Facteur de puissance expliqué. Dans ce tutoriel, nous examinons le facteur de puissance. Nous allons apprendre ce qui est facteur de puissance, ce qui est bon et mauvais facteur de puissance, comment comparer le facteur de puissance, les causes du facteur de puissance, pourquoi et comment corriger le facteur de puissance ainsi que quelques exemples de calculs pour vous aider à apprendre le génie électrique.
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Alors, qu’est-ce que le facteur de puissance?

Le facteur de puissance est un nombre sans unité utilisé dans les circuits à courant alternatif, il peut être utilisé pour désigner un un seul équipement tel qu’un moteur à induction ou pour la consommation électrique d’un bâtiment entier. Dans les deux cas, il représente le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente. La formule étant PF = kW/KVA. Alors, qu’est-ce que cela signifie?

Mon analogie préférée pour expliquer cela est d’utiliser l’analogie de la bière.

Nous payons une bière au verre, mais à l’intérieur du verre il y a à la fois de la bière et de la mousse. Plus nous avons de bière, moins il y a de mousse, donc nous avons un bon rapport qualité-prix. S’il y a beaucoup de mousse, il n’y a pas beaucoup de bière et nous n’obtenons pas un bon rapport qualité-prix.

La bière représente notre vraie puissance ou nos kW, kilowatts. Ce sont les choses utiles que nous voulons et dont nous avons besoin, c’est ce qui fait le travail.

La mousse représente notre puissance réactive ou notre kVAr, kilovolt-ampères réactifs. C’est le truc inutile, il y en aura toujours et nous devons le payer mais nous ne pouvons pas l’utiliser pour ne pas en vouloir trop. (il a en fait un usage et un but, mais nous verrons pourquoi plus tard)

La combinaison de ces kW et kVAr est notre puissance apparente ou notre kVA. kilovolt-ampères

Le facteur de puissance est donc le rapport de la puissance utile ou de la puissance réelle en kW divisé par ce que nous sommes facturé en kVA. Cela nous indique donc le rapport qualité-prix que nous obtenons pour l’énergie que nous consommons.

Si nous abordons très brièvement les termes de l’ingénierie électrique, nous pourrions voir cela exprimé comme un triangle de puissance. Dans ce cas, je vais le dessiner comme facteur de puissance principal car il est plus facile à visualiser. La bière ou la vraie puissance est la ligne adjacente, puis nous avons la mousse qui est la puissance réactive à l’opposé, puis pour le côté hypoténuse, qui est le côté le plus long, nous avons la puissance apparente, c’est à un angle de la vraie puissance, l’angle est connu sous le nom de thêta.

À mesure que la puissance réactive ou la mousse augmente, la puissance apparente ou le kVA augmente. Nous pourrions ensuite utiliser la trigonométrie pour calculer ce triangle, je ne le ferai pas dans cet article car je ne couvre que les bases, nous verrons donc simplement les formules dont vous avez besoin, mais nous ferons quelques calculs et des exemples travaillés plus tard dans cet article.

Si nous examinons une facture d’électricité résidentielle typique, nous verrons généralement des frais pour la quantité de kWh utilisée car le facteur de puissance et la consommation d’électricité seront très faibles, de sorte que les compagnies d’électricité ont tendance à ne pas s’inquiéter de cela.

Cependant, sur les factures d’électricité commerciales et industrielles, en particulier les bâtiments dotés de compteurs d’électricité intelligents ou à intervalles, nous verrons probablement les frais et les informations concernant la quantité de kW, kWh, kVA et kVArh utilisés. Les grands bâtiments en particulier verront souvent des charges de puissance réactive là aussi, mais cela dépend du fournisseur d’électricité.

La raison pour laquelle ils facturent une pénalité pour cela est que lorsque les gros consommateurs ont de mauvais facteurs de puissance, ils augmentent le flux de courant à travers le réseau électrique et provoquant des chutes de tension qui réduisent la capacité de distribution des fournisseurs et ont un effet d’entraînement pour les autres clients. Les câbles sont conçus pour gérer une certaine quantité de courant qui les traverse. Donc, si beaucoup de gros consommateurs se connectent avec de mauvais facteurs de puissance, les câbles pourraient se surcharger, ils pourraient avoir du mal à répondre à la demande et aux accords de capacité et aucun nouveau client ne pourra se connecter avant de remplacer les câbles ou d’installer des câbles supplémentaires.

Les charges de puissance réactive se produisent lorsque le facteur de puissance d’un bâtiment tombe en dessous d’un certain niveau, ce niveau est défini par le fournisseur d’électricité mais il commence généralement à environ 0,95 et moins.

Un facteur de puissance parfait serait de 1,0, mais en réalité, cela est presque impossible à atteindre. Nous y reviendrons plus tard dans la vidéo.

Dans les grands bâtiments commerciaux, le facteur de puissance global est susceptible de se situer dans les catégories suivantes

Un bon facteur de puissance est généralement compris entre 1,0 et 0,95

Un mauvais facteur de puissance est compris entre 0,95 et 0,85

Un mauvais facteur de puissance est inférieur à 0,85.

Les immeubles de bureaux commerciaux sont généralement compris entre 0,98 et 0,92, les bâtiments industriels peuvent être aussi bas que 0,7. Nous verrons bientôt ce qui cause cela.

Si nous comparons deux moteurs à induction, les deux ont une puissance de 10 kW et sont connectés à trois alimentation en phase 415V 50Hz. L’un a un facteur de puissance de 0,87 et l’autre un facteur de puissance de 0,92

Les deux moteurs fourniront 10 kW de travail, mais le premier moteur a un facteur de puissance inférieur au second, ce qui signifie que nous n’obtenons pas autant de rapport qualité-prix.

Le premier moteur devra puiser 11,5 kVA dans le réseau électrique pour fournir la puissance de 10 kW.

Le deuxième moteur n’aura besoin que de 10,9 kVA du réseau électrique pour fournir la puissance de 10 kW.

Cela signifie que le premier moteur a 5,7 kvars et le deuxième moteur a seulement 4,3 Kvars.

Rappelez-vous que nos kW sont la bière qui est la substance utile. Le kVAr est la mousse, c’est le truc pas si utile. Le kVA est ce que nous allons payer et c’est le kW + le kVAr.

Comment ai-je calculé cela?

Pour kVA, j’ai utilisé kW divisé par le facteur de puissance donc 10 divisé par 0,87 pour obtenir 11,5 kVA

kVA = kW / PF

Pour kVAr, j’ai utilisé la racine carrée de kVA au carré soustraire kW au carré, donc la racine carrée de 11,5 kVA ^2 moins 10kW^2

kVAr = racine carrée de kVA^2–kW^2

Nous aurions également pu trouver le facteur de puissance du kW et du kVA en utilisant 10kW divisé par 11.5kVA

PF = kW / kVA

Nous aurions pu trouver le kW à partir du facteur de puissance et du kVA en utilisant 0,87 divisé par 11,5 kVA pour obtenir 10

kW = PF x kVA

Alors qu’est-ce qui cause un mauvais facteur de puissance?

Dans la plupart des cas, le facteur de puissance est affecté par les charges inductives.

Si nous avions une charge purement résistive telle qu’un réchauffeur électrique résistant, les formes d’onde de tension et de courant seraient synchronisé ou très proche. Ils passeraient tous les deux leur point maximum et minimum et passeraient par l’axe zéro en même temps. Le facteur de puissance dans ce cas est de 1, ce qui est parfait.

Si nous dessinions un diagramme de phaseurs, la tension et le courant seraient parallèles, de sorte que toute l’énergie tirée de l’alimentation électrique entre dans le travail, dans ce cas créant de la chaleur.

Si nous avons pris une charge inductive telle qu’un moteur à induction, le champ magnétique des bobines retient le courant et les résultats dans un déphasage où les formes d’onde de tension et de courant ne sont pas synchronisées avec le courant et passent donc par le point zéro après la tension, on parle de facteur de puissance de retard.

Plus tôt dans l’article, j’ai dit que la mousse ou le kVAr est inutile, ce n’est pas exactement vrai, nous avons réellement besoin d’une puissance réactive pour créer et maintenir le champ magnétique qui fait tourner le moteur. La puissance réactive est gaspillée dans le sens où nous n’en tirons aucun travail mais devons tout de même le payer, bien que nous en ayons besoin pour pouvoir faire le travail en premier lieu. Nous avons couvert le fonctionnement des moteurs à induction précédemment, cliquez ici pour voir ce tutoriel.

Si nous avons dessiné un diagramme de phaseurs pour une charge purement inductive, le courant sera à un angle inférieur à la ligne de tension, ce qui signifie que toute l’électricité consommée ne fonctionne pas.

Si nous avons pris une charge purement capacitive, l’inverse se produit pour la charge inductive. La tension et le courant sont déphasés sauf que cette fois la tension est retenue. Cela provoque un facteur de puissance principal. Encore une fois, cela signifie que toute l’électricité n’est pas utilisée pour faire des travaux, mais nous devons payer pour cela malgré tout.

Si nous dessinions un diagramme de phaseurs pour une charge purement capacitive, la ligne de courant serait à un angle au-dessus de la ligne de tension telle qu’elle est en tête.

Correction d’un mauvais facteur de puissance

Que pouvons-nous faire pour corriger un mauvais facteur de puissance et les charges de puissance réactive? Dans la plupart des cas, nous rencontrons un facteur de puissance en retard causé par des charges inductives, mais nous pouvons rencontrer un facteur de puissance principal.

Pour corriger un mauvais facteur de puissance, nous pouvons ajouter des condensateurs ou des inducteurs au circuit qui réaligneront le courant en phase et rapprocheront le facteur de puissance de 1. Si nous avons un facteur de puissance en retard causé par des charges inductives élevées dans le circuit, nous ajoutons des condensateurs, c’est le plus courant. Si nous avons un facteur de puissance principal causé par des charges capacitives élevées, nous ajoutons une charge inductive au circuit. Ceux-ci doivent être calculés et nous verrons quelques exemples de calculs à la fin de l’article.

Pourquoi corriger un mauvais facteur de puissance?

Un mauvais facteur de puissance signifie que vous devez tirer plus d’énergie des réseaux électriques pour effectuer le même travail, et les câbles doivent être plus gros, donc ça va coûter plus cher. Si le facteur de puissance devient trop faible, le fournisseur d’électricité peut vous facturer des frais de pénalité ou des frais de puissance réactive. Un mauvais facteur de puissance peut entraîner des pertes dans les équipements tels que les transformateurs et entraîner des gains de chaleur élevés. Cela peut entraîner des chutes de tension et même réduire la durée de vie des équipements dans des scénarios extrêmes.

Calcul des condensateurs pour la correction du facteur de puissance

Regardons un exemple simplifié de calcul de la taille d’un condensateur pour améliorer le facteur de puissance d’une charge. Le bâtiment dispose d’une alimentation en 3 phases et a une charge totale de 50 kW de travail et a un facteur de puissance de 0,78 mais nous voulons qu’il soit de 0,96 pour éviter les pénalités.

Actuellement, le bâtiment a une valeur de puissance apparente totale (kVA) de 64,1 kVA et nous constatons cela en plongeant simplement le kW (50kW) par le facteur de puissance de 0,78.

Il a également une puissance réactive de 40,1 kVAr, on trouve cela en prenant la racine carrée du kVA^2 au carré et en la soustrayant du kW^2 au carré. Prenez donc la racine carrée de 64,1 kVA au carré moins 50 kW au carré.

Ensuite, nous calculons quelles devraient être les valeurs si nous avions le facteur de puissance de 0,96.

Ainsi, notre puissance apparente serait de 52,1 kVA, nous constatons qu’à partir de 50kw divisé par 0,96 facteur de puissance

Alors nous trouvons notre puissance réactive qui est la racine carrée de kVA^2 au carré moins le kW au carré donc la racine carrée de 52,1kVA^2 moins 50kW^2 au carré ce qui nous donne 14,6 kVAr.

Le condensateur doit donc compenser la différence entre ces deux soit 40,1 kVAr moins 14.6kVAr which equals 25.5kVAr capacitor. This is a simplified example, check with a supplier.