Plus de puissance avec moins de cuivre

Pourquoi nous devons réduire la puissance réactive

Dans toute installation électrique, en plus de l'énergie utile et utilisable, il y a aussi de l'énergie qui n'est pas efficacement convertie en chaleur, en mouvement ou en lumière. Cette puissance inefficace est appelée puissance réactive. L'énergie aveugle crée une charge supplémentaire sur les câbles, les tuyaux et les transformateurs. Le gestionnaire de réseau doit transporter cette puissance réactive. Dans le même temps, nous extrayons moins d'énergie utile de notre puissance contractée.

Qu'est-ce que la puissance réactive, comment est-elle créée et comment pouvons-nous réduire la puissance réactive? Vous pouvez lire les réponses à ces questions dans ce livre blanc.

Plus de puissance avec moins de cuivre - Réduire la puissance aveugle du papier blanc
Comparer le pouvoir avec un verre de bière - Réduire la cécité due au papier blanc

Qu'est-ce que le pouvoir aveugle?

Dans les installations électriques, seule une partie de l'énergie est récupérée. Ce pouvoir est également appelé le pouvoir réel. Il est en fait converti par les machines et les équipements en mouvement, en lumière, en refroidissement ou en chaleur. Une partie de l'énergie est également toujours perdue, par exemple à cause du magnétisme des moteurs et des transformateurs et des condensateurs des équipements électroniques. C'est ce qu'on appelle la puissance réactive ou puissance réactive. Cette énergie est alimentée dans les deux sens par le réseau électrique dans un réseau à 50 Hz, 50 x par seconde, et n'est pas utilisée efficacement.

La puissance réelle (la bière) et la puissance réactive (la mousse) additionnées s'appellent la puissance apparente.

Nous appelons la puissance réelle et la puissance réactive ensemble la puissance apparente. L'ensemble du réseau (le distributeur principal, les transformateurs et la connexion principale) doit pouvoir distribuer cette puissance apparente. La meilleure comparaison possible est avec un verre de bière. Le pouvoir utile (la bière) est utilisé efficacement. La puissance non utile (la mousse) augmente la puissance à transporter. L'installation électrique (le verre à bière) doit pouvoir répartir les capacités utiles et non utiles. Si la puissance réactive augmente, l'installation peut devenir surchargée (le verre de bière déborde).

Le facteur de puissance

De power factor - White paper blindvermogen reduceren

Le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente est également appelé le facteur de puissance. C'est le facteur qui indique l'utilité de l'utilisation du courant. Si le facteur de puissance est de "1", 100% du courant est utilisé efficacement. En pratique, il se situe souvent entre 0,6 et 0,9. L'application d'une batterie de condensateurs ou d'un filtre actif peut augmenter le facteur de puissance et même l'optimiser à "1".

Quels sont les types de puissance réactive?

Réactivité réactive inductive

Les moteurs, les transformateurs et les ballasts sont des charges inductives. Avec les charges inductives, une puissance est nécessaire pour magnétiser les bobines. Cette puissance est appelée la puissance réactive inductive. La somme vectorielle de la puissance réelle (P) et de la puissance réactive inductive (Q1) est appelée puissance apparente (S1). Dans cet exemple, le pouvoir apparent a un caractère inductif.

Puissance réactive capacitive

Les condensateurs des équipements électroniques et les longs câbles sont des charges capacitives. Les charges capacitives nécessitent de l'énergie pour charger cette capacité. Cette puissance est appelée puissance réactive capacitive. La somme vectorielle de la puissance réelle (P) et de la puissance réactive capacitive (Q1) est appelée puissance apparente (S1). Dans cet exemple, la puissance apparente a un caractère capacitif. Voir quels systèmes de compensation réduisent la puissance réactive inductive et capacitive.

La mesure dans laquelle l'énergie est utile dans la puissance réactive inductive et capacitive est indiquée par cos-phi. Au niveau international, on appelle cela le facteur de puissance de déplacement (dPF). C'est le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente de la composante fondamentale (composante 50Hz).

Puissance réactive harmonique

De plus en plus de charges non linéaires sont appliquées dans l'installation moderne. Les redresseurs (alimentations pour ordinateurs portables, serveurs) et les onduleurs des onduleurs modernes et des variateurs de fréquence en sont des exemples. Une caractéristique d'une charge non linéaire est que le courant absorbé n'est plus sinusoïdal. La distorsion du courant qui en résulte est également connue sous le nom de distorsion harmonique.

La puissance supplémentaire créée par la distorsion harmonique est appelée puissance réactive harmonique (Qh). Cette puissance réactive n'est ni inductive ni capacitive. C'est pourquoi nous fixons la puissance réactive harmonique sur un troisième axe, l'axe dit z. La somme vectorielle de la puissance réelle (P) et de la puissance réactive harmonique (Qh) que nous appelons - encore une fois - la puissance apparente (S). En savoir plus sur les harmoniques (supérieures).

Une combinaison de types de puissance réactive

La pratique montre une combinaison de différents types de puissance réactive. Dans l'exemple ci-dessous, la puissance réactive harmonique se produit et la puissance réactive inductive prévaut.

Termes à retenir:

Le facteur de puissance de déplacement (dPF ou cos-phi) est le rapport entre la puissance réelle en (kW) et la puissance apparente de la composante fondamentale 50Hz. En l'absence d'harmoniques, le facteur de puissance total (FP) est égal au facteur de puissance de déplacement (dPF).

Le facteur de puissance (FP) est le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente dans toutes les conditions.

Types de cécité représentés schématiquement - Réduire la cécité des livres blancs

La résilience en pratique

Le tableau ci-dessous résume quel type de puissance réactive prévaut dans quel type d'installation. Ce tableau est indicatif et représente une moyenne d'au moins 250 mesures pratiques. Si vous souhaitez connaître avec certitude le comportement de votre installation, nous vous conseillons d'effectuer (ou de faire effectuer) une mesure de la qualité de l'énergie. En savoir plus sur les mesures (temporaires) de la qualité de l'énergie. En savoir plus sur les mesures (temporaires) de la qualité de l'énergie.

 

    Réactivité réactive inductive     Puissance réactive capacitive     Puissance réactive harmonique   
   Industrie - conventioneel    ▲▲▲  
   Industrie - moderne ▲▲▲
   Hôpitaux ▲▲

▲▲

   Centres de données
   Bureaux ▲▲ ▲▲
   Marine & Offshore ▲▲

 

La tendance générale est à l'utilisation de l'électronique et des lecteurs électroniques:

  • La puissance réactive inductive diminue;
  • La puissance réactive capacitive augmente;
  • La puissance réactive harmonique augmente.

 

Effets néfastes de la puissance réactive

Amendes et réclamations

Boete en claims - White paper blindvermogen reduceren

Une puissance réactive excessive peut entraîner une amende de la part de l'opérateur du réseau. Une puissance réactive trop importante entraîne une charge supplémentaire pour l'exploitant du réseau. Dans le cas de la puissance réactive harmonique, le gestionnaire de réseau peut faire une réclamation si les valeurs limites sont dépassées.

Surcharge du système

La puissance réelle (kW) et la puissance réactive (kVar) doivent être additionnées pour obtenir la puissance totale (kVA) qui doit pouvoir circuler dans l'installation. Par rapport au modèle du verre à bière, cela signifie que nous ajoutons la bière et la mousse ensemble. Pour éviter l'inondation du verre à bière, nous devons investir dans un verre à bière plus grand. En pratique, il faudra une plus grande capacité de connexion au gestionnaire de réseau, plus de puissance de transformateur et une installation plus lourde.

Une facture énergétique plus élevée en raison de pertes supplémentaires

Plus de puissance réactive signifie aussi plus de puissance dans l'installation. Plus de courant dans l'installation signifie des pertes plus importantes dues à l'impédance (résistance) de l'installation. C'est ce qu'on appelle aussi les pertes de watts. Cela entraîne l'absorption de plus de kW (P=I2*R). Ces pertes converties en comparaison avec le verre de bière signifient que - aussi fou que cela puisse paraître - il y a plus de bière dans le verre qui n'est pas utilisée efficacement, mais qui est absorbée par la chaleur dans les câbles et les transformateurs par exemple.

Dérivation des transformateurs et des générateurs

La puissance réactive harmonique réduit la capacité disponible des transformateurs et des générateurs. En raison des fréquences plus élevées des harmoniques, des pertes supplémentaires dues au cuivre et aux courants de Foucault ainsi que des pertes supplémentaires dues aux couplages inductifs et capacitifs sont générées. Revenons à la comparaison avec le verre à bière : en raison des courants harmoniques, le verre à bière ne peut pas être complètement rempli.

Plusieurs publications - dont les guides d'application de l'EEI519 - publient des courbes de notation. Sur la base de ces publications et de nos propres expériences de mesure, nous utilisons les lignes directrices suivantes pour le déclassement des transformateurs et des générateurs. 

   % de charge électronique par rapport au total       Transformateur de déclassement   
   Générateur de déclassement**   
25% 0,8 0,6
50% 0,6 0,45
100% 0,5 0,4

 Générateurs défaillants

Les commandes des générateurs ont des problèmes avec les courants capacitifs. La tension de sortie devient alors instable. La puissance réactive capacitive doit en tout cas être inférieure à vingt pour cent de la puissance nominale du générateur. Pour un fonctionnement stable du générateur, nous recommandons toutefois d'éviter la puissance réactive capacitive dans son ensemble.

Réduire la puissance réactive

Il y a donc toutes les raisons de réduire le pouvoir aveugle non désiré. Il existe trois solutions de base pour réduire la puissance réactive :

  • Banque Cos-phi (banque de condensateurs)
  • Générateur VAR statique (amélioration du cos-phi électronique)
  • Filtre dynamique actif / filtre harmonique

Avec une banque Cos-phi / banque de condensateurs

la batterie de condensateurs est la solution la plus connue pour réduire la puissance réactive et elle est utilisée depuis des décennies. La batterie de condensateurs est - comme son nom l'indique - une armoire pleine de condensateurs qui fournit la puissance réactive de la bobine. Cela signifie que la puissance réactive de la batterie de condensateurs a disparu et qu'un cos-phi de 1 est mesuré.

Werking van een condensatorbank - White paper blindvermogen reduceren

Par exemple, si la charge absorbe 50kVar de puissance réactive inductive, et que nous plaçons devant elle une batterie de condensateurs d'une capacité de 50kVar, l'induction complète est annulée et le cos-phi passe dans le transformateur 1.

Toute la puissance réactive inductive est fournie par la batterie de condensateurs. Le distributeur principal, le transformateur et le branchement du client sont ainsi soulagés, ce qui crée un espace de puissance supplémentaire.

Avantages de la batterie de condensateurs:

  • Relativement bon marché
  • Une technique simple
  • Modulaire

Inconvénients banque de condensateurs:

  • Relativement lent en raison de la commutation du relais temporisé
  • Surchargeable par les courants harmoniques
  • Ne s'adapte pas aux changements de la grille
  • Un condensateur obsolète peut provoquer une accumulation indésirable d'harmoniques     

 

Une batterie de condensateurs ne doit absolument pas être utilisée:

  • dans un réseau à puissance capacitive, avec danger de résonance et d'incendie;
  • dans une installation avec beaucoup de puissance harmonique, le condensateur est un court-circuit à des fréquences plus élevées;
  • dans les installations où les équipements connectés peuvent changer;
  • dans le cas de charges et de processus dynamiques en évolution rapide.

Avec un générateur VAR statique (SVG)

Un générateur statique de VAR (SVG) est une compensation électronique rapide et continue du courant sans condensateur. Le SVG mesure le courant inductif [1] et injecte un courant qui est décalé en phase avec la tension [2] de telle sorte que le courant pour le filtre [3] soit parfaitement en phase avec la tension.

Werkingsprincipe van een statische VAR-generator - White paper blindvermogen reduceren

Principe de fonctionnement d'un générateur VAR statique

Avantages du SVG par rapport à une batterie de condensateurs:

  • Compenser la puissance réactive inductive et capacitive
  • Temps de réponse très rapide (<20 ms)
  • Rapide et variable en continu, de sorte qu'une sur- ou sous-compensation n'est pas possible
  • Plus compact, plus léger
  • Moins de pertes d'énergie
  • Non surchargeable et insensible à la résonance et aux interharmoniques
  • Sans entretien

 

Over- of ondercompensatie met statische VAR generator - White paper blindvermogen reduceren
Avec un générateur VAR statique, il n'est pas possible d'obtenir une compensation supérieure ou inférieure.

Générateur de VAR statique (SVG) défavorable:

  • Un prix d'achat plus élevé qu'une batterie de condensateurs

Les domaines d'application typiques d'une SVG sont les suivants:

  • Dans les installations dont la charge change rapidement et où une batterie de condensateurs est trop lente
  • Dans les réseaux capacitifs où le générateur de secours ne fonctionne pas correctement
  • Dans les installations ayant des phases de charge similaires et nécessitant plus d'espace 

Avec un filtre harmonique actif (AHF)

Un filtre harmonique actif (AHF) filtre les courants harmoniques avec un principe de fonctionnement basé sur le principe de "noise-cancelling". Le filtre mesure la pollution du courant [1] et injecte un contre-courant [2] qui est formé de telle sorte que le courant du filtre [3] redevient proprement sinusoïdal. Cela permet de compenser toute la puissance réactive harmonique. Le filtre harmonique est également capable de compenser la puissance réactive inductive et capacitive, ce qui rend un tel filtre universellement utilisable et non surchargeable.

Werkingsprincipe van een actief filter - White paper blindvermogen reduceren
Principe de fonctionnement d'un filtre actif

Toute la puissance réactive harmonique est fournie par le filtre actif. Le distributeur principal, le transformateur et le branchement du client sont ainsi soulagés, ce qui crée un espace de puissance supplémentaire.

Avantages du filtre harmonique actif:

  • Compenser la puissance réactive inductive, capacitive et harmonique.
  • Encore plus de puissance en limitant le déclassement du transformateur de puissance
  • Temps de réponse très rapide (<5 ms) et adaptation continue à la charge
  • Tous les problèmes de qualité de l'énergie peuvent être résolus
  • Moins de pertes, une empreinte plus faible
  • Pas de surcharge et insensible à la résonance et à l'interharmonique

Désavantage le filtre harmonique actif:

  • Prix d'achat plus élevé que la banque de condensateurs

En plus de réduire la puissance réactive harmonique, un filtre actif est capable de s'attaquer à tous les problèmes de qualité de l'énergie. Un effet secondaire d'un filtre actif est d'améliorer la qualité du voltage. En d'autres termes: un filtre actif assure des processus commerciaux plus stables, une plus longue durée de vie des équipements électroniques et beaucoup moins de pannes indésirables. Dans le même temps, il est conforme aux normes internationales en matière de qualité du voltage. De cette manière, les garanties sur les équipements sont évitées. En outre, un filtre actif peut éliminer une charge inégale sur les phases, ce qui entraîne un espace de puissance supplémentaire et moins de pertes de watts dans l'installation. 

 

En savoir plus sur les filtres harmoniques et dynamiques actifs

Compensation centrale ou décentralisée?

La question est souvent posée de savoir si la compensation doit être assurée de manière centralisée ou décentralisée. L'importance des capacités de compensation requises, la structure de l'installation et les possibilités d'installation sur place déterminent la meilleure solution.

Sans compensation, la puissance réactive totale circule dans tout le système. La puissance réactive est appliquée aux tableaux de distribution, au distributeur principal, à la protection principale et au transformateur.

Compensation décentralisée

Dans le cas d'une compensation décentralisée, le système de compensation est placé auprès des consommateurs.

Decentraal compenseren - White paper blindvermogen reduceren

Avantage de la compensation décentralisée:

  • L'ensemble de l'installation est délesté du courant aveugle

Inconvénients d'une compensation décentralisée:

  • Coûts d'achat et de maintenance plus élevés qu'avec une compensation centrale
  • Coûts d'installation relativement élevés car le système de compensation est placé au niveau du collecteur 

Compensation centrale

Avec la compensation centrale, le système de compensation est souvent placé sur le distributeur principal de l'installation (directement derrière le transformateur). La protection principale, le transformateur et la connexion principale sont ainsi libérés de la puissance réactive. Cependant, la puissance réactive reste dans le câblage interne et les tableaux de distribution.

Centraal compenseren - White paper blindvermogen reduceren

Avantages de la compensation centrale:

  • Réduction des coûts d'achat et de maintenance
  • Coûts d'installation relativement faibles dans la pièce où se trouve le distributeur principal basse tension
  • Les principaux composants de l'installation sont déchargés du courant aveugle

Inconvénient de la compensation centrale:

  • Les distributeurs et le câblage vers et depuis les distributeurs sont toujours chargés du courant aveugle

 

En résumé

La puissance apparente est la somme de la puissance active (puissance effective) et de la puissance réactive (puissance non effective). La puissance réactive n'est pas convertie en énergie utile et peut consister en une puissance réactive inductive, capacitive et harmonique ou une combinaison de celles-ci. L'utilisation de l'électronique réduit la puissance réactive inductive et augmente la puissance réactive harmonique et capacitive. Lorsque la puissance réactive augmente, la puissance apparente augmente et donc la capacité requise de l'installation. La puissance réactive harmonique réduit également la capacité disponible en raison du dératisation des transformateurs et des générateurs.

La puissance réactive inductive peut être réduite en utilisant une batterie de condensateurs. Grâce à un filtre dynamique actif, tous les types de puissance réactive peuvent être réduits et le dératisation du transformateur ou du générateur est réduite. En conséquence, la lame coupe sur deux côtés.

Une mesure et un contrôle continus sont nécessaires pour déterminer le système de compensation correct et pour le surveiller.

La réduction de la puissance réactive conduit à:

  • Puissance réduite en raison de l'installation, du transformateur et du raccordement au réseau
  • Moins de pertes de watts, donc une facture énergétique moins élevée
  • Une capacité de transformateur ou de générateur disponible plus importante si un filtre actif est utilisé

La compensation à appliquer dépend du type de puissance de l'installation.

 

   Type de pouvoir       Inductif, stable   
   Inductif, en évolution rapide       Puissance réactive capacitive       Puissance réactive harmonique   
Solutions possibles 
Filtre actif
SVG
Cos-phi bank

Filtre actif
SVG

Filtre actif
SVG

Filtre actif

Un plan en dix étapes

Arriver délibérément à la bonne solution

La simple installation de batteries de condensateurs ou de filtres actifs semble facile mais n'est pas rentable et peut même être dangereuse. Le placement de batteries de condensateurs dans des installations comportant trop d'harmoniques peut entraîner des résonances dues à l'interaction des courants harmoniques et des condensateurs dans la compensation du courant aveugle. En outre, elle peut entraîner une surcharge de la batterie de condensateurs avec toutes ses conséquences. Placer un filtre actif si ce n'est pas vraiment nécessaire ou si l'effet escompté n'est pas atteint, est un gaspillage d'argent.

Il est donc important de procéder d'abord à une mesure - de préférence sur une période plus longue - permettant de déterminer la technique et la capacité de compensation correctes. Pour l'installation d'un système de compensation au fortop, nous passons toujours par un plan en dix étapes.

Plan en dix étapes
  Étape 1   Placement d'une mesure permanente ou d'une mesure temporaire
  Étape 2   Détermination des techniques de compensation correctes sur la base de données de mesure
  Étape 3   Détermination des techniques de compensation correctes sur la base de données de mesure
  Étape 4   Ingénierie, consultation des parties intéressées sur la méthode d'installation
  Étape 5   Orientation et supervision possibles lors de l'installation du système de filtrage
  Étape 6   Mise en service du système de compensation
  Étape 7   Mesure de validation
  Étape 8   Préparation du rapport de livraison
  Étape 9   Suivi permanent du système
  Étape 10   Effectuer un entretien annuel et donner des conseils en cas de modification de l'installation

 

Un seul point de contact pour toutes les parties

Mesure, suivi, mise à niveau, mise en service et maintenance

La gestion de l'énergie est un processus d'amélioration continue qui consiste à mesurer, contrôler et améliorer dans le but d'économiser l'énergie, d'éviter les temps d'arrêt et d'utiliser l'installation de manière optimale. Fortop dispose en interne d'une équipe de spécialistes techniques qui peuvent vous guider à travers toutes ces étapes de la gestion de l'énergie. Du choix des bons compteurs à chaque niveau à la mise en service et à la maintenance des logiciels et des systèmes de compensation active. Nous vous aidons à élaborer et à mettre en œuvre le plan en dix étapes

 

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