L’alimentation en courant alternatif (AC) triphasé est normalement utilisée pour fournir de l’électricité aux datacenters, ainsi qu’aux bâtiments commerciaux et industriels qui abritent des machines gourmandes en énergie. Il y a une bonne raison à cela, car l’alimentation triphasée peut fournir plus de puissance avec une plus grande efficacité, par opposition à l’alimentation AC monophasée. Le courant AC monophasé est le type couramment utilisé pour la plupart des applications domestiques et commerciales légères, telles que l’éclairage et les petits appareils. Sur cette page, nous expliquerons pourquoi c’est le cas et les principales différences entre les systèmes d’énergie monophasés et triphasés.
Pourquoi nous avons besoin d’une alimentation triphasée
La capacité de fournir des quantités d’énergie toujours croissantes est particulièrement importante, car les datacenters et les salles de serveurs continuent d’afficher des densités plus élevées. Des systèmes informatiques plus puissants sont intégrés dans les espaces abritant autrefois des serveurs qui ne consommaient qu’une fraction de l’énergie électrique requise par les ordinateurs et les réseaux d’aujourd’hui.
Il n’y a pas si longtemps, un seul rack IT de 10 serveurs consommait un total de cinq kilowatts (kW) d’énergie. Aujourd’hui, ce même rack peut inclure des dizaines de serveurs qui consomment collectivement 20 ou 30 kW. À de tels niveaux, vous voulez naturellement faire primer le rendement, sachant qu’un pourcentage même faible d’amélioration de la consommation électrique suppose d’importantes économies au fil du temps.
Le câblage est un autre enjeu. Supposez un rack de 15 kW. En utilisant une alimentation AC monophasée à 120 volts (VAC), 125 ampères sont nécessaires pour alimenter le rack, soit un fil d’un diamètre de presque 6,35 mm (AWG 4) — trop épais pour fonctionner facilement, sans parler du coût. Étant donné que l’alimentation triphasée est plus efficace, elle peut fournir autant, voire plus d’énergie avec un câblage plus petit. Pour prendre en charge le même rack de 15 kW avec une alimentation triphasée, trois fils capables de fournir 42 ampères (AWG 10) sont nécessaires, ce qui correspond à une fraction de la taille — chacun d’un diamètre inférieur à 2,54 millimètres.
L’alimentation AC monophasée expliquée
Alors, en quoi consiste exactement l’alimentation triphasée ? Et où devons-nous l’utiliser ?
Avant d’aborder cette discussion, il est utile de commencer par comprendre l’alimentation AC monophasée.
L’alimentation AC monophasée utilise un système de distribution à trois fils composé d’un fil « chaud », d’un fil neutre et d’une masse. Avec l’alimentation AC, le courant ou la tension d’alimentation s’inverse périodiquement, circulant dans un sens dans le fil chaud qui alimente la charge et dans l’autre sens dans le fil neutre. Un cycle d’alimentation complet a lieu pendant un changement de phase à 360 degrés, et la tension s’inverse 50 ou 60 fois par seconde, selon le système utilisé dans différentes parties du monde. En Amérique du Nord, elle est de 60 fois ou 60 hertz (Hz).
Il est important de noter que les deux conducteurs de courant sont toujours séparés de 180 degrés. Pour vous faire une idée, considérez l’énergie comme une onde, techniquement une onde sinusoïdale avec une fréquence et une amplitude définies. Dans chaque cycle, les ondes de chaque fil passent deux fois par l’amplitude zéro en même temps (voir Figure 1). Dans ces cas, aucune alimentation n’est fournie à la charge.
Figure 1
Ces interruptions brèves ne font aucune différence pour les applications de bâtiments résidentiels et commerciaux telles que les environnements de bureau, mais ont des implications significatives pour les moteurs qui alimentent de grandes machines, ainsi que les ordinateurs et autres équipements IT.
Plongée dans l’alimentation triphasée
Comme leur nom l’indique, les systèmes d’énergie triphasés fournissent trois courants distincts, chacun séparé par un tiers du temps nécessaire pour terminer un cycle complet. Mais, contrairement à l’alimentation monophasée, où les deux fils chauds sont toujours espacés de 180 degrés, avec le triphasé, les courants sont séparés de 120 degrés.
Dans la Figure 2 ci-dessous, vous verrez que lorsque le courant d’une ligne est à sa valeur de crête, les deux autres ne le sont pas. Par exemple, lorsque la phase 1 est à sa crête positive, les phases 2 et 3 sont toutes les deux à -0,5. Cela signifie que, contrairement au courant monophasé, il n’y a pas de point auquel aucune alimentation n’est fournie à la charge. En fait, à six positions différentes dans chaque phase, l’une des lignes est à la position de crête positive ou négative.
À des fins pratiques, cela signifie que la quantité collective d’énergie fournie par les trois courants reste constante ; vous n’avez pas de pics et de creux cycliques comme pour le monophasé.
Les ordinateurs et de nombreux moteurs utilisés dans les machines lourdes sont conçus dans cet esprit. Ils peuvent tirer un flux constant d’énergie, plutôt que de devoir tenir compte de la variation inhérente à l’alimentation AC monophasée. Par conséquent, ils consomment moins d’énergie.
Comme analogie, pensez à un moteur monocylindre par rapport à un moteur tricylindré. Les deux fonctionnent sur un modèle à quatre temps (admission, compression, alimentation, échappement). Avec un moteur monocylindre, vous n’obtenez qu’un seul cycle de « détente » pour quatre courses du cylindre, ce qui donne une alimentation plutôt inégale. Un moteur à trois temps, en revanche, fournit une détente triphasée alternée (à nouveau séparée de 120 degrés), pour une alimentation plus fluide, plus constante et plus efficace.
Figure 2
Avantages de l’alimentation triphasée
Parmi les avantages de l’alimentation triphasée, on peut citer la capacité à fournir près de deux fois l’énergie des systèmes monophasés sans nécessiter le double de fils. Ne pas s’attendre toutefois à trois fois plus d’énergie, car en pratique, on prend généralement une ligne chaude pour la connecter à une autre.
Pour comprendre comment l’alimentation triphasée délivre plus d’énergie, il faut faire les calculs. La formule pour l’alimentation monophasée est Alimentation = Tension (V) x Courant (I) x Facteur de puissance (PF). Si nous supposons que la charge sur le circuit est résistive uniquement, le facteur de puissance est unitaire (ou un), ce qui réduit la formule à P = V x I. Si nous considérons un circuit de 120 volts prenant en charge 20 ampères, la puissance est égale à 2 400 watts.
La formule d’alimentation d’un circuit triphasé est Alimentation = Tension (V) x Courant (I) x Facteur de puissance (PF) x racine carrée de trois. Si nous supposons que la charge sur le circuit est résistive uniquement, le facteur de puissance est unitaire (ou un), ce qui réduit la formule à P = V x I x racine carrée de trois. Si nous considérons un circuit triphasé de 120 volts et que chaque phase prend en charge 20 ampères, la formule fonctionne à 120 volts x 20 ampères x 1,732 = 4 157 watts. C’est ainsi que les systèmes triphasés peuvent fournir près du double d’énergie des systèmes monophasés. Il s’agit d’un exemple simplifié, mais il peut être utilisé pour étudier l’énergie supplémentaire disponible à partir de circuits prenant en charge des tensions (par ex. 208 ou 480 volts) ou courants (par ex. 30 A ou plus) plus élevés.
Ce type de puissance s’avère très utile lorsqu’il s’agit d’alimenter des racks d’équipements IT. Alors qu’auparavant, il était normal d’utiliser l’alimentation monophasée pour un rack, à mesure que les densités des racks IT augmentent, l’approche devient moins réalisable et pratique. Tous les câblages, conducteurs et prises deviennent plus grands, plus coûteux et chaque fois plus difficiles à utiliser.
En fournissant une alimentation triphasée directement au rack serveur, vous pouvez utiliser un câblage et d’autres composants moins coûteux, tout en fournissant plus d’énergie. Cependant, il faut prêter attention à la charge de chaque circuit pour s’assurer qu’elle est équilibrée et ne dépasse pas la puissance du circuit.
Pour en savoir plus sur le fonctionnement de l’alimentation triphasée et ses avantages, rendez-vous sur : https://www.vertiv.com/fr-emea/products-catalog/critical-power/uninterruptible-power-supplies-ups.
