Toute l’énergie circulant dans les câbles d’une usine n’est pas forcément consommée par les machines. Avec une connexion CA (courant alternatif), vous devez souvent faire face à la puissance réactive et au cosinus phi. La puissance réactive est la puissance qui circule dans les câbles, provoque de la chaleur et des pertes d’énergie, mais n’est pas consommée par les machines. L’ampleur de la puissance réactive est déterminée par le cosinus phi. Comment cela fonctionne-t-il exactement ? Les experts de Sensorfact vous expliquent.
La puissance réactive est donc la puissance qui passe par les câbles mais qui ne peut pas être consommée par les machines. Comme elle passe par les câbles, elle absorbe une partie de la capacité de ces câbles d’alimentation. Ainsi, lorsque la puissance réactive est élevée, le même câble peut fournir moins de puissance utile. En outre, la puissance réactive (tout comme la puissance active) génère de la chaleur lorsqu’elle circule dans le câble. Cela entraîne une perte d’énergie supplémentaire pendant la transmission.
La puissance réactive n’augmente pas directement la consommation des équipements, mais elle entraîne des coûts plus élevés et des pertes d’énergie lors de la transmission pour les gestionnaires de réseau. Ces derniers peuvent donc facturer des coûts supplémentaires pour la puissance réactive des gros consommateurs.
La partie de la puissance qui est effectivement consommée est la puissance active. Elle apparaît sur votre facture d’énergie comme votre consommation d’énergie " normale ". La puissance réactive est ce que vous, en tant que gros consommateur, trouverez sur votre facture d’électricité en tant que puissance réactive. Dans de nombreux pays, le cosinus phi est explicitement mentionné sur la facture d’énergie.
La puissance réactive est une conséquence d’une connexion en courant alternatif (CA). Le réseau électrique et de nombreuses usines en Europe utilisent une connexion en courant alternatif. Dans une telle connexion, la tension (V) et le courant (I) fluctuent entre des valeurs positives et négatives comme une onde. La puissance réelle (P) qui traverse la connexion est alors donnée par P = V * I. Idéalement, la tension et le courant sont exactement synchrones (ou en phase), de sorte qu’ils sont toujours soit positifs, soit négatifs. En effet, la puissance est alors positive à tout moment. Dans ce cas, il n’y a que de la puissance active et pas de puissance réactive.
Dans la pratique, les ondes de tension et de courant ne changent pas toujours de signe en même temps. Cela peut être dû à divers équipements, tels que des transformateurs ou des électro-aimants. Par conséquent, la puissance devient négative à certains moments. Ces moments constituent la puissance réactive.
La puissance que vous attendez d’une connexion CA où la tension et le courant sont parfaitement synchronisés s’appelle la puissance totale ou apparente. Le rapport entre la puissance active et la puissance apparente s’appelle le facteur de puissance et s’exprime par le cosinus phi. Le cosinus phi est un nombre compris entre 0 et 1 et est donc une mesure du décalage entre la tension et le courant (le déphasage). Si le cosinus phi est égal à 1, la puissance active est égale à la puissance apparente et il n’y a donc pas de puissance réactive.
Un cosinus phi de 0,9 indique que la puissance active est égale à 0,9 * puissance apparente. Avec un cosinus phi plus élevé, une plus grande partie de la puissance totale passant par les lignes électriques peut effectivement être consommée par les machines. Par conséquent, la capacité de transmission nécessaire est moindre (tant au niveau de la centrale que du réseau électrique) et il y a moins de pertes d’énergie pendant la transmission. En outre, les opérateurs de réseau facturent souvent les gros consommateurs à des cosinus phi de 0,85 ou moins.
La puissance apparente, la puissance active et la puissance réactive sont liées selon la formule suivante :
(Puissance apparente)² = (Puissance réelle)² + (Puissance réactive)²
Sur la base de cette relation, nous pouvons également trouver les formules pour la puissance réelle et la puissance aveugle exprimées en puissance apparente :
Puissance réelle = Puissance apparente * cos φ
Puissance réactive = Puissance apparente * sin φ
Pour clarifier la relation entre la puissance apparente et la puissance réelle, une comparaison est souvent faite avec un verre à bière. Le verre de bière symbolise le système électrique. La bière représente la puissance active, la mousse la puissance réactive.
Une puissance active et une puissance réactive trop élevées peuvent faire déborder le verre de bière. Le réseau électrique est alors surchargé. Une diminution de la puissance réactive (la mousse) peut laisser plus de place à la puissance active (la bière), sans nécessiter un verre plus grand (plus de capacité de connexion). Ainsi, une plus grande quantité d’énergie peut être utilisée de manière utile sans que le verre ne déborde.
Si le cosinus phi est trop faible, le gestionnaire de réseau doit supporter des coûts supplémentaires car il doit transmettre de la puissance réactive. En fonction de votre situation géographique, les gestionnaires de réseau peuvent donc utiliser une limite inférieure de 0,85 pour le cosinus phi. Un cosinus phi plus faible entraîne une usure plus importante et une charge plus élevée sur le réseau électrique. Les opérateurs de réseau peuvent donc desservir moins d’entreprises avec les mêmes connexions. Des transformateurs plus grands et plus de cuivre sont nécessaires.
Pour la puissance réactive consommée dont le cosinus phi est inférieur à 0,85, les gestionnaires de réseau de pays tels que les Pays-Bas facturent souvent un supplément. Vous payez donc une pénalité si votre cosinus phi est trop faible et que le gestionnaire de réseau doit transporter beaucoup de puissance réactive. Les gestionnaires de réseau espèrent ainsi inciter les entreprises industrielles à prendre des mesures lorsque le cosinus phi devient trop faible. Il est donc avantageux de veiller à ce que votre cosinus phi soit le plus proche possible de 1. Vous pouvez ainsi augmenter vous-même votre capacité de consommation sans nouveau raccordement et vous ne risquez pas d’amende.
Dans certaines régions, comme en Flandre, le gestionnaire de réseau utilise une limite inférieure pour le cosinus phi. Cette limite est plus élevée qu’aux Pays-Bas ; à partir d’un cosinus phi d’environ 0,95, des coûts supplémentaires peuvent déjà être facturés aux gros consommateurs. Pour un cosinus phi inférieur à 0,72, ces coûts augmentent encore plus. En outre, en Flandre, lorsque la consommation est faible (moins de 10 % de la puissance de pointe au cours des 12 derniers mois, mesurée toutes les 15 minutes), une quantité minimale de puissance réactive est facturée. Par conséquent, si votre consommation d’énergie fluctue beaucoup, vous pouvez être confronté à des coûts supplémentaires pour la puissance réactive, en fonction de votre pays. Une raison de plus pour maintenir votre cos phi aussi élevé que possible.
Outre une pénalité, un cos phi faible ou une puissance réactive trop élevée présentent d’autres inconvénients :
La puissance réactive est souvent causée par des machines qui créent des champs magnétiques. Les transformateurs, les électro-aimants, les moteurs électriques, l’éclairage et les ordinateurs peuvent tous affecter le cosinus phi. Les sites industriels ont souvent plus de machines avec des champs magnétiques puissants. Par conséquent, ces sites sont plus susceptibles d’avoir un cosinus phi plus faible. Les connexions domestiques et commerciales sont moins susceptibles de souffrir d’un cosinus phi trop faible. C’est pourquoi seuls les gros consommateurs doivent payer lorsque le cosinus phi est trop faible.
La divergence des ondes de tension et de courant est également appelée déphasage. Avec un cosinus phi parfait de 1, les deux ondes sont exactement en phase ; avec un cosinus phi faible, il y a un déphasage. Ce déphasage est généralement dû aux champs magnétiques générés par les machines. En particulier, les gros consommateurs dotés de champs magnétiques puissants souffrent d’un déphasage.
Tous les appareils n’offrent pas le même type de déphasage. Nous pouvons diviser la puissance réactive en deux types : la puissance réactive inductive (ou positive) fournit un déphasage vers l’avant, tandis que la puissance réactive capacitive (ou négative) fournit un déphasage vers l’arrière.
Dans le cas de la puissance réactive inductive, pour que les appareils fonctionnent, il faut de l’énergie pour magnétiser les bobines. C’est le cas, par exemple, des moteurs électriques et des transformateurs. Cette puissance est appelée puissance réactive inductive. Dans ce cas, le courant est en retard sur la tension.
La puissance réactive capacitive provient de charges capacitives, telles que les condensateurs. L’éclairage et les composants informatiques sont des exemples d’appareils susceptibles de provoquer une puissance réactive capacitive. Dans le cas de la puissance réactive capacitive, le courant précède la tension.
La puissance réactive inductive et la puissance réactive capacitive ont en fait des effets opposés. Elles peuvent donc être utilisées pour s’annuler mutuellement. La taille et le type de puissance réactive d’un bâtiment commercial entier est en fin de compte la somme de tous les types de courant réactif dans le bâtiment. Les locaux industriels sont principalement affectés par le courant réactif inductif.
Outre le déphasage, il peut également y avoir une puissance réactive harmonique. Cela est dû aux dispositifs qui créent des charges non linéaires sur le réseau électrique. Ces appareils utilisent l’énergie non pas sous la forme d’une onde sinusoïdale uniforme, mais sous la forme d’impulsions irrégulières. Par conséquent, ils déforment les ondes de tension dans le réseau électrique. C’est ce qu’on appelle la pollution harmonique, qui entraîne également une puissance réactive. L’éclairage par LED, les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation et les ordinateurs sont des exemples de ces dispositifs.
Au total, la puissance réactive se compose donc de trois types différents de puissance réactive : inductive, capacitive et harmonique.
La puissance réactive inductive peut être compensée par une batterie de condensateurs. Une batterie de condensateurs compense le déphasage causé par les bobines de magnétisation, par exemple.
Une batterie de condensateurs fournit une puissance réactive capacitive qui compense localement le déphasage de la puissance réactive inductive. Cette puissance réactive ne doit donc plus être transmise par le gestionnaire de réseau. Par conséquent, le cosinus phi de la connexion augmente et les coûts pour le gestionnaire de réseau diminuent.
Les avantages d’une batterie de condensateurs en un coup d’œil :
Un générateur VAR statique empêche le déphasage en " injectant " du courant. Le générateur VAR détecte le cosinus phi et détermine s’il s’agit d’une puissance réactive inductive ou capacitive. Comme le générateur VAR injecte du courant au bon moment, il fonctionne à la fois contre la puissance réactive inductive et capacitive.
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