Facteur de puissance
En génie électrique, le facteur de puissance d’un système électrique à courant alternatif est défini comme le rapport entre la puissance réelle fournie à la charge et la puissance apparente du circuit. Il s’agit d’un nombre sans dimension compris dans l’intervalle fermé de -1 à 1. Un facteur de puissance inférieur à un signifie que les formes d’onde de la tension et du courant ne sont pas en phase, ce qui réduit le produit instantané des deux formes d’onde (V x I). La puissance réelle correspond à la capacité du circuit à effectuer un travail en un temps donné. La puissance apparente est le produit du courant et de la tension du circuit. En raison de l’énergie stockée dans la charge et restituée à la source, ou en raison d’une charge non linéaire qui déforme la forme d’onde du courant prélevé sur la source, la puissance apparente est supérieure à la puissance réelle. Un facteur de puissance négatif se produit lorsque l’appareil (généralement la charge) produit de l’énergie qui retourne ensuite vers la source, normalement considérée comme le générateur.
Dans un système électrique, une charge ayant un faible facteur de puissance préleuvre plus de courant qu’une charge ayant un facteur de puissance élevé pour une même quantité de puissance utile transférée. Des courants plus élevés augmentent les pertes d’énergie dans le réseau de distribution et nécessitent des conducteurs et d’autres équipements de plus grande taille. En raison du coût d’équipements plus volumineux et de l’énergie gaspillée, les fournisseurs d’électricité facturent généralement davantage aux clients industriels ou commerciaux lorsque le facteur de puissance est faible.
Les charges linéaires ayant un faible facteur de puissance (comme les moteurs à induction) peuvent être corrigées à l’aide d’un réseau passif de condensateurs ou d’inductances. Les charges non linéaires, telles que les redresseurs, déforment le courant prélevé sur le réseau. Dans de tels cas, une correction active ou passive du facteur de puissance peut être utilisée pour compenser la distorsion et augmenter le facteur de puissance. Les dispositifs de correction du facteur de puissance peuvent être installés dans une sous-station centrale, répartis sur un réseau de distribution ou intégrés aux équipements consommateurs.
Circuits linéaires
, 
). La ligne bleue montre que toute la puissance est temporairement stockée dans la charge pendant le premier quart de cycle et restituée au réseau pendant le second quart de cycle, de sorte qu’aucune puissance réelle n’est consommée.
, 
). La ligne bleue montre qu’une partie de la puissance est restituée au réseau pendant la partie du cycle indiquée par 
.Dans un circuit alternatif purement résistif, les formes d’onde de la tension et du courant sont synchrones (ou en phase), changeant de polarité au même instant à chaque cycle. Toute la puissance entrant dans la charge est consommée (ou dissipée).
Lorsque des charges réactives sont présentes, comme des condensateurs ou des inductances, le stockage d’énergie dans les charges entraîne un déphasage entre les formes d’onde du courant et de la tension. Au cours de chaque cycle de la tension alternative, une énergie supplémentaire, en plus de toute l’énergie consommée par la charge, est temporairement stockée dans la charge sous forme de champs électriques ou magnétiques, puis restituée au réseau électrique une fraction de période plus tard.
Parce que les systèmes de distribution à haute tension en courant alternatif (HTCA) sont essentiellement des systèmes de circuits quasi linéaires soumis à des variations quotidiennes continues, il existe un « flux et reflux » continu de puissance non productive. La puissance non productive augmente le courant dans la ligne, potentiellement jusqu’à la panne.
Ainsi, un circuit ayant un faible facteur de puissance utilisera des courants plus élevés pour transférer une quantité donnée de puissance réelle qu’un circuit ayant un facteur de puissance élevé. Une charge linéaire ne modifie pas la forme de l’onde du courant, mais peut modifier le déphasage relatif entre la tension et le courant.
Les circuits électriques contenant principalement des charges résistives (lampes à incandescence, éléments chauffants) ont un facteur de puissance de presque 1,0, mais les circuits contenant des charges inductives ou capacitives (moteurs électriques, électrovannes à solénoïde, transformateurs, ballasts de lampes fluorescentes, et autres) peuvent avoir un facteur de puissance bien inférieur à 1.
Définition et calcul
Le flux de puissance en courant alternatif comporte trois composantes :
- Puissance réelle ou active (P), exprimée en watts (W)
- Puissance apparente (S), généralement exprimée en volt-ampères (VA)
- Puissance réactive (Q), généralement exprimée en volt-ampères réactifs (var)
Les VA et les var sont des unités non SI mathématiquement identiques au watt, mais sont utilisées dans la pratique de l’ingénierie au lieu du watt afin d’indiquer quelle grandeur est exprimée. Le SI interdit explicitement l’utilisation d’unités à cette fin ou comme seule source d’information sur une grandeur physique telle qu’elle est utilisée.
Le facteur de puissance est défini comme le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente. Lorsque la puissance est transférée le long d’une ligne de transmission, elle ne se compose pas uniquement de puissance réelle pouvant effectuer un travail une fois transférée à la charge, mais plutôt d’une combinaison de puissance réelle et réactive, appelée puissance apparente. Le facteur de puissance décrit la quantité de puissance réelle transmise le long d’une ligne de transmission par rapport à la puissance apparente totale circulant dans la ligne.
Le triangle des puissances :
Nous pouvons mettre en relation les différentes composantes de la puissance en courant alternatif à l’aide du triangle des puissances. La puissance réelle s’étend horizontalement dans la direction de î, car elle représente une composante purement réelle de la puissance en courant alternatif. La puissance réactive s’étend dans la direction de ĵ, car elle représente une composante purement imaginaire de la puissance en courant alternatif. La puissance apparente représente une combinaison de puissance réelle et réactive, et peut donc être calculée à l’aide de la somme vectorielle de ces deux composantes. Nous pouvons conclure que la relation mathématique entre ces composantes est :
Augmenter le facteur de puissance :
À mesure que le facteur de puissance augmente, le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente augmente et se rapproche de l’unité (1), tandis que l’angle θ diminue et que la puissance réactive diminue.
Diminuer le facteur de puissance :
À mesure que le facteur de puissance diminue, le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente diminue également, tandis que l’angle θ augmente et que la puissance réactive augmente.
Facteurs de puissance inductifs et capacitifs :
De plus, il existe une différence entre un facteur de puissance inductif et un facteur de puissance capacitif. Un facteur de puissance inductif signifie que la charge est inductive, car la charge « consomme » de la puissance réactive, et donc la composante réactive Q est positive, la puissance réactive circulant dans le circuit et étant « consommée » par la charge inductive. Un facteur de puissance capacitif signifie que la charge est capacitive, car la charge « fournit » de la puissance réactive, et donc la composante réactive Q est négative, la puissance réactive étant fournie au circuit.
Si θ est l’angle de phase entre le courant et la tension, alors le facteur de puissance est égal au cosinus de l’angle, 
:
Puisque les unités sont cohérentes, le facteur de puissance est par définition un nombre sans dimension compris entre −1 et 1. Lorsque le facteur de puissance est égal à 0, le flux d’énergie est entièrement réactif et l’énergie stockée dans la charge est restituée à la source à chaque cycle. Lorsque le facteur de puissance est égal à 1, toute l’énergie fournie par la source est consommée par la charge. Les facteurs de puissance sont généralement qualifiés d’« avant » ou d’« après » pour indiquer le signe de l’angle de phase. Les charges capacitives sont en avance (le courant précède la tension), et les charges inductives sont en retard (le courant suit la tension).
Si une charge purement résistive est connectée à une alimentation, le courant et la tension changeront de polarité de manière synchrone, le facteur de puissance sera égal à l’unité (1), et l’énergie électrique circulera dans une seule direction à travers le réseau à chaque cycle. Les charges inductives telles que les transformateurs et les moteurs (tout type de bobine enroulée) consomment de la puissance réactive avec une forme d’onde de courant en retard sur la tension. Les charges capacitives telles que les batteries de condensateurs ou les câbles enterrés génèrent de la puissance réactive avec une phase de courant en avance sur la tension. Les deux types de charges absorberont de l’énergie pendant une partie du cycle alternatif, qui sera stockée dans le champ magnétique ou électrique du dispositif, pour ensuite restituer cette énergie à la source pendant le reste du cycle.
Par exemple, pour obtenir 1 kW de puissance réelle, si le facteur de puissance est égal à l’unité, 1 kVA de puissance apparente doit être transféré (1 kW ÷ 1 = 1 kVA). À de faibles valeurs de facteur de puissance, il faut transférer davantage de puissance apparente pour obtenir la même puissance réelle. Pour obtenir 1 kW de puissance réelle avec un facteur de puissance de 0,2, 5 kVA de puissance apparente doivent être transférés (1 kW ÷ 0,2 = 5 kVA). Cette puissance apparente doit être produite et transmise à la charge selon les méthodes conventionnelles, et elle est soumise aux pertes de distribution habituelles dans les processus de production et de transmission.
Les charges électriques consommant de la puissance en courant alternatif consomment à la fois de la puissance réelle et de la puissance réactive. La somme vectorielle de la puissance réelle et réactive est la puissance apparente. La présence de puissance réactive fait que la puissance réelle est inférieure à la puissance apparente, et donc que la charge électrique a un facteur de puissance inférieur à 1.
Un facteur de puissance négatif (de 0 à -1) peut résulter de la restitution de puissance à la source, comme dans le cas d’un bâtiment équipé de panneaux solaires lorsque leur puissance n’est pas entièrement utilisée dans le bâtiment et que le surplus est réinjecté dans le réseau.
Correction du facteur de puissance des charges linéaires
Un facteur de puissance élevé est généralement souhaitable dans un système de transmission pour réduire les pertes de transmission et améliorer la régulation de la tension au niveau de la charge. Il est souvent souhaitable d’ajuster le facteur de puissance d’un système à une valeur proche de 1,0. Lorsque des éléments réactifs fournissent ou absorbent de la puissance réactive près de la charge, la puissance apparente est réduite. Une correction du facteur de puissance peut être appliquée par un fournisseur de transmission d’énergie électrique pour améliorer la stabilité et l’efficacité du réseau de transmission. Les clients électriques individuels qui se voient facturer par leur fournisseur en raison d’un faible facteur de puissance peuvent installer des équipements de correction pour réduire ces coûts.
La correction du facteur de puissance rapproche le facteur de puissance d’un circuit électrique à courant alternatif de 1 en fournissant de la puissance réactive de signe opposé, en ajoutant des condensateurs ou des inductances qui agissent respectivement pour annuler les effets inductifs ou capacitifs de la charge. Par exemple, l’effet inductif des charges de moteurs peut être compensé par des condensateurs connectés localement. Si une charge avait une valeur capacitive, des inductances (également appelées réactances dans ce contexte) sont connectées pour corriger le facteur de puissance. Dans l’industrie électrique, on dit que les inductances consomment de la puissance réactive et que les condensateurs la fournissent, même si l’énergie ne fait que circuler d’avant en arrière à chaque cycle alternatif.
Les éléments réactifs peuvent créer des fluctuations de tension et du bruit harmonique lorsqu’ils sont mis en marche ou à l’arrêt. Ils fourniront ou absorberont de la puissance réactive indépendamment du fait qu’une charge correspondante fonctionne à proximité, augmentant ainsi les pertes à vide du système. Dans le pire des cas, les éléments réactifs peuvent interagir avec le système et entre eux pour créer des conditions de résonance, entraînant une instabilité du système et de graves fluctuations de surtension.
En conséquence, les éléments réactifs ne peuvent pas être simplement appliqués sans analyse technique.
Un appareil de correction automatique du facteur de puissance se compose de plusieurs condensateurs qui sont commutés au moyen de contacteurs. Ces contacteurs sont pilotés par un régulateur qui mesure le facteur de puissance dans un réseau électrique. Selon la charge et le facteur de puissance du réseau, le contrôleur de facteur de puissance commutera les blocs de condensateurs nécessaires par étapes afin de s'assurer que le facteur de puissance reste supérieur à une valeur sélectionnée.
Au lieu d'utiliser un ensemble de condensateurs commutés, un moteur synchrone sans charge peut fournir de la puissance réactive. La puissance réactive absorbée par le moteur synchrone est en fonction de son excitation de champ. On appelle cela un condensateur synchrone. Il est démarré et raccordé au réseau électrique. Il fonctionne avec un facteur de puissance en avance et injecte des VAR sur le réseau selon les besoins pour soutenir la tension du système ou pour maintenir le facteur de puissance du système à un niveau spécifié.
L'installation et le fonctionnement du condensateur synchrone sont identiques à ceux de grands moteurs électriques. Son principal avantage est la facilité avec laquelle la quantité de correction peut être ajustée ; il se comporte comme un condensateur à capacité variable. Contrairement aux condensateurs, la quantité de puissance réactive fournie est proportionnelle à la tension, et non au carré de la tension ; cela améliore la stabilité de la tension sur les grands réseaux. Les condensateurs synchrones sont souvent utilisés en association avec des projets de transmission en courant continu haute tension ou dans de grandes installations industrielles telles que les usines sidérurgiques.
Pour la correction du facteur de puissance des systèmes électriques haute tension ou des charges industrielles importantes et fluctuantes, des dispositifs d'électronique de puissance tels que le compensateur statique VAR ou le STATCOM sont de plus en plus utilisés. Ces systèmes sont capables de compenser les changements soudains de facteur de puissance beaucoup plus rapidement que les bancs de condensateurs commutés par contacteurs, et étant à l'état solide, ils nécessitent moins de maintenance que les condensateurs synchrones.
Charges non linéaires
Des exemples de charges non linéaires sur un système électrique sont les redresseurs (tels que ceux utilisés dans une alimentation électrique), et les dispositifs à décharge d'arc tels que les lampes fluorescentes, les machines à souder électriques, ou les fours à arc. Comme le courant dans ces systèmes est interrompu par une action de commutation, le courant contient des composantes de fréquence qui sont des multiples de la fréquence du système électrique. Le facteur de puissance de distorsion est une mesure de la manière dont la distorsion harmonique du courant de charge réduit la puissance moyenne transférée à la charge.
Composantes non sinusoïdales
Dans les circuits linéaires ne comportant que des courants et des tensions sinusoïdaux d'une seule fréquence, le facteur de puissance résulte uniquement de la différence de phase entre le courant et la tension. Il s'agit du « facteur de puissance de déphasage ».
Les charges non linéaires modifient la forme de l'onde du courant, passant d'une onde sinusoïdale à une autre forme. Les charges non linéaires créent des courants harmoniques en plus du courant alternatif d'origine (fréquence fondamentale). Cela revêt une importance dans les systèmes électriques réels qui contiennent des charges non linéaires telles que des redresseurs, certaines formes d'éclairage électrique, des fours à arc électrique, des équipements de soudage, des alimentations à découpage et d'autres dispositifs. Des filtres composés de condensateurs et d'inductances linéaires peuvent empêcher les courants harmoniques de pénétrer dans le système d'alimentation.
Un multimètre typique donnera des résultats incorrects lorsqu'il tentera de mesurer le courant alternatif d'une forme d'onde non sinusoïdale ; les instruments mesurent la valeur moyenne de la forme d'onde redressée. La réponse moyenne est ensuite calibrée sur la valeur efficace RMS. Un multimètre mesurant la valeur efficace doit être utilisé pour mesurer les courants et tensions efficaces réels (et donc la puissance apparente). Pour mesurer la puissance active ou la puissance réactive, un wattmètre conçu pour fonctionner correctement avec des courants non sinusoïdaux doit être utilisé.
Facteur de puissance de distorsion
Le facteur de puissance de distorsion est la composante de distorsion associée aux tensions et courants harmoniques présents dans le système.
est la distorsion harmonique totale du courant de charge. 
est la composante fondamentale du courant et 
est le courant total – ce sont tous deux des valeurs racine carrée de la moyenne des carrés (le facteur de puissance de distorsion peut également être utilisé pour décrire les harmoniques d'ordre individuel, en utilisant le courant correspondant à la place du courant total). Cette définition par rapport à la distorsion harmonique totale suppose que la tension reste sans distorsion (sinusoïdale, sans harmoniques). Cette simplification est souvent une bonne approximation pour les sources de tension rigides (qui ne sont pas affectées par les changements de charge en aval dans le réseau de distribution). La distorsion harmonique totale des générateurs typiques due à la distorsion du courant dans le réseau est de l'ordre de 1 à 2 %, ce qui peut avoir des implications à plus grande échelle mais peut être ignoré dans la pratique courante.
Le résultat, lorsqu'il est multiplié par le facteur de puissance de déphasage (DPF), est le facteur de puissance global, réel ou simplement facteur de puissance (PF) :
Distorsion dans les réseaux triphasés
En pratique, les effets locaux du courant de distorsion sur les appareils d'un réseau de distribution triphasé dépendent de l'amplitude de certaines harmoniques d'ordre plutôt que de la distorsion harmonique totale.
Par exemple, les harmoniques triplées, ou de séquence zéro (3e, 9e, 15e, etc.), ont la propriété d'être en phase lorsqu'elles sont comparées entre phases. Dans un transformateur delta-étoile, ces harmoniques peuvent entraîner des courants de circulation dans les enroulements delta et provoquer un échauffement résistif plus important. Dans une configuration étoile d'un transformateur, les harmoniques triplées ne créeront pas ces courants, mais elles entraîneront un courant non nul dans le fil neutre. Cela pourrait surcharger le fil neutre dans certains cas et créer une erreur dans les systèmes de comptage des kilowattheures et les revenus de facturation. La présence d'harmoniques de courant dans un transformateur entraîne également des courants de Foucault plus importants dans le noyau magnétique du transformateur. Les pertes par courants de Foucault augmentent généralement au carré de la fréquence, réduisant l'efficacité du transformateur, dissipant de la chaleur supplémentaire et réduisant sa durée de vie.
Les harmoniques de séquence négative (5e, 11e, 17e, etc.) se combinent avec un déphasage de 120 degrés, de manière similaire à l'harmonique fondamentale mais dans une séquence inversée. Dans les générateurs et les moteurs, ces courants produisent des champs magnétiques qui s'opposent à la rotation de l'arbre et entraînent parfois des vibrations mécaniques dommageables.
Alimentations à découpage
Une classe particulièrement importante de charges non linéaires est celle des millions d'ordinateurs personnels qui intègrent généralement des alimentations à découpage (SMPS) avec une puissance de sortie nominale allant de quelques watts à plus de 1 kW. Historiquement, ces alimentations à très faible coût intégraient un simple redresseur à onde complète qui ne conduisait que lorsque la tension instantanée du réseau dépassait la tension aux condensateurs d'entrée. Cela entraîne des rapports crête-moyenne très élevés du courant d'entrée, ce qui entraîne également un faible facteur de puissance de distorsion et des problèmes potentiellement graves de charge de phase et de neutre.
Une alimentation à découpage typique convertit d'abord le courant alternatif du réseau en un bus continu au moyen d'un pont redresseur ou d'un circuit similaire. La tension de sortie est ensuite dérivée de ce bus continu. Le problème avec cela est que leredresseur est un dispositif non linéaire, donc le courant d'entrée est hautement non linéaire. Cela signifie que le courant d'entrée possède de l'énergie aux harmoniques de la fréquence de la tension.
Cela présente un problème particulier pour les compagnies d'électricité, car elles ne peuvent pas compenser le courant harmonique en ajoutant de simples condensateurs ou inductances, comme elles pourraient le faire pour la puissance réactive absorbée par une charge linéaire. De nombreuses juridictions commencent à exiger légalement la correction du facteur de puissance pour toutes les alimentations au-dessus d'un certain niveau de puissance.
Les agences de réglementation telles que l' UE ont fixé des limites harmoniques comme méthode d'amélioration du facteur de puissance. La baisse du coût des composants a accéléré la mise en œuvre de deux méthodes différentes. Pour se conformer à la norme actuelle de l'UE EN61000-3-2, toutes les alimentations à découpage avec une puissance de sortie supérieure à 75 W doivent inclure au moins une correction passive du facteur de puissance. La certification d'alimentation 80 Plus exige un facteur de puissance de 0,9 ou plus.
Correction du facteur de puissance (PFC) dans les charges non linéaires
PFC passif
La façon la plus simple de contrôler le courant harmonique est d'utiliser un filtre qui laisse passer le courant uniquement à la fréquence du réseau (50 ou 60 Hz). Le filtre se compose de condensateurs ou d'inductances, et fait en sorte qu'un dispositif non linéaire ressemble davantage à une charge linéaire. Un exemple de PFC passif est un circuit de remplissage de creux.
Un inconvénient du PFC passif est qu'il nécessite des inductances ou des condensateurs plus grands qu'un circuit PFC actif de puissance équivalent. De plus, en pratique, le PFC passif est souvent moins efficace pour améliorer le facteur de puissance.
PFC actif
Le PFC actif est l'utilisation de l'électronique de puissance pour changer la forme d'onde du courant absorbé par une charge afin d'améliorer le facteur de puissance.Certains types de PFC actif sont buck, boost,buck-boost et condensateur synchrone. La correction active du facteur de puissance peut être à un ou plusieurs étages.
Dans le cas d'une alimentation à découpage, un convertisseur boost est inséré entre le pont redresseur et les principaux condensateurs d'entrée. Le convertisseur boost tente de maintenir une tension de bus continu constante à sa sortie tout en absorbant un courant qui est toujours en phase avec la tension du réseau et à la même fréquence. Un autre convertisseur à découpage à l'intérieur de l'alimentation produit la tension de sortie souhaitée à partir du bus continu. Cette approche nécessite des interrupteurs à semi-conducteurs et de l'électronique de commande supplémentaires, mais permet des composants passifs moins chers et plus petits. Il est fréquemment utilisé en pratique.
Pour une alimentation à découpage (SMPS) triphasée, la configuration du redresseur de Vienne peut être utilisée pour améliorer considérablement le facteur de puissance.
Les SMPS à PFC passif peuvent atteindre un facteur de puissance d’environ 0,7 à 0,75, tandis que celles à PFC actif peuvent atteindre jusqu’à 0,99. Une SMPS sans correction du facteur de puissance n’atteint en revanche qu’un facteur de puissance d’environ 0,55 à 0,65.
Grâce à leur très large plage de tension d’entrée, de nombreuses alimentations à PFC actif peuvent s’adapter automatiquement pour fonctionner sur une alimentation électrique alternative allant d’environ 100 V (Japon) à 230 V (Europe). Cette fonctionnalité est particulièrement appréciée dans les alimentations pour ordinateurs portables.
PFC dynamique
La correction dynamique du facteur de puissance (DPFC), parfois appelée « correction du facteur de puissance en temps réel », est utilisée pour stabiliser l’alimentation électrique en cas de variations rapides de charge (par exemple sur de grands sites de production). La DPFC est utile lorsque la correction standard du facteur de puissance entraînerait une correction excessive ou insuffisante. La DPFC utilise des interrupteurs à semi-conducteurs, généralement des thyristors, pour connecter et déconnecter rapidement des condensateurs ou des inductances du réseau afin d’améliorer le facteur de puissance.
Importance du facteur de puissance dans les réseaux de distribution
Lorsque le facteur de puissance est inférieur à 1,0, le fournisseur d’énergie doit produire plus que le minimum de volt-ampères nécessaire pour fournir la puissance active (en watts). Cela augmente les coûts de production et de transport. Par exemple, si le facteur de puissance de la charge était aussi faible que 0,7, la puissance apparente serait 1,4 fois supérieure à la puissance active utilisée par la charge. Le courant de ligne dans le circuit serait également 1,4 fois supérieur au courant requis pour un facteur de puissance de 1,0, ce qui doublerait les pertes dans le circuit (puisqu’elles sont proportionnelles au carré du courant). Autrement, tous les composants du système, tels que les générateurs, les conducteurs, les transformateurs et les appareillages électriques, devraient être surdimensionnés (et coûter davantage) pour supporter ce courant supplémentaire.
Les fournisseurs d’énergie facturent généralement des frais supplémentaires aux clients commerciaux dont le facteur de puissance est inférieur à une certaine limite, généralement comprise entre 0,9 et 0,95. Les ingénieurs s’intéressent souvent au facteur de puissance d’une charge comme l’un des facteurs influençant l’efficacité du transport de l’énergie.
Avec l’augmentation du coût de l’énergie et les préoccupations concernant l’efficacité de la distribution de l’électricité, le PFC actif est devenu plus courant dans les appareils électroniques grand public. Les directives actuelles de Energy Star pour les ordinateurs exigent un facteur de puissance ≥ 0,9 à 100 % de la puissance nominale dans le bloc d’alimentation du PC. Selon un livre blanc rédigé par Intel et l’Agence américaine de protection de l’environnement, les PC équipés d’alimentations internes devront utiliser une correction active du facteur de puissance pour répondre aux exigences du programme ENERGY STAR 5.0 pour les ordinateurs.
En Europe, la norme EN 61000-3-2 exige que la correction du facteur de puissance soit intégrée aux produits de consommation.
Techniques de mesure du facteur de puissance
Le facteur de puissance dans un circuit monophasé (ou un circuit triphasé équilibré) peut être mesuré à l’aide de la méthode wattmètre-ampèremètre-voltmètre, selon laquelle la puissance en watts est divisée par le produit de la tension et du courant mesurés. Le facteur de puissance d’un circuit polyphasé équilibré est identique à celui de n’importe quelle phase. Le facteur de puissance d’un circuit polyphasé déséquilibré n’est pas défini de manière unique.
Un wattmètre à lecture directe peut être fabriqué à partir d’un appareil à bobine mobile électrodynamique, doté de deux bobines perpendiculaires sur la partie mobile de l’appareil. Le champ de l’appareil est alimenté par le courant du circuit. Les deux bobines mobiles, A et B, sont connectées en parallèle avec la charge du circuit. La première bobine, A, est connectée par l’intermédiaire d’une résistance et la seconde bobine, B, par l’intermédiaire d’une inductance, de sorte que le courant dans la bobine B est en retard par rapport au courant dans la bobine A. Lorsque le facteur de puissance est égal à 1, le courant dans la bobine A est en phase avec le courant du circuit, et la bobine A fournit un couple maximal, déplaçant l’aiguille de l’appareil vers la marque 1,0 de l’échelle. Lorsque le facteur de puissance est nul, le courant dans la bobine B est en phase avec le courant du circuit, et la bobine B fournit un couple qui déplace l’aiguille vers 0. Pour des valeurs intermédiaires du facteur de puissance, les couples fournis par les deux bobines s’additionnent et l’aiguille prend des positions intermédiaires.
Un autre appareil électromécanique est de type à pales polarisées. Dans cet appareil, une bobine de champ fixe produit un champ magnétique rotatif, tout comme un moteur polyphasé. Les bobines de champ sont connectées soit directement à des sources de tension polyphasées, soit à un réacteur de déphasage pour une application monophasée. Une seconde bobine de champ fixe, perpendiculaire aux bobines de tension, est parcourue par un courant proportionnel au courant d’une phase du circuit. Le système mobile de l’appareil se compose de deux pales qui sont magnétisées par la bobine de courant. En fonctionnement, les pales mobiles adoptent un angle physique équivalent à l’angle électrique entre la source de tension et la source de courant. Ce type d’appareil peut être conçu pour indiquer les courants dans les deux sens, offrant ainsi un affichage du facteur de puissance ou de l’angle de phase sur quatre quadrants.
Des appareils numériques peuvent être fabriqués pour mesurer directement le déphasage temporel entre les formes d’onde de tension et de courant et ainsi calculer le facteur de puissance, ou pour mesurer à la fois la puissance réelle et la puissance apparente dans le circuit et calculer leur quotient. La première méthode n’est précise que si la tension et le courant sont sinusoïdaux. Des charges telles que les redresseurs déforment les formes d’onde, les éloignant de la forme sinusoïdale.
