Énergie active, réactive et facteur de puissance

L’énergie active est celle qui est transformée en travail et en chaleur par des appareils électriques. Les luminaires tels que les ampoules à incandescence n’absorbent que l’énergie active. L’unité de mesure est le kWh (kilowattheure). L’énergie réactive est la part d’énergie qui, au lieu d’être consommée immédiatement par l’utilisateur, est stockée pendant quelques fractions de seconde et rejetée dans le réseau électrique. L’utilisation de l’énergie réactive concerne les équipements nécessitant un champ magnétique pour fonctionner, tels que les moteurs électriques, les lampes fluorescentes (néon), les appareils électroniques (télévision, ordinateur, etc.). L’unité de mesure de l’énergie réactive est le varh (Volt Ampère heure réactive). Cette énergie n’est pas commercialisée, donc une consommation modérée d’énergie réactive est à considérer comme physiologique. Une quantité maximale de prélèvement d’énergie réactive est tolérée, actuellement valable uniquement pour les alimentations supérieures à 16,5 kW, au-delà de laquelle une pénalité est déclenchée. Le paramètre qui est normalement pris en compte pour vérifier si le système a une consommation d’énergie réactive trop élevée est le facteur de puissance ou cosφ. Ce paramètre évalue le lien entre énergie active et énergie réactive et dans le cas d’une charge idéale, uniquement résistive et donc sans énergie réactive consommée, il est égal à 1. Si de l’énergie réactive est présente, le paramètre prend des valeurs inférieures à 1 et en fonction de votre écart par rapport à la valeur idéale, vous pouvez encourir des pénalités. Le retrait d’énergie réactive est considéré comme normal tant que l’utilisateur a un facteur de puissance (cosφ) supérieur à 0,9. Les valeurs inférieures à cette limite indiquent des problèmes avec le système et la demande simultanée de pénalités par le distributeur d’électricité avec lequel le contrat a été conclu. Le retrait d’énergie réactive par un appareil utilisateur peut être limité voire annulé au moyen de quelques appareils technologiques simples installés sur le système électrique du client, dans ce cas on parle de correction du facteur de puissance du système électrique.

1) QU’EST-CE QUE LA DIT “PUISSANCE RÉACTIVE”?

Dans les systèmes à courant alternatif, de nombreuses charges – en particulier les moteurs – provoquent un décalage de phase entre la tension et le courant, ce qui réduit la capacité du système à utiliser de l’énergie pour effectuer un travail utile. Dans les cas extrêmes, la tension et le courant peuvent être déphasés au point que presque aucun travail utile ne peut être effectué, ce qui entraîne également un échauffement accru de la charge et des câbles avec des pertes d’énergie dues à l’effet Joule. Ce déphasage entre tension et courant donne naissance à la puissance dite  réactive, qui est mesurée en VAR (ou var), qui signifie “voltampère réactif”. On rencontre surtout de la puissance réactive dans des dispositifs qui stockent de l’énergie sous forme de champ magnétique, c’est-à-dire équipés de bobines à grand nombre de spires et que l’on appelle généralement des charges «inductives». Par conséquent, les moteurs et autres charges inductives sont des sources de puissance réactive, qui peuvent être compensées par des charges capacitives grâce à ce que l’on appelle la «correction du facteur de puissance».

2) COMMENT LA PUISSANCE RÉACTIVE EST MESURÉE DANS UNE INSTALLATION

La puissance  apparente  est la somme au carré de la  puissance active ou réelle et de la puissance  réactive . Par conséquent, en mesurant d’abord la puissance active (en watts ou kW, avec un wattmètre) et la puissance apparente (en VA ou kVA, avec un multimètre numérique moderne capable d’acquérir des courants et des tensions efficaces et les formes d’ondes associées), il n’est pas difficile de calculer ensuite la puissance réactive (en VAR ou kVAr) de la charge dans une installation par exemple. industriel. En électrotechnique, les grandeurs qui viennent d’être illustrées sont des vecteurs et donc les règles des sommes vectorielles sont appliquées pour travailler avec elles. Effectué les mesures ci-dessus, il sera également possible de déterminer le soi-disant facteur de puissance, défini comme le rapport puissance active (en kW) / puissance apparente (en kVA): plus la puissance réactive est élevée, donc plus le facteur de puissance de l’installation est faible. L’idéal serait d’avoir un facteur de puissance égal à «1», car cela signifierait que la puissance réactive est égale à 0 et que toute la puissance apparente est une puissance active, ce qui fait un vrai travail.

3) L’INSTRUMENTATION DE MESURE DE LA PUISSANCE “APPARENTE”

Il est important de savoir mesurer la puissance dite  apparente  ( S ), car le courant associé à la puissance réactive ne se transforme pas en travail de la charge, mais chauffe simplement les câbles, dissipant l’énergie sous forme de chaleur grâce à l’effet Joule. La puissance apparente est exprimée par la formule suivante:  S  =  V rms  x  I rms. Par conséquent, afin de mesurer correctement la puissance apparente dans un cas général, les capacités suivantes sont nécessaires: (1) Capacité d’acquérir la forme d’onde de la tension et du courant; (2) Acquisition simultanée des deux formes d’onde; (3) Fonction d’analyse des données acquises. Traditionnellement, de telles capacités ne se trouvent que dans les instruments de mesure les plus avancés, car un multimètre normal a des horloges asynchrones et n’est pas équipé de la capacité d’acquisition de forme d’onde, que l’on trouve dans les multimètres numériques modernes coûteux, dont les données acquises peuvent être traitées avec un logiciel spécial. Une augmentation de l’angle de déphasage φ entre la tension d’alimentation (V) et le courant d’alimentation (I) conduit à une augmentation de  la puissance réactive  au détriment de  la puissance active. En effet, une augmentation du déphasage entraîne une charge pour le distributeur d’électricité, qui doit fournir plus de puissance (puisque, si l’on assimile le câble électrique à un tube hypothétique, la présence d’un courant inductif-réactif “vole” espace pour une certaine quantité de courant associé à l’énergie active ou utile) et est donc contraint de surdimensionner les installations de production, de transport et de transformation d’électricité. Un type simple de correction automatique du facteur de puissance consiste en un certain nombre de condensateurs dont la capacité totale doit être dimensionnée à l’aide d’interrupteurs en mesurant le facteur de puissance conséquent. Alternativement, un moteur asynchrone puissance sans charge, qui fournit une énergie réactive qui peut être de signe opposé à celui à compenser, il se comporte donc comme un condensateur variable. Contrairement au cas des condensateurs, la quantité d’énergie réactive fournie par un moteur asynchrone est proportionnelle à la tension, et non à son carré, ce qui augmente la stabilité de tension du réseau. Pour la correction du facteur de puissance des grands systèmes ou des systèmes haute tension, de plus en plus de dispositifs «intelligents» sont utilisés, capables de compenser les changements soudains du facteur de puissance beaucoup plus rapidement que les batteries de condensateurs et, étant à semi-conducteurs, nécessitent moins entretien que les condensateurs synchrones.

1) LE COS  φ , OU «FACTEUR DE PUISSANCE» D’UNE CHARGE ÉLECTRIQUE

Le  facteur de puissance d’  une charge électrique est défini comme le cosinus de l’angle de déphasage φ entre la tension (V) et le courant d’alimentation (I) de la charge elle-même dans un système électrique à courant alternatif: le facteur de puissance est donc cos (φ). Dans un système électrique à charge purement résistive  ,  le déphasage est nul, donc on a cos (φ) = 1, qui représente la situation idéale, car cela signifie que la puissance “apparente” ( S ) correspond à la “active” la puissance ( P ) et la puissance «réactive» ( Q ) est nulle. Au lieu de cela, dans un système de type  inductif (comme un moteur électrique, un ballast pour une lampe fluorescente, etc.) est inférieur à 1, ce qui signifie que la puissance réactive – toujours indésirable – n’est pas nulle. Par conséquent, sur les moteurs électriques et autres grandes charges presque exclusivement inductives, la valeur de cos (φ) produite par la machine est généralement indiquée, et il est en tout cas possible de détecter cette valeur au moyen d’un  cosphimètre , de sorte qu’il est possible pour procéder à une correction appropriée du facteur de puissance.

2) L’IMPORTANCE DU FACTEUR DE PUISSANCE DANS LES SYSTÈMES DE DISTRIBUTION

Les facteurs de puissance inférieurs à 1 exigent que la source d’alimentation fournisse plus que les volt-ampères minimum nécessaires pour fournir la puissance réelle (watts). Cela augmente les coûts de production et de transport d’électricité. Par exemple, si le facteur de puissance n’est que de 0,7, la puissance apparente serait de 1,4 fois la puissance réelle utilisée par la charge. Le courant dans le circuit de la ligne électrique serait également 1,4 fois le courant requis par le facteur de puissance 1,0, de sorte que les pertes dans le circuit seraient doublées car elles sont proportionnelles au carré du courant. En outre, tous les composants du système – générateurs, câbles, transformateurs – devraient être augmentés en taille (et en coût) pour transporter le courant supplémentaire. Par conséquent,

3) COMMENT MESURER LE FACTEUR DE PUISSANCE: LE «COSPHIMÈTRE»

Le facteur de puissance dans un circuit monophasé (ou dans un circuit triphasé équilibré) peut être mesuré avec la méthode wattmètre-ampèremètre-voltmètre, dans laquelle la puissance en watts est divisé pour le produit de la tension et du courant mesurés. Un  cosphimètre  est un compteur de facteur de puissance à lecture directe et peut être mécanique-analogique ou électronique-numérique. Dans un cosphimètre électrodynamique simple, une bobine est connectée en parallèle avec la charge à travers une résistance et une seconde bobine à travers une inductance, de sorte que le courant dans la seconde bobine est retardé par rapport à celui de la première. Les cosphimètres numériques mesurent directement le décalage temporel entre les formes d’onde de tension et de courant, et calculent ainsi directement le facteur de puissance (cette méthode n’est précise que si la tension et le courant ont des formes d’onde sinusoïdales, ce qui ne se produit pas pour les charges non linéaires, telles que les redresseurs, qui ont une forme d’onde déformée).

4) LA DIFFÉRENCE ENTRE

PUISSANCE «ACTIVE», «RÉACTIVE» ET «APPARENTE» La puissance «active», ou  réelle , est celle effectivement consommée par une charge, tandis que la puissance «réactive» ne consomme pas, car il s’agit d’un échange énergie entre la ligne d’alimentation et la charge inductive (moteur ou autre). La puissance “apparente” est, par essence, la somme (sans entrer dans trop de détails techniques ici, puisque pour être exact c’est une somme en quadrature) entre la puissance active et la puissance réactive. Dans les circuits avec des utilisateurs particuliers tels que par exemple. ampoules à filament, chauffe-eau, certains types de fours, la puissance apparente absorbée est toute la puissance  active. Dans les circuits avec des utilisateurs qui ont des enroulements internes capables de créer un champ magnétique variable, tels que les moteurs, les soudeurs, les alimentations pour lampes fluorescentes, les transformateurs, une partie de la puissance absorbée n’est pas utilisée comme puissance active, mais comme puissance  réactive . Le courant qui circule dans les câbles de puissance et dans la charge – et qui est en partie dissipé par l’effet Joule – a également une composante active et une composante réactive.

5) LA CORRECTION DU FACTEUR DE PUISSANCE, OU COS

Le facteur de puissance cos (φ) des charges linéaires à faible facteur de puissance (comme les moteurs à induction) peut être corrigé via un réseau passif de condensateurs afin d’avoir une valeur aussi proche que possible de «1», ce qui indiquerait que tout l’énergie fournie par la source est consommée par la charge. Les charges non linéaires (comme les redresseurs) déforment le courant absorbé par le système. Dans de tels cas, une correction du facteur de puissance active ou passive peut être utilisée pour contrer la distorsion et augmenter le facteur de puissance en question. L’idée de corriger le facteur de puissance – ou de rephaser un système – est de fournir une énergie réactive de signe opposé, en ajoutant par exemple. condensateurs qui annulent les effets inductifs ou capacitifs de la charge.