L`influence positive du cosinus phi sur le

Distribution
Efficacité énergétique
...
L’influence positive du cosinus phi sur le changement climatique
Dans les numéros précédents du magazine sont parus plusieurs articles relatifs aux batteries de condensateurs tels « Les nouvelles batteries de condensateurs Varset contribuent à la réduction du réchauffement climatique » et « Varpact contribue à la lutte contre le réchauffement climatique ». Dans cet article, nous rafraîchissons la mémoire sur le lien entre le cosinus phi, la puissance active, la puissance réactive et la puissance apparente. Gamme de condensateurs
de compensation 400 V
P (kW)
φ
Q (kVAr)
S (kVA)
S: puissance apparente
P: puissance active
Q: puissance réactive
φ: déphasage entre la puissance apparente et la puissance active
(égale au déphasage entre le courant et la tension)
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Les moteurs électriques et les appareils à
courant alternatif, qui contiennent des circuits
magnétiques, utilisent deux formes d’énergie :
la puissance active (kW) qui est entièrement
transformée en énergie mécanique et pertes
thermiques et la puissance réactive (kVAr) qui
n’est utilisée que pour la magnétisation du fer
des circuits magnétiques. Le courant watté est
en phase avec la tension du réseau et le courant
réactif est en retard de 90° sur celle du réseau. Le
courant watté et le courant réactif s’additionnent
de manière vectorielle et constituent le courant
apparent ou le courant global qui présente un
déphasage phi par rapport au courant watté et
à la tension de réseau. En d’autres mots, pour
obtenir une même puissance active, un courant
plus important doit parcourir les câbles lorsque le
cos phi est plus faible.
Un premier exemple : pour une puissance active
de 100 kW, un four électrique à résistances
ohmiques absorbe un courant de 144 A sous 3 x
400 V au départ du réseau, alors que ce courant,
pour un moteur d’une puissance mécanique de
100 kW et un cos phi de 0,75, atteindra une valeur
de 192 A, soit une surintensité de 33%.
Deuxième exemple : un transformateur de
1.000 kVA avec un cos phi de 0,5 ne fournira
que 500 kW de puissance active. La centrale
électrique voit bien une charge de 1000 kVA. Et
cette puissance, elle doit aussi la générer. Tout
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Schneidermagazine - n° 41 - Décembre 2008
En bref
Batterie automatique
24 000 V CP254
avec selfs de choc
ceci engendre un surdimensionnement des
centrales électriques, des câbles, des lignes,
des transformateurs, des groupes électrogènes
au diesel et surtout des pertes Joule (chaleur)
supplémentaires.
Ces pertes Joule spécifiques à la circulation
de l’énergie réactive peuvent se calculer sur
base du schéma ci-joint, équivalent au réseau
de distribution entre le transformateur et les
récepteurs. Après calcul, on constate ainsi que
le coefficient multiplicateur des pertes d’énergie
dans un câble a une allure exponentielle
croissante quand le cos phi se dégrade (diminue).
Les pertes annuelles se calculent en fonction du
type de conducteur. Par exemple, pour un câble
spécifique :
Ici intervient la thématique du changement
climatique. Des pertes Joule supplémentaires
signifient une consommation supérieure de
charbon ou de gaz. Lors de la combustion de
combustibles fossiles, on émet du dioxyde de
carbone (CO2), le gaz à effet de serre le plus
important, en plus du méthane (NH4) et du
protoxyde d’azote (N20). L’excès de gaz à effet
de serre fait monter la température à certains
endroits en piégeant les rayons du soleil, ce qui
provoque indirectement le changement climatique.
L’avantage économique de la compensation
du cos phi en devient donc évident. En limitant
les pertes Joule par l’installation de batteries de
condensateurs, les utilisateurs peuvent fournir une
contribution importante visant à réduire la part de
la production énergétique dans les émissions de
CO2 (37%).
L : longueur (m)
D’autres pertes Joule auxquelles on n’est pas très
attentif en général sont celles dans les câbles et
les lignes au sein même de son propre réseau
de distribution électrique. Tout comme pour les
pertes entre la centrale électrique de production
et l’utilisateur, le courant apparent de notre
diagramme vectoriel, bien réel, parcourt les câbles
du circuit électrique depuis le transformateur
MT/BT de l’utilisateur jusqu’aux charges. Il
provoque également un développement de
chaleur dans les conducteurs, appelé pertes
cuivre. Elles sont directement proportionnelles à
la résistance des lignes et au carré du courant.
Ces pertes diminuent le rendement total des
réseaux et augmentent la chute de tension, un
effet indésirable parce que la tension doit rester
constante chez les consommateurs. Les pertes
thermiques sont synonymes d’émissions plus
élevées en CO2, vu que cette énergie thermique
totalement perdue, doit être générée dans la
centrale.
Pertes Joule
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wj = 103RL x
P2
U2
cos2phi
x t
P: puissance de la charge alimentée par le câble (kW)
Ainsi, pour un câble en aluminium d’une section
de 95 mm2 et d’une longueur de 100 mètres
qui alimente pendant 50 heures par semaine
et pendant 50 semaines par an une charge de
100 kW avec un cos phi de 0,8, cela revient à une
perte Joule de 9800 kWh. Avec un cos phi égal à
1 les pertes joules seraient de 6300 kWh/an. Ce
qui représente une économie de 3500 kWh/an.
Vu les augmentations futures du prix de ces kWh,
ces économies potentielles pour les utilisateurs
auront donc tendance à prendre de l’ampleur.
Pour ce qui concerne l’environnement, ces kWh
qui ne doivent plus être produits dans la centrale
électrique représentent donc une autre diminution
des émissions en C02 et autres polluants.
Un mauvais cosinus phi
engendre de nombreux
inconvénients :
les majorations pour
consommations
réactives en terme
de kVArh reprises sur
la facture mensuelle
d’électricité, une
chute de tension dans
les câbles et lignes,
une augmentation
des pertes par un
développement de
chaleur excessif
pendant le transport
de l’électricité et une
augmentation de la
facture énergétique
suite à une
consommation plus
élevée de kWh. Ce
n’est pas tout car un
mauvais cosinus phi
engendre également un
surdimensionnement
des nouvelles
installations (câbles,
lignes, transformateurs,
etc.), et enfin, une
augmentation du rejet
de C02 suite à une
surproduction dans les
centrales, d’où un effet
néfaste sur le climat de
notre planète.
Récepteur
R
X
1
I
U1
U1
R
U2
X
P.Q.S.
2
I
U1
U2
R
X
3
I
U2
S = √ P2 + Q2
S
I=
√3 U2
tan φ =
Q
P
07
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