Référence : Mesure de puissance électrique sur les pompes à

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RESEAU HITACHI
Référence : Mesure de puissance électrique sur les pompes à chaleur Inverter
Date : lundi 16 mars 2015
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1. Rappels sur la notion de puissance électrique :
La puissance électrique que l'on note souvent P et qui a pour unité le watt (symbole W) est le produit de la
tension électrique aux bornes de laquelle est branché l'appareil (en volts) et de l'intensité du courant électrique
qui le traverse (en ampères) pour des appareils purement résistifs.
(Source : http://fr.wikipedia.org)
En courant continu, la puissance électrique Pa (en Watt) absorbée par un récepteur soumis à une tension U
(en Volt V) et traversé par un courant d’intensité I (en Ampère) est :
Pa = U x I
En régime sinusoïdale (courant alternatif monophasé), le produit U x I ne représente pas toujours la
puissance réelle absorbée. Le produit U x I est appelé puissance apparente S et s’exprime en Voltampère
(VA) :
S=UxI
Pourquoi la puissance absorbée est-elle inférieure à la puissance apparente ?
Il faut en fait tenir compte du déphasage (décalage temporel) entre le signal de tension et le signal d’intensité.
Selon les propriétés du récepteur (pas forcément purement résistif), le déphasage peut être plus ou moins
important. Dans l’exemple ci-dessous, sur les intervalles de temps hachurés, la tension et l’intensité sont de
signes contraires. Cela signifie que le dipôle ne fonctionne pas comme un récepteur qui consomme de
l’énergie, mais comme un générateur qui fournit de l’énergie au réseau.
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Expérimentalement, on constate que
cos ϕ, ϕ étant le déphasage entre la tension U et l’intensité I.
La puissance active est donc donnée par Pa = U x I x cos ϕ
En régime sinusoïdal, le courant et la tension ont donc pour expression :
où U et I sont les valeurs efficaces de la tension et du courant, et φ est le déphasage de la tension par rapport
au courant.
Le produit de ces deux grandeurs a pour expression :
Le premier terme de la somme est appelé puissance active, le deuxième terme de la somme puissance
fluctuante. La valeur de cos(φ) correspond au facteur de puissance en régime sinusoïdal.
Exemple :
La courbe ci-dessus représente la puissance consommée par un dipôle soumis à une tension sinusoïdale de
valeur efficace égale à 230 V, traversé par un courant également sinusoïdal de valeur efficace égale à 18 A et
dont le facteur de puissance est égal à 0,8. On constate que la puissance instantanée varie entre +7,45 kW et
-0,83 kW soit une amplitude de variation de 8,3 kW (2UI) et une moyenne d'environ 3,3 kW : = UI cos φ.
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Puissances en régime sinusoïdal de tension et en régime non sinusoïdal de courant :
Ce cas est très important : la distribution de l'électricité se fait en régime sinusoïdal de tension (si l'on fait
abstraction de la pollution du réseau), mais une grande quantité des récepteurs utilisés par les particuliers ou
les industriels appellent des courants non-sinusoïdaux du fait des convertisseurs de l'électronique de
puissance qui sont utilisés pour les alimenter. En particulier, la majorité des appareils électroniques
grand-public sont alimentés à travers un montage redresseur qui absorbe un courant alternatif en forme de
pics. Cela est justement le cas pour les pompes à chaleur mettant en œuvre des compresseurs
inverters.
Le signal d’intensité est en fait composé de plusieurs signaux : signal fondamental et des signaux
harmoniques. Seul le premier harmonique (le signal fondamental) transporte la puissance active.
La puissance active sera donc :
Conclusion sur ces rappels : pour les pompes à chaleur alimentées par un signal électrique sinusoïdale
monophasé, la puissance active (en Watt, puissance facturée sur un tarif bleu) est définie par :
Pa = U x I x cos ϕ, la valeur de cos(φ) correspondant au facteur de puissance de l’appareil concerné.
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2. Exemples de mesures de puissance sur une pompe à chaleur :
Nous avons réalisé des mesures sur un système YUTAMPO à l’aide d’un analyseur de réseau (oscilloscope
électronique branché sur la phase et le neutre de l’alimentation commune ballon et groupe).
Signaux de tension et d’intensité compresseur à l’arrêt :
Constats :
-
Tension avec un signal sinusoïdale « propre »
-
Intensité avec un signal très déformé (fort taux de distorsion, présence de signaux harmoniques)
-
Facteur de puissance PF = 0.08 en moyenne
-
Puissance active en W : 16 à 16.5 W (237 * 0.8 * 0.08 = 15.16)
-
Puissance apparente en VA : proche de 200 VA (U = 237 V, I = 0.8 A, U x I = 189.6 VA)
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Signaux de tension et d’intensité compresseur en fonctionnement :
Constats :
-
La tension conserve un signal sinusoïdal « propre »
-
Le signal d’intensité change nettement, tout en restant déformé (fort taux de distorsion, présence de
signaux harmoniques)
-
Facteur de puissance PF = 0.7 en moyenne, soit presque x10 par rapport à sa valeur à l’arrêt
-
Puissance active en W : entre 426 et 618 W, pour une puissance apparente entre 602 et 831 VA
(rapport de 0,7 correspondant au facteur de puissance)
En première conclusion, il apparait que le facteur de puissance sur cet appareil n’est ni égal à 1, ni constant
selon si le compresseur est à l’arrêt ou en fonctionnement. Lorsque le compresseur est à l’arrêt, le très faible
facteur de puissance induit une puissance électrique active très faible, de l’ordre de 15 W, pour une puissance
apparente de l’ordre de 190 W.
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Enregistrements des données sur 24 heures :
L’analyseur est laissé en place pendant 24 heures avec le système YUTAMPO à l’arrêt. Nous pouvons alors
vérifier l’évolution des paramètres nous intéressant sur cette période :
Tension d’alimentation : entre 234.8 et 241.3 V
Intensité absorbée : entre 0.8 et 0.9 A, on retrouve la valeur vue précédemment.
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Facteur de puissance : stable autour de 0.08
Puissance active en W : entre 15 et 17 W. Là encore la valeur est stable sur 24h pour cet état.
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Puissance apparente en VA : entre 192 et 206 VA.
Ces enregistrements montrent donc que les valeurs instantanées présentées précédemment sont bien stables
dans le temps. Les légères variations relevées sont essentiellement liées aux variations de la tension
d’alimentation du réseau, cette tension restant dans la plage admise par la réglementation et demandée pour
le matériel concerné.
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3. Applications aux mesures de consommation avec des compteurs d’énergie
Nous avons expliqué que la puissance active (en Watt, puissance facturée sur un tarif bleu) consommée par
un appareil électrique alimenté par une tension sinusoïdale monophasée se calcule de la façon suivante :
Pa = U x I x cos ϕ, la valeur de cos(φ) correspondant au facteur de puissance de l’appareil concerné.
Dans le cas d’un système YUTAMPO, nous avons montré que le facteur de puissance variait en fonction de
l’état du système (compresseur en marche ou à l’arrêt). Les valeurs représentatives mesurées sont les
suivantes :
-
Compresseur à l’arrêt : facteur de puissance = 0.08
-
Compresseur en marche : facteur de puissance = 0.7
La mesure de puissance avec un compteur d’énergie doit donc se faire en tenant compte de ce paramètre
important qu’est le facteur de puissance. Il doit être mesuré en temps réel pour que la mesure de puissance
active absorbée soit correcte.
Sur le marché, il existe différent type de « compteurs d’énergie » : certains appareils sont qualifiés
« d’indicateurs de consommations » et d’autres de « compteurs d’énergie », le distinguo se faisant sur
leur capacité à mesurer en temps réel certains paramètres comme le facteur de puissance.
Compteur KNX ZENIO KES 3 Phases monophasées :
La documentation du compteur indique les points suivants :.
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On retrouve bien la notion de facteur de puissance telle qu’expliquée précédemment.
Cependant ce compteur utilise une valeur fixe du facteur de puissance :
Réglage du parametre sur la configuration du compteur:
Et la définition du facteur de puissance :
La valeur par défaut du facteur de puissance est donc réglée à 1. Etant données les mesures effectuées
précédemment, nous comprenons que ce compteur donnera des valeurs erronées de la puissance active car :
-
La valeur du facteur de puissance est fixe alors que dans notre cas ce facteur varie entre 0.08 et 0.7
(coefficient de 1 à 10).
-
En prenant la précaution de régler le facteur de puissance à 0.7-0.8, la mesure sera cohérente lorsque
le compresseur sera en fonctionnement, mais nettement sur estimée lorsque le compresseur à l’arrêt.
En conclusion sur ce compteur : il ne semble pas adapté à la réalisation de mesure de puissance active sur un
système tel que le YUTAMPO, le facteur de puissance n’étant pas mesuré en temps réel. Si le facteur de
puissance est laissé à sa valeur par défaut (1), il y a aura une forte sur estimation des puissances actives
consommées. En le réglant à 0.7-0.8, la mesure sera correcte en fonctionnement, mais à nouveau fortement
surestimée quand le compresseur sera arrêté (facteur de puissance divisé par 10).
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Compteur (indicateur de consommation) DELTA DORE TYWATT :
La notice ne donne pas d’indication aussi précise que le compteur précédent. Cependant, les caractéristiques
techniques précisent la valeur du facteur de puissance :
Il n’est pas indiqué clairement si le facteur de puissance (cos Phi) est mesuré en temps réel. En tout cas la
plage conseillée est de 0.8 à 1, ce qui ne convient pas complétement à un système tel que le YUTAMPO. Cet
appareil est bien qualifié d’indicateur de consommation et non de compteur d’énergie. Cet appareil n’est pas
destiné à établir des facturations de consommation d’énergie.
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Compteur SIEMENS SENTRON PAC 3200 :
La notice d’utilisation du compteur indique clairement les paramètres mesurés :
On retrouve une mesure en temps réel du facteur de puissance par phase et total, tout comme une mesure de
la puissance active par phase et total.
Exemple d’affichage sur le compteur SIEMENS, compresseur en fonctionnement (groupe RAS-12FSXN):
Tensions simples et composées :
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Intensités absorbées par phase :
Puissance apparente et active instantanées : P / S = 1.7 / 2.2 = 0.77 = Facteur de puissance
Facteur de puissance par phase et total :
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Les mêmes mesures sont faites avec le compresseur à l’arrêt :
Tensions simples et composés :
Intensité absorbée :
Puissance apparente et active instantanées : P / S = 0.3 / 0.02 = 0.066 = Facteur de puissance
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Facteur de puissance par phase et global : 0.05 au lieu de 0.7 en fonctionnement
Ce type de compteur d’énergie semble donc adapté aux mesures de puissance sur de tels systèmes, le
facteur de puissance étant calculé en temps réel, le compteur pouvant géré des facteurs de puissance en
dehors de la plage 0.8-1.
Le tableau ci-dessous donne les ordres de grandeurs des puissances apparentes (U x I en VA), des
puissances actives (en W, ce qui est facturé au consommateur avec un tarif bleu) et du facteur de puissance
selon l’état du système :
Puissance
apparente à
Type d'appareil
l'arrêt
(U x I en VA)
YUTAMPO
SET FREE FSXN
198
200
Puissance
active à
l'arrêt (W)
16
10
Puissance
Facteur de
apparente en
puissance à
marche
l'arrêt
(U x I en VA)
0.08
0.05
600
2200
Puissance
Facteur de
active en puissance en
marche (W)
marche
426
1700
0.71
0.77
Les mesures effectuées avec des compteurs ou des indicateurs de consommation d’énergie non adaptés
peuvent par contre être faussées à cause de l’utilisation d’un facteur de puissance générique et non
représentatif de la valeur réelle de ce paramètre pour les systèmes comme les pompes à chaleur.
Le Service Technique HITACHI France
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