Puissance réelle vs Puissance apparente vs Puissance réactive : Quelle est la différence ?
Sur le réseau, l'électricité est fournie par un signal CA. Dans des conditions idéales, la charge serait purement résistive, mais en raison des moteurs dans les usines et les maisons, la charge est en réalité inductive. Un déphasage apparaît entre la puissance dans le réseau et la puissance dans la charge. Cela peut être vu comme un simple circuit RL et, comme illustré à la figure 1, les différentes puissances sont appelées : puissance réelle, puissance réactive et puissance apparente :
- Puissance réelle
- Puissance réactive
- Puissance apparente
Figure 1 : Illustration du triangle de puissance
Types d'énergie électrique
La puissance réactive représente l'énergie électrique stockée dans la bobine qui retourne ensuite vers le réseau. Les bobines idéales ne consomment aucune énergie électrique, mais génèrent un courant électrique significatif. La puissance réelle est la puissance réellement consommée en raison de la charge résistive, et la puissance apparente est la puissance que le réseau doit être capable de supporter. L'unité de la puissance réelle est le watt, tandis que l'unité de la puissance apparente est le VA (Volt-Ampère).
Comparaison de la puissance réelle, réactive et apparente
Une analogie célèbre est faite avec le verre de bière et la mousse de la bière. La puissance réelle correspond à ce que vous finissez par boire. Le verre représente la puissance apparente et doit être suffisamment grand pour contenir le liquide et la mousse. La question de la puissance réactive n’est pas uniquement technique, mais elle peut avoir des conséquences économiques potentiellement importantes. En effet, une compagnie d’électricité doit construire un réseau capable de transporter l’énergie apparente, mais elle ne facture que la puissance réelle. Si la différence était trop importante, cela deviendrait insoutenable. Le ratio entre la puissance réelle et la puissance apparente est connu sous le nom de facteur de puissance. Le facteur de puissance doit être aussi proche que possible de un. Les composants électroniques, appelés correcteurs de facteur de puissance (PFC), aident dans cette tâche. Les gouvernements adoptent régulièrement de nouvelles réglementations pour les appareils électroniques, qui doivent se conformer à des normes plus strictes afin d’obtenir une bonne étiquette énergétique.
Les convertisseurs AC vers DC conventionnels utilisent généralement un pont redresseur en onde complète avec un simple filtre à condensateur pour extraire l'énergie de la ligne AC. Par conséquent, la forme d'onde du courant de ligne est une impulsion étroite, et le facteur de puissance est faible (0,5-0,6) en raison de la forte distorsion harmonique du courant (voir Figure 3).
Figure 2 : Équation du convertisseur AC vers DC
Diverses méthodes existent pour améliorer le correcteur de facteur de puissance. Pour des faibles puissances, une solution passive avec des composants discrets est souvent suffisante. Comme mentionné précédemment, une charge est la plupart du temps inductive et placer un condensateur en parallèle améliorera le facteur de puissance. Lorsque les applications nécessitent quelques dizaines de watts, un PFC actif est nécessaire. La topologie la plus courante est la topologie boost qui peut être différenciée en 2 sous-catégories :
- Mode de transition (TM) ou mode de conduction critique (CrM) pour quelques dizaines de watts à des centaines de watts
- Mode de conduction continue (CCM) pour quelques centaines de watts à plusieurs milliers de watts
Figure 3 : Étape de correcteur de facteur de puissance (PFC)
Le but est de façonner le courant d'entrée en une forme sinusoïdale, en phase avec la tension sinusoïdale d'entrée. Une référence sinusoïdale interne est générée. Cette référence est comparée au signal externe, et lorsque l'erreur est trop importante, le MOSFET est désactivé. Ensuite, lorsque le courant atteint zéro, le MOSFET est réactivé. Le mode de transition a une période de temps d'activation fixe et présente une courbe semblable à celle de la Figure 4.
Figure 4 : Chronométrage du MOSFET et forme d'onde du courant de l'inductance - mode de transition
Le système fonctionne (pas exactement, mais très proche) à la limite entre le mode de courant continu et le mode de courant discontinu, c'est pourquoi ce système est appelé un PFC en mode de transition. Le courant présente de grandes amplitudes et le courant de crête est deux fois supérieur au courant moyen. Ainsi, pour des puissances élevées, il est nécessaire d'obtenir un courant plus proche d'une courbe sinusoïdale. Le mode de conduction continue est la solution, appliquant une fréquence fixe qui limite les variations du courant comme montré à la figure 5. C'est la conception la plus complexe, mais un facteur de puissance de 0,99 est atteignable.
Figure 5 : Temporisation du MOSFET et chronogramme du courant de l'inductance - mode de conduction continue
Il existe d'autres méthodes, comme la temporisation à temps fixe (FOT) où la modulation se déroule sur le temps de conduction. Dans certaines conditions, elle peut fournir des résultats similaires au mode continu de courant, mais avec une mise en œuvre semblable au mode de transition. Lorsque la puissance doit être augmentée et qu'un seul mode de transition ne suffit plus, un PFC entrelacé peut être la solution. Ce type de solution utilise davantage de composants mais peut être beaucoup plus facile à concevoir.
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