Banque de condensateurs : Définition, utilisations et avantages
Une banque de condensateurs est un groupe de plusieurs condensateurs de la même capacité qui sont connectés en série ou en parallèle pour stocker de l'énergie électrique dans un système d'alimentation électrique. Les condensateurs sont des dispositifs capables de stocker une charge électrique en créant un champ électrique entre deux plaques métalliques séparées par un matériau isolant. Les banques de condensateurs sont utilisées à diverses fins, telles que la correction du facteur de puissance, la régulation de la tension, le filtrage harmonique et la suppression des transitoires.
Qu'est-ce que le facteur de puissance?
Le facteur de puissance est une mesure de l'efficacité avec laquelle un système d'alimentation CA (courant alternatif) utilise la puissance fournie. Il est défini comme le rapport de la puissance active (P) à la puissance apparente (S), où la puissance active est la puissance qui effectue un travail utile dans la charge, et la puissance apparente est le produit de la tension (V) et du courant (I) dans le circuit. Le facteur de puissance peut également être exprimé comme le cosinus de l'angle (θ) entre la tension et le courant.
Facteur de puissance = P/S = VI cos θ
Le facteur de puissance idéal est 1, ce qui signifie que toute la puissance fournie est convertie en travail utile, et qu'il n'y a pas de puissance réactive (Q) dans le circuit. La puissance réactive est la puissance qui circule à l'aller-retour entre la source et la charge en raison de la présence d'éléments inductifs ou capacitifs, tels que les moteurs, les transformateurs, les condensateurs, etc. La puissance réactive ne réalise aucun travail, mais elle cause des pertes supplémentaires et réduit l'efficacité du système.
Puissance réactive = Q = VI sin θ
Le facteur de puissance d'un système peut varier de 0 à 1, selon le type et la quantité de charge connectée. Un faible facteur de puissance indique une forte demande de puissance réactive et une mauvaise utilisation de la puissance fournie. Un fort facteur de puissance indique une faible demande de puissance réactive et une meilleure utilisation de la puissance fournie.
Pourquoi la correction du facteur de puissance est-elle importante?
La correction du facteur de puissance est le processus d'amélioration du facteur de puissance d'un système en ajoutant ou en retirant des sources de puissance réactive, telles que des banques de condensateurs ou des condensateurs synchrones. La correction du facteur de puissance présente plusieurs avantages pour la société de distribution et le consommateur, tels que:
Réduction des pertes de ligne et amélioration de l'efficacité du système: Un faible facteur de puissance signifie un fort débit de courant dans le système, ce qui augmente les pertes résistives (I2R) et réduit le niveau de tension au point de charge. En augmentant le facteur de puissance, le débit de courant est réduit, et les pertes sont minimisées, ce qui entraîne un niveau de tension plus élevé et une meilleure performance du système.
Augmentation de la capacité et de la fiabilité du système: Un faible facteur de puissance signifie une forte demande de puissance apparente de la source, ce qui limite la quantité de puissance active qui peut être fournie à la charge. En augmentant le facteur de puissance, la demande de puissance apparente est réduite, et plus de puissance active peut être fournie à la charge, ce qui entraîne une capacité et une fiabilité du système supérieures.
Réduction des frais et pénalités de la société de distribution: De nombreuses sociétés de distribution facturent des frais supplémentaires ou imposent des pénalités aux consommateurs ayant un faible facteur de puissance, car ils causent une charge plus importante sur le réseau de transport et de distribution et augmentent leurs coûts opérationnels. En augmentant le facteur de puissance, ces frais ou pénalités peuvent être évités ou réduits, ce qui entraîne des factures d'électricité plus basses pour les consommateurs.
Comment fonctionne une banque de condensateurs?
Une banque de condensateurs fonctionne en fournissant ou absorbant de la puissance réactive au système, selon son mode de connexion et sa localisation. Il existe deux types principaux de banques de condensateurs: les banques de condensateurs en dérivation et les banques de condensateurs en série.
Banques de condensateurs en dérivation
Les banques de condensateurs en dérivation sont connectées en parallèle avec la charge ou à des points spécifiques du système, tels que les postes de transformation ou les alimentations. Elles fournissent une puissance réactive avancée (Q positive) pour annuler ou réduire la puissance réactive retardée (Q négative) causée par les charges inductives, telles que les moteurs, les transformateurs, etc. Cela améliore le facteur de puissance du système et réduit les pertes de ligne.
Les banques de condensateurs en dérivation présentent plusieurs avantages par rapport à d'autres types de dispositifs de compensation de puissance réactive, tels que:
Elles sont relativement simples, bon marché et faciles à installer et à entretenir.
Elles peuvent être mises sous tension ou hors tension en fonction de la variation de la charge ou des exigences du système.
Elles peuvent être divisées en unités ou étapes plus petites pour offrir plus de flexibilité et de précision dans le contrôle de la puissance réactive.
Elles peuvent améliorer la stabilité et la qualité de la tension au point de charge en fournissant un soutien réactif local.
Cependant, les banques de condensateurs en dérivation ont également certains inconvénients ou limitations, tels que:
Elles peuvent causer des problèmes de surtension ou de résonance si elles ne sont pas correctement conçues ou coordonnées avec d'autres dispositifs dans le système.
Elles peuvent introduire des harmoniques ou des distorsions dans le système si elles ne sont pas correctement filtrées ou protégées.
Elles peuvent ne pas être efficaces pour les lignes de transmission longues ou les charges distribuées.
Banques de condensateurs en série
Les banques de condensateurs en série sont connectées en série avec la charge ou la ligne de transmission, réduisant l'impédance effective du circuit. Elles fournissent une puissance réactive retardée (Q négative) pour annuler ou réduire la puissance réactive avancée (Q positive) causée par les charges capacitifs, telles que les câbles longs, les lignes de transmission, etc. Cela améliore la régulation et la stabilité de la tension du système.
Les banques de condensateurs en série présentent certains avantages par rapport aux banques de condensateurs en dérivation, tels que:
Elles peuvent augmenter la capacité de transfert de puissance et l'efficacité des lignes de transmission longues en réduisant les pertes de ligne et le chute de tension.
Elles peuvent réduire le courant de court-circuit et le niveau de défaut du système en augmentant l'impédance du chemin de défaut.
Elles peuvent améliorer la réponse transitoire et l'amortissement du système en réduisant la fréquence naturelle et les oscillations.
Cependant, les banques de condensateurs en série ont également certains inconvénients ou limitations, tels que:
Elles peuvent causer des problèmes de surtension ou de résonance si elles ne sont pas correctement conçues ou protégées. Par exemple, lors d'une condition de défaut, la tension à travers le condensateur peut monter jusqu'à 15 fois sa valeur nominale, ce qui peut endommager le condensateur ou d'autres équipements dans le système.
Elles peuvent introduire des harmoniques ou des distorsions dans le système si elles ne sont pas correctement filtrées ou compensées.
Elles peuvent ne pas être efficaces pour les tensions basses ou les charges distribuées.
Comment calculer la taille d'une banque de condensateurs?
La taille d'une banque de condensateurs dépend de plusieurs facteurs, tels que:
L'amélioration souhaitée du facteur de puissance ou la compensation de la puissance réactive
Le niveau de tension et la fréquence du système
Le type et l'emplacement de la banque de condensateurs (en dérivation ou en série)
Les caractéristiques et la variation de la charge
Le coût et la disponibilité des unités de condensateurs
