C’est le point de départ pour comprendre les batteries de condensateurs et les panneaux APFC ou PFI.
Cet article approfondira le facteur de puissance et exposera le fait : un faible facteur de puissance n’est pas simplement une sorte de perte. Il est en fait causé par un « déséquilibre », qu’il soit en avance ou en retard.
Dans les prochains articles, nous aborderons d’autres aspects de l’APFC/PFI. Nous approfondirons également des sujets tels que les champs magnétiques dans d’autres séries.
Un moteur peut produire la puissance mécanique requise, mais le courant circulant dans le câble peut toujours être beaucoup plus élevé que prévu.
Pourquoi ?
Parce que dans un système CA, le courant peut avoir deux responsabilités :
- Transférer l’énergie qui devient travail mécanique, chaleur ou lumière.
- Créer et annuler des champs magnétiques ou électriques à l’intérieur de l’équipement.
Le facteur de puissance nous indique quelle proportion de la capacité électrique fournie à une charge est convertie en puissance active.
kW, kVAR et kVA
Pour comprendre le facteur de puissance, nous devons distinguer trois types de puissance électrique.
| Terme | Nom | Signification |
|---|---|---|
| kW | Puissance active | Puissance convertie en production utile, chaleur, lumière, mouvement et pertes d’équipement |
| kVAR | Puissance réactive | Puissance échangée avec les champs magnétiques ou électriques |
| kVA | Puissance apparente | Capacité électrique totale transportée par le système |
Pour un système sinusoïdal :
kVA² = kW² + kVAR²
Cette relation est souvent représentée par un triangle de puissance :
Plus la composante de puissance réactive est grande, plus le kVA requis pour fournir la même puissance en kW est élevé.
Qu’est-ce que le facteur de puissance ?
Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente :
Facteur de puissance = Puissance active ÷ Puissance apparente
Ou :
FP = kW ÷ kVA
La valeur est normalement comprise entre 0 et 1.
Un facteur de puissance de 1 signifie que toute la puissance apparente fournie à la charge est convertie en puissance active.
Un facteur de puissance de 0,8 signifie qu’un système doit fournir 100 kVA pour délivrer 80 kW de puissance active.
Dans ce cas, la puissance réactive est de 60 kVAR, car :
100² = 80² + 60²
Dans un système sinusoïdal, la composante restante est de 60 kVAR de puissance réactive. Elle représente l’énergie allant et venant entre la source et la charge plutôt que l’énergie consommée en permanence par la charge. Les charges non linéaires peuvent également réduire le facteur de puissance par la distorsion de la forme d’onde du courant, ce qui sera abordé plus tard.
Puissance active : kW
La puissance active est la partie qui produit un transfert net d’énergie.
Par exemple, elle peut :
- Faire tourner l’arbre d’un moteur
- Chauffer un radiateur électrique
- Produire de la lumière
- Faire fonctionner des équipements électroniques
Un moteur électrique consomme également une certaine puissance active par les pertes cuivre, les pertes fer, le frottement et la ventilation. Par conséquent, toute la puissance active ne devient pas une puissance mécanique utile, mais c’est toujours de l’énergie réelle consommée par la charge.
Puissance réactive : kVAR
Les moteurs, transformateurs, réacteurs et autres dispositifs inductifs ont besoin de champs magnétiques pour fonctionner.
Pendant une partie de chaque cycle CA, de l’énergie est prélevée de l’alimentation et stockée dans le champ magnétique. Lorsque le champ s’affaiblit, une grande partie de cette énergie retourne vers l’alimentation.
Cet échange se répète continuellement.
La puissance réactive n’est donc ni imaginaire ni inutile. Un moteur a besoin de son champ magnétique. Le problème est que lorsque le courant réactif provient du réseau amont, il doit traverser le transformateur, l’appareillage de commutation, les barres omnibus, les câbles et les disjoncteurs.
Ces composants doivent transporter le courant même si cette partie du courant ne crée pas de puissance mécanique nette.
Puissance apparente : kVA
La puissance apparente représente la charge totale imposée au système électrique.
Les transformateurs, générateurs, systèmes UPS, barres omnibus, câbles et appareillages de commutation sont généralement dimensionnés en fonction du courant ou du kVA qu’ils transportent, et non seulement en fonction de la puissance active fournie à la charge.
Le facteur de puissance peut-il atteindre 1 ?
Facteur de puissance naturel de la charge elle-même
Un facteur de puissance de 1 est physiquement possible. Une charge résistive idéale n’a pas de demande de puissance réactive, donc sa puissance active et sa puissance apparente sont égales.
Un moteur à induction seul, cependant, ne peut normalement pas atteindre un facteur de puissance de 1 car il nécessite toujours un courant magnétisant pour établir son champ magnétique rotatif.
Après ajout de compensation capacitive
Une batterie de condensateurs peut compenser le courant réactif inductif du moteur. Dans une condition de charge particulière, le système combiné moteur-condensateur peut donc sembler avoir un facteur de puissance très proche de 1 lorsqu’il est mesuré à partir de l’alimentation amont.
Maintenir exactement 1,00 est difficile en pratique car les charges industrielles changent continuellement et les batteries de condensateurs commutent par étapes fixes. La distorsion harmonique peut également maintenir le facteur de puissance réel en dessous de 1, même lorsque la tension et le courant fondamental sont étroitement alignés.
Pour cette raison, un système APFC est normalement conçu pour maintenir un facteur de puissance élevé stable, souvent autour de 0,95 à 0,99, plutôt que de viser continuellement exactement 1,00. Une petite marge de retard aide également à prévenir la surcompensation et un facteur de puissance en avance.
Facteur de puissance, angle de phase et direction en avance ou en retard
Le facteur de puissance a à la fois une grandeur et une direction.
La grandeur indique à quel point le courant est décalé par rapport à la tension. La direction indique si le courant est en avance ou en retard sur la tension.
Pour un système CA sinusoïdal sans distorsion harmonique significative :
FP = cos φ
Ici, φ est l’angle de phase entre la tension et le courant de la même phase.
Par exemple :
- Courant 37° en retard sur la tension signifie 0,80 en retard
- Courant 37° en avance sur la tension signifie 0,80 en avance
Les deux ont la même grandeur de facteur de puissance car :
cos 37° ≈ 0,80
C’est similaire à −1 et +1. Les deux sont à une unité de zéro, mais ils pointent dans des directions opposées.
| Courant par rapport à la tension | Facteur de puissance |
|---|---|
| 37° en retard | 0,80 en retard |
| Aligné | 1.00 |
| 37° en avance | 0,80 en avance |
Facteur de puissance en retard
Dans une charge inductive, le courant atteint le même point de son cycle plus tard que la tension. Le courant est donc en retard sur la tension.
Les charges inductives courantes comprennent :
- Moteurs à induction
- Transformateurs
- Réacteurs
- Solénoïdes
- Ballasts magnétiques
Ces charges stockent temporairement de l’énergie dans des champs magnétiques, ce qui provoque un décalage de la forme d’onde du courant derrière la forme d’onde de la tension.
Facteur de puissance en avance
Dans une charge capacitive, le courant atteint le même point de son cycle plus tôt que la tension. Le courant est donc en avance sur la tension.
Les batteries de condensateurs produisent un courant réactif en avance, ce qui peut compenser une partie du courant réactif en retard tiré par les moteurs et les transformateurs.
Un facteur de puissance en retard signifie normalement que le système est dominé par des charges inductives.
Un facteur de puissance en avance signifie normalement que le système est dominé par des charges capacitives ou a été surcompensé par une batterie de condensateurs.
Lorsque la tension et le courant sont parfaitement alignés :
φ = 0°
Par conséquent :
FP = 1
À mesure que la grandeur de l’angle de phase augmente, la grandeur du facteur de puissance diminue.
Ne confondez pas cet angle avec les 120° entre les trois phases
Dans un système triphasé équilibré, les tensions de phase A, phase B et phase C sont séparées les unes des autres par 120°.
Cette séparation de 120° est une caractéristique normale d’une alimentation triphasée. Elle ne réduit pas le facteur de puissance.
Le facteur de puissance est déterminé en comparant chaque tension de phase avec son courant de phase correspondant :
- Tension de phase A avec courant de phase A
- Tension de phase B avec courant de phase B
- Tension de phase C avec courant de phase C
Pour une charge résistive équilibrée, les trois tensions sont toujours espacées de 120°, mais chaque courant de phase est aligné avec sa propre tension. L’angle tension-courant est donc de 0°, et le facteur de puissance est de 1.
Pour un moteur équilibré, les trois courants peuvent également rester espacés de 120° les uns des autres, tandis que chaque courant est en retard sur sa tension correspondante de 37°.
Dans ce cas :
FP ≈ 0,80 en retard
Le point clé est le suivant :
L’angle de 120° décrit la séparation entre les trois phases. L’angle de facteur de puissance φ décrit le décalage entre la tension et le courant sur la même phase.
Dans un moteur, ce déphasage est causé par le courant magnétisant requis pour établir le champ magnétique.
Le déphasage ne représente pas directement une perte d’énergie. Cependant, il signifie qu’un courant total plus élevé est nécessaire pour fournir la même puissance active. Ce courant plus élevé crée des pertes supplémentaires dans les câbles, les transformateurs, les barres omnibus et l’appareillage de commutation.
Vous recherchez des solutions de distribution d’énergie industrielle pour votre projet ?
Pourquoi un faible facteur de puissance est-il un problème ?
Plus de courant
Un faible facteur de puissance signifie que le système électrique doit transporter plus de courant pour fournir la même puissance active.
Considérons une charge triphasée qui nécessite 100 kW à 400 V :
Courant = kW × 1000 ÷ (√3 × Tension × Facteur de puissance)
| Facteur de puissance | Puissance active | Puissance apparente | Courant approximatif |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 100 kW | 100 kVA | 144 A |
| 0.80 | 100 kW | 125 kVA | 180 A |
| 0.60 | 100 kW | 167 kVA | 241 A |
La charge reçoit 100 kW dans tous les cas. Cependant, à un facteur de puissance de 0,60, le système électrique doit transporter environ 241 A au lieu de 144 A.
Ce courant additionnel affecte l’ensemble du système amont.
Un courant plus élevé entraîne plus de pertes
Les pertes dans les câbles et les barres omnibus sont liées au carré du courant :
Perte = I²R
Cela signifie que les pertes augmentent beaucoup plus rapidement que le courant.
Par exemple, lorsque le courant augmente de 25 %, les pertes dans les conducteurs augmentent d’environ 56 %, en supposant que la résistance reste inchangée.
Les pertes supplémentaires apparaissent principalement sous forme de chaleur dans :
- Les câbles
- Jeux de barres
- Les enroulements de transformateur
- Générateurs
- Les connexions de l’appareillage de commutation
Un courant plus élevé utilise plus de capacité du système
Les transformateurs, générateurs, systèmes UPS, câbles, disjoncteurs, barres omnibus et appareillages de commutation doivent être sélectionnés en fonction du courant ou du kVA qu’ils transportent, et non seulement en fonction de la puissance active fournie à la charge.
Par exemple, un transformateur de 1 000 kVA alimentant des charges avec un facteur de puissance de 0,80 ne peut théoriquement délivrer qu’environ 800 kW avant d’atteindre sa pleine puissance nominale en kVA.
À un facteur de puissance de 0,95, le même transformateur peut supporter environ 950 kW dans les mêmes conditions simplifiées.
Un faible facteur de puissance occupe donc une capacité du système qui pourrait autrement être utilisée pour alimenter des charges actives supplémentaires.
Un courant plus élevé peut également provoquer :
- Une plus grande chute de tension
- Plus de chauffage
- Des exigences d’équipement plus importantes
- Une capacité réduite des transformateurs et générateurs disponibles
- Des frais d’énergie réactive ou de demande en kVA de la part du fournisseur
Vous recherchez des solutions de distribution d’énergie industrielle pour votre projet ?
L’amélioration du facteur de puissance permet d’économiser de l’électricité
L’amélioration du facteur de puissance peut permettre d’économiser de l’électricité car elle réduit le courant et donc les pertes dans les câbles, les transformateurs et les autres équipements en amont.
Cependant, elle ne réduit pas la puissance requise par la machine elle-même.
Par exemple, une pompe qui a besoin de 50 kW aura toujours besoin d’environ 50 kW après correction du facteur de puissance. L’économie provient de la réduction de la puissance supplémentaire qui était auparavant perdue sous forme de chaleur dans le système électrique.
Le facteur de puissance peut également être affecté par les harmoniques
Dans un système sinusoïdal simple, le facteur de puissance dépend principalement de l’angle de phase entre la tension et le courant.
Cependant, les équipements non linéaires tels que les variateurs de fréquence, les redresseurs, les systèmes UPS et les pilotes de LED peuvent déformer la forme d’onde du courant. Dans ces systèmes, le facteur de puissance peut être réduit non seulement par un déphasage en avance ou en retard, mais aussi par la distorsion harmonique.
Un futur article de cette série APFC/PFI expliquera plus en détail la distorsion harmonique et son effet sur le facteur de puissance.
Conclusion
Le facteur de puissance décrit la quantité de puissance apparente nécessaire pour fournir une certaine quantité de puissance active.
Un faible facteur de puissance ne signifie pas nécessairement que le moteur produit moins de puissance. Cela signifie qu’un courant plus élevé doit circuler dans le système électrique pour fournir la même puissance active.
Pour les moteurs et les transformateurs, le courant réactif est nécessaire pour établir les champs magnétiques. Mais lorsque ce courant réactif provient entièrement du réseau amont, il occupe la capacité des transformateurs, des câbles, des barres omnibus et de l’appareillage de commutation et crée des pertes supplémentaires.
Cela conduit à l’objectif fondamental de la correction du facteur de puissance :
Fournir une partie du courant réactif requis localement afin qu’une moindre partie de celui-ci doive traverser le système électrique amont.
La prochaine partie de cette série expliquera comment un condensateur remplit cette fonction et pourquoi il peut réduire le courant réactif tiré de la source.
FAQ
Un facteur de puissance de 0,8 est-il égal à 80 % d’efficacité ?
Non. Le facteur de puissance et l’efficacité sont des mesures différentes. Un facteur de puissance de 0,8 signifie que la puissance active représente 80 % de la puissance apparente. Cela ne signifie pas que 20 % de l’énergie d’entrée est nécessairement perdue.
Un faible facteur de puissance augmente-t-il le courant ?
Oui. Pour la même tension et puissance active, un facteur de puissance plus faible nécessite un courant plus élevé.
Pourquoi le facteur de puissance d’un moteur est-il faible à faible charge ?
Un moteur légèrement chargé a besoin de moins de courant actif pour produire du couple, mais il nécessite toujours un courant magnétisant pour maintenir son champ magnétique. Le courant réactif devient donc une proportion plus importante du courant total.
La puissance réactive est-elle inutile ?
Non. La puissance réactive soutient les champs magnétiques et électriques requis par les moteurs, transformateurs, condensateurs et autres équipements CA. La préoccupation est le courant supplémentaire qu’elle impose au système de distribution.
Un condensateur peut-il réduire le courant du moteur ?
Un condensateur connecté pour la correction du facteur de puissance réduit généralement le courant tiré de l’alimentation amont. Il ne supprime pas le besoin du moteur en courant magnétisant. Au lieu de cela, il fournit une partie de ce courant localement.
Le facteur de puissance peut-il être trop élevé ?
Un facteur de puissance élevé en retard est normalement souhaitable, mais une compensation capacitive excessive peut créer un facteur de puissance en avance. Cela peut entraîner des problèmes de contrôle de tension, de commutation ou de résonance.
Un panneau APFC réduit-il la consommation de kWh ?
Il réduit principalement le flux de courant réactif, les pertes du système et les éventuelles pénalités du fournisseur. Il ne réduit pas directement l’énergie active requise par les machines connectées.
