Facteur de puissance des moteurs électriques

Aperçu

Le facteur de puissance (FP) d'un moteur CA est le rapport entre la puissance réelle (watts) et la puissance apparente (voltampères). Un faible facteur de puissance signifie que l'alimentation électrique doit fournir plus de courant que nécessaire pour produire le même travail utile, augmentant ainsi les pertes dans les câbles, les transformateurs et les appareillages de connexion. Les moteurs sont la principale source de faible facteur de puissance dans les installations industrielles car ils consomment un courant de magnétisation (réactif) pour entretenir leurs champs magnétiques.

Le facteur de puissance est exprimé sous la forme cos φ, où φ est l'angle de phase entre les formes d'onde de tension et de courant. Une charge purement résistante a un FP = 1,0 ; les moteurs à induction typiques varient de 0,15 à vide à 0,85–0,91 à pleine charge selon la taille.

Facteurs de puissance avancés et retardés

Les moteurs à induction fonctionnent normalement avec un facteur de puissance retardé car leur courant de magnétisation est en retard sur la tension appliquée. Les batteries de condensateurs ou les moteurs synchrones survexcités peuvent fournir de la puissance réactive localement et peuvent créer un facteur de puissance avancé si la correction est supérieure aux besoins de la charge. Les conditions avancées et retardées ont la même définition numérique du facteur de puissance, mais le signe de la puissance réactive et la direction du flux de VAR diffèrent.

Formules clés

Facteur de puissance monophasé

$PF = \frac{P}{S} = \frac{W}{V \cdot A} = \cos\varphi$

Puissance active, réactive et apparente

$S^2 = P^2 + Q^2$

où S est la puissance apparente (VA), P est la puissance active (W) et Q est la puissance réactive (VAR).

Puissance d'un moteur triphasé

$P_{3\phi} = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L \cdot PF$

$S_{3\phi} = \sqrt{3} \cdot V_L \cdot I_L$

Multiplicateur de courant pour un faible facteur de puissance

Un circuit avec un facteur de puissance réduit doit transporter proportionnellement plus de courant :

$I_{actual} = \frac{I_{unity}}{PF}$

Par exemple, à FP = 0,7, le courant est 1/0,7 ≈ 1,43 fois le courant à un facteur de puissance unitaire.

Variables

Facteurs de puissance typiques des moteurs

Le facteur de puissance varie fortement avec la charge et la puissance nominale du moteur. Les valeurs ci-dessous concernent les moteurs NEMA standard à 1800 tr/min :

Multiplicateur de Section de Fil

Lorsque le facteur de puissance diminue, les conducteurs doivent être surdimensionnés pour transporter le courant supplémentaire. Le tableau ci-dessous donne le multiplicateur de section requis par rapport à une conception avec un facteur de puissance unitaire :

Facteurs de Puissance Typiques de l'Industrie

Facteur de Puissance vs. Charge du Moteur

Le graphique ci-dessous montre comment le facteur de puissance s'améliore à mesure que la charge du moteur augmente. La charge partielle est la principale cause d'un faible facteur de puissance dans les flottes de moteurs.

Calculatrice

Utilisez cette calculatrice pour trouver la puissance apparente et la puissance réactive à partir de la puissance active mesurée et du facteur de puissance.

Graphique interactif de correction du facteur de puissance

Le graphique de correction par condensateur original est représenté ci-dessous sous forme de données sélectionnables. Le facteur est multiplié par la puissance active en kW pour estimer la taille du condensateur requise en kVAR.

Tableaux source originaux restaurés

Les tableaux suivants sont restaurés à partir de la page source originale afin de conserver les données de référence complètes.

Moteurs électriques - Facteurs de puissance typiques

Moteurs électriques - Facteurs de puissance par industrie

Moteurs électriques - Correction du facteur de puissance avec condensateur

Moteurs asynchrones - Unités de correction KVAR

Images sources originales

Les images sources originales suivantes sont conservées pour éviter la perte de matériel de référence visuel. Lorsqu'une image contient des données sous forme de graphique ou de tableau, ses valeurs extraites sont représentées dans les tableaux de la page, les calculateurs ou les graphiques interactifs ; les images restantes sont conservées en tant que références visuelles sources.

Notes d'ingénierie

• Pénalités de surdimensionnement. Une installation avec un FP = 0,7 nécessite des transformateurs, des câbles et un appareillage de commutation dimensionnés 43 % plus élevés (1/0,7) que pour la même charge réelle avec un facteur de puissance unitaire.
• Suppléments des services publics. La plupart des services publics pénalisent les clients commerciaux ayant un FP inférieur à ≈ 0,90–0,95. La correction du facteur de puissance peut éliminer les frais de demande et réduire les factures mensuelles.
• Correction par condensateur. Les condensateurs de correction du facteur de puissance fournissent localement le courant réactif, réduisant ainsi le courant prélevé sur le réseau. Les condensateurs doivent être commutés avec le moteur ou regroupés au niveau du bus. Une sur-correction (FP capacitif) peut provoquer une élévation de tension et des résonances.
• Normes. La norme IEC 61000-3-2 limite la distorsion du courant harmonique, ce qui affecte également le facteur de puissance mesuré. Les variateurs de vitesse produisent un courant riche en harmoniques et peuvent nécessiter, en plus des condensateurs de correction du facteur de puissance, des réacteurs de ligne ou des filtres passifs.
• Charge du moteur. Faire fonctionner les moteurs bien en dessous de la charge nominale est la cause la plus courante d'un mauvais facteur de puissance de l'usine. Adapter la taille du moteur à la charge entraînée, ou utiliser des variateurs de vitesse, améliore directement le PF.
• Moteurs synchrones. Un moteur synchrone sur-excitée peut être utilisé pour corriger le facteur de puissance et est parfois préféré dans les grandes usines car il fournit des VARs en avance sans nécessiter de banques de condensateurs séparées.

Références

• Source originale – Engineering ToolBox : Facteur de puissance – Moteurs électriques