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Alimentation Tagan 420-U01 - Page 2/8

Rédigé par David D. - 19/10/2004
Catégorie : Alimentations



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Notions électriques techniques

Notion de rendement électrique

Le rendement est une notion qui nous intéresse fortement puisqu'il agit directement sur la consommation d'énergie, la chaleur produite et la facture d'électricité. Une alimentation 100 % efficace n'existe pas et n'existera jamais, car il y a toujours des pertes quelque part. Cela signifierait qu'elle ne produirait tout simplement pas de chaleur grâce à une conversion parfaite. Si elle absorbait 300 W sur le réseau alternatif, elle donnerait exactement 300 W de puissance sur le réseau continu après conversion AC-DC. Malheureusement, les résistances électriques des différents éléments électroniques vont dégrader une partie de la puissance d'entrée en chaleur (pertes Joule) d'où l'emploi de radiateurs pour aider à l'évacuer. Suivant la puissance demandée et le rendement, cette puissance thermique deviendra non négligeable et pourra facilement atteindre 60 à 100 W à pleine charge.

D'après la norme ATX actuelle, une alimentation doit avoir un rendement minimum de 70 % à pleine charge et de 50 % à faible charge. Une alimentation à haut rendement permettra de réduire sa facture d'électricité en consommant moins d'énergie pour une même puissance délivrée à la carte mère et aux périphériques. Il en résulte une diminution de la puissance thermique dissipée dans l'alimentation donc on peut réduire aussi sa ventilation pour plus de silence. Bref, un bon rendement est bénéfique à tous les points de vue. Ci-dessous, figure l'exemple d'une alimentation avec un rendement de 60 % et une de 75 %, les deux pour 250 W délivrés. La meilleure situation est celle de droite qui consomme bien moins puissance électrique pour un résultat final identique.

Les plus hauts rendements actuellement se situent autour de 75 % pour les meilleures alimentations. C'est déjà pas mal, mais c'est encore loin des 100 %, car pour s'en rapprocher ça nécessite des composants plus haut de gamme et une gestion différente. Si on souhaite faire des économies, il faut privilégier une alimentation avec le rendement le plus élevé possible, car même si elle est un peu plus chère à l'achat, on récupérere cet argent sur la diminution de votre consommation électrique au bout de quelques temps.

Notion de facteur de puissance

Souvent présenté comme une révolution par les fabricants et les marketeux, le facteur de puissance n'a en fait pas rien de miraculeux. En effet, depuis 2001, les standards européens imposent que tous les nouveaux appareils consommant plus de 75 W doivent comporter une correction du facteur de puissance pour respecter l'environnement et faire des économies d'énergie. Certains grands pays ne sont pas encore concernés par ces directives, mais leurs alimentations sans PFC marchent tout aussi bien.

Introduisons une petite précision avant de commencer. Avec nos alimentations et autres dispositifs de hachage du courant, on ne peut pas seulement parler de cos(phi) comme pour les machines tournantes, car un cos(phi) représente simplement un décalage temporel entre deux grandeurs sinusoïdales (tension et courant). En plus de ce décalage, les alimentations entraînent des distorsions de signaux. Il faut donc parler de facteur de puissance pour prendre la globalité des phénomènes. On le notera FP pour toute la suite du dossier afin d'alléger les notations.

En courant alternatif, la puissance utilisée ne se calcule plus simplement par le produit tension x intensité comme en continu, car les éléments ne sont plus simplement résistifs, mais également capacitifs (condensateur) ou inductifs (bobine). Les calculs se compliquent, car on introduit une nouvelle grandeur que l'on appelle le facteur de puissance. Avec lui, naissent les notions de puissances apparentes, actives et réactives.

La puissance réactive peut être qualifiée de puissance fictive ou virtuelle, car elle ne produit aucun travail, mais le courant qu'elle tire du réseau est bien réel ! Elle s'exprime en voltampère réactif (VAr). Ce courant sert uniquement à magnétiser les bobinages ou à charger les capacités qui se trouvent dans le circuit et qui, tous deux, emmagasinent une certaine énergie non convertible. Celle-ci peut être rendue au système à des moments précis pour déformer l'allure du courant en bien ou en mal. En moyenne donc, les éléments capacitifs et inductifs ne consomment rien au réseau, car ils rendent l'énergie qu'on leur a donné. Cette énergie restituée fait quand même circuler un courant supplémentaire dont on doit tenir compte dans le dimensionnement.

La puissance active est la puissance qui est effectivement utilisée pour produire un travail et de la chaleur au sein de l'alimentation. C'est celle qu'on mesure avec un wattmètre en watt (W) et c'est ce que le compteur d'électricité d'une habitation comptabilise.

Si un courant de 10 A est appelé sur le réseau alternatif, ça ne signifie pas qu'on utilisera réellement la totalité des 10 A pour produire un travail utile, car ça ne reflète pas une consommation réelle de puissance. C'est là qu'intervient la puissance apparente, qui comme son nom l'indique n'est qu'apparente et a peu de signification pour notre usage. Elle symbolise la puissance que semble consommer un appareil vu de l'extérieur. Elle regroupe la puissance réactive et la puissance active (ce n'est pas la somme) et elle s'exprime en voltampère (VA). Elle sera donc toujours plus grande que la puissance active réellement utilisée. Par exemple, un appareil qui absorbe une puissance apparente de 500 VA ne consommera réellement que 250 W si son PF vaut 0.5 et non pas 500 W.

Ces puissances s'expriment de la manière suivante avec des grandeurs prises en valeur efficace (RMS) :

Puissance apparente = Tension(RMS) x Intensité(RMS)
Puissance active = Tension(RMS) x Intensité(RMS) x PF
Puissance apparente2 = Puissance active2 + Puissance réactive2
PF = Puissance active / Puissance apparente

Le courant va voir son comportement régi différemment suivant le circuit alimenté, avec soit un temps d'avance ou de retard sur la tension. Ce qu'on souhaite au maximum c'est avoir le courant qui évolue parfaitement en phase avec la tension, or ce n'est uniquement possible que si le circuit se compose de résistances parfaites. Il va donc falloir ruser, car une alimentation est nettement plus complexe et très loin d'être une résistance...

Il existe deux types de systèmes capables de corriger ce facteur de puissance : le PFC passif ou actif. Le PFC passif utilise un simple filtre capacitif-inductif qui permet de relever le FP vers 0.6 à 0.8 environ. Il est très peu cher et facile à implémenter. Le PFC actif utilise une électronique plus complexe avec des transistors pour corriger au mieux l'allure du courant I et le remettre en phase avec la tension U. C'est beaucoup plus performant puisqu'on atteint quasiment la perfection avec des FP de 0.99, mais il coûte plus cher à fabriquer. Voici une illustration pour montrer la différence qui se produit sur les grandeurs d'entrée avec un circuit à PFC actif, à PFC passif et sans PFC.

On peut dire que le FP reflète l'usage que l'on fait de la ligne électrique. Plus ce FP sera petit, plus la courbe du courant présentera des décalages et des distorsions par rapport à la tension. La solution idéale est donc d'avoir un facteur de puissance le plus élevé possible pour limiter ces déformations. Ces distorsions existent à cause du mode de fabrication du courant qui se fait par découpage à haute fréquence pour fournir un courant continu pulsé. Ce découpage assez brutal (interrupteur s'ouvrant et se fermant très vite) engendre l'apparition d'harmoniques (signaux de fréquence multiple du 50 Hz) qui vont polluer tout le réseau électrique et dégrader la qualité de l'énergie que l'on absorbe (pollueur pollué). A chaque pic de courant, il y aura une petite chute de tension qui se répercutera sur tout le réseau électrique et donc c'est à éviter.

Plus le facteur de puissance sera élevé, moins on fera transiter de courant dans les lignes (pas de pics), moins on aura de pertes Joule dans les câbles, moins le réseau subira de chutes de tensions et plus le fournisseur d'énergie sera content, car son réseau ne véhiculera pas de courants inutiles. De plus, la présence d'harmoniques entraîne une augmentation des parasites radiofréquences et électromagnétiques qui peuvent perturber les appareils aux alentours (parasites sur une TV ou une radio). Ces parasites vont aussi se transmettre dans les lignes électriques et dégrader encore plus leurs qualités. Cela peut même aller jusqu'à une destruction de certains composants sur le réseau si les pics de courants sont vraiment trop importants (entrée en résonance électrique).

Un circuit PFC actif va donc sans cesse s'adapter pour absorber le courant alternatif de la manière la plus résistive possible pour éviter l'apparition de puissance réactive. Un circuit PFC agit tel une barrière filtrante qui isolera le réseau électrique des perturbations créées par l'alimentation. Il n'améliore en rien ce qui se trouve derrière lui, car le découpage produira toujours des distorsions, mais celles-ci ne pourront plus remonter vers le réseau et seront confinées dans l'alimentation. Il y en a toujours un peu, car rien n'est parfait bien sûr.

Un excellent facteur de puissance ne changera rien sur la facture d'électricité d'un particulier, car nous payons uniquement la puissance active réellement consommée. Seuls les gros consommateurs d'énergie comme les entreprises sont facturés à la fois sur la puissance active et réactive. En effet, les machines de production sont généralement composées de moteurs avec des inductances élevées et d'un parc de machines diverses et variées qui entraînent l'apparition d'une énorme puissance réactive donc d'un appel de courant supplémentaire si aucune mesure de compensation n'est prise. C'est pourquoi on voit souvent d'énormes batteries de condensateurs montées en parallèle sur le réseau de l'entreprise pour améliorer le FP afin d'éviter les pénalités pour utilisation abusive de puissance réactive et pollution du réseau. Vu les énormes puissances en jeu, des mesures de compensation sont obligatoires sinon on comprend bien que le réseau électrique serait une foire. Désomrais, les machines actuelles intégrent généralement des dispositifs de correction qui permet de se passer des condensateurs. Moins de puissance inutile et moins de distorsions signifient moins de courant à produire et plus de qualité, donc une économies pour les deux parties.

Un mauvais PF impose d'avoir une infrastructure de distribution plus imposante, car les courants qui transitent sont plus élevés et les pertes lors du transport aussi. Le transformateur qui fournit la puissance voit également sa capacité chuter, car il est défini pour donner une puissance apparente et non pas active. Si on lui demande trop de puissance réactive, on va diminuer sa capacité à donner de la puissance active et ça ne plaît pas au fournisseur d'électricité évidemment, car on diminue le rendement du réseau.

Exemple

Prenons un exemple qui fera assez bien comprendre le phénomène. Si on dispose d'un onduleur, on remarque qu'il est aussi défini pour une certaine puissance apparente donné en VA. On oublie l'écran pour l'exemple et l'on suppose, lors d'une coupure de courant, que ça tient 10 min avec l'ordinateur allumé (disons 150 W) qui comporte une alimentation avec un FP égal à 1. Maintenant, on change juste l'alimentation pour en mettre une d'exactement même rendement global, mais de FP égal à 0.6. Cette nouvelle configuration permettra de tenir seulement 6 minutes alors que l'ordinateur ne consomme rien de plus ! Le plus grand courant qui est demandé (1.08 A au lieu de 0.65 A), à cause de la puissance réactive qui apparaît, déchargera bien plus vite la batterie cette fois, pour rien...

Pour nous, un bon PF signifie juste un plus grand respect pour le réseau du fournisseur par une diminution de la pollution harmonique et du courant absorbé (à multiplier par le nombre de foyers français). Il serait intéressant de voir quelle part représente la puissance réactive à l'échelle nationale sur les 60 000 MW quotidiens absorbés en France, ça ne doit pas être triste...

A noter qu'un circuit PFC actif ne signifie pas du tout que le rendement global de l'alimentation sera meilleur, car ce sont deux choses différentes ! Le circuit PFC actif consomme aussi une certaine puissance électrique pour fonctionner sans rien apporter de bénéfique pour la qualité de la puissance fournie du côté continu et a donc tendance à diminuer le rendement général. Attention aux mensonges de certains fabricants qui jouent sur les mots pour vendre leurs produits...

Un très bon PF sera utile si le gain produit par un meilleur rendement compense la perte engendrée par l'absorption de la puissance supplémentaire du PFC actif. Généralement, on retrouve ça dans les alimentations haut de gamme qui propose un rendement supérieur à la moyenne. Mettre un PFC actif dans une alimentation à rendement faible ou moyen ne va pas en faire une bête de course ! Une bonne alimentation avec PFC passif sera aussi bien, voire même mieux, pour faire des économies. Un PFC passif ne veut pas non plus dire que la qualité générale de l'alimentation est moindre au niveau de la régulation et de la stabilité. Au final, on ne fait que payer plus cher une alimentation à PFC actif pour faire plaisir à EDF, car on consomme mieux et non pas moins.

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