République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Ecole Nationale Polytechnique

Département d’Electrotechnique
Laboratoire de Recherche en Electrotechnique

Mémoire de Master
en Electrotechnique

Présenté par :
KHEDER Nazim

Installation et dimensionnement de
batteries de compensation

Directeur du mémoire :

R.TAHMI Docteur ENP

Jury :

T.ZEBBADJI Docteur ENP(Président)

M.O.MAHMOUDI Professeur ENP(Examinateur)

H.SAHRAOUI Docteur ENP(Examinatrice)

ENP 2013

Laboratoire de Recherche en Electrotechnique (LRE) - Ecole Nationale Polytechnique (ENP)

10, Avenue des Frères Oudek, Hassen Badi, BP. 182, 16200 El Harrach, Alger, Algérie

www.lre.enp.edu.dz www.enp.edu.dz
 : ‫ملخص‬

ً
‫ابحداء‬ ‫لقد ثطزقنا في هذا العمل إلى دراسة ثزكيب و ثحديد أبعاد البطاريات املسحعملة في جعويض الطاقة الافعالة‬

‫ ثم قمنا بدراسة حالة الطاقة الالفعالة في‬،‫بدراسة نوع البطاريات وجميع أنواع طزق التركيب وألاخطار الناجمة عنها‬
ُ
.‫مصنع " صافية " كما أجزينا جملة من الحقييمات التي أدت إلى إيجاد البطارية املثلى املواثية لهذا املصنع‬

.‫ معامل الاسحطاعة‬،‫ البطاريات‬،‫ الطاقة الالفعالة‬: ‫الكلمات المفتاحية‬

Résumé :

Nous nous sommes intéressés lors de ce travail à l’installation et au dimensionnement des

batteries de compensation de l’énergie réactive en commençant par étudier les types de
batteries ainsi que les types d’installation puis les précautions devant être prise, pour finir nous
avons effectuer une étude de cas au niveau de l’usine SAFIA comprenant des évaluations
nous permettons de trouver la compensation optimale.

Mots clés : Energie réactive,Batteries,facteur de puissance.

Abstract :

In this work we were interested in the installation and the detection of the batteries dimensions
for the compensation of reactive energy beginning by studying the types of batteries also the
types of the installation and the precaution which should be taken , in the end we made a study
case at Safia factory about the evaluations that allow us in finding optimal compensation .

Key words: Reactive energy, battery, power factor.

Dédicaces

À ma famille qui a toujours été présente à mes côtés;

À mes amis polytechniciens qui ont été ma deuxième famille

durant ces cinq dernières années;

À tous ceux qui me sont chers et qui sauront se reconnaitre;

Je dédie ce mémoire.

Nazim
Table de Matières

Introduction Générale………………………………………………………………………1

Puissances et facteur de puissances……………………………………….………………..2

Installation et type de batteries de condensateurs …………………………..……………...5

Précautions à prendre………………………………………………………………………10

Etude de cas…………………………………………………………..………….………....11

Conclusion Générale……………………………………………………………….………15

Bibliographie…………………………………………………………………………….…16
Liste des Figures

Figure1.1 : Diagramme des puissances………………………………………………………………3

Figure 1.2 Schéma de principe de la compensation de la puissance réactive…………………..4
Figure 2.1 : Compensation globale d’une installation électrique…………………………….….5
Figure 2.2 : Compensation partielle d’une installation électrique…………………….…….…..6
Figure 2.3 : Compensation individuelle d’une installation électrique…………………….........7
Figure 4.1: Energie active et réactive consommées par la source1 durant les années 2011 et
2012…………………………………………………………………………………………………..….11
Figure 4.2: Energie active et réactive consommées par la source2 durant les années 2011 et
2012……………………………………………………………………………………........................11
Liste des Tableaux

Tableau 4.1 : Évaluation du coût de la facture électrique avec un Cos =0,91 pour le mois
de février 2011…………………………………………………………………………………..12

Tableau 4.2 : Évaluation du coût de la facture électrique avec un Cos =0,91 pour le mois
de mars 2012……………………………………………………………………………………14
Introduction Génerale

Tout système électrique utilisant le courant alternatif met en jeu deux formes d'énergie :
l’énergie active et l'énergie réactive. Dans les processus industriels utilisant l’énergie
électrique seule l’énergie active est transformée au sein de l'outil de production en énergie
mécanique, thermique ou lumineuse, l'énergie réactive quant à elle sert à l'alimentation des
circuits magnétique.

La surconsommation en énergie réactive est l’un des problèmes dont doit faire face et le
distributeur et le consommateur d’énergie, lors de ce mémoire nous allons nous concentrer
sur le consommateur et les mesures a prendre afin de rectifier cette surconsommation.

Ce mémoire est organisé de la manière suivante :

 Chapitre1 : décrit les puissances électriques, le facteur de puissance et les façons de

l’améliorer.

 Chapitre2 : comporte les types d’installation des batteries de compensation ainsi que
les batteries disponibles.

 Chapitre3 : Illustre les précautions à prendre lors d’une installation de batteries de

condensateurs.

 Chapitre4 : Réalisation d’une étude de cas au sein des COGRAL.

1
 CHAPITRE I :

Puissances et facteur
de puissance
Puissances et facteur de puissance

La puissance électrique se décompose en 3 forme : puissance apparente notée S, puissance

active notée P et finalement puissance réactive notée Q, dans ce chapitre nous allons tenter
d’expliquer le rôle de chaque une d’entre elle en évoquant aussi le facteur de puissance.

Tous récepteur ou charge raccordé à un réseau électrique consomme de l’énergie cette

énergie fournit par le réseau sera convertie en énergie mécanique (travail) et en chaleur
(pertes) elle est dite énergie active cependant et afin de réaliser cette conversion certain
récepteurs ont besoin d’une autre forme d’énergie capable de crée des champs magnétiques
cette énergie est appelé énergie réactive.

1.1 Puissance active :

La puissance active correspond à la réalité du travail ou de la chaleur fournie par la charge en

tenant compte du déphasage existant entre tension et courant est calculé a partir de la formule
suivante et a pour unité le WATT(W)

1.2 Puissance réactive :

La puissance réactive est la puissance nécessaire a l’excitation des machines son unité de
mesure est le VAr dans le cas des installations mal compensé l’énergie réactive oblige les
industrielle a surdimensionné leur installation. Elle est calculée a partir de la formule
suivante :

1.3 Puissance Apparente :

C’est la puissance totale fournie à la charge. Elle se mesure en voltampères (VA) et

correspond à la somme vectorielle de la puissance active et de la puissance réactive du circuit.
L'équation suivante traduit cet énoncé :

2
Puissances et facteur de puissance

Figure1.1 : Diagramme des puissances

1.4 Facteur de puissance :

Définition :

Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente.

Le FP est un terme qui décrit les caractéristiques des signaux en entrée d'un appareil
électrique utilisant du courant alternatif.

Pour des grandeurs sinusoïdales le facteur de puissance est appelé .

Importance du facteur de puissance

Les récepteurs utilisés généralement en industrie sont de types résisto-inductifs, ils induisent
un déphasage entre le courant I et la tension U faisant ainsi baisser le facteur de puissance.

Ces récepteurs sont dimensionné selon des conditions de fonctionnement, notamment le

courant nominal, mais ce n’est qu’une partie de ce courant qui se transforme en énergie utile,
la proportion de cette énergie est égale au facteur de puissance on remarque alors qu’on peut

3
Puissances et facteur de puissance

obtenir la même puissance active pour un courant apparent plus faible. En effet, un récepteur
ayant un bon facteur de puissance permettra une meilleure exploitation des équipements qui
l’alimentent, ce qui économise l’investissement dans une éventuelle extension de puissance
rien qu’en améliorant le facteur de puissance.

Conséquence d’un mauvais facteur de puissance

Les conséquences d’un mauvais facteur de puissance sont :

 Pénalités financières due a la valeur du facteur de puissance

 Importante pertes en ligne
 Chutes de tenions
 Fort appel de puissance non justifié

Amélioration du facteur de puissance

L’amélioration du facteur de puissance peut se faire de différentes façons l’important

étant de rapprocher la valeur du facteur de puissance le plus possible de un, [1].

Figure 1.2 Schéma de principe de la compensation de la puissance réactive.

La figure ci-dessus illustre le principe de compensation de la puissance réactive Q d’une

installation à une valeur plus faible QI par la mise en œuvre d’une batterie de condensateurs
de puissance Qc, dans le même temps la puissance apparente passe de S à SI.

Qc = P * ( tg – tgI )

Avec :
Qc: Puissance de la batterie de condensateurs en KVAR ;
P : Puissance active de la charge en KW
tg : Tangente de l’angle de déphasage de l’installation avant compensation ;
tg I : Tangente de l’angle de déphasage après compensation

4
 CHAPITRE II:

Installation et types
de batteries de
condensateurs
Installation et type de batteries de condensateurs

La compensation de l’énergie réactive peut se faire de différentes manières les types de

compensations sont illustrés dans ce qui suit :

Types de Compensation
Compensation globale :

La compensation globale de l’énergie réactive consiste au raccordement de la batterie de

condensateur en amont (en tête) de l’installation elle assurera la compensation pour
l’ensemble des charges ce type de compensation est généralement appliqué pour une
installation simple de moyenne puissance Elle convient lorsqu'on cherche essentiellement à
supprimer les pénalités et soulager le poste de transformation, [2].

Avantage :

 Supprimer les pénalités pour consommation excessive d'énergie réactive.

 Ajuster le besoin réel de l'installation et diminuer puissance apparente mise a
disposition.
 Soulager le poste de transformation (une partie de l'énergie réactive est fournie par les
condensateurs).
Inconvénient :

 Ce mode de compensation ne soulage pas les installations en aval car la totalité du

courant réactif est présente dans les câbles jusqu'aux récepteurs.
 Les pertes par effet joule dans les câbles ne sont pas diminuer.

Figure 2.1 : Compensation globale d’une installation électrique

5
Installation et type de batteries de condensateurs

Compensation partielle :

La compensation partielle de l’énergie réactive est réalisée en connectant la batterie de

condensateur au niveau du tableau de distribution intermédiaire (ou au niveau de chaque
départ de l’atelier) elle fournit ainsi l'énergie réactive nécessaire par atelier ou par groupe de
récepteur. Ce mode de compensation est préconisé pour des installations étendues comportant
des ateliers dont les régimes de charge sont différents,[2].

Avantage :

 Soulage les câbles alimentant les différents ateliers à partir du transformateur et

permet une réduction de leur section.
 Soulage le poste de transformateur.
 Permet un meilleur dimensionnement que la compensation globale et est adapter pour
des ateliers fonctionnent a des régimes de charges différents.
 Réduit la puissance apparente de l’installation par rapport a celle correspondante aux
charges installées

Inconvénient :

 Prix plus élevé que pour la compensation globale, nécessite un plus grand
investissement.
 Présence de courant réactif en aval du tableau de distribution.

Figure 2.2 : Compensation partielle d’une installation électrique

6
Installation et type de batteries de condensateurs

Compensation individuelle :

La batterie de condensateurs est raccordée directement aux bornes de chaque récepteur

inductif, et particulièrement des moteurs. Elle convient lorsque la puissance de certains
récepteurs est très importante par rapport à la puissance totale, ce type de compensation
introduit l'énergie réactive à l'endroit où elle est consommée, [2].

Avantage :

 Réduction des pénalités due a la consommation réactive.

 Réduction de la puissance apparente, économie en terme de choix de la PMD.
 Elimination des pertes joules et réduction des sections des câbles.
 Le courant réactif est pratiquement éliminé des câbles de l’installation.
 Optimisation du réseau électrique l’énergie réactive est fournit à l’ endroit de sa
consommation.

Inconvénient :

 Le nombre des batteries nécessaire pour la réalisation de cette compensation étant

élevé cette installation nécessite un très grand investissement financier.

Figure 2.3 : Compensation individuelle d’une installation électrique

7
Installation et type de batteries de condensateurs

Types de batteries utilisés et accessoires :

La compensation de l’énergie réactive peut se faire en utilisant deux types de batteries de
condensateurs.

Condensateur fixe :

Ces condensateurs sont d'une puissance unitaire constante elles sont adaptées aux
installations dont la puissance réactive est inferieur a 15% de la puissance apparente
nominale.

Leurs mise en œuvre peut être manuelle (disjoncteur), Semi automatique(Contacteur) ou

directe(Asservissement).

Ces condensateurs sont utilisé dans le cas ou les fluctuations de charge est faible
principalement ou bornes des récepteurs inductifs, [3].

Condensateur à régulation automatique :

Utilisée lorsque la puissance réactive doit s’adapter aux besoins de la consommation

d’énergie réactive de l’installation. La batterie de compensation est alors divisée en plusieurs
gradins de puissance contrôlés par un régulateur varmétrique.

Les condensateurs à régulation automatiques sont placés au niveau des gros départs et des
tableaux généraux, [3].

C) Accessoires accompagnant les batteries de condensateurs :

Différents accessoires accompagnent l’installation des batteries de condensateurs

 Accessoires complémentaires (selfs de décharge, selfs de choc, et anti-harmoniques).

 Protections électriques intégrées (fusibles HPC, protections de déséquilibre…).
 Appareillages de manœuvre (disjoncteurs, interrupteurs, contacteurs…).

Rôle des accessoires Complémentaires :

 Self de décharge :
L'installation de selfs de décharge rapide entre les phases de la batterie permet de
réduire considérablement le temps de décharge des condensateurs. Cette réduction du
temps de décharge apporte :
- la sécurité pour le personnel lors d'une intervention éventuelle
- La réduction du temps d'attente avant mise à la terre
. La possibilité de réenclencher plus rapidement après coupure

8
Installation et type de batteries de condensateurs

 Self de choc :
Une self de choc est connectée en série par gradin et sert à limiter la pointe de courant
qui survient lors des opérations d’enclenchement. La valeur de l’inductance est choisie
pour garantir que les courants de crête survenant lors des manœuvres restent toujours
inférieurs à un certain multiple du courant nominal de la batterie.
Pointe de courant enclenchement :

L’enclenchement d’une batterie de condensateurs est accompagné d’un régime transitoire en

courant et en tension. Une surintensité et une surtension apparaissent, dont l’amplitude et la
fréquence dépendent des caractéristiques du réseau amont et du nombre de batteries de
condensateurs.
Le courant d’enclenchement maximum prendra la valeur suivant L étant la valeur de
l’inductance de la self de choc :

√ √

Le courant nominal de la batterie étant égale à :

On aboutit à :

 Self anti-harmonique :
Dans le cas d’un réseau fortement pollué par les harmoniques, l’installation d’une self
anti-harmoniques, triphasée accordée en série avec la batterie de condensateurs,
s’avère la seule protection efficace elle permettra d’augmenter l’impédance vis-à-vis
des courants harmoniques et de déplacer la fréquence de résonnance parallèle de la
source et du condensateur, au dessous des principales fréquences des courants
harmoniques perturbants.

Rôle des protections électriques :

Le dispositif de protection repose sur l’utilisation d’un film polypropylène métallisé auto
cicatrisant ne nécessitant aucune imprégnation de gaz, de liquide ou de gel. Il fonctionne
comme suit en cas de présence de court-circuit dans le film diélectrique le fusible fond
directement.
Rôle des appareillages de manœuvre :

L’installation d’un contacteur en entrée de batterie, permet son asservissement à un automate

ou à un système de régulation (régulateur varmétrique par exemple). Ce contacteur est adapté
à la coupure des courants capacitifs, il est généralement à coupure sous vide.

Les interrupteurs et disjoncteurs permettent d’agir manuellement sur la mise sous réseau de
notre batterie de compensation.

9
CHAPITRE III:
Précautions à
prendre
Précautions à prendre

Des précautions doivent être prise pour le raccordement d’une batterie de condensateurs au
réseau afin d’éviter l’apparition de certains phénomènes pouvant l’endommager parmi ces
phénomènes :

1. Auto excitation des moteurs asynchrones

Les moteurs asynchrones conçus pour entrainer des charges à forte inertie mettent du temps à
s’arrêter lorsqu’ils sont freinés.
Dans le cas d'un moteur non compensé. L' « inertie magnétique » du circuit du rotor signifie
qu’une f.e.m. est générée dans les enroulements du stator pendant une courte période après la
coupure, et devrait s'annuler après 1 ou 2 périodes.
En compensant l’installation et après avoir coupé l’alimentation électrique du moteur les
condensateurs constituerons alors une charge réactive pour cette FEM induite, qui ferra
circuler des courants capacitifs dans les bobinages du stator.
Ces courants statoriques produisent un champ magnétique tournant dans le rotor qui est
colinéaire avec le champ magnétique induit entrainant ainsi l’augmentation du flux rotorique,
des courants statoriques ainsi que de la tension aux bornes du moteur jusqu'à atteindre des
valeurs de tension élevées et dangereuses. Ce phénomène est connu sous l'appellation de
« autoexcitation».
La batterie de condensateurs doit avoir une puissance inférieure à la puissance nécessaire
à l'auto-excitation du moteur. A défaut, il doit être prévu, dans l'appareillage de commande
des condensateurs, une coupure évitant cette auto-excitation, [4].

2. Harmoniques

Lors du placement d'une batterie de condensateurs, il faut effectuer une vérification de la

présence d'harmoniques dans l'installation: celles-ci peuvent endommager les batteries de
condensateurs et provoquer des surtensions dangereuses pour l'installation. Elles peuvent être
à l'origine du "claquage des condensateurs".

Les harmoniques sont présentes dans les systèmes utilisant des redresseurs. On en trouve dans
les systèmes d'alimentation des salles informatiques, par exemple.

10
Chapitre IV:
Etude de cas
Etude de cas

L’UP6 puise son énergie électrique de deux sources 10kV. Elle est liée à la SONELGAZ par
deux contrats de facturation : le 0456 concernant le poste 428 (qui sera désigné dans l’étude
par « source 1 ») et le 4012 concernant la source 1016 (et qui sera désigné dans l’étude par
« source 2 »).

4000
3500
(

E k
3000
n W
e h 2500
r ,
2000 Energie active consommée
g k
1500 Energie réactive consommée
i V
e A 1000 Energie réactive facturée
s r
500
)

0
2011 2012
Années

Figure 4.1: Energie active et réactive consommées par la source1 durant les années 2011 et
2012

60000
(

E k 50000
n W
40000 Energie active consommée
e h
r , Energie réactive consommée
30000
g k Energie réactive facturée
i V 20000
e A
s r 10000
)

0
2011 Années 2012

Figure 4.2: Energie active et réactive consommées par la source2 durant les années 2011 et
2012

11
Etude de cas

L’énergie fournie par Sonelgaz est normalement accompagnée d’une quantité d’énergie
réactive pouvant aller jusqu’au 50% de l’énergie active. L’excédent de consommation est
facturé à l’abonné selon le tarif en vigueur appliqué.

Mais comme le bonus appliqué par SONELGAZ correspond au 1/5 du coût du kVArh, il est
conseillé d’obtenir un facteur de puissance égal à 0,91.

En effet, l’obtention d’un facteur de puissance supérieur à 0,91 nécessite un investissement

plus important et vu le prix auquel est bonifiée la compensation d’énergie réactive, le retour
sur investissement est très long et n’incite pas à consentir des investissements
supplémentaires.[5]

Pour vérifier l’intérêt d’un tel investissement nous avons réalisé une simulation du coût
annuel de la facture électrique pour le mois de février de l’année 2011 avec un facteur de
puissance égale à 0,91, celui-ci est présentée dans le tableau suivant :

Source 1 :
Évaluation du coût de Évaluation du coût de la
Consommation Février 2011 Unité la facture électrique facture électrique avec

H. creuses kWh 72058 72058

H. de pointe kWh 42025 42025

H. pleines kWh 131874 131874

Total active kWh 245957 245957

Puissance réactive retenue kVARh 412077 112060

1.67 0,4556

0.512 0,9100

Puissance réactive Facturée kVARh 289098 -10918.5

PMA kW 1500 1500

PMD kW 640 640

Coût
Prix total puissance active DA 579811,309 579811,309

Prix total puissance réactive DA 109683,78 -827.62

Gains DA 0 110511,4

Tableau 4.1 : Évaluation du coût de la facture électrique avec un Cos =0,91 pour le mois
de février 2011.

12
Etude de cas

Les pertes financières dues au mauvais facteur de puissance sont évaluées à plus de
109 683,78DA par mois, voir le tableau ci-dessus. L’UP6 était équipée de dix (10) batteries
de condensateurs identiques hors d’usage nous recommandant l’installation de batteries de
condensateur afin d’augmenter le cos phi de cette installation cette augmentation permettra a
l’entreprise de réaliser des économies financières qui se présentent sous trois formes : absence
de pénalités pour le facteur de puissance, une bonification et la réduction des pertes d’énergie.

4.5 Puissance des batteries de condensateurs nécessaire pour augmenter le Cos à 0,91 :
La consommation de l’énergie réactive varie dans le temps du fait des variations de la
charge des moteurs, il faut donc estimer la puissance réactive moyenne à fournir Qc :

Qc = Pa  tg1 - tg2

Le calcul de la puissance des batteries de condensateurs sera effectué en fonction de :

 La puissance moyenne de l’installation : Pa

Tangente de l’angle de déphasage de l’installation avant compensation : tg 1 ;

Tangente de l’angle de déphasage après l’installation de la batterie de condensateurs

tg2=0,4556.

5.2Calcul du temps de retour sur investissement :

L’installation d’une batterie de condensateur Varset de 450kVAr à régulation
automatique accompagnée de son disjoncteur et de son armoire de marque SCHNEIDER est
estimée à 2.5 million de dinars (2 500 000 Da).
Le gain annuel avec l’installation de cette batterie de condensateurs est de 1326136,8 Da.

Le temps de retour de l’investissement sera donc de 24 mois, [5].

13
Etude de cas

Source2 :

Évaluation du coût de Évaluation du coût de

Consommation Unité la facture électrique la facture électrique
Aout 2012 avec
Cos

H. Jour kWh 3317 3317

H. Nuit kWh 1196 1196

Total active kWh 4513 4513

Réactive retenue kVArh 6627 2056.12

tg 1.46 0,4556
Cos 0.56 0,9100
Réactive Facturée kVArh 4370 -200.37

PMA kW 10 10

PMD kW 120 120

Coût
Total active DA 12859,5832 12859,5832

Total Réactive DA 1657,98 15.20

Gains DA 0 1673.18

Tableau 4.2 : Évaluation du coût de la facture électrique avec un Cos =0,91 pour le mois
de mars 2012.
Les Pertes financières dues au mauvais facteur de puissance sont évaluées à 1673,18 DA par
mois.

Détermination de la puissance des batteries de condensateurs nécessaire pour

augmenter le Cos à 0,91 :

Pa= =6.26kW

Calcul du temps de retour sur investissement :

Il n’est pas nécessaire de compenser l’énergie réactive pour cette source.

14
Conclusion Génerale

Lors de ce travail nous nous sommes intéressés à l’impacte qu’avait une surconsommation
d’énergie réactive sur le consommateur de part les pénalités encourues ainsi que l’usure des
installations.

Puis nous nous sommes dirigés vers la réduction de cette consommation par l’installation de
batteries de condensateurs, les types d’installations ainsi que les précautions à prendre.

Pour finir nous avons effectué une étude de cas au sein de l’entreprise SAFIA filiale des
COGRAL où un audit énergétique a été effectué et une compensation de l’énergie réactive a
été proposée après l’analyse de la facturation et son évaluation avec un .

Grace à cette étude nous avons pu juger la place qu’occupe le facteur de puissance au sein
des industries. Le bon fonctionnement, les pénalités financières ainsi que la durée de vie des
équipements étant directement affecté par sa valeur les industrielles se doivent de réaliser une
bonne compensation d’énergie réactive afin de s’assurer une rentabilité financière.

15
Bibliographie

[1] APRUE rapport d’audit UP4 COGRAL, 2002.

[2] Schneider Electric, Guide de la compensation d’énergie réactive et du filtrage des
harmonique n°6,2001.
[3] Schneider Electric, Guide de l’installation électrique chapitre L ,2010.
[4] http://www.energieplus-lesite.be
[5] KHEDER Nazim, LADJAL Lokman «Analyse de la qualité de l’Énergie Électrique-
étude de cas » PFE de l’Ecole Nationale Polytechnique, Juin 2013.

16