Qu'est-ce que la compensation de puissance réactive et comment le montant de la compensation est-il calculé ?

Dans votre travail quotidien, vous rencontrez souvent cette question : la capacité des transformateurs se mesure en kilovolts-ampères (kVA), la puissance de sortie des moteurs en kilowatts (kW) et la puissance de compensation des condensateurs en vars ou kilovars (var). Pourquoi existe-t-il trois termes différents pour désigner les unités qui représentent toutes l’énergie électrique ?

Cela nous amène au sujet que nous aborderons aujourd'hui : la relation inhérente entre la puissance réactive (unité : var ou kvar), la puissance active (unité : W ou kW), la puissance apparente (unité : VA ou kVA) et le facteur de puissance.

 

I. Dans le réseau électrique, la puissance électrique fournie par la source à la charge peut être classée en deux types : la puissance active et la puissance réactive.

(1) Puissance réactive (Q) :
De nombreux appareils électriques fonctionnent selon les principes de l'induction électromagnétique, tels que les transformateurs de distribution et les moteurs. Les moteurs nécessitent l’établissement et le maintien d’un champ magnétique rotatif pour entraîner le rotor, qui à son tour entraîne le mouvement mécanique. Le champ magnétique du rotor dans un moteur est généré en tirant de la puissance réactive de la source d'alimentation.
Les transformateurs nécessitent également de la puissance réactive pour générer un champ magnétique dans l’enroulement primaire et induire une tension dans l’enroulement secondaire. Par conséquent, sans puissance réactive, les moteurs ne tourneraient pas, les transformateurs ne pourraient pas transformer la tension et les contacteurs CA ne s’enclencheraient pas. Les générateurs peuvent produire de la puissance réactive et les condensateurs peuvent fournir de la puissance réactive-c'est la base de la compensation de puissance réactive.

(2) Puissance active (P) :
La puissance active fait référence à la part de l’énergie électrique qui peut être directement convertie en d’autres formes d’énergie et consommée. Par exemple, un moteur convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. Sans tenir compte de l'efficacité, un moteur de 11 kW peut convertir 11 kWh d'énergie électrique en une quantité équivalente d'énergie mécanique par heure. Une lampe à incandescence de 100 W convertit 0,1 kWh d'énergie électrique en énergie lumineuse par heure. De même, un radiateur de 1 kW convertit 1 kWh d'énergie électrique en énergie thermique par heure. La puissance active est la puissance électrique qui peut être directement transformée en d’autres formes d’énergie.

(3) Puissance apparente (S) :
En un sens, la puissance apparente est la combinaison de la puissance active (P) et de la puissance réactive (Q). Pour les sources d’énergie, la puissance apparente comprend à la fois la puissance active et la puissance réactive. Par exemple, la puissance fournie par un transformateur comprend à la fois des composants actifs et réactifs, c'est pourquoi la capacité des transformateurs est exprimée en puissance apparente, mesurée en kilovolts-ampères (kVA).

 

II. La relation entre la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente

Pour expliquer la relation entre ces trois éléments, nous devons d’abord comprendre ce qu’est le facteur de puissance.

Dans un circuit alternatif, le cosinus de la différence de phase (Φ) entre la tension et le courant est appelé facteur de puissance, noté cosΦ. Numériquement, le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente, c'est-à-dire cosΦ=P/S.

 

 

(1) Qu’est-ce que la puissance réactive exactement ?

Sur la base des relations illustrées par le triangle de puissance, le triangle de tension et le triangle d'impédance, la puissance réactive peut être simplement comprise en termes pratiques comme suit :
Dans un circuit électrique, les composants purement résistifs consommentpuissance active (P), tandis que les composants inductifs (tels que les bobines de réacteur, les enroulements de transformateur et les stators ou rotors de moteur) consommentpuissance réactive (Q). D'autre part, les composants capacitifs fournissent de la puissance réactive (Q) - par exemple, les condensateurs et les générateurs synchrones. (Remarque : lorsqu'un générateur synchrone fonctionne, ses enroulements se comportent de manière capacitive, ce qui signifie qu'il fournit à la fois de la puissance active et de la puissance réactive.)

Ainsi, un résumé simple est le suivant :
Les composants inductifs ou capacitifs sont les consommateurs et les fournisseurs de puissance réactive.

(2) Quels sont les impacts négatifs de la puissance réactive ?

Réduit la puissance active de sortie des générateurs
En effet, la capacité totale (c'est-à-dire la puissance apparente S) d'un générateur est fixe. Si trop de puissance réactive Q est fournie, la puissance active P diminuera en conséquence ; sinon, le générateur pourrait surcharger.

Réduit la capacité d’alimentation électrique des équipements de transmission et de distribution
La logique est la même que pour les générateurs.

Augmente les pertes de tension de ligne
À mesure que la composante du courant réactif dans le circuit augmente, le courant total augmente également. La chute de tension (δU=IZ) est proportionnelle au courant. Des chutes de tension plus importantes nécessitent une augmentation de la section transversale des conducteurs, ce qui entraîne des coûts d'investissement plus élevés.

 

(3) Les avantages de la puissance réactive

De nombreux appareils électriques fonctionnent selon les principes de l'induction électromagnétique, tels que les transformateurs de distribution et les moteurs.

Les moteurs nécessitent l’établissement et le maintien d’un champ magnétique rotatif pour entraîner le rotor, qui à son tour entraîne le mouvement mécanique. Le champ magnétique du rotor dans un moteur est généré en tirant de la puissance réactive de la source d'alimentation.

De même, les transformateurs ont besoin de puissance réactive pour créer un champ magnétique dans l’enroulement primaire, induisant ainsi une tension dans l’enroulement secondaire.

Donc, sans puissance réactive :

Les moteurs ne tourneraient pas,

Les transformateurs ne pouvaient pas transformer la tension,

Les contacteurs CA ne s'enclencheraient pas.

Il en ressort clairement que la puissance réactive joue un rôle de soutien dans la conversion et la transformation de l’énergie électrique. Sans puissance réactive, les champs magnétiques ne peuvent pas être établis et l’énergie électrique ne peut pas être convertie en énergie mécanique.

 

III. Comment effectuer une compensation de puissance réactive et calculer le montant de la compensation ?

Ci-dessus, nous avons analysé ensemble les rôles et les inconvénients de la puissance réactive. Les principaux inconvénients sont les suivants : premièrement, cela augmente la capacité des transformateurs et la section transversale des conducteurs, ce qui augmente indirectement les coûts du projet ; Deuxièmement, après le fonctionnement, le facteur de puissance ne doit pas descendre en dessous de 0,9, sinon la compagnie d'alimentation électrique imposera des amendes.

Par conséquent, lors de la conception technique, nous devons pleinement prendre en compte cette question. Dans les systèmes d'alimentation électrique sans générateurs, des condensateurs parallèles sont généralement utilisés pour améliorer le facteur de puissance des sous-stations. Le principe est de fournir localement de la puissance réactive, éliminant ainsi la nécessité de puiser de la puissance réactive sur le réseau. Cette approche réduit non seulement la capacité requise des transformateurs, mais améliore également le facteur de puissance du côté du comptage.

 

(1) Sélection des méthodes de compensation des condensateurs

1. Lorsque vous utilisez des condensateurs de puissance shunt comme dispositifs de compensation de puissance réactive artificielle, afin de minimiser les pertes de ligne et les chutes de tension, la compensation doit être équilibrée localement. Cela signifie que la puissance réactive dans les sections basse-tension doit être compensée par des condensateurs basse-tension, tandis que la puissance réactive dans les sections haute-tension doit être compensée par des condensateurs haute-tension.

S'il n'y a pas de charge haute-tension, les dispositifs à condensateur shunt ne doivent pas être installés du côté haute-tension.

Lors de la compensation individuelle locale d'un équipement alimenté par un moteur, le courant nominal du condensateur de compensation ne doit pas dépasser 0,9 fois le courant d'excitation du moteur.

Lors des calculs de charge électrique, la puissance réactive compensée doit être incluse.

2. Les modes de commutation des batteries de condensateurs de compensation sont divisés en manuel et automatique.

La commutation manuelle convient aux batteries de condensateurs compensant la puissance réactive de base à basse tension-, ainsi qu'aux batteries de condensateurs à haute tension-avec une demande de puissance réactive stable et des commutations peu fréquentes.

Pour éviter une sur-compensation ou une tension excessive lors de charges légères, qui pourraient endommager certains équipements électriques, une commutation automatique est recommandée.

Si les effets des dispositifs de compensation automatique haute-et basse-tension sont similaires, les dispositifs de compensation automatique-basse tension doivent être préférés.

3. Méthodes de régulation pour la compensation automatique de la puissance réactive :

Pour une compensation visant principalement des économies d'énergie, des paramètres tels que la puissance réactive peuvent être utilisés pour la régulation.

Pour les charges à impact, les charges à changement dynamique-rapide et les charges triphasées-déséquilibrées, des thyristors (commutateurs électroniques) peuvent être utilisés pour le contrôle, garantissant un fonctionnement fluide sans courants d'appel, offrant de bonnes performances dynamiques et permettant un contrôle séparé des phases-pour les effets d'équilibrage triphasés.

4. Lors du regroupement de condensateurs, la compatibilité avec les paramètres techniques des équipements de support doit être assurée. La plage admissible d'écart de tension doit être respectée et des efforts doivent être faits pour réduire le nombre de groupes tout en augmentant de manière appropriée la capacité de chaque groupe.

La commutation de condensateurs groupés ne doit pas induire de résonance.

5. Les batteries de condensateurs haute - tension doivent de préférence être connectées en série avec des réacteurs de taille appropriée, tandis que les batteries de condensateurs basse - tension doivent augmenter la capacité de commutation à l'aide de contacteurs de commutation dédiés ou de thyristors pour réduire les courants d'appel pendant la commutation.

Sur les lignes fortement affectées par les harmoniques provenant des équipements électriques, les réacteurs doivent être connectés en série avec les batteries de condensateurs.

 

(2) Calcul de la capacité de compensation du condensateur

 

L’objectif est de déterminer la puissance réactive Qc (kvar) requise pour