Exigences en matière d'alimentation en courant alternatif pour les sources d'alimentation

Les sources d'alimentation en courant alternatif programmables utilisées pour les applications de développement et de test convertissent le courant électrique disponible localement en formats de sortie précis en courant alternatif ou continu nécessaires pour tester ou contrôler les unités testées. On parle de "conversion d'énergie à l'état solide", car on utilise des circuits électroniques actifs plutôt que des convertisseurs rotatifs ou des transformateurs à tension unique. Cela présente de nombreux avantages pour les applications d'essai :

• Conversion simultanée de la tension et de la fréquence
• Isolation galvanique entre le réseau et l'unité testée, la sortie de la source d'alimentation pouvant être flottante.
• Possibilité de conversion de phase entre le réseau monophasé, divisé ou triphasé en monophasé, divisé ou triphasé selon les besoins.

Quel que soit l'objectif de l'essai, les convertisseurs de puissance à semi-conducteurs prennent l'énergie électrique en entrée et la convertissent à la tension de sortie, à la fréquence et à la configuration de phase souhaitées.

Entrée AC monophasée 

Les configurations d'entrée en courant alternatif monophasé sont de loin les plus pratiques, car tout laboratoire ou atelier dispose de prises de courant monophasé. Dans les pays où la tension de réseau de 230Vac ou 240Vac est standard, cela permet de disposer d'une puissance d'entrée raisonnable pour répondre à des besoins allant jusqu'à 3000W.

Dans des pays comme les États-Unis ou le Japon, où la tension secteur n'est que de 120 ou 110 volts, une prise de courant standard peut fournir beaucoup moins d'énergie. Une prise typique de 120Vac ne supporte que 10A, donc dans le meilleur des cas, 1200VA sont disponibles. Cela ne tient pas compte des éventuelles conditions de faible tension de ligne qui peuvent réduire davantage la puissance d'entrée. Il existe des versions de prises 120V, 20A disponibles aux États-Unis, mais elles ne sont pas très courantes et utilisent une orientation différente des broches, de sorte que les fiches modulaires standard des cordons d'alimentation ne fonctionneront pas avec elles.

Figure 1 : Connexion monophasée au réseau

Pour les puissances supérieures à 1000 W aux États-Unis, il faut une alimentation biphasée 240Vac ou triphasée 208V.

Entrée AC triphasée

L'alimentation triphasée est généralement utilisée pour les applications industrielles à forte puissance. Les usines et les laboratoires d'essai de puissance disposent généralement de prises triphasées. Dans les immeubles de bureaux, le courant triphasé est utilisé pour l'éclairage, qui est un gros consommateur d'énergie ; le courant triphasé peut donc être disponible dans l'immeuble, mais pas les prises de courant triphasé.

Il existe trois configurations triphasées courantes dans le monde :

• 208Vac triphasé Wye Japon
• 208Vac triphasé Wye US
• 400Vac triphasé Wye Europe, Asie
• 480Vac triphasé Delta US

Des tensions plus élevées peuvent exister dans certains pays (Canada) et un transformateur Delta/Wye peut être utilisé pour passer de Delta à Wye ou vice-versa.

Figure 2 : Connexion triphasée au réseau Delta

Entrée Delta ou Wye ?
Toutes les sources d'alimentation CA ou CC de forte puissance n'ont pas la même configuration d'entrée triphasée. Faites attention au type de configuration de tension triphasée prise en charge par la source d'énergie que vous envisagez d'utiliser. Si la configuration d'entrée est Delta, la source d'alimentation peut être utilisée avec une configuration de réseau Delta ou Wye. La connexion neutre n'est pas nécessaire lors de la connexion au réseau.

Si, en revanche, la source d'alimentation nécessite une connexion neutre (entrée Wye uniquement), elle ne peut pas être utilisée avec un réseau Delta. Ces types de conception d'entrée sont souvent affectés lorsqu'ils alimentent des charges triphasées grossièrement déséquilibrées, car il peut y avoir une quantité substantielle de courant neutre qui circule. Lors des tests de conformité au déséquilibre de charge, il convient d'éviter ces sources d'énergie.

Figure 3 : Configurations triphasées WYE et DELTA

Bien entendu, il est tout aussi important de prêter attention à la plage de tension d'entrée en courant alternatif. Elle doit correspondre à ce qui est disponible à l'endroit où l'équipement sera utilisé.
Alors que les sources d'alimentation monophasées à facteur de puissance corrigé ont souvent une large plage de tension d'entrée CA, les produits triphasés n'en ont généralement pas, car l'exigence d'une large plage de courant d'entrée associée à cela serait difficile ou coûteuse à mettre en œuvre.

Certains produits utilisent toutefois des transformateurs d'entrée en courant alternatif qui peuvent prendre en charge plusieurs prises de transformateur d'entrée en tension, ce qui permet de les réenregistrer pour différents endroits dans le monde. L'inconvénient est que ces sources d'énergie sont généralement un peu plus grandes et plus lourdes.

Courant d'entrée AC

Les exigences en matière de courant d'entrée sont déterminées par plusieurs facteurs pour les configurations d'entrée monophasées ou triphasées :

• Plage de tension d'entrée
• Puissance de sortie
• Facteur de puissance
• Efficacité
• Fonctionnement en surcharge

Tous ces facteurs déterminent la valeur de la tension d'entrée du courant alternatif pour supporter la puissance de sortie nominale maximale de la source programmable. Par exemple, si nous avons une source de 2kVA connectée à une charge résistive, la puissance de sortie maximale sera de 2000W ainsi que de 2000VA. Supposons que la spécification d'entrée soit la suivante

• Tension AC Plage d'entrée : 230Vac ± 10%
• Courant : 15A
• Facteur de puissance : 8
• Efficacité : 82

Puisque la tension d'entrée AC est de 230V nominal, nous devons prévoir un fonctionnement jusqu'à 230V * 0,9 = 207Vac dans le pire des cas. Tous les réseaux électriques dans le monde ne sont pas stables et les coupures de courant peuvent être assez fréquentes.
Pour obtenir la puissance de sortie requise de 2000W, la puissance d'entrée requise du réseau sera déterminée par la formule suivante :

Pin = (Pout / PF ) / Eff

Pour notre exemple, cela équivaut à

Pin = (2000) / 0,8 ) / 0,82 = 3048 VA

Dans le cas le plus défavorable d'une tension d'entrée basse de 207 Vca, il faudra 3048 / (230* 0,9) = 14,724 A.

Pour une source d'alimentation triphasée, la relation entre la puissance d'entrée requise et le courant est calculée de la même manière, mais le courant réel doit être divisé sur trois phases ou par √3. Ainsi, une puissance d'entrée requise de 10 kVA sur une connexion réseau triphasée de 208 V se traduirait par

((10000 / (208*0.9)) / √3 = 30,84 A RMS par phase.

Cet exemple illustre l'impact du facteur de puissance et du rendement sur les courants d'entrée CA et sur le dimensionnement des disjoncteurs et des câbles d'entrée. Dans cet exemple d'entrée monophasée, le courant d'entrée de 15A est généralement disponible sur les prises standard de 230Vac en Europe et dans d'autres pays. Dès que nous avons besoin d'une puissance de sortie supérieure à 2000 W, nous devons soit sélectionner une source de courant alternatif plus efficace ou présentant un meilleur facteur de puissance d'entrée, soit envisager l'utilisation d'un courant d'entrée triphasé. Examinons les deux spécifications qui ont le plus d'impact sur le courant d'entrée CA requis, le facteur de puissance et l'efficacité.

Courant d'appel

Bien que nous ayons abordé la question du courant d'entrée efficace nécessaire pour supporter la puissance de sortie nominale, nous devons également prêter attention au courant d'appel initial lorsqu'une source d'énergie ou une alimentation est mise sous tension pour la première fois. Étant donné que la plupart des circuits d'entrée se composent d'un pont redresseur et d'un condensateur de stockage, les pointes de courant initiales peuvent être élevées si le condensateur d'entrée est entièrement déchargé. Cela peut également être vrai pour les circuits d'entrée à facteur de puissance corrigé.

Pour éviter les déclenchements intempestifs de disjoncteurs dus à des courants d'appel excessifs, assurez-vous que la source d'alimentation est équipée d'un circuit de démarrage progressif. Un tel circuit utilise une résistance de limitation de courant ou une thermistance pour limiter les pics de courant d'appel pendant que les condensateurs de stockage sur le bus CC se chargent. Une fois chargée, cette résistance est contournée ou reste dans un état de faible impédance si une thermistance est utilisée.

Les modèles Pacific d'une puissance nominale de 4500VA ou plus sont tous équipés d'un circuit de démarrage progressif. Sur les modèles de puissance inférieure, ils ne sont pas toujours nécessaires mais peuvent être proposés en option.

Facteur de puissance

Des facteurs de puissance plus élevés peuvent être obtenus en sélectionnant des sources d'alimentation en courant alternatif avec correction du facteur de puissance. Deux méthodes sont couramment utilisées :

• PFC passif
• PFC actif

Le PFC passif utilise une inductance d'entrée de ligne pour compenser toute inductance d'entrée, ce qui permet d'obtenir des facteurs de puissance pouvant atteindre 0,85. Pour les conceptions à entrée CA triphasée, où la correction du facteur de puissance devra être effectuée sur chacune des lignes triphasées séparément, le coût du circuit PFC peut s'élever rapidement.
Les circuits PFC actifs utilisent toutefois des circuits de commutation qui prélèvent dynamiquement le courant afin que la forme d'onde d'entrée corresponde à la forme d'onde sinusoïdale souhaitée. Ces circuits sont souvent utilisés pour les sources d'alimentation à haute performance qui sont conçues pour être précises et peu bruyantes. Le PFC actif est également utilisé pour fournir un rendement élevé et fonctionne sur une large gamme de tensions de ligne et de charges en courant alternatif.