COMBIEN D’APPAREILS PEUT-ON BRANCHER SUR UNE MÊME LIGNE ?
Un petit coup d’œil sur un compteur ou un contrat d’électricité nous permet de constater que le fournisseur d’énergie nous vend une puissance disponible exprimée en kVA (kilovoltampère) tandis que, sur les fiches techniques du matériel, les consommations de nos appareils sont données en kW (kilowatt), la puissance réellement utilisée par l’appareil branché. Comment dès lors déterminer la quantité de kW que l’on peut tirer à partir des kVA disponibles sur la ligne ?
La puissance disponible en kVA est dite « apparente ». Elle est déterminée par le produit de la tension efficace du secteur (proche de 230 V dans nos contrées) et du courant efficace total délivré.
Le fournisseur d’énergie produit un courant et une tension, tous deux de forme sinusoïdale. En phase, courant et tension passent par la valeur zéro de façon synchrone (fig. 1).La puissance active (Pa), exprimée en kW, est celle utile à notre appareil, que ce soit un luminaire, un amplificateur de puissance ou tout autre équipement branché au secteur.
Puissance apparente (Pap) et puissance active sont liées par le facteur de puissance, également appelé cosinus Ø ou cos Ø. L’angle Ø est celui du déphasage entre le courant et la tension qui sont effectivement consommées par l’appareil.
La formule est simple, Pa = Pap . cos Ø. Nous avons vu que Pap = U . I. Nous pouvons donc aussi exprimer notre formule en Pa = U . I . cos Ø.
La tension et le courant pouvant dans l’absolu connaître un déphasage compris entre +/- 90°, la valeur de notre cosinus Ø peut prendre toutes les valeurs entre 0 et +1.
Les charges à tendance inductive, comme les moteurs électriques, les ballasts et tout ce qui contient une bobine, vont induire un déphasage réactif entre le courant et la tension compris entre 0 et +90°. Avec des charges capacitives, c’est-à-dire se comportant comme des condensateurs, le déphasage varie de 0 à -90°. Dans les deux cas, le cos Ø évolue dans l’intervalle entre 0 et 1. (fig. 2).Pour une même puissance apparente disponible, la puissance active pourra donc prendre les valeurs extrêmes suivantes : Pa = Pap . 1 = Pa dans le cas d’un déphasage nul et Pa = Pap . 0 = 0 pour un déphasage de 90°. Dans ce dernier cas, théorique en vérité, aucune puissance ne sera exploitée par l’appareil alors même que la consommation de la ligne sera très importante.
D’OÙ VIENT LE DÉPHASAGE Ø ?
Certains appareils n’induisent aucun déphasage entre le courant et la tension. Les radiateurs électriques à convection, les cafetières et les fours à résistance en sont des exemples. Citons aussi, en lien direct avec le domaine de la scène, les lampes à incandescence.
Ces appareils utilisent le principe de la résistance électrique, qui chauffe lorsque le courant la traverse. Ils sont dits résistifs, et leur cos Ø est égal à 1. La puissance active utile à l’appareil est la même que celle consommée par le circuit. Un « rendement » très efficace et tout à fait satisfaisant électriquement.
L’approche consommation d’énergie est en revanche moins glorieuse. Bien que ne gaspillant aucune énergie issue du réseau d’alimentation, tous les produits cités ont une tendance à la forte consommation. Les lampes à incandescence, pour évoquer un matériel utilisé au quotidien dans le spectacle, ont un rendement très faible. La majorité de la lumière qu’elles émettent se situe dans des longueurs d’onde infra-rouges, non visibles, ce qui explique leur intense production de chaleur. Au final, seuls quelque 10 % de l’énergie consommée sont convertis en lumière visible. Pour ces raisons écologiques, les lampes à incandescence sont interdites à la commercialisation pour le grand public depuis le 31 décembre 2012 ! Et la tendance de l’ensemble des équipements « résistifs » est de basculer vers de nouvelles technologies moins gourmandes en énergie.
Les lampes à incandescence sont donc remplacées peu à peu par des produits plus performants. On connaît depuis longtemps les tubes fluorescents. Plus récemment, sont apparues les lampes fluocompactes, puis les solutions à LED de puissance, qui ont pris dans l’éclairage de spectacle une place prépondérante. Ces technologies font toutes appel à des électroniques de commande, des ballasts ou des alimentations à découpage. A cause de son ballast, un tube fluorescent peut par exemple présenter un cos Ø de 0,5. La moitié de la puissance consommée est dont perdue. Pour les LEDs, le cos Ø obtenu est particulièrement lié à la qualité de conception du circuit de commande, celui qui permet aussi de dimmer l’éclairage ou de faire varier la couleur résultante par dosage relatif de l’éclairement de LEDs de différentes teintes.
LA CORRECTION DU FACTEUR DE PUISSANCE
Les électroniques sérieuses contiennent un étage de correction du cos Ø. En anglais, on parle de PFC, pour Power Factor Correction (correction du facteur de puissance).
Les solutions peuvent être passives, par l’ajout de composants électroniques induisant le déphasage inverse de celui produit par la charge. Jumeler sur une même ligne une charge inductive et une charge capacitive provoquera ainsi une compensation des facteurs de puissance. Si la composante inductive de la charge donne un déphasage de +30° et la partie capacitive de -30°, l’angle résultant vaudra 0° et le cos Ø équivalent de la charge sera de 1. Des électroniques actives permettent un contrôle plus fin et surtout adaptatif de la correction. En effet, le cos Ø varie suivant l’utilisation de l’appareil. Quand le dimmer d’un luminaire à LED est réglé sur une valeur d’éclairement faible, par exemple, le cos Ø est généralement beaucoup moins favorable qu’avec les LEDs à full.
La technologie PFC est aussi très commune en audio, notamment dans les amplificateurs de puissance à découpage. Sans correction du facteur de puissance, le cos Ø pourrait descendre à 0,5 et induire des consommations bien supérieures à la puissance réellement utile à l’amplification du signal.
