Améliorer le facteur de puissance d’une installation...

Merlin Gerin Square D Telemecanique

CE QUIL FAUT RETENIRLa proccupation conomiquedirectement lie aux rglestarifaires locales pousse investirdans lamlioration du facteur de puissance dune installationlectrique.

Lutilisation de condensateurs sur un rseau en prsencedharmoniques peut avoir un effet amplificateur. Il est ncessaire dajouter la batterie de compensation les lments de filtrage.

Lappel un spcialiste estncessaire pour dterminer une batterie de compensation.

Amliorer le facteur de puissancedune installation lectrique

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RAPPELS LE CONDENSATEUR EN TENSION CONTINUEUn condensateur peut tre symbolis par une lame isolante entre deux plaques(armatures) conductrices.

Si une tension continue est applique entre les bornes, les armatures se chargent dune quantit dlectricit Q.De lnergie W est stocke et un champ lectrique E stablit dans le dilectrique.Lorsque le condensateur est charg, le courant sinterrompt (sauf un trsfaible courant de fuite).

E = -V/e Q = C VW = V Q = C V2C = S/e = 0 rC : capacit du condensateur en Farad (F) = permittivit dilectrique en F/mr = permittivit relative du matriau isolant0 = 8,85 10-12 F/mLunit de capacit dans le systme MKSA est le Farad.Comme cest une grande valeur, ce sont les sous-multiples qui sontusuellement utiliss (microfarad).

LE CONDENSATEUR EN ALTERNATIF

Lnergie est stocke et dstocke 100 ou 120 fois par seconde suivant la frquence du rseau. Un courant circule, il nest plus transitoire maispriodique. Il correspond la charge et la dcharge du condensateur.

v = V0 sin ti = dQ/dt et Q = C Vi = C dV/dt = C V0 cos t

En valeur efficaceI = C V

i est en avance de 1/4 de priode sur v

Amliorer le facteur de puissance dune installation lectrique

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+ -

V=

+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -

E

e

I

I

V

t

V

2 = -

t

Courant en quadrature avance I = C V

est le dphasage de la tension par rapport au courant

RAPPELS (suite) LINDUCTANCE (SELF-INDUCTANCE) EN CONTINULe passage du courant dans une spire cre une induction magntique Ben Tesla (T).

La bobine stocke de lnergie magntique.

La variation de B cre une f.c.e.m. qui soppose au passage du courant.

La tension aux bornes de la self est : v = L di/dt

L = inductance de la bobine en Henry (H).

LINDUCTANCE (SELF-INDUCTANCE) EN ALTERNATIF

Linduction magntique B est alternative. i = I0 sin t v = L di/dt = L I0 cos t

En valeur efficaceV = L I

v est en avance de 1/4 de priode sur i


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+ -

V

I

B

=

I

IV

t

V

2 = +

t

C

LR

Z

Courant en quadrature retard V = L I

LIMPDANCE

z = R + jX avec jX = jL + (- j 1/C)X = L - 1/C

quivalent

DPHASAGE DU COURANT PAR RAPPORT LA TENSION


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RAPPELS (suite)

I RI

UjXI

P

SQ

u = Z i

dphasage du courant par rapport la tensiontg = X/R

u(t) = Uo sin t i(t) = Uo/IZIsin (t - j)

LA PUISSANCE APPARENTE

Cest le produit de la tension par le courant.

en monophas S = UIen triphas S = 3 UI exprime en kVA

LA PUISSANCE ACTIVE

Cest le produit de la tension par le courant, du courant et du cos

en monophas P = UI cos en triphas P = 3 UI cos exprime en kW

La puissance active se transforme en puissance mcanique et thermique.

Remarque : la puissance dun moteur exprime la puissance mcaniquedisponible sur larbre.La puissance active tient compte du rendement du moteur :P = Pm/

RAPPELS (suite) LA PUISSANCE RACTIVECest le produit de la tension, du courant et du sin

en monophas Q = UI sin en triphas Q = 3 UI sin exprime en kVAR

La puissance ractive se transforme en puissance de magntisation.

La consommation dnergie ractive se mesure par la valeur de :tg = puissance ractive/puissance active = Q(kVAR)/P(kW)

En comptage MT, tg = Q/P ; en comptage BT, il convient de rajouter les pertesdu transformateur (en gnral, la valeur retenue est tg = tg + 0,09).

CIRCULATION DE LNERGIE DANS LES RSEAUX


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Pertesessentiellement joule

Energie ractive

Gnration

Utilisateur

Rseaux de distributionpublics et privs

R

G

Energie active

Trois grandes fonctions interviennent dans les rseaux lectriques : la gnration, le transport et la distribution, lutilisation.

Lnergie active est produite par les gnrateurs, transporte et distribueaux utilisateurs qui lutilisent, soit sous forme dnergie mcanique (moteur),soit sous forme thermique (chauffage), soit sous forme chimique (lectrolyse).

Le courant produit des chauffements dans les lignes et les quipements :ce sont les pertes Joule.

Lnergie ractive, elle, est change en permanence dans les rseauxentre les gnrateurs de puissance ractive (condensateurs, compensateursynchrone, alternateurs sous certaines conditions) et les quipements ayantdes circuits magntiques.

Lnergie ractive schange, ce nest pas une perte ; mais elle peutprovoquer des pertes !

c accroissement des chutes de tensionc augmentation des pertes Joule (le courant transport est plus lev) c et surtout des pertes financires suivant les tarifications en vigueur dansles pays.

LA COMPENSATION POURQUOI COMPENSER ?Si nous stylisons notre installation lectrique, nous notons les changesdnergie suivants :


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Pertes

Energie activeEnergie ractiveProduction

Consommation

Consommation

Pertes


Optimisation du pilotagede la production dnergie

Pertes


Une souce locale dnergie ractivevite de transporter cette nergie

Consommation

Lutilisation de la batterie de compensation shunt au plus prs de lutilisateurpermet de rduire la puissance ractive qui transite dans les lignes et doncde rduire les pertes.

La compensation dnergie a pour but de limiter la chutede tension en ligne en rduisant les pertes Joule dues autransit dnergie ractive (compensation shunt) ou en crantune chute de tension capacitive (compensation srie).

Lajout de self aux condensateurs permet de crer des filtres et de limiter latransmission des harmoniques.

Lutilisation de condensateurs auprs des gnrateurs permet doptimiserleur fonctionnement.

LA COMPENSATION (suite) La compensation a donc pour consquence supplmentaire de :c permettre un dimensionnement plus conomique des installations (lignes,cbles, transformateurs, disjoncteurs) ;

c amliorer la qualit de courant lectrique (filtrage) ;

c rduire le taux de distorsion harmonique en tension une valeur acceptablepour lutilisateur et le distributeur.

PRINCIPE DE LA COMPENSATION

Le graphe suivant correspond une compensation srie ; nous aurions ungraphe analogue en compensation shunt mais en courant.


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R.I

U

j.L.I

j.IC-

R.I

U

j.L.I

j.IC-

R.I

U

j.L.I

= 0

j.IC-

R.I

U

j.L.I

j.IC-

La self est un consommateur dnergie ractive.

Le condensateur est une source dnergie ractive.

Laddition de condensateurs permet de rduire lnergie ractive devanttransiter dans les lignes.

Compensation partielleBON

La rduction du cos est ajusteen fonction de la charge parlutilisation des condensateurs en gradins.

Compensation totalethoriquement IDAL

Difficile mettre en uvre,surtout si la charge varie.

SurcompensationDANGER

Surtensions dangereuses pourles quipements.

LA MISE EN PRATIQUE LE CONDENSATEUR SRIELa compensation srie permet dajouter une chute de tension capacitivequi soppose la chute de tension inductive de la ligne. En aval ducondensateur, la tension de la ligne est suprieure la tension en amont.

Pour une puissance transite donne, le courant sera donc plus faible etles pertes par effet Joule rduites.


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CZ ligne

ChargeU2U1

R.I

jX.l

U2

U1 compenseU1 non

compense

U non comp

ense

U compens

e

j.IC-

I

La batterie de condensateurs srie est traverse par la totalit du courantde la ligne. Ce courant ne peut donc pas tre trs lev.

Lutilisation des batteries de condensateurs srie est gnralement limite des lignes THT de grandes longueurs (plus de 500 km).

Pour une tension U2 donne, U1 compense est plus faible que U1 non compense.

Pour une tension U1 donne, U2 compense est plus leve que U2 non compense.En bout de ligne, la chute totale de tension est plus faible.

A pleine charge, le courant est inductif.

A vide, la ligne est capacitive ; il convient de rgler la compensation pour viter la surcompensation.

LA MISE EN PRATIQUE(suite)

LE CONDENSATEUR SHUNT

Chez le distributeur dnergieIl permet de compenser les nergies ractives consommes par les clientset doptimiser le courant en amont de la charge.


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C

Z ligne

ChargeU2

C

Z ligne

Optimise lescots dachat

Limite les pertes joule etoptimise les cots dachat Charge

Il est possible de faire transiter une puissance active plus importante surune mme installation.Il est ncessaire de sassurer, quen cas de dfaut de fonctionnement de la batterie de condensateurs, les protections interviendront pour ne passurcharger linstallation.

Chez lutilisateur dnergieInstall aux environs de la cellule comptage, le condensateur shunt permetdutiliser au mieux le contrat tarifaire du distributeur.Linstallation des condensateurs aux bornes des rcepteurs permet de limiteren plus les pertes par effet Joule dans linstallation de lutilisateur.

Lajout dune batterie de condensateurs shunt permet de rduire le courantqui circule dans les lignes.

U2 corrig

U2Z

=

Icourantligne avantcompensation

j C U2

Le courant circulant dans la ligne est plus faible, les pertes Joule sont doncrduites.Suivant les tarifs de lnergie ractive des distributeurs dnergie, la facturepeut tre fortement rduite.

Nous pouvons trouver trois types de contrats :c un paiement de lnergie ractive consomme partir dun cos seuilcomme en France ou en Italie ;c un bonus-malus suivant la valeur du cos par rapport une valeur seuilcomme en Espagne ou en Egypte ;c un contrat en kVA avec un seuil de surfacturation par priode de tempscomme en Angleterre ou au Canada.

LA MISE EN PRATIQUE(suite)

INSTALLATION DESCONDENSATEURS SHUNT

Dans les centrales de production

Nous pouvons considrer trois situations :

La centrale de production principale alimente en permanence un rseauDans ce cas, il peut tre ncessaire dutiliser une batterie de condensateursshunt pour maintenir le cos de linstallation au niveau du cos optimal de lalternateur.Les alternateurs sont garantis pour des conditions de fonctionnement cos donn (gnralement 0,8). Si le rseau fonctionne cos infrieur, il serancessaire de le relever et dutiliser une batterie de condensateurs shunt.

La centrale de production peut tre couple un rseau principalCest le cas des centrales prives des grosses industries fournissant lnergieau distributeur local.Suivant les rgles tarifaires, il faut sassurer que le gnrateur ne dtriore pasle cos du rseau. Une batterie de condensateurs shunt peut savrerncessaire.

Le gnrateur est un gnrateur de secoursLalimentation principale est coupe et il est ncessaire de veiller ce que les batteries de condensateurs principales soient ajustes la charge aprsdlestage. Une correction limite du cos peut tre envisage.

Le schma ci-dessous rsume les diffrentes possibilits dinstallation.


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Batterie HT sur rseau de distribution HT

Batterie MT sur rseau de distribution MT

Batterie MT pour abonn MT

Batterie BT rgule ou fixe pour abonn BT

Batterie BT pour abonn MT

Batterie BT pour compensation individuelle

Abonn BT Abonn MT Abonn MT

EXEMPLEDAPPLICATION

Une installation avec deux moteurs :


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800 kVA400 V 50 Hz 3 phases

2 moteurs 250 kWcos = 0,75

La puissance ncessaire pour alimenter les deux moteurs est de :S = P/( x cos ) ou = rendement mcanique du moteur 0,8S = 2 x 250/(0,8 x 0,75) = 833 kVALe transformateur de 800 kVA est en surcharge.

Si nous compensons cette installation avec une batterie shunt connecte sur le jeu de barres afin davoir un cos = 0,92

la puissance appele devient :S' = 2 x 250/(0,8 x 0,92) = 679 kVALe transformateur est donc soulag et nous avons une rserve de puissance.

La batterie de condensateurs mettre en place est dfinie par :tg = Q/P si cos 1 = 0,75 tg 1 = 0,88

si cos 2 = 0,92 tg 2 = 0,43

donc (tg 1 - tg 2) = 0,88 - 0,43 = 0,45 = (Q1 Q2)/P = Qc/P

Qc est la puissance de la batterie de condensateurs ncessaire.

Qc = 250 x 2 x 0,45 = 225 kVAR

P

S2Q

Qc

21

S 1

Dans cet exemple thorique, nouspouvons donc ne pas surcharger le transformateur et conomiser lafacturation de 225 kVAR dnergieractive.

Dune faon gnrale, passer dun cos = 0,8 0,93 permet :

cc de diminuer les pertes en ligne de 30 % puissanceactive constante ;

cc daugmenter la puissance transporte ou dlivre parun transformateur de 20 % pertes constantes.

MAIS COMPENSER PEUT TRE LA SOURCEDE TROUBLES

LE MOTEUR QUI DEVIENT GNRATRICE

Pour fournir lnergie ractive dont il a besoin, une batterie de condensateursa t installe aux bornes dun moteur.

Lensemble est command par un contacteur unique.Au dmarrage du moteur, les condensateurs se chargent.

Lorsque le moteur entrane une charge de grande inertie et quaprs coupurede la tension dalimentation, il peut continuer tourner en utilisant lnergiecintique (en gnral, moteurs qui tournent grande vitesse 3000 tr/mn), il peut sautoexciter par le courant de dcharge des condensateurs etfonctionner en gnratrice asynchrone.

Cette autoexcitation peut provoquer des surtensions suprieures la tensionmaximale du rseau.

Pour viter ce phnomne, il convient de vrifier que la puissance de la batterieest infrieure la puissance ncessaire lexcitation.

Ic courant du condensateur = 0,9 Io courant vide du moteur(voir fiche technique Rectiphase AC 0303/1).

Pour viter ce phnomne, la batterie de condensateurs peut tre connectesur le jeu de barres avec son propre appareil de coupure.

LES VASES COMMUNICANTS : LA SURINTENSIT DURANT LENCLENCHEMENTDUNE BATTERIE DE CONDENSATEURS


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Lors de la fermeture de lappareil de couplage, le courant de dchargedun condensateur dans un autre nest limit que par limpdance du jeude barres (en BT au moment de la fermeture, une rsistance est insredans le circuit, le temps de la pointe de courant).Pour viter une trs forte surintensit, il convient dinsrer une inductanceentre les condensateurs.

Cette inductance de limitation des courants d'enclenchement est ngligeable devant laction de compensationdes condensateurs (voir cahier technique CT142).

Qc

PnIo

M

QcIo

M

MAIS COMPENSER PEUT TRE LA SOURCEDE TROUBLES (suite)

LE MIEUX EST LENNEMI DU BIEN : LA SURCOMPENSATION


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c dans le cas dun rseau vide surcompens, est trs proche de - /2R est faible devant X et la chute de tension est proche de - X IOn na pas une chute de tension mais une monte en tension en bout de ligne.

c pratiquement, on rencontre ce cas quand une batterie de condensateursreste connecte faible charge (absence ou mauvais fonctionnement du systme de rgulation).Pour viter la surcompensation, il convient dutiliser des batteries de condensateurs gradins et de prvoir les protections ncessaires en cas de dysfonctionnement.Ce phnomne de surcompensation peut se produire si aucune prcaution nest prise sur les rseaux industriels la nuit.La surtension est limite si la puissance des condensateurs est < 15% puissance du transfo

LE POINT NEUTRE DE LA BATTERIE SIL EXISTE, DOIT FLOTTER

Le potentiel du point neutre doit rester flottant pour viter une surtensionsur lune des phases du banc de condensateurs en cas de dfaut lignes ou de ferrorsonance. Les batteries sont habituellement cables en

R.I

jX.l

U2

U12

= -I

Double toile si : U rseau > 11 kV et Qc > 600 kVARU rseau < 11 kV et Qc < 1200 kVAR

Triangle si : U rseau 11 kV et Qc < 1200 kVAR (protection par fusibles HPC)

En MT, dans le montage en double toile, le courant de circulation entre les deux points neutre est constamment surveill pour dtecter les dfautsinternes aux condensateurs.

Lutilisation de batteries de condensateurs permet de dimensionner de faon conomique une installation.

Nanmoins, linstallation doit tre protge pour pouvoir fonctionner en toute scurit sans condensateurs. Le rseau doit tre tudi et protg de faon adquate.

LE TRAITEMENT DE LA POLLUTIONHARMONIQUE(voir cahier technique 152)

Lnergie lectrique est gnralement distribue sous forme de trois tensionsconstituant un systme sinusodal triphas. Un des paramtres de ce systmeest la forme donde qui doit tre la plus proche possible dune sinusode.

Dans les rseaux possdant des sources de courant et de tensiondharmoniques tels que les fours arc, convertisseurs statiques de puissance,clairage, il est ncessaire de corriger londe si celle-ci dpasse certaineslimites de dformation.

PRINCIPALES PERTURBATIONS (voir cahier technique 152)

Les tensions et courants harmoniques superposs londe fondamentaleconjuguent leurs effets sur les appareils et quipements utiliss.Ces grandeurs harmoniques ont des effets diffrents selon les rcepteursrencontrs :cc soit des effets instantansVibrations, bruits, perturbations sur les lignes courant faible (tlphone,ligne de contrle-commande), perturbations de systme lectronique, de mesure,) ; cc soit des effets terme dus aux chauffements.

LES GNRATEURS DHARMONIQUES

Dans le domaine industriel, nous citerons : cc les convertisseurs statiques ;cc les fours arc ;cc lclairage ;cc les inductances satures ;cc autres, telles que les dentures des machines tournantes, harmoniques souvent ngligeables.

LA QUALIT DE LNERGIE

En absence de batterie de condensateurs, la pollution harmonique estgnralement limite et est proportionnelle aux courants des pollueurs.Les courants harmoniques circulent sur le rseau et traversent les transformateurs

La prsence dune batterie de condensateurs provoque une rsonanceparallle pouvant entraner une pollution harmonique dangereuse.

Il existe une rsonance entre la batterie de condensateurs et la ractancedu rseau vue des bornes de la batterie.

Si le rang de la rsonance est le mme que celui dun des courants injectspar le pollueur, il en rsulte une amplification plus ou moins amortie desgrandeurs harmoniques (courants et tensions). Cette pollution peut tretrs dangereuse pour les quipements.


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LE TRAITEMENT DE LA POLLUTIONHARMONIQUE (suite)(voir cahier technique 152)

Pour viter quune rsonance soit dangereuse, il faut la placer en dehorsdu spectre inject et/ou lamortir.Ceci est obtenu en montant une inductance en srie avec une batterie de condensateurs.

LES FILTRES DHARMONIQUES

Par eux-mmes, les condensateurs ne crent pasdharmoniques.Ils sont capables dabsorber des courants de hautefrquence sans dformer la tension (U = I/C).Par leur prsence, les condensateurs peuvent rduire les harmoniques dj prsentes sur le rseau.


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F7 F11F5

Le filtrage dharmoniques est une technique base de selfs et de condensateurs accords aux frquences liminer.

Le calcul des filtres dharmoniques doit tre ralis par des spcialistes.

Rseau

Gnrateurdharmoniques

Autresrcepteurs

CHOIX DES APPAREILSDE COUPURE

En exemple, nous pouvons citer le cas dune usine daluminium qui avait avant filtrage un taux de distorsion en tension de 3,78 % avec un cos = 0,75 et aprs compensation et filtrage un taux de distorsion de 0,87 % et un cos = 0,92


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F74,403

F113,66

F55,487

Q total =13,55 MVARQ calculer

Filtres

20 MWcos 1 = 0,75cos 2 > 0,9

Sn = 50 MVAScc = 330 MVA

Scc = 200 MVA

Distorsion Ih/I1%

Rang dharmonique

Sans filtrageAvec filtrage

Gh = 40 MVA

11 kV

63 kV

1,1

1

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

1 3 5 7 11 13 17 19

P

LE TRAITEMENT DE LA POLLUTIONHARMONIQUE (suite)(voir cahier technique 152)

La commande des batteries de condensateurs ncessite lemploi dappareilsde coupure dont le courant nominal est dclass afin dviter les chauffementsdus aux harmoniques.

Gnralement, le dclassement est de lordre de 30 %.

(voir MT partenaire, chapitre B-3-2).

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