Correction du facteur de puissance du moteur à induction
La plupart des directeurs d’usine et le personnel de maintenance savent que les moteurs à induction peuvent provoquer un facteur de faible puissance (PF) et entraîner de lourds frais supplémentaires sur les factures d’électricité, même s’ils n'en connaissent pas la raison. Cette situation s’explique simplement par le fait que le facteur de faible puissance réduit la capacité de production de l’installation (ou le système électrique industriel), gaspille de l’énergie et augmente les coûts de maintenance à cause du chauffage excessif de l’équipement. Ce qui suit est une description plus détaillée de ce qu’est le faible facteur de puissance et plus important encore, de la façon de le corriger.
Consommation électrique dans les circuits c.a.
Avant de continuer, il serait plus utile d'étudier la façon dont la puissance est utilisée dans les circuits c.a. (voir la Figure 1). La puissance réelle ou puissance d’entrée (P) mesurée en kilowatts (kW) est la quantité de puissance qui effectue le vrai travail. Si le circuit possède des charges inductives telles que les moteurs, la puissance requise pour les courants d’excitation ou magnétisants est appelée puissance réactive (Q) et elle se mesure en kilovolt-ampère réactif. L’association entre la puissance réelle et la puissance réactive utile au système est la puissance apparente (S). Mesurée en kilovolt-ampères (kVA), la puissance apparente est proportionnelle au produit de la tension et du courant total.
L’ensemble du courant total ne contribue pas à la puissance réelle qui fait le travail, mais les exploitants de puissance industrielle et des services publics doivent néanmoins évaluer l’équipement de production, de transmission et de distribution pour qu’il corresponde aux exigences de la puissance apparente du système.
Facteur de puissance
Le facteur de puissance dans un circuit c.a. est le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente.
À mesure que la puissance réactive tirée du réseau baisse, la puissance apparente décroît également et se rapproche de la puissance réelle. Un circuit a.c. purement résistif aura un facteur de puissance parfait de 1.0 avec une puissance réactive de zéro. Par contre, un circuit a.c. entièrement inductif peut en théorie avoir un facteur de puissance très bas ou égal à zéro, si la puissance réelle se rapproche ou est égale à zéro. Certes, de nombreux circuits industriels possèdent des composants résistifs et inductifs, mais il faut plus de courant pour fournir la quantité requise de puissance réelle à une usine qui possède un facteur de puissance faible dû aux moteurs à induction.
Pour les exploitants de services publics et de puissance industrielle, cela revient à produire de l'électricité supplémentaire pour compenser ce qui est gaspillée ou perdue en chaleur. Pour les clients industriels, cela se traduit par des frais supplémentaires sur la facture d’électricité et/ou des problèmes de qualité d’énergie sur les systèmes de distribution de l’usine. Si le facteur de puissance est assez faible, un câblage, des interrupteurs, disjoncteurs et transformateurs de capacité plus élevée peuvent s’avérer nécessaires pour gérer le courant supplémentaire.
Méthodes courantes pour améliorer le facteur de puissance
Le facteur de puissance est généralement amélioré par l’utilisation de moteurs synchrones ou de condensateurs de correction du facteur de puissance (PFCC). Dans chaque cas, la puissance réactive est fournie localement pour réduire la demande en puissance apparente, qu'il s'agisse de réduire les frais supplémentaires de service ou dans le cas d’exploitants de puissance industrielle, de créer une capacité supplémentaire. La méthode la plus simple et la plus rentable de correction des installations existantes consiste à ajouter des PFCC au système de distribution, en prêtant une attention particulière aux caractéristiques du condensateur et aux emplacements.
Emplacement du condensateur : La Figure 2 affiche trois emplacements possibles pour l’installation des PFCC. Dans l’emplacement 1, les condensateurs restent sous tension tout le temps. Si la charge inductive appropriée est présente, de graves pointes de courant (résonance) peuvent se produire, entraînant une tension élevée sur le bus. L’emplacement 1 est recommandé, cependant, dans les cas spéciaux où des mouvements saccadés ou des commutations régulières peuvent se produire, tels que les moteurs d’ascenseur, les moteurs à plusieurs vitesses, le démarrage par autotransformateur à coupure, le démarrage en triangle-étoile et le démarrage sur fraction d'enroulement (à l’exception du triangle étendu ou du double triangle).
L’avantage avec les emplacements 2 et 3 est que les PFCC sont déconnectés lorsque le moteur est hors ligne. Lorsque vous utilisez l’emplacement 3 cependant, il est important de réduire la taille des dispositifs de surcharge, vu que le condensateur réduit le courant du circuit qui passe à travers eux. Pour cette raison, l’emplacement 2 est recommandée pour la plupart des situations.
Dimensionnement du condensateur : Lors du dimensionnement des condensateurs, sélectionnez des valeurs qui réduisent le risque de tension excessive, ainsi que les courants et couples transitoires. Une fois les condensateurs installés (voir la Figure 3), la puissance réactive (Q1) requise du bus est la différence entre la demande de puissance réactive du moteur (Q3) et la puissance réactive fournie par les condensateurs (Q2). Pour équilibrer la performance par rapport aux risques associés à la surexcitation, il est généralement souhaitable d'augmenter le facteur de puissance à 0,90 ou 0,95.
Par exemple, prenez un moteur à induction à 4 pôles triphasé, de 250 HP, 460 V, 277 A avec un rendement (eff) de 96,2% et un facteur de puissance de 0,88. Pour déterminer la puissance du condensateur nécessaire pour augmenter le facteur de puissance à 0,95, calculez d’abord la puissance réelle ou d’entrée :
Ensuite, vu que le facteur de puissance existant est de 0,88 = cos (φ1) et que le nouveau facteur de puissance est de 0,95 = cos (φ2), nous avons trouvé φ1 = 28,36 deg et φ2 = 18,19 deg. La puissance du condensateur de correction sera égale à la quantité de puissance réactive produite localement (Q2) et nécessaire pour augmenter le facteur e puissance à 0,95 :
Pour tout angle de phase φ1, la valeur de la tangente (φ1) est le rapport entre la puissance réactive et la puissance réelle (kvar/kW). Multipliant ainsi P par le rapport Q/P au-dessus des feuilles Q (la puissance réactive). Pour des raisons de commodité, certaines valeurs de la [tangente (φ1) – tan (φ2)] sont fournies dans le Tableau 1. Sélectionnez la puissance standard la plus proche de la valeur calculée.
Effet de l’amélioration du facteur de puissance
Pour déterminer l’effet de l’amélioration du facteur de puissance, calculez le courant total (I) requis du système avant et après la correction :
Pour l’exemple susmentionné, le courant est réduit de 21 A, ou de 7,6%. Il est important de noter que le facteur de puissance varie avec la charge, par conséquent, ces valeurs ne sont valides que pour le chargement utilisé pour effectuer les calculs.
Lorsque vous voulez effectuer la correction du facteur de puissance, il vaut mieux consulter le fabricant du moteur ou une entreprise expérimentée dans ce type de modification. Ainsi, vous vous assurez que l’application est appropriée, les condensateurs sont correctement dimensionnés et l’emplacement optimal de l’installation est choisi.
Mike Howell est un spécialiste de l’assistance technique chez Electrical Apparatus Service Association Inc. (EASA). EASA est une association professionnelle internationale de plus de 1900 entreprises réparties dans 62 pays qui vend et assure l’entretien d’appareils électriques, électroniques et mécaniques.