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Sélection de batteries de condensateurs

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Lorsque la soluction les plus économique peut être la plus chère

Tout technicien avec un minimum de connaissances techniques est capable de déterminer ou de calculer la puissance de compensation d'énergie réactive. La pratique la plus habituelle est à travers “une” facture électrique. Nous mettons en relief le terme “une” puisque c'est ici que peut commencer une série d'erreurs qui peuvent se terminer, malheureusement de plus en plus souvent, par des coûts très supérieurs à ceux qui seraient supposés par la détermination correcte d'une batterie.

Le calcul de la puissance réactive à compenser par des factures électriques nous fournit une approche assez correcte sur l'ordre de magnitude sur lequel nous nous trouvons, notre point de départ. Dans ces cas-là, il est important d'assurer que ces calculs soient réalisés avec le nombre maximal de factures, puisqu'il peut exister un effet important de temporalité dont nous ne pouvons pas faire abstraction (Exemple : Bureaux ou Hôtels, consommations totalement différentes en été et en hiver).

Comme nous l'avons mentionné ci-dessus, ceci doit être notre point de départ mais nous devons également prendre en compte d'autres facteurs qui ne se voient pas reflétés sur la facture électrique et qui ont une importance vitale pour une compensation correcte :

  • Rapidité de fluctuation de la demande.
  • Équilibrage du système.
  • Niveaux de distorsion harmonique.

Nous nous centrerons sur ce dernier, puisqu'il est de plus en plus commun de trouver des réseaux avec une distorsion harmonique.

Lorsque nous réalisons une compensation de puissance réactive inductive, l'intégration d'une batterie de condensateurs en parallèle est logique pour atténuer cette demande afin de rapprocher la puissance apparente demandée (kVA) à une puissance active (kW) qui est réellement employée pour réaliser un travail utile. Ce concept si simple, nous pouvons le résumer comme un circuit parallèle entre une inductance (L – Transformateur et Réseau) et une capacité (C – Batterie de condensateurs).

schéma et courbe de résonnance

Si nous pouvions observer la réponse à la fréquence de ce système, nous verrions que, à une fréquence fR l'impédance du système est beaucoup plus grande que celle de son comportement normal.

Comme nous l'avons dit précédemment, dans les installations d'aujourd'hui, il existe de plus en plus de charges dont la demande n'est pas linéaire, ce qui provoque une plus grande distorsion en courant harmonique dans l'installation et, à la fois aussi, en tension.

Types de charges   

1. Redresseur
2. Soudure à l'arc
3. Variateur de vitesse
4. SAI
5. Lampes de décharge
6. Ordinateurs

L'existence de courants dont la fréquence est supérieure à celle fondamentale de 50 ou 60 Hz, rend possible de remplir les conditions de résonnance décrites ci-dessus. Ceci comportera essentiellement :

  • Amplification de la distorsion en tension pour toute l'installation (elle peut affecter des équipements et des éléments électriques sensibles)
  • Plus grande absorption de courant de la part des condensateurs, avec leur surchauffe correspondante, réduction de leur capacité et vie utile et, dans certains cas, la destruction du condensateur.

Une fois énoncés tous ces arguments et effets, nous allons l'illustrer dans un exemple réel.

Installation située en Espagne, dont l'activité est encadrée dans le secteur de la métallurgie (traitement de pièce métalliques). Cette installation comprend un transformateur de 1000 kVA, différents sous-tableaux avec des machines rotatives (tours, bandes transporteuses, élévateurs, etc.) et de service (bureaux, entrepôt d'expéditions, vestiaires, etc.).

Le technicien de maintenance chargé de cette entreprise, constatant que le niveau de majoration pour consommation d'énergie réactive était important, a calculé à partir d'“une” unique facture électrique quelle était la puissance de la batterie à installer sans prendre en compte tout autre facteur.

Il a opté pour acheter une batterie de condensateurs conventionnel manoeuvrée par des contacteurs de 150 kvar.

Après la connexion de la batterie, au bout de deux semaines, il a observé que de la fumée sortait de la batterie avec le résultat de deux condensateurs inservables, outre l'alarme qui a été causée dans le centre de travail proche. Ils ont remplacé au bout d'une semaine les condensateurs mais, peu de temps après, le même effet s'est reproduit, conjointement aux déclenchements de quelques protections de sous-tableaux mineurs comme les vestiaires, sur les machines auxiliaires et dans l'entrepôt des expéditions. Ils ont remplacé encore une fois les condensateur abîmés, cette fois par des condensateurs renforcés à 460 V et, peu de temps après, la même chose s'est encore passée. Finalement, ils ont opté pour déconnecter la batterie des condensateurs, ce qui supposait par conséquent de repayer une majoration pour énergie réactive.

Le technicien de maintenance de l'entreprise a demandé a CIRCUTOR, comme entreprise leader dans la compensation d'énergie réactive, d'essayer de découvrir ce qui se passait avec cette batterie de condensateurs. Il a été procédé à réaliser des mesures basiques à la tête de l'installation. Ces mesurages consistent simplement à mesurer, avec et sans la batterie connectée (toujours avec l'installation en charge).

Schéma de THD (U) % et THD (I) % indiquant avec et sans batterie connectée
Schéma de THD (U) % et THD (I) % indiquant avec et sans batterie connectée

Le système dénotait un niveau de distorsion en courant relativement bas (7-8 % de THDI % avec XX A) mais, en revanche, le niveau en tension n'était pas du tout négligeable (3,3 % de THDV %). Sur la base de la propre expérience empirique, le risque qu'un système puisse entrer en résonnance est de l'ordre de 15 % de THDI % et de 2 % de THDV % (rien n'est stipulé à ce sujet).

Nous avons entré manuellement chacun des condensateurs et nous avons observé que l'augmentaiton de THDV % était substantiel. Ceci est un indicateur évident qu'une résonnance parallèle se produit. Avec toute la batterie connectée, des valeurs de 80 % de THDI % ont été atteintes à pleine charge en usine et de 23 % de THDV %. Pour se faire une idée, la limite qui est établie par la qualité d'alimentation en tension (UNE EN-50160) est de 8 %. 

Sans batterie connectée

Sans batterie connectée

Avec batterie connectée

Avec batterie connectée

Finalement, nous avons évalué les frais supposés par ce mauvais choix :

CONCEPT Unités MONTANT
Batterie conventionnelle 150 kvar 1 4.400 €
Remplacement de condensateurs 400 V 9 3.056,50 €
Remplacement de condensateurs 460 V 6 2.474 €
Main d'oeuvre (coût estimé 20 €/h) 19 380 €
Arrêts de production et expédition (coût estimé 2 500 €/h) 2,5 6.250 €
Majoration pour énergie réactive (coût moyen mensuel 958 €/mes) 2 1.916 €
Batterie de condensateurs sans syntonisation type FR 1 12.285 €
COÛT FINAL TOTAL   30.761,50 €

Comme nous pouvons le constater, une solution apparemment meilleur marché se transforme dans un coût économique réellement plus élevé. Si un investissement technique correct avait été réalisé avec une batterie sans syntonisation type FR, l'économie totale aurait été réduite pratiquement à 60 %.

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