Principes théoriques pour améliorer le facteur de puissance

Améliorer le facteur de puissance d'une installation consiste à installer une batterie de condensateurs qui agit en tant que source d'énergie réactive. Cette disposition s'appelle la compensation de l'énergie réactive de l'installation.

Une charge inductive avec un facteur de puissance de faible valeur nécessite que le réseau en amont, les génératrices et le réseau de transport, lui fournissent un courant réactif inductif (en retard de 90° par rapport au système de tensions) ce qui génère, voir la partie Facteur de puissance et puissance réactive, des pertes en ligne et des chutes de tension importantes. Si une batterie de condensateurs est installée en parallèle sur la charge, son courant réactif (capacitif) suivra le même chemin que le courant réactif (inductif) de la charge dans le réseau en amont : les 2 courants s'additionnent dans le réseau amont. Comme indiqué dans la partie Puissance réactive des condensateurs, le courant capacitif Ic (qui est en avance de 90° par rapport au système de tensions) de la batterie de condensateurs est en opposition de phase avec le courant inductif IL (qui est en retard de 90° par rapport au système de tension) et, par suite, les 2 courants s'additionnant dans le réseau amont l'intensité du courant réactif amont résultant sera fortement réduit voir annulé si les courants Ic et IL sont égaux (Ic = IL).

La Figure L8 (a) et (b) indique la circulation des composantes réactives des courants.

Sur la figure :

• R représente la somme des composantes actives des charges,
• L représente la somme des composantes réactives (inductives) des charges,
• C représente la composante réactive (capacitive) de la batterie de condensateurs de compensation.

Comme l'indique le schéma (b) de la Figure L8, la batterie de condensateurs semble fournir toute l'énergie réactive à la charge.

Dans le schéma (c) de la Figure L8, la composante active du courant a été ajoutée et montre une charge entièrement compensée ayant un facteur de puissance égal à 1.

En général il n'est pas économique de compenser entièrement une installation.

Fig. L8 – Modifications des courants consécutives à l’amélioration du facteur de puissance

• 

  [a] Circulation des composantes réactives des courants

• 

  [b] Si IC = IL, toute la puissance réactive est fournie par la batterie de condensateurs

• 

  [c] cas b) avec la composante active du courant de charge

La Figure L9 reprend le diagramme de la figure L2 pour illustrer le principe de compensation partielle par réduction de la puissance réactive importante Q d'une installation à une valeur plus faible Q' au moyen d'une batterie de condensateurs de puissance réactive Qc. Par suite, la valeur de la puissance apparente de l'installation S a été réduite à la valeur S'.

Fig. L9 – Schéma de principe de la compensation : Qc = P (tan φ - tan φ’)

Exemple :

Un moteur consomme 100 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (c'est-à-dire tan φ = 0,88). Pour augmenter le facteur de puissance à 0,93 (c'est-à-dire tan φ = 0,4), la puissance réactive de la batterie de condensateurs doit être :

Qc = 100 (0,88 - 0,4) = 48 kvar.

Le niveau de compensation à choisir et le dimensionnement de la batterie de condensateurs dépendent des particularités de l'installation. Les facteurs nécessitant une attention particulière sont expliqués pour le cas général au paragraphe 5, pour l'application transformateur au paragraphe 6 et pour l'application moteur au paragraphe 7.

Note : avant d'engager un projet de compensation, certaines précautions doivent être prises. Le surdimensionnement d'un moteur, de même que son fonctionnement à vide, doit être évité. Dans ce dernier cas, de l'énergie réactive est consommée par le moteur ce qui se traduit par un facteur de puissance de valeur très faible (≈ 0,17).