Qu'est-ce que le facteur de puissance ?
En génie électrique, le facteur de puissance (FP) d'un système de puissance électrique à courant alternatif est défini comme le rapport entre la puissance active (mesurée en kilowatts, kW) absorbée par la charge et la puissance apparente (mesurée en kilovoltampères, kVA) circulant dans le circuit. Le facteur de puissance est un nombre sans dimension compris dans l'intervalle fermé de -1 à 1.
Le "facteur de puissance idéal" est un (aussi appelé "unité"). Cela signifie qu'il n'y a pas de puissance réactive dans le circuit, et donc que la puissance apparente (kVA) est égale à la puissance active (kW). Une charge avec un facteur de puissance de 1 est la charge la plus efficace pour l'alimentation.
Cela dit, cela n'est pas réaliste, et le facteur de puissance sera en pratique inférieur à 1. Diverses techniques de correction du facteur de puissance sont utilisées pour aider à augmenter le facteur de puissance à cet état idéal.
Pour mieux expliquer cela, reculons un peu et parlons de ce qu'est la puissance.
La puissance est la capacité de faire du travail. Dans le domaine électrique, la puissance électrique est la quantité d'énergie électrique qui peut être transférée sous une autre forme (chaleur, lumière, etc.) par unité de temps.
Mathématiquement, le facteur de puissance est le produit de la chute de tension sur l'élément et du courant qui y circule.
Considérons d'abord les circuits à courant continu, ayant uniquement des sources de tension continue, les inductances et les condensateurs se comportent respectivement comme des courts-circuits et des ouverts en régime permanent.
Ainsi, l'ensemble du circuit se comporte comme un circuit résistif et toute la puissance électrique est dissipée sous forme de chaleur. Ici, la tension et le courant sont en phase et la puissance électrique totale est donnée par :
Passons maintenant au circuit à courant alternatif, où l'inductance et le condensateur offrent une certaine impédance donnée par :
L'inductance stocke l'énergie électrique sous forme d'énergie magnétique et le condensateur stocke l'énergie électrique sous forme d'énergie électrostatique. Aucun d'eux ne la dissipe. De plus, il existe un déphasage entre la tension et le courant.
Par conséquent, lorsque nous considérons l'ensemble du circuit composé d'une résistance, d'une inductance et d'un condensateur, il existe une certaine différence de phase entre la tension source et le courant.
Le cosinus de cette différence de phase est appelé le facteur de puissance électrique. Ce facteur (-1 < cosφ < 1) représente la fraction de la puissance totale qui est utilisée pour effectuer le travail utile.
L'autre fraction de la puissance électrique est stockée sous forme d'énergie magnétique ou d'énergie électrostatique dans l'inductance et le condensateur respectivement.
La puissance totale dans ce cas est :
Ceci est appelé puissance apparente et son unité est VA (Volt-Amp) et est notée par 'S'. La fraction de cette puissance électrique totale qui fait notre travail utile est appelée puissance active. Nous la notons 'P'.
P = Puissance active = Puissance électrique totale.cosφ et son unité est le watt.
L'autre fraction de la puissance est appelée puissance réactive. La puissance réactive ne fait pas de travail utile, mais elle est nécessaire pour que le travail actif soit effectué. Nous la notons par 'Q' et mathématiquement, elle est donnée par :
Q = Puissance réactive = Puissance électrique totale.sinφ et son unité est VAR (Volt-Amp Réactif). Cette puissance réactive oscille entre la source et la charge. Pour mieux comprendre, toutes ces puissances sont représentées sous forme de triangle.
Mathématiquement, S2 = P2 + Q2, et le facteur de puissance électrique est la puissance active / puissance apparente.
Le terme de facteur de puissance intervient uniquement dans les circuits à courant alternatif. Mathématiquement, c'est le cosinus de la différence de phase entre la tension source et le courant. Il fait référence à la fraction de la puissance totale (puissance apparente) qui est utilisée pour effectuer le travail utile appelé puissance active.
Nécessité de l'amélioration du facteur de puissance
La puissance réelle est donnée par P = VIcosφ. Le courant électrique est inversement proportionnel à cosφ pour transférer une certaine quantité de puissance à une tension donnée. Ainsi, plus le facteur de puissance est élevé, moins le courant qui circule sera important. Un faible courant nécessite une section transversale de conducteurs moindre, ce qui économise des conducteurs et de l'argent.
D'après la relation précédente, on voit qu'un mauvais facteur de puissance augmente le courant qui circule dans un conducteur, ce qui augmente les pertes de cuivre. Un fort dénivelé de tension se produit dans l'alternateur, le transformateur électrique, et les lignes de transport et de distribution, ce qui donne une très mauvaise régulation de la tension.
La puissance apparente des machines est également réduite par un facteur de puissance plus élevé, selon la formule :
Ainsi, la taille et le coût de la machine sont également réduits.
C'est pourquoi le facteur de puissance électrique doit être maintenu proche de l'unité – cela est significativement moins coûteux.
Il existe trois principales façons d'améliorer le facteur de puissance :
Bancs de condensateurs
Condenseurs synchrones
Phaseurs avanceurs
L'amélioration du facteur de puissance signifie réduire la différence de phase entre la tension et le courant. Comme la majorité des charges sont de nature inductive, elles nécessitent une certaine quantité de puissance réactive pour fonctionner.
Un condensateur ou un banc de condensateurs installés en parallèle avec la charge fournissent cette puissance réactive. Ils agissent comme une source locale de puissance réactive, et ainsi, moins de puissance réactive circule dans la ligne.
Les bancs de condensateurs réduisent la différence de phase entre la tension et le courant.
Les condenseurs synchrones sont des moteurs synchrone triphasés sans charge attachée à leur arbre.
Le moteur synchrone a la particularité de pouvoir fonctionner avec n'importe quel facteur de puissance, avancé, retardé ou unitaire, en fonction de l'excitation. Pour les charges inductives, un condenseur synchrone est connecté du côté de la charge et est surexcité.
Les condenseurs synchrones le font se comporter comme un condensateur. Il absorbe le courant retardé de l'alimentation ou fournit la puissance réactive.
C'est un exciteur à courant alternatif principalement utilisé pour améliorer le FP d'un moteur asynchrone.
