce qui laisse de la marge pour les extensions et pour les pointes d'appel de courant. La charge étant largement non linéaire, le courant de neutre et la distorsion se traitent comme dans le cours sur les harmoniques.

Calculer l'autonomie

La batterie doit fournir la puissance de la charge, augmentée des pertes de l'onduleur, pendant la durée voulue :

E = P × t / η

avec E l'énergie à stocker (Wh), P la puissance active de la charge (W), t l'autonomie (h) et η le rendement de l'onduleur. Pour 24 kW pendant 10 minutes avec η = 0,94 : E = 24 000 × (10 / 60) / 0,94 ≈ 4 255 Wh, soit 4,3 kWh. Sous une tension batterie de 480 V, le courant de décharge vaut I = P / (η × U) = 24 000 / (0,94 × 480) ≈ 53 A.

Ce calcul donne un ordre de grandeur, pas une référence de batterie. Une batterie au plomb déchargée en dix minutes ne restitue qu'une partie de la capacité annoncée pour une décharge lente, et elle vieillit. Le choix final se fait dans les tables de décharge du constructeur, à puissance constante et pour la tension de fin de décharge admise par l'onduleur.

Quelle durée viser ? Seule, l'ASI doit laisser le temps d'arrêter proprement les équipements. Associée à un groupe, elle n'a qu'à franchir le démarrage : le Cahier technique Schneider n° 196 indique qu'une dizaine de minutes suffit alors. La marge couvre un premier démarrage raté.

Le groupe électrogène

Un groupe associe un moteur thermique, le plus souvent diesel, et un alternateur, étudié dans le cours sur la machine synchrone. Le régulateur de vitesse du moteur tient la fréquence, le régulateur de tension de l'alternateur tient la tension. Autour : réservoir, système de démarrage (batterie ou air comprimé), préchauffage qui maintient le moteur prêt, refroidissement, ventilation du local et automate de contrôle-commande. La série ISO 8528 encadre ces matériels. Elle définit notamment quatre classes d'application, de G1 (exigences mineures en tension et en fréquence, par exemple de l'éclairage) à G4 (exigences exceptionnellement sévères, par exemple des systèmes informatiques), et plusieurs définitions de puissance : continue, principale sous charge variable, ou limitée à un usage de secours. La puissance en kVA est annoncée sous un facteur de puissance de 0,8.

Le temps de reprise

Le temps de reprise est le délai entre l'ordre de démarrage et la fermeture du disjoncteur du groupe sur l'installation. Le document de synthèse de l'INERIS le situe le plus souvent entre 8 et 15 secondes, et le Cahier technique n° 196 précise qu'un fabricant peut garantir 15 secondes ; exiger moins renchérit beaucoup le groupe pour un gain minime. La conséquence est simple : tout ce qui ne tolère pas ce noir doit être derrière une ASI.

Dimensionner le groupe

La démarche tient en quatre vérifications.

1. La puissance en régime établi. On fait le bilan des seuls circuits secourus. Dans notre bâtiment : éclairage et prises 20 kW, production de froid 30 kW, ascenseurs et pompes 25 kW, entrée de l'ASI 28 kW (les 24 kW de la charge divisés par le rendement, plus la recharge de la batterie). Total : 103 kW. Avec un facteur de puissance global de 0,8, S = 103 / 0,8 ≈ 129 kVA. En gardant 20 % de réserve, on arrive à 155 kVA : on retient un groupe de 160 kVA, soit 128 kW, chargé à 103 / 128 ≈ 80 %.

2. Les impacts de charge. Un groupe n'a pas la raideur du réseau. Une prise de charge brutale fait chuter la vitesse du moteur, donc la fréquence, et la tension de l'alternateur. Le démarrage direct d'un moteur est le cas dimensionnant. On l'estime en assimilant l'alternateur à une source derrière sa réactance transitoire x′d et le moteur à sa puissance apparente de démarrage Sdém :

ΔU / U ≈ 1 / (1 + Sn / (x′d × Sdém))

Pour un moteur de 22 kW (rendement 0,9, cos φ 0,85, Id = 6 In) : Sn moteur = 22 / (0,9 × 0,85) ≈ 28,8 kVA, donc Sdém ≈ 173 kVA. Avec le groupe de 160 kVA et x′d = 20 %, ΔU / U ≈ 1 / (1 + 160 / 34,5) ≈ 18 %. C'est trop si des contacteurs ou de l'électronique partagent le jeu de barres. On réduit l'appel par un démarrage étoile-triangle, un démarreur progressif ou un variateur, ou l'on monte en puissance de groupe. Ce modèle simplifié ignore la réaction du régulateur : la valeur exacte se lit sur les courbes du constructeur de l'alternateur.

3. L'ordre de reprise. On ne referme pas tout d'un coup. L'automate relance les charges par paliers, les plus gros moteurs d'abord, tant que le groupe est peu chargé. Si la puissance disponible ne suffit pas, il déleste les départs non prioritaires : le principe est celui du délesteur du tableau domestique, appliqué à des départs de TGBT.

4. Les charges non linéaires. Le redresseur d'une ASI ou d'un variateur injecte des courants harmoniques. Sur un alternateur, dont l'impédance interne est bien plus élevée que celle d'un transformateur, ils déforment davantage la tension. Les constructeurs imposent donc un groupe nettement plus puissant que l'ASI qu'il alimente, ou un redresseur à faible taux de distorsion : le rapport à respecter se lit dans leurs notices.

Le courant de court-circuit d'un alternateur

C'est le point qui distingue vraiment le mode secours du mode normal. Un transformateur de 630 kVA, avec une tension de court-circuit de 4 %, a un courant nominal In = 630 000 / (1,732 × 410) ≈ 887 A, calculé avec sa tension secondaire à vide de 410 V. Il fournit à ses bornes Icc ≈ In / ucc = 887 / 0,04 ≈ 22,2 kA, soit 25 fois son courant nominal. Un alternateur est incapable d'une telle performance, et son courant de défaut varie dans le temps.

Pendant les 10 à 20 premières millisecondes (régime subtransitoire), le courant est limité par la réactance subtransitoire x″d : Icc″ ≈ In / x″d. Il décroît ensuite pendant 0,1 à 0,3 s (régime transitoire, réactance x′d), puis se stabilise. En régime permanent, d'après le Cahier technique Schneider n° 172, un alternateur à excitation compound ou à surexcitation maintient environ 3 In, alors qu'un alternateur à excitation shunt s'effondre vers 0,3 In : la tension qui alimente son excitation a disparu avec le défaut.

Pour notre groupe de 160 kVA sous 400 V : In = 160 000 / (1,732 × 400) ≈ 231 A. Avec x″d = 12 %, Icc″ ≈ 231 / 0,12 ≈ 1,9 kA. En régime établi : 3 × 231 ≈ 690 A. Comparez avec les 22,2 kA du transformateur.

Trois conséquences pour l'étude. D'abord, le pouvoir de coupure des appareils se choisit sur la source normale, la plus puissante, tandis que les seuils de déclenchement se vérifient sur la source la plus faible. Ensuite, un départ de 100 A en courbe C, dont le magnétique peut ne réagir qu'à 10 In = 1 000 A, n'est pas sûr de déclencher instantanément sur un défaut établi à 690 A : on abaisse le seuil court retard, on passe en courbe B ou l'on ajoute une protection différentielle. Enfin, la sélectivité étudiée sur le transformateur doit être revue : les courbes ne se croisent plus aux mêmes endroits.

Un onduleur pose le même problème, en plus marqué : son électronique limite le courant de sortie à une valeur proche de son courant nominal, pendant un temps bref. Tant que le réseau est présent, le by-pass statique peut transférer la charge sur le réseau pour faire déclencher le départ en défaut. Sur batterie, seules de petites protections, de calibre faible devant celui de l'ASI, déclenchent correctement : on multiplie les départs de petit calibre plutôt que de gros départs.

L'inverseur de source normal / secours

L'inverseur relie le jeu de barres secouru soit à la source normale, soit au groupe, jamais aux deux. Coupler un groupe non synchronisé au réseau, c'est un court-circuit entre deux sources. Réalimenter le réseau public par le groupe, c'est mettre sous tension une ligne sur laquelle un agent du distributeur travaille peut-être. D'où la règle : un interverrouillage mécanique et électrique entre les deux voies.

L'appareil peut être manuel, télécommandé ou automatique. L'IEC 60947-6-1 distingue notamment deux familles : la classe PC, construite sur des interrupteurs, qui établit et supporte un courant de court-circuit mais ne le coupe pas, et doit donc être protégée en amont ; la classe CB, construite sur deux disjoncteurs interverrouillés, qui assure aussi la protection. L'automatisme associé surveille la tension des deux sources, temporise, donne l'ordre de démarrage, commande le délestage et gère le retour. Dans un TGBT, l'inverseur se place en tête du jeu de barres secouru.

Le régime de neutre en aval d'un groupe ou d'un onduleur

Changer de source, c'est changer le point où le neutre est relié à la terre. Si l'on n'y prend pas garde, l'installation fonctionne sur groupe avec un schéma des liaisons à la terre qui n'est plus celui de l'étude.

En aval d'un groupe

En schéma TT ou TN, la protection contre les contacts indirects repose sur un courant de défaut qui se referme par le neutre de la source. Le neutre de l'alternateur doit donc être relié à la terre, comme celui du transformateur, pour que les différentiels ou les disjoncteurs voient le défaut. En TN-S, l'inverseur est en général tétrapolaire : il coupe le neutre avec les phases, de sorte qu'une seule liaison neutre-terre est en service à la fois et que le courant de neutre ne se partage pas entre deux chemins, ce qui fausserait les protections de terre. En TN-C, au contraire, le conducteur PEN ne doit jamais être coupé : l'inverseur est tripolaire.

Vient ensuite la question du courant de défaut. Le Cahier technique n° 172 le dit sans détour : lors du passage sur un groupe ou sur une ASI, les dispositifs de protection contre les courts-circuits risquent de ne pas fonctionner, ou trop tard, parce que le courant de défaut est plus faible. En TN et en IT, il faut revérifier que les conditions de protection restent respectées, surtout sur les départs de grande longueur, et ajouter des différentiels si ce n'est pas le cas. En IT, on veille à ce qu'un seul contrôleur permanent d'isolement surveille le réseau quelle que soit la source en service.

Pour les installations de sécurité des ERP qui ne sont pas en très basse tension de sécurité, l'article EL 16 (§ 4) impose le schéma IT : un premier défaut d'isolement ne doit pas arrêter un ventilateur de désenfumage. Par dérogation, lorsque l'alimentation électrique de sécurité comporte un groupe électrogène, le schéma TN est admis à condition qu'une sélectivité totale soit assurée entre les protections. Notre article sur les règles électriques des ERP donne le contexte.

En aval d'une ASI

Deux cas se présentent. Sans transformateur d'isolement, le neutre traverse l'ASI ou son by-pass : le schéma des liaisons à la terre aval est celui de l'amont, et il faut s'assurer que le neutre aval reste relié à la terre même quand l'ASI fonctionne sur batterie, protections amont ouvertes. Avec un transformateur d'isolement en sortie ou sur le by-pass, l'aval devient une installation séparée galvaniquement : on y crée le schéma voulu, souvent TN-S pour l'informatique, parfois IT pour la continuité, en reliant à la terre (ou en isolant) le neutre du secondaire. Dans les deux cas, la protection des personnes sur batterie se vérifie avec le faible courant de défaut de l'onduleur, ce qui conduit souvent à des différentiels sur les départs.

Essais et maintenance

Une source de secours qui ne démarre pas le jour de la coupure ne vaut rien. La cause la plus fréquente d'échec est la batterie de démarrage du groupe. Pour les groupes électrogènes de sécurité des lieux de travail, l'arrêté du 26 février 2003 (repris à l'identique par l'article EL 18 pour les ERP) fixe une périodicité minimale : tous les quinze jours, vérification des niveaux d'huile, d'eau et de combustible, du réchauffage du moteur et de la source de démarrage ; tous les mois, essai de démarrage automatique avec une charge d'au moins 50 % de la puissance du groupe, pendant au moins 30 minutes. Les résultats sont consignés dans un registre. Pour une ASI, on contrôle la batterie et l'on réalise un test d'autonomie au moins une fois par an, et l'on anticipe le remplacement des batteries.

Les points qui tombent à l'examen

Six attendus reviennent dans les sujets de BTS. Classer les récepteurs par temps de coupure admissible et en déduire l'architecture : non secouru, secouru par le groupe, secouru par l'ASI. Dimensionner une ASI en vérifiant les deux limites, kVA et kW, puis calculer l'énergie de la batterie pour une autonomie donnée. Dimensionner un groupe à partir du bilan des charges secourues sous cos φ 0,8, et justifier l'ordre de reprise et le délestage. Calculer le courant de court-circuit de l'alternateur (In / x″d, puis environ 3 In) et le comparer à celui du transformateur. Conclure sur les protections : pouvoir de coupure sur la source normale, seuils et temps de coupure sur la source de secours. Justifier le schéma des liaisons à la terre en mode secours : neutre de l'alternateur relié à la terre, inverseur tripolaire ou tétrapolaire, cas particulier de l'IT pour les installations de sécurité.

Les erreurs qui reviennent

La première erreur consiste à dimensionner l'ASI sur les seuls kVA. Une ASI de 30 kVA et 24 kW ne peut pas alimenter 27 kW de serveurs à facteur de puissance proche de 1, même si 27 kVA est inférieur à 30 kVA.

Deuxième erreur : confondre autonomie et temps de reprise. L'autonomie est la durée pendant laquelle une batterie tient ; le temps de reprise est le délai avant que le groupe n'alimente l'installation. La première doit dépasser largement le second.

Troisième erreur : additionner les puissances nominales et choisir le groupe juste au-dessus, sans regarder le démarrage du plus gros moteur ni la part de charges non linéaires. Le groupe tient en régime établi et s'écroule à la reprise.

Quatrième erreur : garder en mode secours les conclusions de l'étude faite sur le transformateur. Un magnétique réglé à 1 600 A ne verra jamais un défaut de 700 A.

Dernière erreur : oublier le neutre. Un groupe dont le neutre n'est pas relié à la terre, derrière un inverseur tétrapolaire, transforme sans le dire une installation TN en réseau isolé sans surveillance.

Exercices corrigés

Tous les exercices sont de niveau BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé, et terminez chaque réponse par une phrase de conclusion.

Exercice 1. Un magasin classé ERP possède : une baie informatique de caisse, des chambres froides, un chauffage électrique, des ventilateurs de désenfumage et un éclairage de vente. Pour chacun, indiquez la coupure admissible et la source qui convient.

Exercice 2. Une charge informatique absorbe 27 kW avec un facteur de puissance de 0,96. On hésite entre une ASI de 30 kVA / 24 kW et une ASI de 40 kVA / 36 kW. Laquelle convient ? Quel est son taux de charge ?

Exercice 3. Cette ASI alimente les 27 kW pendant 8 minutes. Le rendement de l'onduleur est de 0,95 et la batterie a une tension de 384 V. Calculez l'énergie à fournir par la batterie et le courant de décharge.

Exercice 4. Les circuits secourus d'un atelier totalisent : éclairage 12 kW, process 45 kW, ventilation 18 kW, ASI 15 kW en entrée. Le facteur de puissance global est de 0,8 et l'on veut 20 % de réserve. Quelle puissance de groupe retenez-vous parmi 100, 125, 160 et 200 kVA ? Quel est son taux de charge ?

Exercice 5. Sur ce groupe de 160 kVA (x′d = 20 %), on démarre en direct un moteur de 30 kW (rendement 0,92, cos φ 0,86, Id = 6 In). Estimez la chute de tension au démarrage, puis avec un démarrage étoile-triangle qui divise l'appel par 3. Le cahier des charges limite la chute à 15 %.

Exercice 6. Un groupe de 250 kVA, 400 V, a une réactance subtransitoire x″d de 12 % et maintient 3 In en court-circuit établi. a) Calculez In, le courant subtransitoire et le courant permanent. b) Un départ est protégé par un disjoncteur de 160 A dont le seuil court retard est réglé à 10 × Ir = 1 600 A. Ce départ est-il protégé contre un court-circuit établi quand le groupe alimente seul ? Que proposez-vous ?

Exercice 7. Un bâtiment en schéma TN-S est alimenté par un transformateur et secouru par un groupe à travers un inverseur de source. a) Pourquoi le neutre de l'alternateur doit-il être relié à la terre ? b) L'inverseur doit-il être tripolaire ou tétrapolaire, et pourquoi ? c) Que deviendrait la réponse en TN-C ?

Sources

• INERIS, Systèmes d'alimentation de secours : groupes électrogènes et alimentation sans interruption (document de synthèse, 2019) : topologies d'ASI, temps de reprise, classes ISO 8528, maintenance et arrêté du 26 février 2003.
• Schneider Electric, sur Éduscol STI, Cahier technique n° 196 : génération électrique intégrée aux sites industriels et bâtiments commerciaux : schéma normal / secours, temps de démarrage, prise de charge, délestage.
• Schneider Electric, sur Éduscol STI, Cahier technique n° 172 : les schémas des liaisons à la terre en BT : courant de court-circuit d'un groupe de secours et vérification des protections en TN et IT.
• Legrand, Dispositions particulières ERP : articles EL et EC du règlement de sécurité : définitions de l'article EL 3, alimentation électrique de sécurité (EL 12), schéma IT des installations de sécurité (EL 16), entretien des groupes de sécurité (EL 18).
• Normes citées : IEC 62040-3 (ASI), ISO 8528 (groupes électrogènes), IEC 60947-6-1 (matériels de connexion de transfert), NF S 61-940 (alimentations électriques de sécurité), NF C 15-100.

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