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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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N'importe quelle batterie de condensateurs est-elle valable ?

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Pourquoi toutes les batteries pour compenser la réactive ne servent pas de la même façon ?

L'importance du filtre de rejet approprié

Dans le présent article, nous verrons comment l'installation d'une batterie de condensateurs est en elle-même un changement dans l'installation électrique ; changement qui, devant un mauvais choix de la batterie des condensateurs pourrait déstabiliser le système en raison des harmoniques ; en provoquant de sérieux problèmes sur la propre batterie des condensateurs et dans l'installation et en arrivant à générer des arrêts de production et d'importantes pertes économiques.

Nous essaierons d'expliquer ci-après les différentes de syntonisation, ainsi que les conséquences d'un mauvais choix dans cette syntonie et la recommandation pour éviter de possibles risques.

L'amélioration de l'efficacité énergétique avec des batteries de condensateurs

La recherche de l'amélioration dans l'efficacité énergétique et les augmentations de tarifs électriques rendent plus communes la compensation de l'énergie réactive avec des batteries de condensateurs. Mais comme tout équipement électrique, ces batteries ont plusieurs effets électriques sur l'installation où elles sont situées. L'effet le plus important, outre corriger la consommation d'énergie réactive de l'installation, est le changement de comportement face aux harmoniques qu'il pourrait y avoir sur ce réseau électrique. Ce changement peut produire une perte à moyen terme sur la compensation de l'énergie réactive, une déstabilisation électrique sur l'installation, voire l'arrêt de la production.

Les installations électriques sont de plus en plus complexes, incluant différentes charges inductives, capacitives y électroniques de puissance. Ces réseaux présentent habituellement des niveaux de distorsion harmonique significatifs, ce qui a comporté que la grande majorité des fabricants de batteries automatiques de condensateurs intègrent dans leur catalogue, d'une manière unanime, des équipements expressément conçus pour leur utilisation sur ces réseaux.

L'importance de la fréquence de syntonisation sur les batteries des condensateurs

Néanmoins, là où il n'y pas cette unanimité c'est dans le choix de la fréquence de syntonisation qui est proposée comme standard, tant sur les batteries automatiques des condensateurs que dans les groupes de compensation fixes, équipés de filtres de rejet (également connus comme filtres non-syntonisés).

Dans le cas, beaucoup moins habituel, de prédominance d'harmoniques d'ordre 3 (150 Hz sur les réseaux 50 Hz), il est en revanche commun d'utiliser les filtres de rejet syntonisés à 134 Hz (facteur de surtension de p = 14 %) ; mais oui, en revanche, dans la grande majorité des installations, où une batterie équipée de filtres de rejet appropriée est requise pour la présence d'harmoniques d'ordre 5 (250 Hz sur les réseaux de 50 Hz) ou supérieur, qui sont ceux normalement générés par les sources les plus habituelles de courants harmoniques, à savoir, des charges triphasées équipées d'un pont redresseur à 6 impulsions à son entrée : variateurs de vitesse ou fréquence, redresseurs CA/CC, fours à induction,….la variété de fréquences de syntonie proposées est significativement variée, en se déplaçant généralement dans un rang compris entre les 170 et les 215 Hz (de p = 8,7 % à p = 5,4 %).

Néanmoins, il existe deux syntonies qui prédominent sur le reste, celles qui correspondent à un facteur de surtension de p = 7 % (fréquence de syntonie de 189 Hz sur des réseaux de 50 Hz) et de p = 5,67 % (fréquence de syntonie de 210 Hz sur des réseaux de 50 Hz).

On pourrait déduire facilement de ce qui précède que le choix d'une valeur de p = 7 % ou de p = 5,67 % devrait être indifférent et que toutes deux devraient fournir le même résultat à l'effet du comportement une fois connectées au réseau électrique, mais ceci n'est pas strictement vrai.

Les filtres de rejet et leur effet sur les installations

Pour réaliser l'argumentation de ce dernier commentaire, nous passerons brièvement en revue le principe de fonctionnement des filtres de rejet. En observant le graphique d'impédance-fréquence d'un ensemble série réactance-condensateur avec p = 7 % (Ligne verte sur la Fig. 1), nous voyons qu'il presente la plus petite impédance à 189 Hz, alors que celui qui corresond à p = 5,67 % (Ligne rouge sur la Fig. 1) présente la plus petite impédance à 210 Hz. Dans les deux cas, l'impédance augmente progressivement sur les deux côtés de celle-ci, avec la particularité que l'impédance a un caractère capacitif à des fréquences inférieures à 189 Hz et un caractère inductif, pour des fréquences supérieures. C'est précisément ce caractère inductif devant les fréquences harmoniques d'ordre 5 ou supérieure qui évite la possibilité que ne se produise un phénomène de résonnance à l'une de ces fréquences. Mais la valeur de cette impédance aux différentes fréquences harmoniques constitue aussi un paramètre clé pour le fonctionnement du filtre de rejet. Ainsi, sur cette impédance-fréquence de la Fig. 1 on peut voir clairement la différence d'impédance de chaque syntonie à la fréquence harmonique de 250 Hz qui, rappelons-le, est celle prédominante des harmoniques de tension et/ou les harmoniques de tension et/ou fréquence présentes sur les réseaux électriques. Pour p = 5,67 %, la valeur de l'impédance est pratiquement la moitié de la valeur pour p = 7 %.

Fig. 1 Graphique impédance-fréquence d'un filtre de rejet avec p = 7 % (189 Hz) et p = 5,67 % (210 Hz)Fig.

Fig. 1 Graphique impédance-fréquence d'un filtre de rejet avec p = 7 % (189 Hz) et p = 5,67 % (210 Hz)Fig.

Quelle est la principale conséquence de cette différence d'impédance que présentent les deux syntonies ? Il est facile d'en déduire que l'absorption des courants harmoniques présents sur le réseau sera supérieure pour p = 5,67 % que pour p = 7 %. Ceci pourrait être considéré comme bénéfique pour l'installation, s'il s'avérait alors que le niveau de courant harmonique d'ordre 5 circulant en amont du point de connexion de la batterie au réseau est alors inférieur, en comparaison à celui qui existerait avec une batterie à puissance analogue par syntonie type p = 7 % ; mais, tant l'expérience que la propre réalité de la nature de la majeure partie des réseaux, qui est loin de ce qui serait un comportement de réseau idéal, laissent apparaître que cete perception n'est pas correcte dans un nombre élevé de cas.

L'utilisation de filtres passifs d'harmoniques est une question qui exige toujours une étude préalable minimum, puisque le comportement de ces derniers dépend des caractéristiques du réseau, par conséquent, la prétention de comparer d'une certaine façon l'utilisation d'un filtre syntonisé à 210 Hz à celui d'un filtre qui serait syntonisé à environ 225 Hz, qui est la fréquence habituelle des filtres d'absorption pour les courants harmoniques d'ordre 5 sur des réseaux de 50 Hz, devrait également prendre en compte ces considérations, ce qui est rarement le cas. En résumé, il est plus imprévisible de déterminer la consommation réelle de courant harmonique que peut avoir une batterie avec des filtres type p = 5,67 % qu'une identique avec le type p = 7 %, toutes deux installées sur le même réseau.

Autres effets de la syntonie de filtrage

Il existe, en outre, d'autres points à prendre en compte. Un point essentiel est le fait que si, basiquement, celle de p = 5,67 % va avoir une plus grande consommation de courant harmonique, ses éléments, principalement, la réactance et le condensateur associé doivent être conçus pour supporter la surcharge, au niveau de l'intensité et de la température auxquelles ils vont se voir soumis ; et c'est alors qu'apparaît ici l'une des plus grandes problématiques de ces filtres. Dans le cas particulier des réactances, celles-ci, à égalité de puissancede p = 7 %, et si le critère de conception s'est simplement basé sur cette valeur, le résultat est une réactance de taille et poids inférieurs, autrement dit, à moindre coût. La même tentation peut être appliquée aux condensateurs, dans le sens que la valeur de surtension à laquelle ils se verront soumis sera 25 % de moins que dans le cas de p = 7 % et, par conséquent, il peut apparaître justifié d'utiliser des condensateurs avec une tension nominale inférieure. En définitive, il existe le risque que la batterie ait à supporter des niveaux supérieurs de surcharge harmonique, avec des éléments moins robustes, ce qui aura pour conséquence, inexorablement, une détérioration plus rapide de celle-ci, en comparaison avec celle analogue de p = 7 %.

L'autre point essentiel à considérer qui, à l'avis de CIRCUTOR, est le plus important, est l'influence de la capacité des condensateurs dans la syntonie du groupe série réactance-condensateur, conformément à la forme de la Fig. 2.

Fig. 2 Formule pour le calcul de la fréquence de résonnance d'un circuit série L-C

Fig. 2 Formule pour le calcul de la fréquence de résonnance d'un circuit série L-C

Il est facile de déduire qu'une diminution de la capacité du condensateur aura pour conséquence l'augmentation de la fréquence de résonnance de l'ensemble. Les condensateurs sont des éléments qui, soit pour leurs conditions d'utilisation (tension, température, cadence de manoeuvres de connexion,...), comme par une propre dégradation naturelle du prolypropylène qui forme son diélectrique, ils perdent de la capacité au fil du temps. Una même perte de capacité sur un filtre de p = 5,67 % et sur un de p = 7 %, implique que le premier sera beaucoup plus proche de la fréquence d'ordre 5 que le deuxième, et plus il en sera proche, plus grande sera l'absorption de courant harmonique qu'il présentera, plus grande sera la surchage qu'il subira, ce qui finira par dériver sur une plus grande détérioration. En d'autres mots, la marge de sécurité fournie devant ce phénomène de perte de capacité est considérablement supérieure dans un filtre avec p = 7 %.

Conclusions pour le choix correct des batteries de condensateurs

La conclusion dans ce cas est claire et elle n'est autre que la recommandation univoque de la part de CIRCUTOR de l'utilisation de filtres avec p = 7 % au lieu de p = 5,67 %, dans toutes les installations qui rendent nécessaire son application en raison du niveau de distorsion harmonique qu'ils présentent.

Le but de cette recommandation n'est autre que celui de réduire le risque évident qu'une perte dans la capacité du condensateur génère l'apparition de sérieux problèmes provoqués par des surintensités sur la batterie des condensateurs, d'une manière beaucoup plus prématurée, permettant un plus grand temps de réaction, à travers les actions de maintenance pertinentes qu'il est toujours conseillé de réaliser sur tout équipement, en pouvant appliquer ainsi les mesures correctives avant que la détérioration ne soit définitive et, par conséquent, de pires conséquences économiques.

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