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La compensationde lnergie ractive
Lnergie lectrique est essentiellement distribue
aux utilisateurs sous forme de courant alternatif
par des rseaux en haute, moyenne et basse tension.
Lnergie consomme est compose dune partie active,
transforme en chaleur ou mouvement, et dune partie
ractive transforme par les actionneurs lectriques
pour crer leurs propres champs lectromagntiques.
Lutilisateur ne bnficie que de lapport nergtique
de la partie active ; la partie ractive ne peut pas
tre limine, mais doit tre compense par des dispositifs
appropris. Lnergie totale soutire au rseau
de distribution sera ainsi globalement rduite.
Les conomies dnergie ralises se chiffrent par dizaines
de pour cent de la consommation globale, situant
les procds de compensation dnergie ractive
en premire ligne du combat pour la rduction de limpact
des activits humaines sur lcosystme de notre plante.
p.1Prsentation
p.2Lnergie ractive :dfinitions et rappelsessentiels
p.4La compensationde lnergie ractive
p.5Lapproche
fonctionnelle
p.6La problmatiquede lnergie ractiveen milieu industriel
p.8Lquipementdidactique CER
SN16 - Novembre 2006
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique22
Energies active, ractive, apparenteToute machine lectrique
utilisant le courant alternatif
(moteur, transformateur) met en jeu deux formes
dnergie : lnergie active et lnergie ractive.
Lnergie active consomme (kWh) rsulte
de la puissance active P(kW) des rcepteurs.
Elle se transforme intgralement en puissance
mcanique (travail) et en chaleur (pertes).
Lnergie ractive consomme (kvarh) sert
essentiellement lalimentation des circuits
magntiques des machines lectriques.Elle correspond la puissance
ractive Q(kvar)
des rcepteurs.
Lnergie apparente (kVAh) est la somme vectorielle
des deux nergies prcdentes. Elle correspond
la puissance apparente S(kVA) des rcepteurs,
somme vectorielle de P(kW) et Q(kvar).
Composantes active et ractivedu courantA chacune des nergies
active et ractive,
correspond un courant.Le courant actif (Ia) est en phase avec la
tension
du rseau. Le courant ractif (Ir) est dphas de 90
par rapport au courant actif, soit en retard (rcepteur
inductif), soit en avance (rcepteur capacitif).
Le courant apparent (It) est le courant rsultant qui
parcourt la ligne depuis la source jusquau rcepteur.
Si les courants sont parfaitement sinusodaux,
on peut utiliser la reprsentation de Fresnel.
Ces courants se composent alors vectoriellement
comme reprsent la figure 1 :
Figure 1 Composition vectorielle des courants
It = la2
+ Ir2
la = I.cos
Ir = I.sin
It
Ir
la
Lnergie ractive :
dfinitions et rappels essentielsComposantes active et ractivede
la puissanceLe diagramme prcdent (figure 1) tabli
pour les courants est aussi valable pour les puissances,
en multipliant chacun des courants par la tension
commune U.
On dfinit ainsi (figure 2) :
la puissance apparente : S = UI (kVA),
la puissance active : P = UI.cos (kW),
la puissance ractive : Q = UI.sin (kvar).
Figure 2 Composition vectorielle des puissances
Citons les valeurs approximatives de cos des
principaux actionneurs consommateurs d'nergie
ractive : moteur asynchrone 100 % de charge :
cos = 0,85
moteur asynchrone 50 % de charge :
cos = 0,73
lampes fluorescence : cos = 0,5
chauffage par induction : cos = 0,5
Ces quelques exemples montrent l'impact
norme de la partie ractive de la consommation
nergtique des actionneurs qui comportent
des circuits magntiques : y remdier est une
des problmatiques de base de tout concepteur
et installateur de produits et quipements lectriques.
P (kW)
S (kVA)
Q (kvar)
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique 3
Facteur de puissanceLe facteur de puissance est gal par
dfinition :
Si les courants et tensions sont des signaux
parfaitement sinusodaux, le facteur de puissance
est gal cos.
On utilise galement la variable tg. Dans les mmes
conditions, nous avons la relation :
L'objectif de la compensation d'nergie ractive
est de rduire le courant appel sur le rseau.
L'nergie ractive est fournie par des condensateurs,
au plus prs des charges inductives.Sur une priode de temps
donne, nous avons
galement :
tg =Wr
=nergie_ractive_consomme_((kvar h)
Wa nergie_active_consomme_(kWh)
tg =Q
=puissance_ractive_((kvar)
P puissance_active_(kW)
FP =P
=puissance_active_((kW)
S puissance_apparente_(kVA)
La circulation de lnergie ractive a des incidences
techniques et conomiques importantes.
En effet, pour une mme puissance active P,
la figure suivante montre quil faut fournir dautant
plus de puissance apparente, et donc de courant,
que la puissance ractive est importante (figure 3).
Figure 3 Composition vectorielle des puissances
Ainsi, du fait d'un courant appel plus important,
la circulation de lnergie ractive sur les rseaux
de distribution entrane :
des surcharges au niveau des transformateurs, lchauffement des
cbles dalimentation,
des pertes supplmentaires,
des chutes de tension importantes.
P (kW)
S2 (kVA)
S1 (kVA) Q1 (kvar)
Q2 (kvar)
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GuideTechnique4
La compensation de lnergie ractive
Pour les raisons voques ci-dessus,
il est ncessaire de produire lnergie ractive
au plus prs possible des charges, pour viter
quelle ne soit appele sur le rseau. Cest ce quon
appelle compensation de lnergie ractive.
Pour inciter cela et viter de sur-calibrer
son rseau, le distributeur dnergie pnalise
financirement les consommateurs dnergie ractive
au-del dun certain seuil.
On utilise des condensateurs pour fournir lnergie
ractive aux rcepteurs inductifs.
Pour rduire la puissance apparente absorbeau rseau de la valeur
S2 la valeur S1,
on doit connecter une batterie de condensateurs
fournissant lnergie ractive Qc (figure 4),
telle que : Qc = P.(tg2 - tg1).
Figure 4 Principe de la compensation dnergie ractive
Lintrt conomique de la compensation est mesur
en comparant le cot dinstallation des batteries
de condensateurs aux conomies quelle procure.
Le cot des batteries de condensateurs dpend
de plusieurs paramtres dont :
la puissance installe,
le niveau de tension,
le fractionnement en gradins,
le mode de commande,
le niveau de qualit de la protection.
P (kW)
2
S2 (kVA)
S1 (kVA)
Qc (kvar)
Choix de la localisation Compensation globale : la batterie est
raccorde
en tte dinstallation et assure la compensation
pour lensemble des charges. Elle convient
lorsqu'on cherche essentiellement supprimer
les pnalits et soulager le poste de transformation.
Compensation locale ou par secteurs :
la batterie est installe en tte du secteur
dinstallation compenser. Elle convient lorsque
linstallation est tendue et comporte des ateliers
dont les rgimes de charge sont diffrents.
Compensation individuelle : la batterie
est raccorde directement aux bornes de chaquercepteur inductif
(moteur en particulier).
Elle est envisager lorsque la puissance du moteur
est importante par rapport la puissance souscrite.
Cette compensation est techniquement idale
puisquelle produit lnergie ractive lendroit
mme o elle est consomme, et en quantit
ajuste la demande.
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GuideTechnique 5
Choix du type de compensation Compensation fixe : on met en
service
lensemble de la batterie dans un fonctionnement
tout ou rien.
La mise en service peut tre manuelle
(par disjoncteur ou interrupteur), semi-automatique
(par contacteur), asservie aux bornes des moteurs.
Ce type de compensation est utilis
lorsque la puissance ractive est faible
(< 15 % de la puissance du transformateur)
et la charge relativement stable.
Compensation automatique ou en gradins :
la batterie de condensateurs est fractionneen gradins, avec
possibilit de mettre en service
plus ou moins de gradins, en gnral de faon
automatique.
Ce type de batterie est install en tte
de la distribution BT ou d'un secteur
important. Cela permet une rgulation pas pas
de lnergie ractive. Lenclenchement
et le dclenchement des gradins sont pilots
par un relais varmtrique.
Compensation dnergie ractiveen prsence d'harmoniquesLes
quipements faisant appel llectronique
de puissance (variateurs de vitesse, redresseurs,
onduleurs, etc), de plus en plus utiliss,
sont responsables de la circulation de courants
harmoniques dans les rseaux. Ces harmoniques
perturbent le fonctionnement de nombreux
dispositifs. En particulier, les condensateurs
y sont extrmement sensibles du fait
que leur impdance dcrot proportionnellement
au rang des harmoniques prsents.
Dans certaines circonstances, des phnomnesde rsonance peuvent se
produire entranant
une forte distorsion de tension et la surcharge
des condensateurs.
Selon la puissance des gnrateurs dharmoniques
prsents, diffrents types de condensateurs
doivent tre choisis, associs ventuellement
des inductances.
Pour les valeurs leves de puissance
des gnrateurs dharmoniques, le traitement
des harmoniques est en gnral ncessaire.
Le dispositif appropri (filtre d'harmonique) remplit
la fois les fonctions de compensation dnergieractive et de
filtrage des harmoniques.
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique6
La problmatique de lnergie ractive
en milieu industrielDans lenvironnement industriel actuel, la
prolifration
des charges dphasantes sur les rseaux
de distribution lectrique entrane une dgradation
du facteur de puissance.
Les principaux consommateurs dnergie ractive
concernent :
les moteurs asynchrones ordinaires,
les lampes ballast magntiques fluorescence
ou dcharge,
les fours induction et arc, les machines souder.
Les consquences de cette nergie ractive sont
nombreuses :
pnalits (en tarif vert) par le fournisseur
dlectricit,
augmentation de la puissance souscrite
au fournisseur dnergie, des pertes Joules
et des chutes de tension dans les circuits,
surcharge au niveau du transformateur
et des cbles dalimentation,
surdimensionnement et prcaution au niveau
des protections, dgradation de la qualit de linstallation
lectrique.
Figure 5 Batterie automatique
RECTIPHASE de compensation
dnergie ractive sur site industriel
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique 7
Globalement limpact conomique est donc
trs important.
La solution tous ces problmes consiste installer
au niveau du transformateur (primaire ou secondaire)
ou par atelier, des batteries de condensateurs qui vont
neutraliser cette nergie ractive en sy opposant.
Le retour dinvestissement est en gnral rapide dans
une installation lectrique, de lordre de 1 3 ans.
La distribution de l'nergie lectrique en France est
assure par EDF. Sa politique tarifaire est guide partrois
principes :
lobligation de desserte. EDF doit, en permanence,
satisfaire aux demandes des clients et assurer
le service de l'lectricit,
l'galit de traitement. Tous les clients doivent,
s'ils ont les mmes caractristiques, bnficier
des mmes choix tarifaires,
la facturation au prix de revient. C'est le cot
de production de la dernire centrale appele
sur le rseau, qui est pris en compte
lorsquil y a augmentation de la demande.
On appelle cette mthode le cot marginal.
Les tarifs sont rpartis par niveau de puissance,
en trois grandes familles :
Tarif Bleu (de 3 36 kVA)
Tarif Jaune (de 36 250 kVA)
Tarif Vert (au-del de 250 kVA).
Certaines options tarifaires proposent un dcoupage
de l'anne en priodes tarifaires, selon les heures
et mme les saisons.
La facture comporte deux lments principaux :
le montant de l'abonnement (li au niveau
de puissance souscrit) et le prix de l'nergie
consomme. (http://www.edf.fr).
Le Tarif Vert est le seul qui facture directement
l'nergie ractive. Le tableau de comptage est quip
d'un compteur spcifique d'nergie ractive.
Celle-ci peut donc tre facilement identifie
sur la facture d'lectricit.
Pour les autres tarifs, Bleu et Jaune, le systme
de comptage ne permet pas de mesurer directement
l'nergie ractive. La puissance (souscrite en kVA)
est dtermine par un disjoncteur en Tarif Bleu
ou un contrleur en Tarif Jaune. Ces dispositifs
limitent l'intensit du courant et donc la puissance
apparente. Pour disposer d'une puissance
utile (active) la plus proche possible de celle
qu'il a souscrite, le client doit minimiser la puissance
ractive de son installation.
Lorsque les besoins de puissance d'un client
s'accroissent, il peut aussi tre confront aux limites
des tarifs (36 kVA en Tarif Bleu et 250 kVA
en Tarif Jaune) comme celles de son installation.Ce qui entrane
gnralement des investissements
importants (renforcement des cbles, changement
de disjoncteur, remplacement du TGBT, etc).
Une bonne matrise de la composition
de la puissance appele permet alors de limiter
les impacts conomiques et passe, entre autres,
par la compensation de l'nergie ractive.
Une forte consommation dnergie ractive
chez lutilisateur ncessite de la part dEDF
des installations dimensionnes plus largement,
dont le cot grve celui de la fourniture dlectricit.Les batteries
de condensateurs compensent lnergie
ractive consomme par les quipements
lectriques, ce qui permet de rduire une partie
de la facture dnergie.
Les bnfices de la compensation sont doubles :
dune part diminuer la facture nergtique,
dautre part optimiser les installations.
Du 1er novembre et jusquau 31 mars, les abonns
au Tarif Vert se voient facturer lnergie ractive
consomme par leurs installations.
Pour les abonns au Tarif Jaune, linstallation
dune batterie de condensateurs savre bnfique
dans certains cas selon deux schmas :
soit diminuer le niveau de puissance souscrite,
soit pour accrotre la puissance utile disponible
en conservant le mme niveau de puissance.
Finalement, quel que soit le contrat souscrit,
pour des problmes de facturation, de disponibilit
de puissance ou de surcot d'installation,
il est important de minimiser la puissance ractive
consomme.
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique8
L'quipement didactique CER
La mise en uvre des dispositifs techniques
destins remdier aux consquences
de l'nergie ractive ncessite une bonne
connaissance des installations, une analyse
fine des critres spcifiques de celles-ci
et la matrise des solutions affrentes.
Le systme pdagogique CER de Schneider
Electric (figure 6) constitue un support pratique
destin la formation des techniciens
et la matrise des savoir-faire relatifs
la compensation de lnergie lectrique
sur une installation lectrique de type industriel.
Lquipement CER permet de raliser :
la mesure du facteur de dphasage
sur des charges linaires et non linaires,
la mise en ?uvre des remdes permettant
la compensation du dphasage,
la mise en vidence, la mesure et la rduction
des courants dappel lis lenclenchement
des condensateurs,
la mise en vidence des surcharges
lies aux phnomnes harmoniques
sur les condensateurs (anti-rsonance)
et la mise en uvre des remdes associs,
Figure 6 L'quipement didactique CER de Schneider Electric
la mise en vidence de linfluence des longueurs
de ligne sur le facteur de dphasage,
les prcautions prendre au niveau des protections.
Cet quipement reprsentatif dune installation de
compensation dnergie ractive comprend :
des charges linaires dphasantes permettant
de faire varier le facteur de dphasage de linstallation,
un systme de mesure varmtrique de type
VARLOGIC-RECTIPHASE,
un systme RECTIPHASE de compensation
dnergie ractive assur par des gradins de
condensateurs asservis par le relais varmtrique, un contacteur
statique permettant de supprimer
le courant dappel li aux condensateurs,
un systme de charges non linaires permettant
de mettre en vidence les phnomnes
danti-rsonance lis aux circulations
dharmoniques dans les condensateurs,
un dispositif correctif avec self anti-rsonance,
un manuel de travaux pratiques, support
pdagogique des manipulations, et dune notice
technique pour laide la mise en service.
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Intersections - novembre 2006
GuideTechnique 9
Figure 7 Constitution de l'quipement didactique CER
Le systme CER est constitu par deux lments
interconnects :
1 Un coffret monophas BT qui reprsente
une installation o la consommation de lnergie
lectrique volue au cours de la journe au gr
de la mise en route et de larrt des rcepteurs.
Ces rcepteurs permettent, par combinaisons,
dobtenir des charges rsistives, dphasantes ,
linaires et non linaires.
Avertissement
Schneider Electric dgage toute responsabilit conscutive
lutilisation incorrecte des informations et schmas
reproduits
dans le prsent guide et ne saurait tre tenu responsable
ni dventuelles erreurs ou omissions, ni de consquences lies
la mise en oeuvre des informations et schmas contenus
dans ce guide.
Ce guide a t rdig par Grard Gay, expert en
distribution lectrique l'Institut Schneider Formation.
Septembre 2006.
2 Un coffret des charges, homothtique
dune installation lectrique industrielle. Ce coffret
possde une compensation RECTIPHASE
par gradins, au nombre de trois, chacun
constitu dune capacit de 24,8 F.
Il comprend un ensemble de charges
reprsentatives (figure 7) compos de :
une charge constitue de 3 halognes
de 500 W pilots par gradateurs,
une charge inductive L20 = 175 mH
une self danti-rsonance L30 = 56 mH
