Amélioration du facteur de puissance dans les moteurs à induction

Après avoir lu cet article, vous en apprendrez plus sur: - 1. Introduction à l’amélioration du facteur de puissance 2. Circuit inductif / capacitif 3. Puissance / Facteur de puissance dans un circuit résistif 4. Puissance / Facteur de puissance dans l’inductance uniquement 5. Puissance / Puissance Facteur de la capacité uniquement. 6. Facteur de puissance en avance et en retard. 7. Effets du faible facteur de puissance, de sa correction et d'autres détails .

Contenu:

  1. Introduction à l'amélioration du facteur de puissance
  2. Puissance dans le circuit inductif / capacitif
  3. Puissance / Facteur de puissance dans l'inductance uniquement
  4. Puissance / Facteur de puissance en capacité uniquement
  5. Facteur de puissance en avance et en retard
  6. Les effets du facteur de puissance faible et sa correction
  7. Mètres de facteur de puissance
  8. Application de condensateurs de puissance
  9. Détermination de la capacité nominale du condensateur
  10. Avantages des condensateurs de puissance
  11. Installations industrielles
  12. Systèmes de transmission

1. Introduction à l'amélioration du facteur de puissance:

Lorsque vous examinez le courant circulant dans un système à courant alternatif alimentant un moteur à induction, vous remarquerez qu'il est supérieur à ce que l'on pourrait attendre des exigences normales du moteur. Par conséquent, comme la charge de la mine comprend principalement des moteurs à induction, il s’ensuit que le courant fourni est plus important que ce qui est réellement nécessaire pour assurer le travail à effectuer.

Cet excès de courant ne se produit que dans les systèmes à courant alternatif et n'a pas d'équivalent dans les systèmes à courant continu. Cela est dû à l’effet de la réactance de l’enroulement de champ sur le cycle du courant alternatif.

2. Puissance dans le circuit inductif / capacitif:

Nous savons que dans un circuit en courant continu, la puissance est fournie par le produit de la tension et du courant. Mais dans un circuit alternatif, ce n'est pas vrai. Si le circuit contient une réactance inductive ou capacitive, le produit de la tension et du courant ne donne pas la puissance réelle mais la puissance apparente. Cette puissance réelle est une fraction de la puissance apparente, cette fraction étant appelée facteur de puissance (PF). Donc,

3. Puissance / Facteur de puissance dans le circuit résistif:

Pour obtenir la forme d'onde de puissance réelle pour une tension et un courant particuliers, il est nécessaire de multiplier les valeurs instantanées de tension et de courant, par exemple, dans un circuit contenant uniquement une résistance, les formes d'onde de courant et de tension sont conformes à la Fig. 19.1.

Prenons le point 5 sur la figure 19.1 (a), la valeur de la tension est donnée par AC et celle du courant par AB. En multipliant ces deux valeurs ensemble, on obtient DE ou le point 5 de la figure 19.1 (b). Lorsque ce processus est répété pour tous les autres points, la courbe de puissance réelle est obtenue.

Maintenant que le circuit ne contient que de la résistance pure, la courbe de puissance réelle doit également être la courbe de puissance apparente.

Pour un circuit purement résistif,

Puissance réelle = Puissance apparente.

. . . Facteur de puissance = 1 = unité.

4. Puissance / Facteur de puissance en inductance uniquement:

Dans un circuit ne contenant qu'une inductance (pas de résistance) et en utilisant le même procédé que ci-dessus, la courbe de puissance réelle peut être obtenue comme indiqué à la Fig. 19.2. Or, à partir de cette figure, on peut voir que pour chaque demi-cycle de tension, il y a deux impulsions de puissance, une positive et une négative.

Pourquoi cela arrive-t-il? Nous voyons que lorsque la tension et le courant sont tous les deux positifs ou tous les deux négatifs, l’inductance est alimentée pour établir un champ magnétique.

Lorsque la tension et le courant sont dans des directions opposées, le champ magnétique s’effondre, ramenant le courant à la source. Et en tant que tel, on remarque que la puissance moyenne utilisée sur un cycle complet est égale à zéro. Cependant, la puissance apparente est le produit de la tension et du courant et a une valeur définie. Donc pour circuit purement inductif

Puissance réelle = 0,

Facteur de puissance = 0 / Puissance apparente = 0

5. Puissance / Facteur de puissance en capacité uniquement:

Lorsqu'un circuit ne contient que des capacités, les formes d'onde du courant et de la tension sont identiques à celles de la Fig. 19.3. Ici comme dans le cas de l’inductance, nous avons deux avantages en puissance pour chaque demi-cycle de tension bien que les positions des impulsions positives et négatives aient été interchangées.

Dans ce cas, lorsque la tension et le courant sont positifs ou négatifs, la capacité est alimentée pour établir un champ électrostatique. Lorsque la tension et le courant sont dans des directions opposées, le champ électrostatique s’effondre, renvoyant l’énergie à la source.

Encore une fois, comme pour l'inductance, bien qu'il n'y ait pas de valeur de puissance utile, il y a une valeur de puissance apparente. Donc pour un circuit purement capacitif

Puissance réelle = 0

Facteur de puissance = 0 + Puissance réelle = 0

6. Facteur de puissance en avance et en retard:

D'après les circuits d'inductance et de capacité indiqués ci-dessus, nous voyons que les deux circuits ont un facteur de puissance nul. Maintenant, afin de distinguer les deux, nous disons que le circuit inductif a un courant qui est en retard sur la tension, ainsi que le facteur de puissance en retard, et le circuit capacitif a un courant qui conduit la tension et a une puissance

De plus, comme un circuit à résistance pure a un courant qui est en phase avec la tension donnant un facteur de puissance unitaire, on peut facilement voir que les combinaisons des trois circuits peuvent donner un facteur de puissance situé entre zéro retard et zéro plomb. En pratique, nous avons constaté de notre expérience qu’une houillère ou une industrie type utilise principalement des moteurs à induction dont le facteur de puissance varie de 0, 5 à 0, 75 en retard.

7. Les effets du facteur de puissance faible et de sa correction:

Un facteur de puissance faible est une affaire coûteuse pour une industrie. Malheureusement, il s’agit d’un phénomène courant, mais pas nécessairement inévitable.

En fait, les industries et les consommateurs paient pour un facteur de puissance faible de deux manières:

a) sur le coût initial de l'installation, et

(b) Sur les charges d'alimentation en électricité.

Par conséquent, pour toute industrie, il est indispensable de faire fonctionner l’équipement à un PF proche de l’unité. En cas de faible facteur de puissance, le consommateur peut réduire la facture en installant des condensateurs appropriés pour améliorer le facteur de puissance. Cependant, le principe suivi en correction de facteur de puissance peut être mieux illustré par quelques petits exemples. Prenons le cas d’une charge monophasée de 250 volts avec un courant de 10 ampères avec un facteur de puissance de 0, 71 en retard, comme indiqué sur la figure 19.4.

Ici on voit:

Puissance apparente = 10 x 250 = 2500 watts,

et Puissance réelle = 10 x 250 x 0, 71 = 1775 watts environ.

Il est donc possible de montrer que le courant de 10 ampères peut être divisé en deux composantes, l’un étant un facteur de puissance un et l’autre étant un facteur de puissance nul, comme illustré à la Fig. 19.4. (b). La valeur maximale de ces courants est de 7, 1 ampères.

Le facteur de puissance à l'unité fait le travail utile, alors que celui à facteurs de puissance à retardement nul est la composante du courant magnétisant qu'il faut éliminer. Par conséquent, un courant exactement égal, mais avec une avance nulle, doit être appliqué au circuit pour annuler le courant magnétisant, comme indiqué sur la figure 19.5. Ceci est généralement obtenu en connectant un condensateur dans le circuit de taille suffisante pour donner un courant de 7, 1 ampères. La finale est illustrée à la Fig 19.6. où un courant réduit de 7, 1 correspond à un facteur de puissance unitaire.

Par conséquent, Puissance réelle = Puissance apparente = 7, 1 x 250 = 1780 watts.

En réalité, l’alimentation ne considère plus que le moteur et le condensateur comme une charge purement résistive et transmet suffisamment de puissance pour effectuer le travail de rotation de l’arbre du moteur. Le condensateur envoie et reçoit en permanence le courant magnétisant des enroulements du moteur. .

En fait, deux types d’équipement:

(1) Condensateurs et

(2) Les moteurs synchrones sont utilisés pour améliorer le facteur de puissance.

Mais sur ces deux équipements, les condensateurs sont aujourd'hui largement utilisés pour corriger le facteur de puissance. Un tableau de correction du facteur de puissance est présenté à la fin du chapitre. L'utilisation intensive des condensateurs s'explique par le fait que les condensateurs statiques sont disponibles dans différentes puissances nominales et sont plus faciles à installer, soit en vrac au point d'alimentation en charbonnage, soit pour corriger des moteurs à induction individuels en connectant des condensateurs à leurs bornes. Coût sage aussi, ils sont moins chers.

8. Mètres de facteur de puissance:

Les compteurs de facteur de puissance sont généralement installés sur le poste principal de surface et donnent une indication directe du facteur de puissance du circuit auquel il est connecté. Un instrument monté dans une telle position ne peut donner que le facteur de puissance global de la mine, ou d’une grande partie de celle-ci.

Si le facteur de puissance d'un moteur individuel est requis, il est habituel d'installer des instruments portables pour enregistrer la tension et le courant réels à partir desquels le facteur de puissance peut être calculé ou, dans de nombreux cas, enregistré directement.

9. Application des condensateurs de puissance:

Un ingénieur doit toujours accorder une attention particulière à l’application des condensateurs. En fait, notre expérience nous a montré que pour un fonctionnement réussi de l'amélioration du facteur de puissance, beaucoup dépend de l'emplacement des condensateurs dans le système et que des conditions idéales sont atteintes lorsque le facteur de puissance le plus élevé est maintenu, quelle que soit la charge.

En pratique, pour obtenir un arrangement flexible, le total de KVA requis est généralement divisé en valeurs nominales plus petites, ce qui peut être obtenu comme expliqué ci-dessous:

a) Méthode de correction de PF individuelle:

Ce système de correction s’applique aux gros moteurs à induction, aux transformateurs et aux équipements de soudage à l’arc fonctionnant de manière prolongée. Dans chaque cas, le condensateur est connecté en parallèle directement aux bornes. Et en tant que tel, le condensateur peut être allumé et éteint avec l'équipement lui-même.

Cette méthode présente le plus grand avantage de libérer toutes les lignes d’alimentation menant à un équipement consommant de l’énergie réactive. De plus, cette méthode est automatique et assure également un facteur de puissance élevé dans des conditions de charge. Le tableau 19.1. aide à déterminer le calibre du condensateur pour la connexion directe à des moteurs à induction.

b) Méthode de correction de groupe PF:

Dans un système où une grande partie de la charge est composée de petits moteurs et dont le fonctionnement est périodique, la correction individuelle du facteur de puissance n'est ni pratique ni économique. Dans ces cas, la correction est réalisée par des condensateurs plus gros connectés aux barres principales et contrôlés par des commutateurs à commande manuelle.

(c) Correction automatique du PF:

Dans les systèmes où les fluctuations de charge sont élevées, le contrôle automatique est la méthode idéale. Le condensateur total KVAr est subdivisé en un certain nombre d’étages régulateurs ayant, dans la mesure du possible, une capacité égale. Afin de compenser la puissance réactive à vide des transformateurs et des équipements connectés en permanence, un étage fixe, indépendant de la section automatique, est prévu et reste connecté à l'installation en permanence. Au moyen d'un relais de puissance réactive, les étages de régulation sont activés et désactivés, le cas échéant, jusqu'à ce que le facteur de puissance souhaité préréglé soit atteint.

Cependant, pour éliminer les commutations trop fréquentes, lorsque des charges de pointe de courte durée se produisent, un relais temporisé est incorporé pour la commutation étape par étape. De nouveau, en cas de coupure de courant, le relais de tension nulle remet les dispositifs de commande en position neutre de sorte que, lors du rétablissement de la tension, les étages du condensateur soient remis en marche étage par étage, empêchant ainsi les pointes de courant et de tension indésirables.

10. Détermination de la capacité nominale du condensateur:

Pour déterminer la capacité nominale du condensateur afin d'améliorer la puissance de Cos 1 à Cos 2, reportez-vous à la Fig. 19.6 qui présente un diagramme vectoriel.

Selon le diagramme vectoriel, le montant de la compensation requise

Dans le tableau 19.1. nous voyons un tableau de sélection de condensateur.

Un exemple pour expliquer l'économie des condensateurs de puissance est donné ci-dessous. Un consommateur avec une charge maximale de 5000 KW avait un facteur de puissance de charge de 0, 8. La demande maximale en KVA était de 6250. Le tarif maximum en KVA était, par exemple, de Rs. 10 / - par KVA par mois.

Par exemple, pour améliorer le facteur de puissance à 0, 95, des condensateurs de 2105 KVAr ont été installés conformément au calcul ci - dessous :

Maintenant, dites investissement en capital pour le condensateur @ Rs. 60 = 2105 x 60 = Rs. 1, 26, 300. Par conséquent, l’investissement en capital nécessaire à l’installation du condensateur serait en fait recouvré en environ 13 mois et, après cette période, il serait économisé mensuellement. 9850.

Dans l'exemple donné ci-dessus, supposons que les transformateurs, les commutateurs et les câbles ont été conçus pour ne supporter que 6250 KVA. Ainsi, avec un facteur de puissance de 0, 8, ils ne peuvent supporter qu'une charge de 5000 KW alors qu'en améliorant le facteur de puissance à 0, 95 en installant des condensateurs, ils peuvent désormais gérer 5940 KW, ce qui signifie que:

(a) Une puissance active supplémentaire de 940 kW est maintenant disponible pour le consommateur sans aucune sanction spéciale de la part de l'entreprise de fourniture.

(b) Le même équipement traiterait 940 KW de plus de puissance active, ce qui augmenterait son utilité et son efficacité.

Ainsi, l’installation de condensateurs de puissance a eu les avantages suivants:

(1) Une réduction substantielle de la facture d'électricité.

(2) Une meilleure utilisation de la capacité des transformateurs, des appareillages de commutation, des câbles, etc., en particulier si le courant est reçu sous haute tension par l'entreprise de fourniture.

(3) Une tension d'alimentation plus stable, ce qui signifie une performance meilleure et plus efficace des machines électriques.

11. Avantages des condensateurs de puissance:

Les principaux avantages de l’installation de condensateurs de puissance sont les suivants:

1. Réduction substantielle de la demande en KVA:

Cette réduction de la demande en KVA réduit le tarif appliqué par les entreprises de fourniture d'électricité sur la base des redevances énergétiques et du maximum de KVA demandé. Certaines entreprises imposent également une pénalité pour le facteur de puissance faible tout en offrant une prime d’incitation pour le facteur de puissance supérieur. Les condensateurs de puissance font de ce bonus incitatif une réalité.

2. Réduction considérable des transformateurs et des pertes de ligne:

Ceci est obtenu parce que la réduction de la demande en KVA provoque un courant plus faible dans les lignes. Il en résulte une utilisation optimale de la capacité existante des transformateurs, des tableaux et des lignes.

3. Minimisation des chutes de tension dans les lignes:

Avec la minimisation des chutes de tension dans les lignes, on obtient une meilleure performance des équipements électriques.

4. L'installation de condensateurs de puissance contribue à réduire la demande de puissance réactive du système d'alimentation, car le condensateur de puissance lui-même fournit la puissance réactive nécessaire aux moteurs, transformateurs et autres charges inductives, améliorant ainsi le facteur de puissance du système. Le système de distribution d’électricité est principalement chargé de l’alimentation en énergie active.

Les condensateurs de puissance libèrent également la capacité du système et l'augmentation possible de la charge active dans une installation peut atteindre environ 30% si son facteur de puissance est augmenté de 0, 7 à 0, 95. Les condensateurs de puissance améliorent le facteur de puissance, donnant la même puissance pour moins d'argent, et lorsqu'une demande en KVA ou une clause de facteur de puissance est opérationnelle, les économies réalisées sont vraiment impressionnantes. Le coût initial d'une installation de condensateur de puissance est recouvré dans un délai d'un an ou deux et les économies réalisées par la suite constituent entièrement un bénéfice net pour les années à venir.

12. Installations industrielles:

Dans la plupart des installations industrielles, la majorité des équipements électriques à courant alternatif tels que les moteurs à induction, les transformateurs, les équipements de soudage, etc., nécessitent une puissance réactive pour leur champ magnétique. Mais contrairement à la puissance active, cette puissance réactive n’est pas convertie en puissance mécanique, mais oscille entre le générateur et l’équipement consommateur et constitue une charge supplémentaire pour le système d’alimentation. Cela entraîne les inconvénients économiques et techniques suivants.

(1) Une surcharge importante dans la facture d'électricité du client pour une charge de facteur de puissance faible.

(2) Les câbles, les commutateurs et les transformateurs transportent le courant supplémentaire sans watts, ce qui rend le matériel électrique et les investissements en capital sous-utilisés.

(3) Chute de tension excessive et efficacité réduite des équipements électriques.

13. Systèmes de transmission:

Du point de vue économique, dans les systèmes de transmission, il existe une valeur optimale de puissance réactive pouvant être transmise depuis la centrale. Dans les grands réseaux interconnectés, la valeur optimale n'est pas fixe et varie d'une heure à l'autre.

Il est plus économique et avantageux de fournir de l'énergie réactive au niveau de la charge provenant d'installations à condensateur de puissance que de générer et de transmettre de l'énergie réactive sur des lignes de transmission.

Cependant, selon les exigences du système ou de l’installation, un condensateur de puissance convenablement disposé peut fournir

(1) amélioration du facteur de puissance.

(2) amélioration de la régulation de la tension.

(3) réduction des pertes en ligne.

(4) libération de la capacité de charge du circuit.

(5) réduction de la fluctuation de tension et de la réactance du circuit.

Informations à donner lors des demandes de renseignements:

1. Sortie requise en KV Ar

2. Tension nominale

3. Fréquence nominale

4. Nombre de phases

5. Indiquez si des augmentations de tension anormales sont attendues. Si tel est le cas, indiquer la tension maximale attendue.

6. Limite supérieure de la catégorie de température.

7. Emplacement proposé du condensateur, à l'intérieur ou à l'extérieur.

8. Altitude au-dessus du niveau de la mer de l'emplacement du condensateur, si elle est supérieure à 1000 mètres.

9. Nature du circuit d'alimentation: par exemple, si le condensateur doit être connecté

(a) à une sous-station locale (si oui, indiquez la valeur KVA des transformateurs, etc.)

(b) à un réseau souterrain local

(c) aux lignes aériennes.

10. Si le condensateur doit être connecté directement aux lignes aériennes, vérifiez si:

(a) les orages sont-ils répandus dans la localité?

b) des parafoudres ou des parafoudres sont installés sur les lignes?

11. Détails de l'appareillage ou du contrôleur automatique à utiliser avec le condensateur.

12. Si le condensateur doit être connecté directement aux bornes d'un moteur, indiquez les caractéristiques du moteur, la vitesse, le type, le fabricant.

13. Toute exigence particulière pouvant affecter la conception ou le fonctionnement du condensateur.

Service technique:

Chaque installation posant des problèmes différents, l’installation du condensateur de puissance doit être soigneusement conçue pour répondre à des conditions particulières de charge et de tarif d’alimentation.