Correction du Facteur de Puissance : Qu'est-ce que c'est ? (Formule, Circuit et Banques de Condensateurs)

Champ: Électricité de base

China

Qu'est-ce que la correction du facteur de puissance

Qu'est-ce que la correction du facteur de puissance ?

La correction du facteur de puissance (également connue sous le nom de CFP ou Correction du Facteur de Puissance) est définie comme une technique utilisée pour améliorer le facteur de puissance des circuits AC en réduisant la puissance réactive présente dans le circuit. Les techniques de correction du facteur de puissance visent à augmenter l'efficacité du circuit et à réduire l'intensité consommée par la charge.

Généralement, des condensateurs et des moteurs synchrones sont utilisés dans les circuits pour réduire les éléments inductifs (et donc la puissance réactive). Ces techniques ne sont pas utilisées pour augmenter la quantité de puissance active, mais seulement pour diminuer la puissance apparente.

En d'autres termes, elle réduit le déphasage entre la tension et l'intensité. Ainsi, elle tente de maintenir le facteur de puissance proche de l'unité. La valeur économique la plus optimale du facteur de puissance se situe entre 0,9 et 0,95.

Maintenant, la question se pose : pourquoi la valeur économique du facteur de puissance est-elle de 0,95 au lieu d'un facteur de puissance unitaire ? Y a-t-il un inconvénient à avoir un facteur de puissance unitaire ?

NON. Il n'y a aucun inconvénient à avoir un facteur de puissance unitaire. Cependant, il est difficile et coûteux d'installer des équipements de CFP unitaires.

Par conséquent, les entreprises d'électricité et de fourniture d'énergie essaient de maintenir un facteur de puissance compris entre 0,9 et 0,95 pour créer un système économique. Et cette plage est suffisante pour un système électrique.

Si le circuit AC a une charge inductive élevée, le facteur de puissance peut être inférieur à 0,8. Et il consomme plus d'intensité depuis la source.

Les équipements de correction du facteur de puissance réduisent les éléments inductifs et l'intensité consommée depuis la source. Cela aboutit à un système plus efficace et prévient la perte d'énergie électrique.

Pourquoi la correction du facteur de puissance est-elle nécessaire ?

Dans les circuits en courant continu, la puissance dissipée par une charge est simplement calculée en multipliant la tension et le courant. Et le courant est proportionnel à la tension appliquée. Par conséquent, la dissipation de puissance par la charge résistive est linéaire.

Dans les circuits en courant alternatif, la tension et le courant sont des ondes sinusoïdales. Ainsi, l'amplitude et la direction changent continuellement. À un instant particulier, la puissance dissipée est le produit de la tension et du courant à cet instant.

Si un circuit en courant alternatif contient des charges inductives comme des bobinages, des chowk coils, des solénoïdes, transformateurs; le courant est déphasé par rapport à la tension. Dans cette condition, la puissance réellement dissipée est inférieure au produit de la tension et du courant.

En raison des éléments non linéaires dans les circuits en courant alternatif, ils contiennent à la fois de la résistance et de la réactance. Par conséquent, dans cette condition, la différence de phase entre le courant et la tension est importante pour le calcul de la puissance.

Pour une charge purement résistive, la tension et le courant sont en phase. Mais pour une charge inductive, le courant est en retard sur la tension. Cela crée une réactance inductive.

Dans cette condition, la correction du facteur de puissance est la plus nécessaire pour réduire l'effet de l'élément inductif et améliorer le facteur de puissance afin d'augmenter l'efficacité du système.

Formule de correction du facteur de puissance

Supposons qu'une charge inductive soit connectée au système et fonctionne avec un facteur de puissance cosф1. Pour améliorer le facteur de puissance, nous devons connecter un équipement de correction du facteur de puissance en parallèle avec la charge.

Le schéma de ce montage est montré dans la figure ci-dessous.

exemple de correction du facteur de puissance

Le condensateur fournit une composante réactive avancée et réduit l'effet de la composante réactive retardée. Avant de connecter le condensateur, le courant de charge est IL.

Le condensateur prend un courant IC qui précède la tension de 90˚. Et le courant résultant du système est Ir. L'angle entre la tension V et IR est réduit par rapport à l'angle entre V et IL. Par conséquent, le facteur de puissance cosф2 est amélioré.

power factor correction phasor diagram

Diagramme phasoriel de correction du facteur de puissance

D'après le diagramme phasoriel ci-dessus, la composante retardée du système est réduite. Ainsi, pour changer le facteur de puissance de ф1 à ф2, le courant de charge est réduit de IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

La capacité du condensateur pour améliorer le facteur de puissance est ;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Circuit de correction du facteur de puissance

Les techniques de correction du facteur de puissance utilisent principalement un condensateur ou une banque de condensateurs et un condensateur synchrone. Selon l'équipement utilisé pour corriger le facteur de puissance, il existe trois méthodes ;

Banque de condensateurs
Condensateur synchrone
Avanceur de phase

Correction du facteur de puissance à l'aide d'une banque de condensateurs

Le condensateur ou la banque de condensateurs peuvent être connectés en tant que capacitance fixe ou variable. Il est connecté à un moteur à induction, à un panneau de distribution ou à l'alimentation principale.

Le condensateur à valeur fixe est connecté en permanence au système. Un condensateur à valeur variable ajuste la quantité de KVAR selon les besoins du système.

Pour la correction du facteur de puissance, une banque de condensateurs est utilisée pour se connecter à la charge. Si la charge est une charge triphasée, la banque de condensateurs peut être connectée en étoile ou en triangle.

Banque de condensateurs connectée en triangle

Le schéma ci-dessous montre une banque de condensateurs connectée en triangle avec une charge triphasée.

banque de condensateurs connectée en triangle

Banque de condensateurs connectée en triangle

Trouvons l'équation du condensateur par phase lorsqu'il est connecté en triangle. En connexion en triangle, la tension de phase (VP) et la tension de ligne (VL) sont égales.

$V_P = V_L$

La capacité par phase (C∆) est donnée par ;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Banque de condensateurs en étoile

Le schéma ci-dessous montre une banque de condensateurs en étoile avec une charge triphasée.

Banque de condensateurs en étoile

Dans la connexion en étoile, la relation entre la tension de phase (VP) et la tension de ligne (VL) est ;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

La capacité par phase (CY) est donnée par ;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

D'après les équations ci-dessus ;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Cela signifie que la capacité requise dans le raccordement en étoile est trois fois celle requise dans le raccordement en triangle. De plus, la tension de phase de fonctionnement est 1/√3 fois la tension de ligne.

Ainsi, la banque de condensateurs raccordée en triangle est une bonne conception et c'est pour cette raison qu'en connexion triphasée, la banque de condensateurs raccordée en triangle est davantage utilisée dans le réseau.

Correction du facteur de puissance à l'aide d'un condensateur synchrone

Lorsqu'un moteur synchrone est sur-excité, il prend un courant avancé et se comporte comme un condensateur. Un moteur synchrone sur-excité fonctionnant à vide est appelé condensateur synchrone.

Lorsque ce type de machine est connecté en parallèle avec l'alimentation, il prend un courant avancé et améliore le facteur de puissance du système. Le diagramme de connexion du condensateur synchrone avec l'alimentation est illustré dans la figure ci-dessous.

power factor correction using synchronous condenser

Correction du facteur de puissance à l'aide d'un condensateur synchrone

Lorsque la charge a une composante réactive, elle tire un courant retardé du système. Pour neutraliser ce courant, cet appareil est utilisé pour prendre un courant avancé.

synchronous condenser phasor diagram

Diagramme vectoriel du condensateur synchrone

Avant que le condensateur synchrone soit connecté, le courant tiré par la charge est IL et le facteur de puissance est фL.

Lorsque le condensateur synchrone est connecté, il prend un courant Im. Dans cette condition, le courant résultant est I et le facteur de puissance est фm.

D'après le diagramme vectoriel, nous pouvons comparer les deux angles de facteur de puissance (фL et фm). Et фm est inférieur à фL. Par conséquent, cosфm est supérieur à cosфL.

Ce type de méthode d'amélioration du facteur de puissance est utilisé dans les stations d'approvisionnement en gros en raison des avantages suivants.

L'intensité du courant absorbé par le moteur est modifiée en variant l'excitation du champ.
Il est facile d'éliminer les défauts qui se produisent dans le système.
La stabilité thermique du bobinage du moteur est élevée. Par conséquent, c'est un système fiable pour les courants de court-circuit.

Avanceur de phase

Le moteur à induction absorbe un courant réactif en raison du courant d'excitation. Si une autre source est utilisée pour fournir le courant d'excitation, le bobinage statorique est libéré du courant d'excitation. Ainsi, le facteur de puissance du moteur peut être amélioré.

Cette disposition peut être réalisée en utilisant un avanceur de phase. L'avanceur de phase est un simple exciteur AC monté sur le même arbre que le moteur et connecté au circuit rotor du moteur.

Il fournit un courant d'excitation au circuit rotor à la fréquence de glissement. Si vous fournissez plus de courant d'excitation que nécessaire, le moteur à induction peut fonctionner avec un facteur de puissance avancé.

L'inconvénient majeur de l'avanceur de phase est qu'il n'est pas économique pour les petits moteurs, notamment ceux de moins de 200 CV.

Correction active du facteur de puissance

La correction active du facteur de puissance offre un contrôle plus efficace du facteur de puissance. Elle est généralement utilisée dans la conception des alimentations électriques pour plus de 100W.

Ce type de circuit de correction du facteur de puissance comprend des éléments de commutation à haute fréquence tels que des diodes, des SCR (interrupteurs électroniques de puissance). Ces éléments sont actifs. C'est pourquoi cette méthode est nommée correction active du facteur de puissance.

Dans la correction passive du facteur de puissance, les éléments réactifs comme les condensateurs et les inductances utilisés dans le circuit sont non contrôlés. Le circuit de correction passive du facteur de puissance ne utilise aucun unité de commande ni éléments de commutation.

En raison des éléments de commutation à haute fréquence et de l'unité de commande utilisés dans le circuit, le coût et la complexité du circuit augmentent par rapport au circuit de correction passive du facteur de puissance.

Le schéma ci-dessous montre les éléments de base d'un circuit de correction active du facteur de puissance.

correction de facteur de puissance actif

Correction de facteur de puissance actif

Pour contrôler les paramètres du circuit, une unité de commande est utilisée dans le circuit. Elle mesure la tension et le courant d'entrée. Et elle ajuste le temps de commutation et le cycle de travail en phase avec la tension et le courant.

L'inducteur L est contrôlé par l'interrupteur à semiconducteurs Q. L'unité de commande est utilisée pour contrôler (ON et OFF) l'interrupteur à semiconducteurs Q.

Lorsque l'interrupteur est ON, le courant de l'inducteur augmente de ∆I+. La tension à travers l'inducteur inverse sa polarité et libère l'énergie accumulée via le diode D1 vers la charge.

Lorsque l'interrupteur est OFF, le courant de l'inducteur diminue de ∆I–. Le changement total pendant un cycle est ∆I = ∆I+ – ∆I–. Le temps ON et OFF de l'interrupteur est contrôlé par l'unité de commande en modifiant le cycle de travail.

En sélectionnant correctement le cycle de travail, nous pouvons obtenir la forme souhaitée du courant vers la charge.

Comment dimensionner la correction du facteur de puissance ?

Pour dimensionner la correction du facteur de puissance, nous devons calculer le besoin en puissance réactive (KVAR). Et nous connectons cette capacité au système pour répondre à la demande en puissance réactive.

Il existe deux méthodes pour trouver le besoin en KVAR.

Méthode du multiplicateur de table
Méthode de calcul

Comme son nom l'indique, dans la méthode du multiplicateur de table, nous pouvons directement trouver un multiplicateur constant dans une table. Nous pouvons directement trouver le KVAR nécessaire en multipliant la constante par la puissance d'entrée.

table multiplier method

Méthode du multiplicateur de tableau

Dans la méthode de calcul, nous devons calculer le multiplicateur comme le montre l'exemple ci-dessous.

Exemple :

Un moteur à induction de 10 kW a un facteur de puissance de 0,71 en retard. Si nous devons faire fonctionner ce moteur avec un facteur de puissance de 0,92, quelle sera la taille du condensateur ?

Puissance d'entrée = 10 kW
Facteur de puissance réel (cos φA) = 0,71
Facteur de puissance requis (cos φR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR requis = Puissance d'entrée x Constante de multiplication

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Par conséquent, une puissance réactive de 5,658 kVAR est nécessaire pour améliorer le facteur de puissance de 0,71 à 0,92. Et le condensateur connecté au système a une capacité de 5,658 kVAR.

Applications de la correction du facteur de puissance

Dans un réseau de distribution d'énergie, le facteur de puissance joue un rôle crucial dans la qualité et la gestion du système. Il détermine l'efficacité de l'alimentation en énergie.

Sans correction du facteur de puissance, la charge tire un courant de grande intensité de la source. Cela augmente les pertes et le coût de l'énergie électrique. Les équipements de correction du facteur de puissance (PFC) tentent de rendre les formes d'onde de courant et de tension en phase. Cela augmentera l'efficacité du système.
Dans le réseau de transport, un facteur de puissance élevé est nécessaire. Grâce à un facteur de puissance élevé, les pertes de la ligne de transport sont réduites et la régulation de la tension s'améliore.
Le moteur à induction est un équipement largement utilisé dans l'industrie. Pour éviter le surchauffage et améliorer l'efficacité du moteur, des condensateurs sont utilisés pour atténuer l'effet de la puissance réactive.
Les équipements de PFC réduisent la génération de chaleur dans les câbles, les appareillages, les alternateurs, les transformateurs, etc.
En raison de l'efficacité élevée du réseau, nous avons besoin de produire moins d'énergie, ce qui réduit les émissions de carbone dans l'atmosphère.
La chute de tension est considérablement réduite par l'utilisation d'équipements de PFC avec le système.

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Thèmes:

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