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

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.

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

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.