Les variateurs de fréquence améliorent-ils le facteur de puissance

Les variateurs de vitesse améliorent-ils le facteur de puissance ? Facteur de puissance de déplacement, facteur de puissance réel et harmoniques expliqués

Les variateurs de fréquence (VFD) sont souvent décrits comme ayant un facteur de puissance élevé. Cela peut être correct tout en étant trompeur. Un VFD peut présenter un faible déphasage mais appeler un courant d'entrée impulsif, créant des harmoniques qui réduisent le facteur de puissance réel.

Il en résulte une contradiction fréquente : un compteur affiche un cos φ proche de 1,00, tandis qu'un autre indique un facteur de puissance total plus faible. Les deux peuvent mesurer correctement : ils mesurent différentes parties d'un même comportement électrique.

Qu'est-ce qui change lorsqu'un moteur est raccordé via un VFD ?

Un moteur raccordé directement au réseau absorbe un courant réactif de magnétisation. Son facteur de puissance de déplacement peut être faible à faible charge, car il a toujours besoin de flux magnétique tout en produisant peu de travail mécanique.

Un VFD redresse le courant alternatif d'entrée vers un bus continu, puis produit une tension et une fréquence contrôlées pour le moteur. Le réseau électrique voit l'étage d'entrée du variateur plutôt que l'angle de déphasage direct du moteur.

Cela peut améliorer le facteur de puissance de déplacement côté alimentation, mais cela introduit un second problème : un courant d'entrée non linéaire.

Facteur de puissance de déplacement vs facteur de puissance réel

Facteur de puissance de déplacement

Le facteur de puissance de déplacement, souvent désigné par cos φ, décrit l'angle de déphasage entre la tension fondamentale et le courant fondamental. Les batteries de condensateurs corrigent cette relation en fournissant de la puissance réactive localement.

De nombreux redresseurs de VFD standard tirent leur courant fondamental globalement en phase avec la tension, de sorte que le facteur de puissance de déplacement peut sembler proche de l'unité.

Facteur de puissance de distorsion

Le facteur de puissance de distorsion décrit un courant non sinusoïdal. Un variateur conventionnel à six impulsions charge son bus CC pendant certaines portions de la forme d'onde de tension, créant des impulsions et des harmoniques caractéristiques.

Même avec un faible déphasage fondamental, le courant efficace (RMS) comprend des harmoniques qui ne fournissent pas de puissance utile équivalente. Le facteur de puissance total reste donc inférieur à la valeur de déplacement.

Vrai facteur de puissance

Le FP réel est la puissance active en kW divisée par la puissance apparente totale en kVA. Il prend en compte le déphasage et la distortion. Avec une distortion de tension limitée, il est approximativement égal au FP de déphasage multiplié par le facteur de distortion.

C'est pourquoi « FP », « cos φ » et « DPF » ne doivent pas être traités comme des valeurs interchangeables dans un rapport sur la qualité de l'énergie.

Ce que vous indiquent les mesures principales

Toujours confirmer quelle définition l'appareil de mesure utilise. Un affichage portant uniquement la mention « PF » peut indiquer le facteur de puissance vrai, le facteur de puissance de déplacement ou une valeur configurée par le fabricant.

L'installation d'un variateur de fréquence améliore-t-elle le facteur de puissance ?

Il peut améliorer le facteur de puissance de déplacement par rapport à un moteur connecté en direct, en particulier à faible charge. Cela ne garantit pas un facteur de puissance réel élevé au niveau de l'arrivée générale de l'installation.

Le résultat réel dépend de :

• La topologie d'entrée du variateur de fréquence

• S'il comprend une ré inductance de ligne CA ou une self CC

• La charge du variateur et la vitesse de fonctionnement

• Le nombre et la diversité des variateurs fonctionnant ensemble

• D'autres charges non linéaires et inductives

• L'impédance du transformateur et des câbles

• Des filtres d'harmoniques ou de la technologie à frontal actif

Le bénéfice énergétique d'un variateur de fréquence provient principalement de la réduction de la puissance du processus par le contrôle de la vitesse — par exemple, en ralentissant une pompe ou un ventilateur —, et non pas simplement de la modification du facteur de puissance.

Pourquoi le facteur de puissance réel peut-il chuter à faible charge du variateur de fréquence ?

À faible charge, la puissance active et le courant fondamental diminuent tandis que le courant d'entrée peut rester fortement pulsé. Le taux de distorsion harmonique global (THDi) peut donc augmenter en pourcentage.

Cela ne fait pas de chaque variateur de fréquence faiblement chargé un problème grave. Les résultats au niveau d'un variateur et du point de couplage commun peuvent différer en raison de la diversité des charges et de l'impédance de la source.

Une batterie de condensateurs peut-elle corriger le facteur de puissance d'un variateur de fréquence ?

Une batterie de condensateurs corrige le facteur de puissance de déplacement inductif ; elle n'annule pas le courant harmonique. Si le variateur de fréquence possède déjà un facteur de puissance de déplacement élevé, l'ajout de capacitance peut apporter peu d'avantages et créer un facteur de puissance capacitif à faible charge.

Les condensateurs peuvent former des circuits résonnants avec les transformateurs et les câbles, amplifiant potentiellement les harmoniques du variateur. Une batterie désaccordée résout un risque de résonance mais n'est pas un filtre d'harmoniques actif.

Ne connectez pas de condensateurs de correction du facteur de puissance ordinaires entre un variateur de fréquence et son moteur, à moins que le fabricant du variateur n'approuve explicitement cet agencement. La sortie du variateur est une forme d'onde commutée, et les pratiques conventionnelles de correction côté moteur ne se transfèrent pas directement au fonctionnement du variateur.

Un panneau de correction automatique du facteur de puissance (APFC) peut toujours s'avérer utile pour d'autres charges inductives connectées en direct dans l'installation. L'emplacement de son transformateur de courant (CT), sa cible, les tailles des échelons et son adéquation aux harmoniques doivent être examinés en incluant la population de variateurs de fréquence.

Comment évaluer le facteur de puissance d'un variateur de fréquence ?

À un point défini, enregistrez la puissance active (kW), la puissance apparente (kVA), la puissance réactive (kVAr), le facteur de puissance réel, le facteur de puissance de déplacement, le THDi, le taux de distorsion harmonique en tension (THD), et le spectre harmonique aux régimes de production minimal, normal et de pointe.

Un facteur de puissance de déplacement élevé avec un facteur de puissance réel plus faible indique une distorsion. Un facteur de puissance de déplacement faible et un facteur de puissance réel faible indiquent qu'une puissance réactive est également présente. Une distorsion de tension élevée nécessite de prêter attention au courant harmonique et à l'impédance du réseau.

Qu'est-ce qui peut améliorer le facteur de puissance réel avec des charges de variateurs de fréquence ?

Les options comprennent des inductances de ligne CA, des selfs CC, des filtres d'harmoniques passifs ou actifs, des agencements multipulsés et des variateurs à faibles harmoniques. La sélection dépend de la charge, de la puissance du réseau et de la cible applicable.

Ces technologies n'offrent pas des performances identiques. Comparez-les à l'aide de mesures et d'une étude d'harmoniques plutôt que de sélectionner l'équipement uniquement à partir de la puissance totale en kW du variateur. Un filtre d'harmoniques actif peut traiter plusieurs charges de manière centralisée, tandis qu'une solution au niveau du variateur peut être préférable lorsqu'un grand variateur de fréquence domine la distorsion.

FAQ

Tous les variateurs de fréquence ont-ils un facteur de puissance proche de 1,00 ?

Non. Beaucoup ont un facteur de puissance de déplacement élevé, mais le facteur de puissance réel varie selon la conception de l'entrée, le courant harmonique et la charge. Vérifiez les données du fabricant et les mesures sur site.

Pourquoi l'appareil de mesure indique-t-il un cos φ de 0,99 mais un facteur de puissance de 0,90 ?

La première valeur représente probablement le facteur de puissance de déplacement, tandis que la seconde inclut la distorsion de la forme d'onde. Le courant harmonique crée cette différence.

L'ajout de condensateurs réduira-t-il les harmoniques du variateur de fréquence ?

Non. Les condensateurs standard n'annulent pas le courant harmonique et peuvent créer une résonance. Utilisez une solution sélectionnée à partir du spectre harmonique et de l'impédance du réseau.

Un filtre d'harmoniques actif est-il toujours requis pour les variateurs de fréquence ?

Non. Le choix dépend de la distorsion mesurée, de la diversité des charges, de la robustesse du réseau, des limites applicables et de la technologie de variateur existante. Des inductances, des selfs, des filtres passifs ou des variateurs à faibles harmoniques peuvent convenir dans d'autres cas.

Conclusion

Un variateur de fréquence peut améliorer le facteur de puissance de déplacement tandis que le courant harmonique maintient le facteur de puissance réel en dessous de l'unité. Se limiter à l'observation du cos φ peut donc masquer le courant efficace (RMS) supplémentaire généré par la distorsion de la forme d'onde.

Évaluez conjointement le facteur de puissance réel, le facteur de puissance de déplacement, le THDi, le kVAr et le spectre harmonique. Les batteries de condensateurs peuvent corriger la demande inductive restante, mais elles ne peuvent pas remplacer l'atténuation des harmoniques et ne doivent pas être ajoutées autour des variateurs sans une étude du système.

YT Electric peut évaluer votre profil de charge de variateur de fréquence, vos mesures de facteur de puissance, votre spectre harmonique et vos équipements de condensateurs existants afin de recommander une solution de qualité de l'énergie appropriée.