Comment dimensionner et spécifier une batterie de condensateurs : calcul des kVAr, graduations, réglage C/K, contacteurs de commutation et batteries accordées.
Le facteur de puissance (FP) est le rapport entre la puissance active (kW) et la puissance apparente (kVA) appelée au réseau. Un moteur à demi-charge peut appeler 100 kVA pour fournir 60 kW — un FP de 0,60. Le distributeur d'énergie doit malgré tout dimensionner transformateurs, câbles et jeux de barres pour les 100 kVA complets : c'est pourquoi beaucoup de tarifs industriels facturent l'énergie réactive (kVArh) ou pénalisent un FP sous un seuil, typiquement 0,90 ou 0,95.
Pour les constructeurs de tableaux et les distributeurs, l'argument est plus simple : corriger le FP en tête d'installation libère de la capacité transformateur, réduit les pertes cuivre et supprime les lignes de pénalité sur la facture du client. Une batterie qui fait passer le FP de 0,72 à 0,97 peut libérer 20 à 30% de la puissance apparente que l'installation consommait — souvent moins cher qu'un tableau neuf.
Les batteries fixes conviennent aux charges stables et prévisibles — un unique gros compresseur, ou une ligne de production à débit constant. Elles sont les moins chères par kVAr et les plus simples à mettre en service, mais ne suivent pas les variations de charge : à charge légère, la même batterie pousse le FP côté capacitif et élève la tension des condensateurs.
Les batteries automatiques enclenchent et déclenchent des graduations de condensateurs au gré de la charge. Presque toute installation mixte — atelier d'usinage, transformation des plastiques, bâtiment avec CVC — nécessite une batterie automatique. Le surcoût, c'est le régulateur de facteur de puissance plus les contacteurs de commutation de condensateurs, et c'est là que se produisent la plupart des erreurs de spécification.
La puissance réactive que la batterie doit fournir est :
Qc = P × (tg φ1 − tg φ2)
où P est la demande active mesurée en kW, φ1 l'angle du facteur de puissance actuel et φ2 l'angle cible. Exemple : un atelier appelle 250 kW à FP 0,72 (tg = 0,964) et la cible est 0,97 (tg = 0,251). La batterie doit fournir 250 × (0,964 − 0,251) ≈ 178 kVAr.
Deux règles pratiques. Ne compensez jamais jusqu'à l'unité — gardez une marge inductive (FP 0,95–0,98), sinon le régulateur se met à osciller. Et dimensionnez sur la demande mesurée, pas sur la puissance installée : une semaine d'enregistrement à la pince ampèremétrique ou à l'analyseur de réseau vaut mieux que n'importe quelle somme de plaques signalétiques.
Une batterie automatique répartit ses kVAr en graduations — typiquement 5, 12,5, 25 ou 50 kVAr. Les graduations doivent s'affiner à mesure qu'elles se multiplient : une première graduation grossière oscille, une dernière graduation fine ajuste. Une répartition courante pour une batterie de 300 kVAr est 4 × 75 kVAr grossières plus 2 × 25 kVAr et 1 × 50 kVAr fines.
Le rapport C/K — kVAr de la première graduation rapportée au courant primaire du transformateur de courant — fixe la sensibilité du régulateur :
C/K = Qgrad ÷ (Un en kV × ITC en A)
Une première graduation de 50 kVAr sur un réseau 400 V avec TC 1000/5 A donne C/K = 50 ÷ (0,4 × 1000) = 0,125. Réglé trop bas, le régulateur sur-commute ; trop haut, il n'arrive jamais à rattraper.
Le régulateur mesure le FP à partir des entrées TC et tension, le compare au cos φ cible et enclenche ou déclenche des graduations pour combler l'écart. Les réglages qui comptent :
Commuter une graduation de condensateurs n'est pas démarrer un moteur. À l'instant de la fermeture, le condensateur est déchargé et le réseau est près de la crête — le courant d'appel peut atteindre environ 100 fois le courant nominal. Les contacts principaux d'un contacteur standard se soudent sous cet effort.
Les contacteurs pour condensateurs résolvent le problème par des contacts auxiliaires à fermeture anticipée en série avec des résistances d'amortissement : les contacts auxiliaires se ferment d'abord et préchargent la graduation, puis les contacts principaux se ferment pratiquement sans appel de courant. À l'ouverture, les contacts principaux s'ouvrent en premier et les résistances amortissent l'arc. Ce même contacteur n'est pas adapté à la commutation de moteurs, et un contacteur standard n'est jamais une substitution acceptable — un jeu de contacts soudés met toute la batterie hors service.
Les variateurs de fréquence, drivers LED, onduleurs et redresseurs injectent des courants harmoniques. Les condensateurs sont basse impédance aux fréquences harmoniques : une batterie non accordée amplifie donc ces courants, surchauffe et tombe en panne précocement. Les symptômes — fusibles qui fondent, contacteurs qui lâchent, condensateurs bombés — sont régulièrement diagnostiqués à tort comme des « condensateurs défectueux ».
La solution standard est une batterie accordée : une réactance série (typiquement 7% à la fréquence réseau) accorde l'ensemble batterie-condensateurs sous l'harmonique dominant, de sorte que la batterie se comporte en inductif là où c'est important et cesse d'amplifier. Dans les ateliers dominés par les variateurs et redresseurs, spécifiez les batteries accordées par défaut, pas comme option payante.
Mesurez la puissance active P (kW) et le facteur de puissance actuels. La batterie doit fournir Qc = P × (tg φ1 − tg φ2), où φ1 est l'angle actuel et φ2 l'angle cible (généralement 0,95–0,97). Exemple : 250 kW à FP 0,72 vers 0,97 demandent environ 178 kVAr.
Non. À la fermeture sur un condensateur déchargé, le courant d'appel atteint environ 100 fois le courant nominal et les contacts principaux d'un contacteur standard se soudent. Utilisez des contacteurs pour condensateurs à contacts auxiliaires à fermeture anticipée et résistances d'amortissement qui préchargent chaque graduation.
C/K = kVAr de la première graduation ÷ (tension réseau en kV × courant primaire du TC). Une première graduation de 50 kVAr sur un réseau 400 V (0,4 kV) avec TC 1000/5 A donne C/K = 50 ÷ (0,4 × 1000) = 0,125. Trop bas, le régulateur oscille ; trop haut, il répond lentement.
À cause des harmoniques des variateurs et redresseurs. Les condensateurs sont basse impédance aux fréquences harmoniques : ils amplifient le courant harmonique, surchauffent et se bombent. Dans ces environnements, la batterie accordée (réactance série typiquement 7%) doit être la spécification par défaut, pas une option.
Automatique, sauf si une seule charge domine. Une batterie fixe dimensionnée pour la pointe surcompense à charge légère : le FP devient capacitif et la tension des condensateurs monte. Une batterie automatique à graduations grosses et fines suit la charge et maintient le FP entre 0,95 et 0,98.
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