Batteries et systèmes à courant continu
L’essai de performance des redresseurs et convertisseurs vérifie qu’une unité de conversion transforme le courant alternatif en courant continu régulé conformément à la conception. Il examine l’ensemble à semi-conducteurs, la sortie sous charge et le transformateur de redresseur qui l’alimente, et constitue une étape courante avant d’accepter un réseau c.c. qui soutient des batteries ou des charges critiques.
L’essai de performance d’un redresseur ou d’un convertisseur est une évaluation sur place de l’équipement qui convertit le courant alternatif en courant continu pour un réseau c.c., comme la source qui maintient en flottement la batterie d’un poste et alimente les charges raccordées. Le travail comporte trois volets. Le premier porte sur le convertisseur et son ensemble à semi-conducteurs : diodes ou thyristors, dissipateurs thermiques, fusibles, moyens de refroidissement, réseaux d’amortissement et de protection contre les surtensions, ainsi que circuits de commande et d’amorçage. Le deuxième porte sur la performance de la sortie, c’est-à-dire sur la stabilité et la propreté du courant continu lorsque la charge, la tension d’alimentation et le mode de fonctionnement changent. Le troisième porte sur le transformateur de redresseur qui alimente l’unité, construit autrement qu’un transformateur de distribution ordinaire parce qu’il conduit un courant riche en harmoniques et qu’il emploie souvent des couplages de déphasage ou à pulsations multiples. L’essai est exigé à la réception, avant de confier au réseau c.c. un parc de batteries ou le démarrage et le maintien de charges critiques.
Un réseau c.c. est la dernière ligne de défense lorsque l’alimentation en courant alternatif disparaît : il actionne les relais de protection, les bobines de fermeture et de déclenchement, les commandes et l’éclairage de secours. Un redresseur qui régule mal, qui laisse passer de l’ondulation ou qui oscille sous charge peut surcharger ou sous-charger la batterie, abréger sa durée de vie, perturber l’électronique sensible et, dans le pire des cas, la laisser déchargée au moment où elle est nécessaire. Les défaillances des semi-conducteurs passent souvent inaperçues jusqu’au jour où elles ne le font plus. Une diode en court-circuit, un condensateur vieilli, un indicateur de fusible défectueux ou un passage d’air obstrué peuvent réduire la marge sans aucune alarme, et l’unité cède dès la première journée exigeante. Le transformateur compte aussi, car le courant harmonique échauffe les enroulements et la structure davantage que ne le ferait la même puissance sur une charge ordinaire, et une unité sous-dimensionnée ou mal spécifiée surchauffe. L’essai de performance à la réception révèle les erreurs d’installation, les réglages erronés et les pièces défectueuses pendant que le fournisseur est encore sur place, et il établit la référence à laquelle seront comparés les travaux d’entretien ultérieurs.
Un redresseur emploie des dispositifs à semi-conducteurs qui ne conduisent que dans un sens, de sorte que l’onde alternative, qui change de polarité, devient une onde continue pulsée. Des filtres adoucissent cette pulsation, et une commande de régulation ajuste la conduction des dispositifs, par exemple en amorçant les thyristors plus tôt ou plus tard dans chaque cycle, afin que la sortie conserve sa valeur cible lorsque la charge et l’alimentation varient. Trois notions en découlent. La régulation décrit de combien la sortie se déplace lorsque la charge passe de légère à pleine ou que l’alimentation dérive. L’ondulation décrit le contenu alternatif qui subsiste sur la sortie en courant continu après le filtrage, et elle importe parce que les batteries, l’électronique et les condensateurs du filtre y réagissent. La limitation de courant décrit la façon dont la commande protège l’unité en restreignant le courant de sortie lorsque la demande dépasse la capacité, par exemple pendant la recharge d’une batterie déchargée. Le transformateur en amont du convertisseur remplit une seconde fonction en plus de la conversion de tension : il assure l’isolement, et les couplages de ses enroulements fixent le nombre de pulsations et le contenu harmonique qui retourne vers la source. Comme le courant redressé n’est pas sinusoïdal, le transformateur doit être dimensionné pour l’échauffement que ce courant provoque, et non seulement pour ses kilovoltampères à la fréquence fondamentale.
L’équipement est d’abord inspecté hors tension, cadenassé et vérifié absent de tension. On contrôle, par rapport aux dessins, l’armoire du convertisseur, les colonnes de semi-conducteurs, le circuit de refroidissement, les fusibles, les composants du filtre et les cartes de commande, et l’on vérifie le serrage et la propreté des connexions. Le transformateur de redresseur est inspecté et mis à l’essai selon les méthodes propres à sa construction, immergé dans un liquide ou de type sec, y compris les vérifications d’isolement, le rapport et la polarité ou le déphasage, et la résistance des enroulements, puisque ses couplages déterminent si le convertisseur se comporte comme prévu. Une fois l’unité mise sous tension à partir d’une source stable, la performance de la sortie est mesurée avec des instruments étalonnés. La tension et le courant continus de sortie sont relevés à vide, puis pendant l’application par paliers d’un banc de charge ou de la charge réelle du réseau, afin d’observer la régulation. L’ondulation se mesure à l’oscilloscope ou avec un appareil approprié, en notant l’état de la charge et de la batterie, car l’un et l’autre modifient le résultat. La limite de courant et toute limite de tension sont sollicitées en amenant la sortie vers le réglage, et la réponse est observée. Les alarmes, les transferts entre les modes de floating et d’égalisation et le comportement côté entrée, y compris l’effet d’une variation de l’alimentation, sont sollicités selon les exigences du devis. Si un second convertisseur, une dérivation ou un module redondant est présent, son partage de charge et sa commutation sont vérifiés de la même façon.
Le relevé indique l’identité du convertisseur et de son transformateur, la configuration de l’alimentation et de la sortie, les instruments utilisés avec leur état d’étalonnage, ainsi que les températures ambiante et de l’équipement. Il contient les grandeurs de sortie mesurées dans les conditions de charge appliquées, le comportement observé de la régulation et de l’ondulation, la réponse des fonctions de limite de courant et de tension, l’état des alarmes et des transferts de mode, et les résultats des vérifications du transformateur. L’état tel que trouvé est consigné, de même que tout réglage modifié pendant l’essai. On note aussi l’état de la batterie ou de la charge raccordée à la sortie durant la mesure, puisque le comportement de la sortie en dépend.
Aucune valeur isolée ne décide si un convertisseur est acceptable, et cette page n’en donne aucune. Voici la forme des critères. La performance de la sortie est comparée aux caractéristiques nominales de régulation, d’ondulation et de limite de courant du fabricant ainsi qu’aux limites de performance inscrites au devis du projet. Les classes d’équipement sont définies dans les normes publiées pour les chargeurs de batteries et les unités de redressement, et le document NEMA PE 5-1997 pour les chargeurs de batteries de type utilitaire et le document NEMA PE 7-2018 pour les chargeurs de batteries de type communications décrivent la façon dont la performance de la sortie est déclarée et vérifiée. La conception et l’application du réseau c.c., y compris la façon dont le convertisseur et la batterie sont censés collaborer, sont abordées dans IEEE 946-2020. Le transformateur de redresseur est jugé selon IEEE C57.18.10-2021 pour les transformateurs de redresseurs de puissance à semi-conducteurs, avec les exigences générales pour les unités immergées dans un liquide dans IEEE C57.12.00-2021 et pour les unités de type sec dans IEEE C57.12.01-2020. Les lectures sont comparées entre les phases, à la plaque signalétique et aux données d’essai d’usine lorsqu’elles existent. Pour les limites et les tableaux, reportez-vous à votre propre exemplaire sous licence de ces documents, qui demeurent l’autorité.
L’accent est mis ici sur l’essai de réception, parce qu’un convertisseur est caractérisé une seule fois, dans sa configuration installée, et que ce résultat devient la référence. Les vérifications d’entretien ultérieures sont plus légères et visent la tendance : le comportement de la sortie, l’ondulation, les alarmes et le refroidissement sont comparés au relevé de réception. Les différences entre équipements découlent de la conception. Un chargeur monophasé ou de petite taille peut être vérifié avec un banc de charge modeste et quelques mesures, alors qu’un grand redresseur triphasé à thyristors avec transformateur dédié exige une charge plus importante, une observation thermique et un essai plus complet du transformateur. Les configurations à pulsations multiples et à déphasage imposent davantage d’exigences aux vérifications des enroulements du transformateur. Les unités qui alimentent une batterie diffèrent de celles qui alimentent directement une charge, car la batterie sollicite le chargeur autrement et fixe son propre comportement selon l’état de charge. Les convertisseurs redondants, en parallèle ou en attente ajoutent des vérifications du partage de charge et de la commutation. Dans tous les cas, l’essai suit la procédure du fabricant et le devis pour cette classe d’équipement.
Les catégories d’équipement et les articles de norme qui exigent cet essai, et les formulaires de UltraDb qui le comportent.
La régulation est le déplacement de la tension moyenne de sortie lorsque la charge ou l’alimentation varie. L’ondulation est le contenu alternatif qui demeure superposé à la sortie continue après le filtrage. Une unité peut bien réguler et présenter tout de même trop d’ondulation, et chacune se mesure et se juge séparément.
Il conduit un courant chargé d’harmoniques, qui ajoute de l’échauffement, et les couplages de ses enroulements fixent la disposition des pulsations du convertisseur. Il est donc évalué selon des normes écrites pour le service avec redresseurs à semi-conducteurs, en plus des exigences générales pour la construction immergée ou de type sec.
Le comportement de la sortie dépend de ce que le convertisseur alimente, si bien que l’essai consigne si une batterie, un banc de charge ou la charge réelle était raccordé. Plusieurs procédures emploient un banc de charge pour appliquer la charge par paliers, puis confirment le fonctionnement avec la batterie au circuit, car la batterie modifie le courant et l’ondulation.
Dans les données nominales du fabricant, le devis du projet et les normes publiées pour l’équipement, comme IEEE 946-2020 pour le réseau c.c. et les documents de chargeurs NEMA PE 5-1997 et PE 7-2018. Servez-vous de vos exemplaires sous licence et comparez aussi avec les données d’essai d’usine.
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