Comprendre le facteur de puissance et son impact sur vos factures d'énergie

Outre la sécurité et la fiabilité, plusieurs autres objectifs, notamment l'efficacité, doivent être poursuivis dans la conception et la mise en œuvre des systèmes électriques. L'une des mesures de l'efficacité d'un système électrique est l'efficacité avec laquelle le système transforme l'énergie qu'il reçoit en travail utile. Cette efficacité est indiquée par un composant des systèmes électriques appelé facteur de puissance. Le facteur de puissance indique la quantité d'énergie réellement utilisée pour effectuer un travail utile par une charge et la quantité d'énergie qu'elle «gaspille». Aussi trivial que son nom puisse paraître, c'est l'un des principaux facteurs à l'origine des factures d'électricité élevées et des pannes de courant.

Pour être en mesure de décrire correctement le facteur de puissance et sa signification pratique, il est important de vous rafraîchir la mémoire sur les différents types de charges électriques et de composants de puissance qui existent.

À partir des classes d'électricité de base, les charges électriques sont généralement de deux types;

1. Charges résistives
2. Charges réactives

1. Charges résistives

Charges résistives, comme leur nom l'indique, ces charges sont constituées d' éléments purement résistifs. Pour ce type de charges (compte tenu des conditions idéales), toute la puissance qui lui est fournie est dissipée pour le travail du fait que le courant est en phase avec la tension. Un bon exemple de charges résistives comprend les ampoules à incandescence et les piles.

Le composant de puissance associé aux charges résistives est appelé puissance réelle. Cette puissance réelle est également parfois appelée puissance de travail, puissance réelle ou puissance réelle. Si vous êtes nouveau dans l'alimentation CA et que vous vous sentez confus avec toutes ces formes d'onde, il est recommandé de lire les bases de l'alimentation CA pour comprendre le fonctionnement de l'alimentation CA.

2. Charges réactives

Les charges réactives, en revanche, sont un peu plus complexes. Bien qu'ils provoquent une chute de tension et tirent du courant de la source, ils ne dissipent aucune énergie utile en tant que telle car l'énergie qu'ils tirent de l'alimentation ne fonctionne pas. Ceci est dû à la nature des charges réactives.

Les charges réactives peuvent être capacitives ou inductives. Dans les charges inductives, la puissance consommée est utilisée dans la configuration du flux magnétique sans aucun travail direct effectué tandis que pour les charges capacitives, la puissance est utilisée pour charger le condensateur et non pour produire directement du travail. La puissance ainsi dissipée dans les charges réactives est appelée puissance réactive. Les charges réactives sont caractérisées par le courant en avance (charges capacitives) ou en retard (charges inductives) derrière la tension, en tant que tel, une différence de phase existe généralement entre le courant et la tension.

Les deux graphiques ci-dessus représentent une charge inductive et capacitive où le facteur de puissance est respectivement en retard et en avance. Les variations de ces deux types de charges conduisent à l'existence de trois composants de puissance dans les systèmes électriques, à savoir;

1. Puissance réelle
2. Puissance réactive
3. Puissance apparente

1. Puissance réelle

Il s'agit de la puissance associée aux charges résistives. C'est le composant de puissance dissipé pour l'exécution du travail réel dans les systèmes électriques. Du chauffage à l'éclairage, etc., il est exprimé en Watts (W) (avec ses multiplicateurs, kilo, méga, etc.) et symboliquement représenté par la lettre P.

2. Puissance réactive

Il s'agit de la puissance associée aux charges réactives. En raison du retard entre la tension et le courant dans les charges réactives, l'énergie consommée en réactif (capacitif ou inductif) ne produit aucun travail. Elle est appelée puissance réactive et son unité est Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. Puissance apparente

Les systèmes électriques typiques comprennent à la fois des charges résistives et inductives, pensez à vos ampoules et appareils de chauffage pour charges résistives et aux équipements avec moteurs, compresseurs, etc. Ainsi, dans un système électrique, la puissance totale est une combinaison des composants de puissance réelle et réactive, cette puissance totale est également appelée puissance apparente.

La puissance apparente est donnée par la somme de la puissance réelle et de la puissance réactive. Son unité est les volt-ampères (VA) et représentée mathématiquement par l'équation;

Puissance apparente = puissance réelle + puissance réactive

Dans des situations idéales, la puissance réelle dissipée dans un système électrique est généralement supérieure à la puissance réactive. L'image ci-dessous montre le diagramme vectoriel dessiné à l'aide des trois composants de puissance

Ce diagramme vectoriel peut être transformé en triangle de puissance comme indiqué ci-dessous.

Le facteur de puissance peut être calculé en obtenant l'angle thêta (ϴ) indiqué ci-dessus. Ici, thêta est l'angle entre la puissance réelle et la puissance apparente. Ensuite, en suivant la règle du cosinus (Adjacent sur l'hypoténuse), le facteur de puissance peut être estimé comme le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente. Les formules pour calculer le facteur de puissance sont données ci-dessous

PF = Puissance réelle / Puissance apparente ou PF = Cosϴ

En mettant cela à côté de l'équation de détermination de la puissance apparente, il est facile de voir qu'une augmentation de la puissance réactive (présence d'un nombre élevé de charges réactives), conduit à une augmentation de la puissance apparente et à une plus grande valeur de l'angle ϴ, ce qui aboutit finalement à un faible facteur de puissance lorsque son cosinus (cos ϴ) est obtenu. D'un autre côté, la réduction des charges réactives (puissance réactive) conduit à un facteur de puissance accru, indiquant un rendement élevé dans les systèmes avec moins de charges réactives et vice versa. La valeur du facteur de puissance sera toujours comprise entre 0 et 1, plus elle se rapproche de l'un, plus l'efficacité du système sera élevée. En Inde, la valeur idéale du facteur de puissance est estimée à 0,8. La valeur du facteur de puissance n'a pas d'unité.

Importance du facteur de puissance

Si la valeur du facteur de puissance est faible, cela signifie que l'énergie du secteur est gaspillée car une grande partie de celle-ci n'est pas utilisée pour un travail significatif. En effet, la charge consomme ici plus de puissance réactive que la puissance réelle. Cela impose une contrainte sur le système d'alimentation provoquant une surcharge sur le système de distribution car à la fois la puissance réelle requise par la charge et la puissance réactive utilisée pour satisfaire les charges réactives seront tirées du système.

Cette tension et ce «gaspillage» entraînent généralement d'énormes factures d'électricité pour les consommateurs (en particulier les consommateurs industriels), car les entreprises de services publics calculent la consommation en termes de puissance apparente, en tant que telles, elles finissent par payer pour de l'énergie qui n'a pas été utilisée pour réaliser des travaux «significatifs». Certaines entreprises infligent également une amende à leurs consommateurs s'ils consomment plus de puissance réactive, car cela entraîne une surcharge du système. Cette amende est imposée de manière à réduire le faible facteur de puissance entraînant des charges utilisées dans les industries.

Même dans les situations où l'électricité est fournie par les générateurs de la société, de l'argent est gaspillé pour des générateurs plus gros, des câbles de plus grande taille, etc. nécessaires pour fournir de l'énergie alors qu'une bonne partie va être gaspillée. Pour mieux comprendre cela, considérez l'exemple ci-dessous

Une usine fonctionnant avec une charge de 70 kW pourrait être alimentée avec succès par un générateur / transformateur et des câbles de 70 kVA si l'usine fonctionne avec un facteur de puissance de 1. Mais, si le facteur de puissance tombe à 0,6, alors même avec la même charge de 70KW, un plus gros générateur ou transformateur évalué à 116,67 kVA (70 / 0,6) sera nécessaire, car le générateur / transformateur devra fournir la puissance supplémentaire pour la charge réactive. Outre cette forte augmentation des besoins en puissance, la taille des câbles utilisés devrait également être augmentée, ce qui entraînerait une augmentation significative du coût de l'équipement et des pertes de puissance accrues en raison de la résistance le long des conducteurs. La sanction pour cela va au-delà des factures d'électricité élevées dans certains pays, car les entreprises ayant un faible facteur de puissance se voient généralement infliger des amendes énormes pour encourager la rectification.

Amélioration du facteur de puissance

Avec tout ce qui a été dit, vous conviendrez avec moi qu'il est plus logique sur le plan économique de corriger le faible facteur de puissance que de continuer à payer d'énormes factures d'électricité, en particulier pour les grandes industries. On estime également que plus de 40% sur les factures d'électricité peuvent être économisés dans les grandes industries et usines de fabrication si le facteur de puissance est corrigé et maintenu à un niveau bas.

Outre la réduction des coûts pour les consommateurs, l'exploitation d'un système efficace contribue à la fiabilité et à l'efficacité globales du réseau électrique, car les entreprises de services publics sont en mesure de réduire les pertes dans les lignes et les coûts de maintenance tout en bénéficiant d'une réduction infrastructure de soutien similaire requise pour leurs opérations.

Calcul du facteur de puissance pour votre charge

La première étape pour corriger le facteur de puissance consiste à déterminer le facteur de puissance de votre charge. Cela peut être fait par;

1. Calcul de la puissance réactive à l'aide des détails de réactance de la charge

2. Déterminer la puissance réelle dissipée par la charge et la combiner avec la puissance apparente pour obtenir le facteur de puissance.

3. L'utilisation du compteur de facteur de puissance.

Le compteur de facteur de puissance est principalement utilisé car il permet d'obtenir facilement le facteur de puissance dans les grandes configurations de système, où la détermination des détails de réactance de la charge et de la puissance réelle dissipée peut être une voie difficile.

Avec le facteur de puissance connu, vous pouvez ensuite procéder à sa correction, en l'ajustant aussi près que possible de 1.n Le facteur de puissance recommandé par les sociétés de distribution d'électricité, est généralement compris entre 0,8 et 1 et cela ne peut être réalisé que si vous utilisez un charge résistive ou la réactance inductive (charge) dans le système est égale à la réactance de capacité car elles s'annulent toutes les deux.

En raison du fait que l'utilisation de charges inductives est une cause plus fréquente de faible facteur de puissance, en particulier dans les environnements industriels (en raison de l'utilisation de moteurs lourds, etc.), l'une des méthodes les plus simples de correction du facteur de puissance consiste à annuler le réactance inductive grâce à l'utilisation de condensateurs de correction qui introduisent une réactance capacitive dans le système.

Les condensateurs de correction du facteur de puissance agissent comme un générateur de courant réactif, compensant / compensant la puissance «gaspillée» par les charges inductives. Cependant, une considération de conception minutieuse doit être prise lors de l'insertion de ces condensateurs dans les configurations pour assurer un fonctionnement en douceur avec des équipements tels que des variateurs de vitesse et un équilibre efficace avec le coût. En fonction de l'installation et de la répartition de la charge, la conception pourrait comprendre des condensateurs à valeur fixe installés aux points de charge inductifs ou des batteries de condensateurs de correction automatique installés sur les barres omnibus des panneaux de distribution pour une correction centralisée qui est généralement plus rentable dans les grands systèmes.

L'utilisation de condensateurs de correction du facteur de puissance dans les configurations a ses inconvénients, en particulier lorsque les bons condensateurs ne sont pas utilisés ou que le système n'est pas correctement conçu. L'utilisation des condensateurs pourrait produire une brève période de «surtension», lorsqu'ils sont allumés, ce qui pourrait affecter le bon fonctionnement des équipements tels que les variateurs de vitesse, les faisant s'éteindre par intermittence ou faisant sauter les fusibles de certains des condensateurs. Il pourrait cependant être résolu en essayant de procéder à des ajustements de la séquence de commande de commutation, dans le cas des variateurs de vitesse ou en éliminant les courants harmoniques dans le cas des fusibles.

Facteur de puissance Unity et pourquoi ce n'est pas pratique

Lorsque la valeur de votre facteur de puissance est égale à 1, le facteur de puissance est alors considéré comme un facteur de puissance unitaire. Il peut être tentant d'obtenir le facteur de puissance optimal de 1, mais il est presque impossible de l'atteindre car aucun système n'est vraiment idéal. En ce sens, aucune charge n'est purement résistive, capacitive ou inductive. Chaque charge comprend certains éléments de l'autre, aussi petite soit-elle, car une telle plage de facteur de puissance réalisable typique est généralement de 0,9 / 0,95. Nous avons déjà découvert ces propriétés parasites des éléments RLC dans nos articles ESR et ESL avec condensateurs.

Le facteur de puissance est un déterminant de la façon dont vous utilisez l'énergie et du montant que vous payez en factures d'électricité (en particulier pour les industries). Par extension, il est un contributeur majeur aux coûts opérationnels et pourrait être le facteur à l'origine de la réduction des marges bénéficiaires auxquelles vous n'avez pas prêté attention. L'amélioration du facteur de puissance de votre système électrique pourrait contribuer à réduire les factures d'électricité et à optimiser les performances.