Facteur de puissance de l'onduleur : ce que 0,8, 0,9 et 1,0 signifient pour le kVA et le kW

Il y a quelques mois, un client s'est demandé pourquoi un onduleur de 100 kVA dans sa salle de serveurs signalait constamment des surcharges et basculait occasionnellement sur le bypass.

La charge connectée n'était que d'un peu plus de 80 kW, il a donc supposé que l'onduleur aurait dû être suffisamment grand.

Nous lui avons demandé de vérifier la plaque signalétique.

100 kVA / 80 kW

Cela expliquait la majeure partie du problème.

L'onduleur était évalué à 100 kVA, mais sa puissance active nominale n'était que de 80 kW. Avec plus de 80 kW déjà connectés, le système fonctionnait à sa limite nominale de kW, voire au-dessus. Une légère augmentation de la charge ou une courte pointe de puissance pouvait suffire à déclencher une condition de surcharge.

C'est une erreur courante dans la sélection des onduleurs.

On se souvient du chiffre de 100 kVA ou 120 kVA, mais on néglige souvent la puissance nominale en kW imprimée à côté.

Pour le dimensionnement des onduleurs, les deux sont importants.

Commençons par séparer les différents facteurs de puissance

Une fiche technique d'onduleur peut indiquer plusieurs valeurs de facteur de puissance :

• Facteur de puissance d'entrée
• Facteur de puissance de sortie nominal
• Facteur de puissance de charge

Ils sont liés, mais ils ne décrivent pas la même chose.

Le facteur de puissance d'entrée est principalement un problème de puissance en amont

Le facteur de puissance d'entrée décrit la relation entre la puissance active et la puissance apparente tirée par l'onduleur de l'alimentation secteur ou du générateur.

Les onduleurs modernes à double conversion utilisant des redresseurs IGBT ou un PFC actif peuvent atteindre un facteur de puissance d'entrée proche de l'unité dans des conditions de fonctionnement spécifiées, avec une distorsion de courant beaucoup plus faible que les anciens modèles de redresseurs.

Ceci est important lors du dimensionnement :

• Câbles d'entrée
• Disjoncteurs en amont
• Transformateurs
• Générateurs diesel

Pour la conception électrique en amont, le kVA nominal de l'onduleur seul ne suffit pas.

Une valeur plus utile est généralement :

Courant d'entrée maximal

L'entrée de l'onduleur doit alimenter la charge connectée, les pertes de conversion et, dans de nombreux cas, la charge de la batterie en même temps.

Cela devient plus important dans les systèmes à longue autonomie avec des parcs de batteries plus grands et des courants de charge plus élevés.

Pour le dimensionnement des câbles et des disjoncteurs, le courant d'entrée maximal spécifié par le fabricant est généralement une meilleure référence qu'un simple calcul basé uniquement sur la puissance nominale en kVA de sortie de l'onduleur.

Que signifient 0,8, 0,9 et 1,0 ?

Lorsqu'un onduleur est décrit comme ayant un facteur de puissance de sortie de 0,8, 0,9 ou 1,0, cela fait normalement référence à la relation entre sa puissance nominale en kW et sa puissance nominale en kVA.

Une façon simple de le lire est :

FP de sortie nominal = kW nominal ÷ kVA nominal

Donc, si un fournisseur dit :

Ceci est un onduleur de 100 kVA.

Il reste une question importante :

Pour combien de kW est-il conçu ?

Un onduleur de 100 kVA / 80 kW et un onduleur de 100 kVA / 100 kW peuvent avoir la même puissance nominale en kVA, mais leur capacité de puissance active est très différente.

Ceci est également visible dans les conceptions d'onduleurs haute fréquence, où le rapport kW/kVA nominal dépend du modèle spécifique plutôt que de la catégorie de produit seule.

Un onduleur basse fréquence signifie-t-il toujours un FP de 0,8 ?

Non.

De nombreux anciens systèmes basés sur des transformateurs étaient évalués à :

100 kVA / 80 kW

Plus tard, de nombreux systèmes haute fréquence sans transformateur sont passés à :

100 kVA / 90 kW

Et aujourd'hui, les conceptions 100 kVA / 100 kW sont de plus en plus courantes.

Cette histoire a créé un raccourci :

Onduleur basse fréquence = 0,8
Onduleur haute fréquence = 0,9
Onduleur modulaire = 1,0

Ce n'est pas une règle fiable.

La puissance active réelle dépend de la conception de l'onduleur, de la capacité de courant des semi-conducteurs, de la conception thermique et de la méthode de calcul du fabricant.

Un transformateur d'isolement de sortie ne rend pas automatiquement un onduleur FP 0,8. Une conception sans transformateur ou modulaire n'est pas non plus automatiquement FP 1,0.

Lors de la comparaison des onduleurs basse fréquence, des systèmes haute fréquence et des onduleurs modulaires, l'approche la plus sûre reste de vérifier le kVA nominal et le kW nominal sur la fiche technique.

Pour une comparaison plus large des deux principales topologies d'onduleurs, consultez notre guide sur onduleurs basse fréquence vs. onduleurs haute fréquence.

La charge a aussi son propre facteur de puissance

L'onduleur a des limites en kW et en kVA.

La charge a également son propre kW, kVA et facteur de puissance.

Supposons que la charge réelle soit :

80 kW à FP 0,95

La puissance apparente est :

80 ÷ 0,95 ≈ 84,2 kVA

Donc, la charge utilise :

• 80 kW de puissance active
• environ 84,2 kVA de puissance apparente

Connectons maintenant cette charge à un onduleur de 100 kVA / 80 kW.

Le chargement est approximativement :

• kW : 100 %
• kVA : 84 %

L'onduleur n'a pas manqué de kVA.

Il a manqué de kW.

Placez la même charge sur un onduleur de 100 kVA / 100 kW et les chiffres deviennent :

• kW : 80 %
• kVA : 84 %

Les deux restent dans la limite de l'onduleur.

C'est pourquoi le dimensionnement des onduleurs ne devrait jamais être basé uniquement sur le kW ou le kVA.

La charge doit rester dans les deux limites.

Celui qui est atteint en premier devient la contrainte.

Pour un processus de dimensionnement complet, consultez notre guide sur comment dimensionner et sélectionner un onduleur industriel ou médical.

Un FP de 1,0 ne signifie pas qu'une charge de 100 kW peut être connectée

C'est une autre incompréhension courante.

Si un onduleur est évalué :

100 kVA / 100 kW

cela ne signifie pas que toute charge inférieure à 100 kW est automatiquement acceptable.

Prenons une charge de 80 kW.

À FP 1,0 :

80 kW = 80 kVA

À FP 0,8 :

80 ÷ 0,8 = 100 kVA

La puissance active n'est toujours que de 80 kW, mais la charge a déjà atteint la limite de 100 kVA de l'onduleur.

Donc, une puissance nominale de FP 1,0 signifie que l'onduleur peut avoir une capacité nominale en kW et en kVA égale.

Cela ne signifie pas que le facteur de puissance de la charge peut être ignoré.

Le facteur de puissance capacitif et inductif comptent aussi

Un facteur de puissance de charge de 0,8 n'est pas toute l'histoire.

Il peut s'agir de :

• 0,8 inductif
• 0,8 capacitif

Ceux-ci représentent des conditions de fonctionnement différentes pour l'onduleur.

Les serveurs, les alimentations à découpage, les variateurs de fréquence, les moteurs et autres charges industrielles ne se comportent pas tous de la même manière.

C'est pourquoi une bonne fiche technique d'onduleur de moyenne ou grande capacité inclut souvent plus que :

FP de sortie = 1,0

Elle peut également spécifier :

Plage de facteur de puissance de charge

et parfois fournir une courbe de déclassement de sortie montrant la quantité de kW ou de kVA disponible à différents facteurs de puissance capacitifs et inductifs.

Pour les charges informatiques conventionnelles, cela peut ne pas être un problème majeur.

Pour des équipements tels que :

• Variateurs de fréquence
• Moteurs
• Machines CNC
• Équipement d'imagerie médicale
• Autres charges dynamiques ou non linéaires

la plage de FP de charge, la capacité de surcharge et les exigences de courant de crête doivent également être vérifiées.

Pour les applications de moteurs et inductives, voir ce qu'il faut vérifier lors du choix d'un onduleur pour charges inductives.

Le même principe s'applique aux systèmes d'imagerie médicale. Dans un projet récent, un onduleur basse fréquence de 120 kVA a été utilisé pour un scanner CT au Cameroun, où le comportement dynamique de la charge et la demande transitoire étaient aussi importants que la puissance nominale en kVA.

N'ajoutez pas simplement 15 % de puissance de charge de batterie à la sortie de l'onduleur

Un raccourci de dimensionnement courant ressemble à ceci :

Charge de 80 kW
+ 15 % de charge de batterie
+ 20 % de capacité de réserve
= choisir un onduleur de 120 kVA

C'est facile à calculer, mais cela mélange les côtés entrée et sortie de l'onduleur.

La charge de la batterie augmente principalement l'exigence de puissance côté entrée.

La capacité du chargeur peut également varier considérablement entre les modèles.

Deux systèmes d'onduleurs de 100 kVA peuvent avoir des courants de charge très différents, surtout si l'un est conçu pour un parc de batteries externe à longue autonomie.

Lors du dimensionnement :

• Câbles d'entrée de l'onduleur
• Disjoncteurs d'entrée
• Transformateurs en amont
• Générateurs diesel

vérifiez les spécifications du fabricant :

Courant d'entrée maximal

et :

Courant de charge maximal

Ces chiffres sont plus utiles que de supposer que la charge de la batterie représente toujours 10 %, 15 % ou 20 % de la capacité de l'onduleur.

Le dimensionnement du générateur ne doit pas utiliser un multiplicateur fixe

Une autre règle courante est :

Capacité du générateur = Capacité de l'onduleur × 1,5

Parfois, la recommandation est ×2.

Il existe des systèmes où cette marge est raisonnable, en particulier les anciens modèles d'onduleurs avec un facteur de puissance d'entrée plus faible et une distorsion de courant plus élevée.

Mais cela ne doit pas être traité comme une règle universelle.

Les redresseurs d'onduleurs modernes utilisant des IGBT ou des PFC actifs peuvent imposer une charge très différente à un générateur.

Le dimensionnement du générateur doit prendre en compte :

• Courant d'entrée maximal de l'onduleur
• Facteur de puissance d'entrée
• THDi d'entrée
• Puissance de charge de la batterie
• Démarrage progressif ou temps de montée du redresseur
• Réponse de l'AVR du générateur
• Réponse du régulateur
• Autres charges connectées au même générateur

Si le générateur alimente également la climatisation, les pompes, l'éclairage ou d'autres équipements, ces charges doivent également être incluses.

Pour les systèmes critiques, le dimensionnement du générateur n'est qu'une partie de l'architecture globale de puissance. La redondance peut être tout aussi importante. Notre article sur redondance d'onduleur N+1 vs. 2N traite ce sujet séparément.

Pour les projets avec alimentation par générateur, l'onduleur et le générateur doivent idéalement être vérifiés ensemble en utilisant les modèles réels plutôt qu'un multiplicateur fixe.

Que doit inclure une spécification technique d'onduleur ?

Pour un onduleur de moyenne ou grande capacité, spécifier uniquement :

Onduleur en ligne de 100 kVA

n'est pas suffisant.

Au minimum, confirmez :

Pour des charges inhabituelles ou très dynamiques, il est également utile de demander la courbe de déclassement de sortie du fabricant en fonction du facteur de puissance de charge.

C'est beaucoup plus utile que de se faire dire qu'un onduleur "peut gérer n'importe quelle charge".

Un dernier point

La prochaine fois que vous verrez un onduleur de 100 kVA, ne supposez pas qu'il peut fournir 100 kW.

Vérifiez la ligne suivante de la fiche technique.

Est-ce :

80 kW ?

90 kW ?

ou :

100 kW ?

Comparez ensuite ces puissances nominales avec le kW et le kVA réels de la charge.

Si l'application comprend des moteurs, des variateurs de fréquence, des équipements médicaux ou d'autres charges dynamiques, vérifiez également la plage de facteur de puissance de charge autorisée et la capacité de surcharge.

Beaucoup d'erreurs de dimensionnement d'onduleurs ne sont pas causées par une mauvaise formule.

Elles commencent parce que quelqu'un a regardé 100 kVA et s'est arrêté là.

Cet article est basé sur l'expérience de TAFENG en matière de dimensionnement d'onduleurs et d'applications sur le terrain. La conception finale du système doit être vérifiée par rapport aux données techniques du modèle d'onduleur sélectionné et aux exigences du projet spécifique.

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