Les différentes formes de puissance dans les systèmes de génération électrique incluent la puissance active, réactive et apparente, toutes conduisant à l’introduction de l’efficacité du « facteur de puissance » dans un circuit AC.
La puissance active, réactive et apparente font partie des diverses formes de puissance dans les systèmes d’énergie électrique, toutes conduisant à l’introduction de l’efficacité du « facteur de puissance » dans les circuits AC. Les circuits AC transfèrent de l’énergie aux charges résistives et réactives. En ce qui concerne les charges purement résistives, l’énergie est dissipée de la même manière que le courant continu dissipe l’énergie dans une résistance.
Qu’est-ce que la Puissance ?
La puissance électrique est le taux auquel l’énergie est transférée vers ou depuis une partie d’un circuit électrique. Dans un circuit électrique, la puissance est égale à la différence de tension à travers l’élément multipliée par le courant \(V \times I\). La puissance est mesurée en watts \(1W=1J\)/\(s\)
$$Puissance~électrique = Tension \times Courant$$
$$P = V \times I$$
$$P = I^2 \times R$$
$$P = \frac{V^2}{R}$$
Ces équations sont dérivées de la loi d’Ohm, qui est \(V = I\times R\) où V = Tension ou différence de potentiel dans le circuit, I = courant, et R = résistance dans le circuit.
Figure 1. La mesure de l’AC est un élément majeur de la vérification de la génération et de la dissipation de la puissance dans les grandes charges. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Canva
Puissance Instantanée
La puissance instantanée désigne la puissance à un instant donné ou à tout moment et peut s’écrire de la manière suivante :
$$P (t) = V (t) \times I (t)$$
Dans un circuit DC, la puissance nécessaire pour qu’une tension V force un courant I à travers un circuit est égale à V multiplié par I. De même, si un courant alternatif passe par le circuit, la puissance requise à chaque instant est égale à la valeur de la tension à cet instant multipliée par le courant au même instant. Dans le monde pratique, les charges combinent des éléments résistifs, inductifs et capacitifs à l’extrémité du consommateur.
Il existe trois types de charges.
1. Résistive : où V et I sont en phase, et la puissance est toujours positive, comme les résistances de freinage, les radiateurs et les ampoules
2. Inductive : le courant est en retard par rapport à la tension comme pour les moteurs, ventilateurs et transformateurs
3. Capacitive : le courant est en avance sur la tension (peu d’exemples de charges purement capacitives)
La différence de phase entre le courant et la tension a un effet important sur la puissance fournie, car la tension instantanée correspondant à un certain courant instantané dépend de l’angle entre eux. Par conséquent, dans les circuits de courant alternatif, la puissance ne peut généralement pas être obtenue simplement en multipliant les tensions efficaces et les ampères efficaces, comme c’était le cas pour le courant continu. L’effet de la différence de l’angle de phase entre le courant et la tension sur la puissance doit être pris en compte.
Types de Puissance
Il existe trois principaux types de puissance.
1. Puissance Active (kW, MW, GW)
2. Puissance Réactive (kVAR, MVAR)
3. Puissance Apparente (kVA, MVA)
La Figure 2 décrit l’exemple célèbre utilisé pour comprendre la différence entre les trois types de puissance. Le verre rempli de bière représente la puissance réelle, la mousse sur le dessus est la puissance réactive, et la somme des puissances active et réactive est la puissance apparente dans le système.
Figure 2. Analogique célèbre pour décrire la puissance active, réactive et apparente
Puissance Active ou Réelle
La puissance active est souvent appelée puissance réelle, effective, utile ou vraie. Dans les circuits DC, la puissance est simplement la tension à travers la charge multipliée par le courant qui la traverse parce que, dans les circuits DC, il n’y a pas d’angle de phase entre la tension et le courant ; par conséquent, il n’y a pas de facteur de puissance dans les circuits DC. En d’autres termes, la tension et le courant sont en phase, ce qui signifie que la tension et le courant commencent en même temps, atteignent un pic, puis touchent à nouveau zéro en même temps.
$$P = V \times I~pour~les~circuits~DC$$
Les circuits AC ont un angle de phase entre la tension et le courant exprimé avec la composante ajoutée de \(cos \theta\).
Dans un circuit AC monophasé, la puissance active est :
$$P=V \times I\times cos\theta$$
Dans un circuit AC triphasé :
$$P = \sqrt{3} \times V \times I\times cos\theta$$
Dans la Figure 3, le courant et la tension sont en phase, formant un angle de +90 degrés simultanément. La tension positive multipliée par le courant positif génère une puissance positive. Lorsque le courant et la tension sont tous deux négatifs, la puissance reste positive ; par conséquent, dans les deux cas, la puissance est toujours positive, appelée puissance active. La courbe de puissance se situera entièrement au-dessus de l’axe horizontal et reflétera que tout le travail effectué est positif.
Figure 3. Le courant et la tension sont en phase
La puissance réelle (également appelée puissance utile ou puissance en watts) effectue le travail réel dans le circuit et est toujours débitée vers la charge ou est fournie à la charge par le générateur en permanence, comme le montre la Figure 4.
Figure 4. La puissance active circule de la source à la charge
Caractéristiques de la Puissance Active
- Toujours positive et ne change jamais de direction, elle circule toujours de la source vers la charge
- Notée P et mesurée en watts (kW, MW, GW)
- Mesurée à l’aide d’un wattmètre
- Produincieuse chaleur, puissance mécanique et lumière
Puissance Réactive
La puissance réactive se produit dans les circuits AC lorsque la tension et le courant ne sont pas en phase. Son unité est le VAR (volt-ampère réactif). Dans le monde réel, les charges sont une combinaison d’éléments résistifs, inductifs et capacitifs, et il est impossible de déterminer la nature de la charge (petite/grande, domestique/industrielle, inductive/capacitive).
Il existe deux types de réactance :
- Capacitive (négative)
- Inductive (positive)
La puissance peut être positive et négative. Lorsque la puissance circule de la source vers la charge, elle est positive et lorsque la puissance circule de la charge vers la source, elle est appelée puissance négative. En général, la puissance réactive n’est définie que pour les circuits AC et rebondit continuellement entre la source et la charge. Elle est symbolisée par la lettre Q dans la Figure 5.
Figure 5. La puissance réactive circule de la source à la charge, puis revient à la source
Puissance Réactive (Q)
$$Q = V \times I \times sin\theta$$
Caractéristiques de la Puissance Réactive
- Elle change périodiquement de direction, et elle est positive et négative
- Notée par la lettre « Q » et mesurée en VAR, kVAR, MVAR
- Mesurée à l’aide d’un VARmètre
- Les transformateurs et moteurs à induction utilisent de la puissance réactive pour produire un champ magnétique
Les transformateurs ont également besoin de puissance réactive pour générer un champ magnétique dans la bobine primaire et induire une tension dans la bobine secondaire. Par conséquent, si la puissance réactive fournie est insuffisante, le transformateur ne transformera pas les tensions, et le moteur ne tournera pas. Les alternateurs synchrones produisent ou absorbent également de la puissance réactive selon l’excitation DC de leur enroulement de champ. Lorsque le générateur est sur-excité, il produit de la puissance réactive et absorbe de la puissance réactive lorsque le générateur est sous-excité.
Puissance Apparente
La puissance apparente combine la puissance active et réactive et s’exprime en volt-ampères ou kilovolt-ampères (kVA). La plupart des charges dans la vie quotidienne (ventilateur électrique, fer à repasser, moteur à induction) sont une combinaison de charges résistives et inductives. La charge résistive consomme de la puissance active, la charge inductive consomme de la puissance réactive, et la puissance totale fournie par la source est la combinaison des puissances active et réactive (puissance apparente).
Puissance Apparente (S):
$$S^2 = P^2 + Q^2$$
Où S = Puissance apparente mesurée en kVA, Q = Puissance réactive en kVAR et P = Puissance active en kW
Caractéristiques de la Puissance Apparente
- Somme des puissances active et réactive
- Notée par la lettre « S »
- Mesurée en VA, kVA, et MVA
Triangle de Puissance
La relation entre les puissances peut être représentée par des vecteurs appelés « Triangle de Puissance ». La puissance active est représentée horizontalement, tandis que la puissance réactive est montrée comme un vecteur vertical. La puissance apparente relie les vecteurs actif et réactif. Si l’angle “θ” entre les puissances active et apparente augmente, la puissance réactive augmente.
Figure 6. Le triangle de puissance décrit la relation entre les puissances active, réactive et apparente.
Facteur de Puissance
Le facteur de puissance est un concept important dans un système électrique. Un bon facteur de puissance détermine la qualité de la conception et l’utilisation efficace de l’alimentation dans le système électrique. Il montre la relation de la puissance réelle avec la puissance apparente et est simplement le ratio de la puissance active (réelle) en watts à la puissance apparente en voltampères.
$$Facteur~de~Puissance = \frac{Puissance~Active}{Puissance~Apparente}$$
Un facteur de puissance de 1.0 est appelé « facteur de puissance unitaire » ou facteur de puissance de 100 %, ce qui signifie que le courant et la tension sont « en phase ». Cependant, il est impossible d’atteindre un facteur de puissance de 100 % dans toutes les parties du système de puissance. Dans les lignes de transmission, un haut facteur de puissance est nécessaire pour réduire les pertes de transmission et il est également préférable pour une charge inductive comme un moteur de fonctionner efficacement et d’éviter la surchauffe.
La question est : Que signifie le facteur de puissance ? Supposons que le facteur de puissance soit de 0.8. Cela signifie que, sur 100 %, le système consomme 80 % de puissance active et 20 % de puissance réactive. C’est l’importance du facteur de puissance, indiquant la quantité totale de puissance active dans le système. Le facteur de puissance est un terme important dans un système de puissance AC si la tension et la puissance du système sont constantes alors le facteur de puissance est inversement proportionnel.
$$Courant~de~Ligne \propto \frac{1}{Facteur~de~Puissance}$$
L’expression de la puissance triphasée est écrite comme suit :
$$P = \sqrt{3} \times V \times I \times cos\theta$$
Donc,
$$I = \frac{P}{\sqrt{3} \times V \times cos\theta}$$
Donc, les facteurs \(P\), \(\sqrt{3}\), et \(V\) sont constants, par conséquent, le courant est inversement proportionnel à \(cos \theta\), c’est-à-dire \(I \propto 1\)/\(cos \theta\). Si le facteur de puissance du système est faible, le courant du système devient grand.
Inconvénients d’un Faible Facteur de Puissance
- Le courant du système est élevé si le facteur de puissance du système est plus bas.
- Grande cote KVA de l’équipement : les alternateurs, transformateurs et appareils de commutation sont notés en KVA car nous savons que \(KVA=KW\)/\(cos \theta\), donc si vous avez besoin de puissance en KW de la machine, le KVA de la machine doit être plus élevé. Par conséquent, pour augmenter la capacité de transport de courant de la machine, les parties conductrices de la machine doivent avoir une section plus grande, rendant la machine plus grande, plus lourde et plus chère.
- Taille plus grande des conducteurs : à faible facteur de puissance, la transmission de la même quantité de puissance nécessite une section plus grande du conducteur. Cela est dû au fait qu’un courant plus élevé est nécessaire pour satisfaire la demande de puissance utile du consommateur dans des conditions de faible facteur de puissance.
- Grandes pertes en cuivre : Comme nous le savons déjà, le courant est inversement proportionnel au facteur de puissance ; par conséquent, si le facteur de puissance du système de puissance est faible, le courant augmentera. \(I \propto 1\)/\(PF\). Les pertes en ligne augmentent par \(I^2 \times R\), ce qui entraîne une faible efficacité du système.
- Un faible facteur de puissance inductif cause des chutes de tension élevées dans les alternateurs et transformateurs.