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Cours réalisé par Patrick Eustache et Robert Ferret

ANF datacentres, Cargèse septembre 20141

ANF datacentres20142

`Patrick Eustache , SIMSU `Bernard Boutherin, lpsc.in2p3.fr

EAUX%20_GC_S3.pdf

On va parler de quoi ?

une

ANF datacentres20143

Page 4

`I·MPRPH ƒConstituant élémentaire de la matière,

ƒAssemblage de particules fondamentales :

xUn noyau : xDes protons, chargés positivement xDes neutrons, sans charge électrique ƒ8Q QXMJH G·pOHŃPURQV GHV OLNUHV " HP GHV PRLQV OLNUHV IH QRPNUH G·pOHŃPURQV VXU OM ŃRXŃOH SpULSOpULTXH déterminera le type du matériau : conducteur ou non.

4XL]] TXHOOH HVP OM YLPHVVH GH O·pOHŃPURQ "

`Conducteurs / Semi-conducteurs : ƒDes matériaux contenant des porteurs de charges libres champ électromagnétique -Métaux (Ag, Cu, Au, Al la dernière couche est incomplète.

-Semi-conducteurs dopés (Si, Ge, AsGaélectron / trou, la dernière couche est semi complète.

`Isolants :

ƒDes matériaux contenant peu de porteurs de charges libres, la dernière couche du nuage électronique est saturée ou presque (vide, air "sec», plastique, porcelaine

ANF datacentres20145

Page 6

`base du courant électrique ! -charge électrique : -1,602 10 -19C `Le courant : mouvement ordonné -1 Ampère correspond à un débit de 6,24 x 10 18électrons par seconde. opposé au sens de déplacement des électrons libres.

Page 7

`Tension, différence de potentiel, force électromotrice, symbole "U» ; Unité : volt"V» `Intensité, symbole "I»; Unité : ampère "A» `Puissance symbole "P»; Unité : Watt "W» `P = U I Intensité ou débitTension ou différence de potentiel

Page 8

`Tension, différence de potentiel "U»

ƒunité : volt "V»

`Intensité, symbole "I»

ƒUnité : ampère "A»

`Résistance "R»

ƒUnité : ohm "»

ƒRésistance au passage du courant

`Energie "E»

ƒUnité : Watt Heure "Wh»

ƒE= P "multiplié par» t

ƒMesurée (en kWh) par le compteur pour la

facturation

Page 9

`IM ORL G·2OP 8 5 H `Circuits en série et en parallèle `En série : I constant

ƒUt= ™ U

ƒRt= ™ R

`En parallèle : même tension

ƒIt ™ H

ƒ1/Req= 1/R1+ 1/R2

`Résistance en se calcule avec la formule R = x L / S : résistivité en .m, L en m et S en m2 `R = 17 10-9x 10 : 1,5 10-6= 0,11 `Si I = 10A ; P = R x I2= 11W

ANF datacentres201410

Page 11

Tension

Temps `Type de courant :

ƒDC :"direct current» , ou courant continu

xPolarité constante x3LOHV NMPPHULHV MOLPHQPMPLRQV GF SMQQHMX[ SORPRYROPMwTXHV "

Page 12

2maxUUeff

`AC : "alternatingcurrent» "Courant alternatif»

ƒPolarités alternées

ƒExemple : distribution EDF,

courant purement alternatif et périodique (sources : alternateurs,

PUMQVIRUPMPHXUV RQGXOHXUV "

ƒFréquence "f» en Hertz (Hz);

50Hz

ƒPériode "T» en seconde (s) = 1/F

ƒAmplitude : valeur crête ou max

ƒValeur efficace (RMS) :

Page 13

R1R2 `Circuit résistif : composé de résistance "pure» !

ƒsymbole "R»

ƒunité : ohm "»

R2 > R1

Page 14

`FLUŃXLP LQGXŃPLI ŃRPSRVp SULQŃLSMOHPHQP G·LQGXŃPMQŃH

ƒsymbole "Lª NRNLQH "

ƒunité : henry "H»

ƒcaractéristique : s'oppose aux causes qui lui donnent naissance (loi de Lenz) ÖV·RSSRVH j OM YMULMPLRQ GX ŃRXUMQP HQ $F ƒcalcul de la réactance totale : mêmes règles que pour les résistances en série et en //

Page 15

21
111
CCCeq `Circuit capacitif : composé principalement de capacités

ƒsymbole "C»

ƒunité : Farad "F»

`Caractéristiques :

ƒstocke les charges électriques (en DC),

ƒs'oppose aux variations de tension (en AC)

ƒcalcul de la réactance totale :

xHQ CC OHV ŃMSMŃLPpV V·MÓRXPHQP xen série

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2

22)11(11

CLXXRZ

)(CLXXjRZ 222)(CLXXRZ `2Q SMUOH MORUV G·LPSpGMQŃH = Ÿ): ƒconstitué de résistance (R) et de réactance (X)

ƒvaleur de la réactance :

xbobine : Xl= w L ; w = 2p f xcapacité : Xc= 1/(w C)

ƒCircuit en série

xEn notation complexe

ƒCircuit en //

Tension

Courant

Page 17

`Circuit résistif :en phase

Page 18

Tension

Courant

`Circuit inductif :retard de phase

Page 19

Tension

Courant

Circuit capacitif :avance de phase

Page 20

S P QL Im Re jQPS `3 types de puissances :

ƒActive P (W : Watt), puissance "réelle», puissance thermique (effet Joule), Puissance P=UI cos Ĵ,

ƒRéactive QL(VAr: VoltAmpèreréactif) : partie "imaginaire», Q=UI sin Ĵ, ƒApparente S (VA : VoltAmpère), S=U I, S2=P2+Q2

ƒcos Ĵ: facteur de puissance

`En ajoutant une capacité en parallèle on compense le cos(Ĵ )

ƒActive P (W : Watt), puissance "réelle», puissance thermique (effet Joule), Puissance P=UI cos (Ĵ),

ƒRéactive Q (VAr: VoltAmpèreréactif) : partie "imaginaire», Q=UI sin Ĵ, ƒApparente S (VA : VoltAmpère), S=U I, S2=P2+Q2

ƒcos (Ĵ): facteur de puissance

Page 21

S P Q QL QC jQPS Im Re

ANF datacentres2014

22
`HQGXŃPLI JpQpUMOHPHQP PMLV " ƒPlus de courant pour la même puissance : disjoncteurs câbles peuvent atteindre les limites `Facturationmauvais cos(phi) ƒEDF dimensionne ses lignes pour transporter des ampères et facture des W. Au pire, si tension et courant sont déphasés de 90°cos(phi) vaut 0. EDF fournit du courant mais pas de puissance ! ƒCorrecteur de cos phi, comment ca marche et où le placer

Page 23

`Au début fut le continu, T. Edisonfonde l'Edison Electric Light Co en 1878

ƒchangement de tension difficile,

ƒpertes importantes,

ƒrendement faible,

ƒdistribution à petite échelle; rayon < centaines km, ƒdisjonction difficile, pas de passage à "0» du courant continu ƒ+ changement de tension aisé (transformateur)et du courant en 1/x (P=UI)

ƒ+ pertes joules plus faibles (P=RI2),

ƒ+ meilleur rendement,

ƒ+ transport sur de grandes distances,

ƒ+ section du câble plus faible,

ƒ+ pas besoin de redresseur (mécanique ou électronique) ƒ+ disjonction plus aisée (passage à 0A du courant)

Page 24

400 000 V400 000 V

20 000 V

Page 25

MonophaséTriphasé

Nombre de fils23 ou 4

Volume de fils=2*L*S=4*L*S

Puissance=V*I

Phase 1

Phase 3

Phase 2

`IH PUMQVSRUP GH O·pQHUJLH V·HIIHŃPXH en triphasé : ƒTrois tensions sinusoïdales (50Hz) identiques mais déphasées de 120° `Avantages du triphasé :

ƒPlus de puissance moins de cuivre

Page 26

`En générateur : ƒŃRXSOH VXU O·MUNUH GH PUMQVPLVVLRQ ÓMPMLV QXO `En moteur : ƒchamp tournant "naturel» =>pas besoin de capacité de démarrage ƒvolume 2 fois plus petit à puissance identique `HQŃRQYpQLHQPV QpŃHVVLPp G·pTXLOLNUHUles phases

ANF datacentres201427

`Dès que la puissance demandée atteint 50 kVA, les entreprises industrielles ou tertiaires sont alimentées en haute tension 20 kV (HTA). un poste de transformation HTA/BT qui est disposé au plus tarification plus économique. livraison.

ANF datacentres201428

`La norme NF C 13Ǧ100 définit le poste HTA à comptage BT par : ƒUne tension de 1 à 33kV , valeur usuelle 20kV.

ƒUn seul transformateur.

ƒUn courant secondaire au plus égal à 2000A soit une puissance maximale P " 12D0 kVAsous 20kV.

ANF datacentres201429

principe de réalisation. `On distingue :

ƒLe Tableau Général Basse Tension (TGBT)

ƒLes Armoires ou Tableaux Divisionnaires (AD ou TD)

ƒLes coffrets terminaux

Page 30

20k V

400/230VTGBT

Datacentre

G

Groupe électrogène

Armoire de distribution

TGBT Tableau Général

Basse Tension

Page 31

20kV

400/230V

Transformateur HT/BT

Page 32

Armoire de distribution

Section

(mm2)

Intensité

(A)

Puissance

(W)

1,5102300

2,516(20)3680

6327360

10409200

ClasseCoef

B3 à 5 * In

C5 à 10

D10 à 20Page 33

Page 34

Page 35

Armoire de distribution

G

Groupe électrogène

ANF datacentres201436

Wikipedia: Un onduleurest un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et des courants alternatifs à partir d'une source d'énergie électrique délivrant un courant continu. C'est la fonction inverse d'un redresseur. L'onduleur est un convertisseur statique de type continu/alternatif Une alimentation sans interruption(ASI), alimentation statique sans coupure(ASSC)1,2(en anglais Uninterruptiblepower supplyou UPS) ou, du nom d'un de ses composants, onduleur, est un dispositif de l'électronique de puissance qui permet de fournir à un système électrique ou électronique une alimentation électrique stable et dépourvue de coupure ou de micro-coupure, quoi qu'il se produise sur le réseau électrique.

ANF datacentres201437

`Elle est constituée de la mise en cascade:

`d'un convertisseur de courant alternatif (venant de la prise) en courant continu (pour charger la batterie) appelé redresseur,

`d'un dispositif de stockage de l'énergie (batterie d'accumulateurs, supercondensateurs YROMQP G

LQHUPLH HPŃ"

`d'un convertisseur produisant à nouveau du courant alternatif (pour la sortie de l'appareil), appelé onduleur ou "mutateur» fonctionnant à fréquence fixe,

`MŃŃHVVRLUHPHQP G

MOLPHQPMPLRQ pOHŃPULTXH VH SURORQJHB

`Le terme onduleur est fréquemment utilisé par abus de langage pour désigner l'ensemble du dispositif. C'est le cas, par exemple, pour les onduleursque l'on intercale entre le réseau de distribution et les serveurs d'un centre informatique.

ANF datacentres201438

`sous forme chimique (batterie d'accumulateurs), on parle de BESSpour BatteryEnergy

Storage System;

`sous forme électrique (dans des supercondensateursou des bobines supraconductrices), on parle alors de "SMES» pour SuperconductingMagneticEnergyStorage; `sous forme mécanique / énergie cinétique (utilisation d'une machine synchrone raccordée au réseau prenant le relais en cas de coupure). On parle alors d'accumulateur cinétique. `sous forme de gaz comprimé. `Cependant ce stockage ne peut fonctionner que pendant un temps limité et l'alimentation

XQ JURXSH

électrogène..

`Il est important de souligner que la nature du stockage utilisé par un onduleur ou ASI ne change pas la nature de l'onduleur. Comme précisé ci-dessous, un onduleur statique qui utilise un accumulateur cinétique comme réserve d'énergie n'en devient pas pour autant une ASI dynamique; pas plus qu'un onduleur dynamique qui utilise une batterie ne devient un onduleur statique.

ANF datacentres201439

`En attente passive

`En mode normal, l'onduleur est en attente, isolé de la charge par l'interrupteur d'ASI. La charge est branchée directement au réseau. Le chargeur, branché sur le réseau, assure la recharge de la batterie.

`En mode autonome, l'alimentation est transférée vers l'onduleur via l'interrupteur. Le temps de permutation est de l'ordre de 10 ms.

`Simple, économique, mais rudimentaire, n'est utilisable qu'avec de faibles puissances (moins de 2 kVA) et pour des appareils tolérant assez bien le risque.

ANF datacentres201440

`En mode normal, la charge est alimentée par le réseau et par l'onduleur en parallèle, L'onduleur, à fonctionnement réversible, conditionne la puissance de sortie et assure la recharge de la batterie.

`En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge. Le contacteur de puissance coupe l'alimentation d'entrée pour éviter un retour d'alimentation depuis l'onduleur.

`L'interaction avec le réseau permet une certaine régulation de la tension de sortie mais elle reste moins efficace que celle effectuée sur l'ASI à double conversion.

ANF datacentres201441

`En mode normal, l'onduleur est en série entre le réseau et la charge. La puissance fournie à la charge transite en permanence par le duo chargeur-onduleur qui réalise une double conversion alternatif/continu -continu/alternatif.

`En mode autonome, l'onduleur et la batterie assurent l'alimentation de la charge.

`Complet mais coûteux. L'onduleur régénère en permanence la tension fournie par le réseau, ce qui permet une régulation précise de la tension et de la fréquence de sortie (il y a même possibilité de fonctionner en convertisseur de fréquence, lorsque cela est prévu).

`Isolement de la charge par rapport au réseau : pas de perturbations et permutationinstantanée

`Excellent choix pour protéger les applications critiques dans les moyennes et grosses puissances (10 kVAet plus).

42

Gyrobus (creditKneiphof)

`Principe

ƒE = ½ J Ȧ2

ƒPour un disque J = ½ M r2

`A.N. ƒUn disque de 275kg de diamètre 80cm est lancé à 7000 t/mn ƒQuelle énergie permet-il de stocker en J et en kWh? ƒPendant combien de temps il pourrait alimenter un datacentre de 250kW? ƒCombien de batterie au plomb de 12V, 40 A.hfaut-il mettre pour avoir la même autonomie? `Principe ƒLe disque de 275kg lancé à 7000 t/mn stocke

8 MJ, soit 2,2kWh.

ƒEn pratique il pourra assurer une charge de 250kW pendant une quinzaine de secondes (32 théorique); le temps de démarrer un groupe électrogène.

`Les avantages, les inconvénients ƒPas de contrainte de températureen exploitation ƒMeilleure disponibilité, meilleur rendement 43

UPS dynamiques Caterpillar avec stockage

de partir de 250kVA

ANF datacentres201444

`Le film

Page 45

20k V

400/230VTGBT

Datacentre

G

Groupe électrogène

Armoire de distribution

Page 46

Transfo

abaisseur

Redresseur

FiltrageRégulation5V DC230V AC

7 8V DC6 7V AC

`Le problème posé :

ƒLa distribution électrique est en 230V AC

ƒIHV NHVRLQV GHV pTXLSHPHQPV VRQP HQ 3B3 D 12 " 9 GF

ƒAvant : linéaire, rendement : dans les 60%

`Maintenant : alimentations à découpage `230VAC 50Hz => 325VDC => 325VAC/HF => 5-6VAC/HF => 5VDC `Rendement : couramment > 80% => ecolabels

Page 47

Hacheur

Abaisseur

Redresseur

Filtrage5V DCRedresseur

Filtrage230V AC

Régulation

Alimentations "80 PLUS» à 50% de sa puissance maximale : -Bronze : 85% -Gold : 92% -Titanium: 96%

Meanthat:

1 kW * 8760h * 0,07 ¼= 613 ¼* 0,11 = 67,43 ¼/ an

Un petit DC de 100 kW IT, "Bronze» => 876 MWh= 61,3 k¼/ anLe même DC de 89 kW IT, "Titanium» => 780 MWh= 54,6 k¼/an

PUE = 2 : 200 kW => 122,6 k¼/ an; économie 192 MWh= 13,5 k¼/ an

ANF datacentres201448

Différentes unités sont utilisées selon les métiers, les professions; la conversion est "aisée» (-) . Un extrait : xLa référence : dans le SI on parle en Joules (J) xLes TIC utilisent les kWh, MWh, GWh 7JO " Pétrole; TOE en anglais. En barils si on parle de réserves ou de production de pétrole xDans le monde de la climatisation : calorie et Btu

1 TOE = 7,3 barils (159 l) = 1160 litres = 42 US gallons =

ƒ41,86 GJ = 10 Gcal; 1 cal = 4,18 J ; = 1 W.s

ƒ39,68 Mbtu; 1 Btu = 1060 J = 252 cal

ƒ11 630 kWh ; 1 l de fuel = 10kWh

ANF datacentres201449

ANF datacentres2014

50

ANF datacentres201451

ANF datacentres201452

-standards» (TTC ): -industriels» :

Exemple de tarif vert A5 en

Page 53

OptionAbonHPHCHPHCHPHC

Base65-6520.1209

HP/HC94-7620.13110.0893

Version

Primefixe

annuelle /kW HIVER

PTE HPH HCH

ÉTÉ

HPE HCE

Coef. dépassement10.710.310.270.25

Energie Réactive -Facturation (/kVARh)0.01770

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