Dans le monde moderne et connecté d’aujourd’hui, la disponibilité continue et fiable de l’énergie et la qualité de l’électricité optimisent la consommation d’énergie, améliorant ainsi l’efficacité du système de distribution.
Le facteur de puissance est le rapport entre l’énergie nécessaire pour effectuer un travail utile (appelée aussi puissance réelle ou active, P) par l’équipement électrique du côté du consommateur et l’énergie fournie par l’installation de service public (appelée puissance apparente, S).
Un bon facteur de puissance détermine la qualité de conception et l’utilisation efficace de l’énergie électrique, tandis qu’un mauvais facteur de puissance indique une mauvaise utilisation de l’énergie électrique. Il existe donc une justification logique pour que les organismes de régulation électrique imposent l’amélioration du facteur de puissance, car un mauvais facteur de puissance constitue une réelle menace pour le système de distribution électrique moderne, entraînant des pannes de courant fréquentes et des pertes.
Figure 1. La plupart des charges, comme un moteur, sont de nature inductive, ce qui signifie que la correction du facteur de puissance doit contrer les effets réactifs inductifs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Canva
Types de charges électriques
Il existe trois types de charges électriques : inductive, résistive et capacitive — ou un amalgame des trois.
Aujourd’hui, les charges les plus courantes dans le système de distribution électrique sont les dispositifs inductifs comme les moteurs, les générateurs, les transformateurs, etc. ; par conséquent, la charge réactive dans le réseau électrique augmente constamment. L’augmentation de la puissance des transformateurs, moteurs et générateurs entraîne une augmentation de la puissance réactive, rendant impératif le contrôle de la charge réactive.
Le facteur de puissance dépend de la phase relative de la tension et du courant, qui peuvent être inductives (où le courant est en retard) ou capacitives (où le courant est en avance). Il est important de déterminer quels éléments causent une mauvaise puissance. Il y a deux causes principales : le déphasage et la distorsion.
Le déphasage se produit lorsque la tension et le courant sont hors phase en raison de la présence de composants inductifs et capacitifs appelés éléments réactifs. La charge linéaire provoque cela. Les charges linéaires tirent un courant sinusoïdal, toujours proportionnel à la tension.
La distorsion est le résultat de la distorsion harmonique causée par un circuit non linéaire tel qu’un redresseur. Dans les charges non linéaires, le courant est tiré en impulsions brusques et courtes, déformant la forme d’onde du courant.
Qu’est-ce que la correction du facteur de puissance ?
La correction du facteur de puissance (PFC) est une méthodologie utilisée pour améliorer le facteur de puissance de l’équipement ou augmenter le facteur de puissance de la charge, réduisant ainsi le courant tiré du réseau et améliorant l’efficacité du système de distribution.
La PFC utilise différents types de dispositifs, tels que des condensateurs, pour minimiser la puissance réactive d’un circuit AC et améliorer son efficacité et son facteur de puissance.
Il existe deux types de corrections du facteur de puissance : monophasée et triphasée.
Dans un système monophasé, comme dans les maisons, la batterie de condensateurs est connectée en parallèle avec la charge, ce qui aide à réduire la puissance réactive et à améliorer le facteur de puissance. Il est important de choisir le type et la taille appropriés du condensateur.
Dans un système triphasé, la batterie de condensateurs est connectée en parallèle avec la charge dans un schéma étoile ou delta pour la correction du facteur de puissance. Les banques se commutent automatiquement pour maintenir un facteur de puissance souhaité.
Figure 2. Un système de charge triphasé avec une batterie de condensateurs connectée en delta. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Control.com
Avantages de l’amélioration du facteur de puissance
De multiples avantages peuvent être obtenus en appliquant la correction du facteur de puissance :
- lorsqu’une charge absorbe une petite quantité de Q par rapport à P, le service public bénéficie de câbles, d’enroulements de transformateurs et d’enroulements de générateurs plus petits
- réduction des factures de services publics pour les utilisateurs domestiques et industriels
- disponibilité supplémentaire de KVA à partir de l’approvisionnement existant
- augmentation de la capacité du système, qualité de l’énergie, économies d’énergie et économies de coûts
- augmentation de la capacité de transport de courant du système
- réduction des pertes dans les équipements de distribution
- réduction de la chute de tension dans de longs câbles
- amélioration de la durée de vie des équipements en réduisant la charge électrique
- moins de pannes et de temps d’arrêt
Correction du facteur de puissance
Les deux principales causes d’un faible facteur de puissance sont le déphasage et la distorsion. Pour éliminer le facteur de déphasage, des composants réactifs externes sont couramment utilisés pour compenser la puissance réactive dans le circuit. Il existe plusieurs méthodes de correction du facteur de puissance, et le choix de l’approche dépend des besoins du système. Les ingénieurs peuvent utiliser des combinaisons de ces méthodes pour atteindre la correction du facteur de puissance.
Banques de condensateurs
Dans l’industrie, la majorité des charges inductives sont des moteurs et des transformateurs. Les panneaux de correction automatique du facteur de puissance ou les banques de condensateurs améliorent le facteur de puissance. Pourquoi utilisons-nous une banque de condensateurs ? La banque de condensateurs est l’une des méthodes les plus courantes pour corriger et améliorer le PF en fournissant la puissance réactive qui doit être fournie par la source de service public.
Dans tout système industriel, nous avons à la fois des puissances actives et réactives. Si le pourcentage de puissance réactive est élevé, le système est inefficace et le facteur de puissance sera faible. La puissance réactive a une relation directe avec le facteur de puissance ; par conséquent, nous devons réduire le pourcentage de réactivité pour améliorer l’efficacité du système.
Les charges inductives produisent une puissance réactive de retard (courant en retard de tension, PF de retard). Pour compenser cela, nous produisons une puissance réactive d’avance dans le système avec des condensateurs. La puissance réactive d’avance et de retard se compensent ou s’annulent, c’est ce qu’on appelle la compensation de puissance réactive.
Figure 3. Les banques de condensateurs peuvent desservir des installations ou des circuits de dérivation, chacune choisie spécifiquement pour la réactance de ses propres charges. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Canva
Contrôleur de correction du facteur de puissance
Ce dispositif de contrôle surveille en permanence la puissance réactive de l’usine et l’ajuste automatiquement pour atteindre le facteur de puissance souhaité.
Le contrôleur active les fonctions de contrôle en connectant ou en déconnectant les banques de condensateurs en fonction de l’augmentation ou de la diminution du PF. Si le facteur de puissance est inférieur aux valeurs requises, le contrôleur ajoute automatiquement la banque de condensateurs pour améliorer le PF. Le contrôleur affiche également plusieurs paramètres en temps réel, facilement surveillés, tels que le courant, la tension, la puissance, etc.
Compensateur statique d’énergie réactive
Ces dispositifs fournissent une compensation de puissance réactive pour améliorer le facteur de puissance en injectant ou en absorbant la puissance réactive dans le système électrique pour correspondre au niveau de tension voulu. Les principaux composants des compensateurs statiques d’énergie réactive (SVC) sont un réacteur contrôlé par thyristor (TCR), utilisé pour contrôler la puissance réactive inductive, un condensateur commuté par thyristor (TSC), utilisé pour contrôler la puissance réactive capacitive, et un filtre harmonique. Ils sont généralement utilisés pour des charges industrielles importantes, telles que les moteurs et les transformateurs.
Mauvais facteur de puissance
Un mauvais facteur de puissance est généralement causé par des charges linéaires comme les moteurs à induction, les transformateurs et les générateurs et présente de nombreux inconvénients :
- coûts énergétiques excessifs dus à un faible facteur de puissance et aux pénalités imposées par les organismes de régulation
- un mauvais facteur de puissance signifie tirer plus d’énergie des réseaux électriques pour faire le même travail, de sorte que les câbles et l’équipement doivent être plus grands
- pertes accrues (puissance élevée signifie courant excessivement élevé) et surchauffe des transformateurs, interrupteurs et câbles
- augmentation de la chute de tension
- déclenchement fréquent des disjoncteurs et des fusibles
- réduction de la puissance disponible
Équipements de correction du facteur de puissance
Il existe également des risques associés aux dispositifs de correction de puissance si des experts formés ou qualifiés ne les installent pas correctement :
- choc électrique, court-circuit et risque d’incendie
- dommages et dysfonctionnement des dispositifs
- surcorrection, qui augmentera le niveau de tension au-dessus des limites acceptables et pourrait endommager l’équipement
- les courants harmoniques et les distorsions peuvent provoquer des pannes des équipements électriques
- les condensateurs ont une durée de vie limitée, et un incendie peut survenir sans avertissement
Figure 4. La vue d’un oscilloscope peut mesurer le délai de temps (avance et retard) entre les formes d’onde de tension et de courant. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Canva
Mesure du facteur de puissance
Mesurer le facteur de puissance dans une installation pour enregistrer les changements au fil du temps montre à quel point l’énergie électrique est utilisée efficacement. Cela permet à l’ingénieur de prendre des mesures correctives, par exemple, installer des équipements spécialisés pour augmenter l’efficacité électrique près de la cible idéale d’unité de facteur de puissance.
De multiples instruments peuvent être utilisés pour surveiller la PFC dans le système, comme les compteurs de facteur de puissance, pour mesurer et surveiller le facteur de puissance du système en temps réel – de même, le voltmètre AC et l’ampèremètre AC mesurent la tension et le courant du système. Les transducteurs de puissance active et réactive peuvent être utilisés pour intégrer les signaux dans le système de contrôle pour enregistrer des valeurs pour les tendances.
Les analyseurs de qualité de l’électricité mesurent des quantités électriques telles que la tension, le courant, la puissance, la puissance apparente, le facteur de puissance et la distorsion harmonique.
Enfin, les oscilloscopes peuvent analyser les formes d’onde de tension et de courant pour déterminer le facteur de puissance du système.
Surveillez les tendances de la tension, du courant et de la puissance au niveau HMI peut indiquer le succès de la PFC en utilisant des compteurs et des instruments appropriés.