Facteur de puissance

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Le facteur de puissance est une caractéristique d'un récepteur électrique.

Pour un dipôle électrique alimenté en régime de courant variable au cours du temps (sinusoïdal ou non), il est égal à la puissance active consommée par ce dipôle, divisée par le produit des valeurs efficaces du courant et de la tension (puissance apparente). Il est toujours compris entre 1 et 0.

\lambda = \frac{P}{UI} = \frac PS

En particulier, si le courant et la tension sont des fonctions sinusoïdales du temps, le facteur de puissance est égal au cosinus du déphasage entre le courant et la tension.

\lambda = \cos \varphi

Le facteur de puissance est un paramètre qui rend compte de l'efficacité qu'a un dipôle pour consommer de la puissance lorsqu'il est traversé par un courant. Une comparaison mécanique possible serait le facteur d'embrayage d'une boîte de vitesses :

  • lorsque la pédale d'embrayage est enfoncée, le moteur tourne (le courant circule) mais ne transmet aucune puissance au véhicule ; le facteur de puissance est nul
  • lorsque la pédale d'embrayage est relevée, le moteur tourne et toute sa quantité de mouvement est transmise au véhicule pour produire de la puissance motrice ; le facteur de puissance est unitaire
  • lorsque l'on fait patiner l'embrayage, on est dans une situation intermédiaire, cela correspond au cas où le facteur de puissance est compris entre 0 et 1

Importance du facteur de puissance pour le distributeur[modifier | modifier le code]

Les distributeurs d'électricité facturent généralement la puissance active consommée sur la base de la mesure réalisée au point de fourniture, alors que les pertes dans les lignes sont facturées globalement. Or celles-ci dépendent de l'intensité apparente appelée par les consommateurs (pertes par effet Joule). Si le facteur de puissance d'une installation est faible, l'intensité appelée est grande mais la puissance consommée est faible. C'est pourquoi, pour les gros consommateurs (installations raccordées à la haute tension), la facturation ne tient pas uniquement compte de la puissance active consommée. En France, cette facturation est très complexe. Elle est réglementée par le ministère de l'industrie : JO n° 170 du 23 juillet 2002, pages 12600 et suivantes. Elle ne concerne actuellement que les clients raccordés à la haute tension, les mois d'hiver et au cours des heures pleines.

Exemple : Soit un dipôle purement réactif (un condensateur par exemple) traversé par un courant d'intensité 1 A sous 230 volts. Ce dipôle introduisant un déphasage de \pi/2 entre la tension et le courant, le facteur de puissance \cos(\pi/2) est nul. La puissance active, facturée par le distributeur, est donc nulle. Pourtant, la puissance apparente vaut 230 VA et il passe réellement 1A dans la ligne, ce qui implique des pertes par effet joule et oblige le distributeur à dimensionner son matériel (transformateurs, lignes,...) en conséquence.

Pour le consommateur, la puissance réactive ainsi "consommée" n'est en fait qu'un échange de charges électriques entre le générateur et le dipôle, de puissance moyenne nulle sur la période.

Facteur de puissance en régime sinusoïdal de courant[modifier | modifier le code]

Effets du facteur de puissance[modifier | modifier le code]

Courbes représentant l'évolution dans le temps de la tension V(t), du courant I(t) et de la puissance P(t) en fonction du temps ainsi que la valeur moyenne de la puissance. Courbe du haut : facteur de puissance = 1 ; courbe du milieu : 0,7 ; courbe du bas : 0,2.

Le schéma ci-contre représente la puissance instantanée (produit de la tension et du courant instantanés) consommée par un dipôle soumis à une tension de 230 V et traversé par un courant de 18 A dans trois cas :

  • le facteur de puissance est égal à 1 (valeur maximale) : la tension et le courant sont en phase (ils sont nuls aux mêmes instants), la puissance instantanée est toujours positive et la puissance moyenne est maximale ;
  • le facteur de puissance est égal à 0,7 (valeur intermédiaire) : le courant suit toujours une courbe périodique, mais elle est « en retard » comparativement à la courbe de la tension. La puissance prend par moment des valeurs négatives, le dipôle refoule périodiquement de l’énergie sur le réseau ;
  • le facteur de puissance est égal à 0,2 (valeur faible) : le courant est le même, la puissance instantanée fluctue avec la même amplitude, mais elle est fortement décalée vers le bas par rapport aux courbes précédentes. La puissance moyenne est faible : 20 % de la puissance mise en jeu lorsque le facteur de puissance est unitaire.

La figure visualise la situation d'un dipôle inductif tel une bobine : le courant est en retard sur la tension. La puissance périodiquement restituée provient de l'énergie magnétique stockée.

Une situation « symétrique » se produit avec un dipôle capacitif : dans ce cas, le courant est en avance sur la tension. La puissance périodiquement restituée provient de l'énergie de la charge électrique stockée.

Les effets de dipôles plus complexes (par exemple un grand nombre de télévisions) peuvent modifier la tension nominale du réseau d'alimentation, engendrer des perturbations de l'onde sinusoïdale et produire des courants harmoniques susceptibles de perturber le bon fonctionnements d'autres appareils. Le gestionnaire du réseau de distribution s'engage à maintenir un taux de distorsion harmonique acceptable, quitte à imposer des contraintes à certains clients qui les génèrent.

Les pertes des lignes électriques sont égales à [1] :

P_{pertes}=\frac{lP^2}{\kappa AU^2\cos^2(\phi)}

Où l est la longueur de la ligne, P la puissance active transportée, \kappa la conductivité du conducteur, U la tension entre phases et A la section du fil. Le maintien d'un facteur de puissance eleve est donc intéressant au niveau des pertes.

Amélioration du facteur de puissance[modifier | modifier le code]

Illustration de la compensation électriques sur une lignes haute tension

En triphasé, on utilise les définitions des puissances suivantes pour intermédiaires de calculs :

  • La puissance apparente :  S = U \cdot I \cdot \sqrt3,
  • La puissance réactive :  Q = U \cdot I \cdot \sqrt3 \cdot \sin \varphi ,
  • La puissance active :  P = U \cdot I \cdot \sqrt3 \cdot \cos \varphi , d'où  Q = \tan \varphi \cdot P

En France, pour les industriels alimentés en haute tension, la partie de puissance réactive totale  Q_T est gratuite à concurrence de  0,4 P_T . L'excédent est facturé pendant les heures pleines des mois d'hiver (Décret n° 2002-1014 du 19 juillet 2002[2]). Il est toujours judicieux de modifier l'impédance de sa charge afin de minimiser sa puissance réactive.

Les facteurs de puissance dégradés d’un grand nombre de points de consommation sont compensés de diverses manières :

Utilisation de batterie de condensateurs[modifier | modifier le code]

À l'aide de la méthode de Boucherot, on détermine la valeur minimale de  Q_C , puissance réactive toujours négative des condensateurs, de manière à ce que

 Q_T + Q_C = 0,4 \cdot P_T (L'industrie utilisant majoritairement des machines inductives,  Q_T est positive)

On en déduit ensuite la valeur minimale des capacités à ajouter au circuit pour respecter le cahier des charges prévu.

Ces batteries de condensateurs sont parfois agencées en filtre anti-harmonique.

Utilisation de compensateurs synchrones[modifier | modifier le code]

Certaines entreprises utilisent des génératrices synchrones pour produire des courants en avance sur la tension afin de compenser le retard des courants consommés par les moteurs électriques.

Utilisation de FACTS[modifier | modifier le code]

Les systèmes FACTS sont des équipements à base d'électronique de puissance qui ont pour vocation d'améliorer la qualité de l'énergie électrique. Parmi eux, certains comme les SVC permettent à la fois une régulation de la tension et une amélioration du facteur de puissance.

Facteur de puissance et facteur de qualité[modifier | modifier le code]

En électronique, on définit un facteur de qualité pour les dipôles oscillants qui est d'autant plus grand que le facteur de puissance est faible. La raison en est que la perspective n'est pas la même en électronique et en électrotechnique.

  • Pour l'électrotechnicien, le but est d'utiliser l'énergie électrique en la convertissant en chaleur, en lumière ou en énergie mécanique.
  • En électronique, lorsque l'on cherche à obtenir des oscillations, la transformation d'énergie en chaleur est perçue comme une perte et non comme une efficacité.

Facteur de puissance en régime non-sinusoïdal de courant[modifier | modifier le code]

Dans le cas où le courant absorbé n'est pas sinusoïdal, le problème est plus complexe : même si le courant est en phase avec la tension (le facteur de déplacement est nul), la puissance n'est pas égale au produit des valeurs efficaces

Deux méthodes d'études sont généralement utilisées :

  • Le théorème de Boucherot généralisé
  • Le taux d'harmonique

Définitions[modifier | modifier le code]

Le calcul de la puissance active donne comme résultat :

 P = U \cdot I_1 \cdot \cos \varphi_1

D'autre part la puissance apparente  S  peut s'écrire :

 S =\sqrt { P^2 + Q^2 +D^2}

Avec les définitions des intermédiaires de calcul suivants :

  • La puissance réactive :  Q = U \cdot I_1 \cdot \sin \varphi_1
  • La puissance déformante :  D telle que  D^2 = U^2 (I_2^2 + I_3^2 + ... + I_n^2 ) = U^2 \cdot I_h^2

et :

  • I_1   : la valeur efficace du fondamental du courant
  • I_h   : la valeur efficace de l'ensemble des harmoniques de rang supérieur à 1 du courant
  • \varphi_1  : la valeur du déphasage de l'harmonique i_1(t)  par rapport à la tension.
  •  \cos \varphi_1  : facteur de déplacement

Détail des calculs on a :  S^2 =U^2 \cdot I^2

avec :

 U^2 =U_1^2
 I^2 =I_1^2 +I_2^2 + ... I_n^2 + ...

d'où :

 S^2 = U^2 \cdot I_1^2 + U^2 \cdot  I_2^2+ ... + U^2 \cdot  I_n^2+ ...
 S^2 = (U\cdot I_1 \cos \varphi_1)^2 + (U\cdot I_1 \sin \varphi_1)^2 + U^2 \cdot  I_2^2+ ... + U^2 \cdot  I_n^2+ ...
 S^2 = P^2 + Q^2 + U^2 \cdot ( I_2^2+ ... +   I_n^2+ ...)
 S^2 = P^2 + Q^2 + U^2 \cdot I_h^2

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Hoffman, Schlabbach et Just 2012, p. 24
  2. Décret n° 2002-1014 du 19 juillet 2002 fixant les tarifs d'utilisation des réseaux publics de transport et de distribution d'électricité en application de l'article 4 de la loi n° 2000-108 du 10 février 2000 relative à la modernisation et au développement du service public de l'électricité

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Wolfgang Hoffman, Jürgen Schlabbach et Wolfgang Just, Reactive power compensation : a practical guide, Chichester, Wiley,‎ 2012 (ISBN 978-0-470-97718-7, lire en ligne)

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]