Que se passe-t-il quand le cos φ est mauvais ?

Introduction

Le cos φ fait partie de ces notions que l’on rencontre régulièrement en électricité sans toujours voir immédiatement ce qu’elles changent sur le terrain. Pourtant, lorsqu’il devient trop faible, les conséquences sont très concrètes.

Pour fournir la même puissance utile à un équipement, l’installation doit faire circuler davantage de courant. Les câbles sont plus sollicités, les pertes augmentent, les chutes de tension peuvent devenir plus importantes et une partie de la capacité de l’installation est utilisée… sans produire davantage de travail utile.

Autrement dit, un mauvais cos φ ne signifie pas forcément que l’équipement consomme beaucoup plus de puissance active. Il signifie surtout que le réseau doit travailler davantage pour lui fournir cette puissance.

Voyons ce que cela change réellement.

Un mauvais cos φ, c’est quoi exactement ?

Le cos φ permet de comparer la puissance réellement utilisée par un équipement à la puissance que l’installation doit transporter pour l’alimenter.

Lorsqu’il est proche de 1, la situation est idéale : presque toute la puissance appelée participe au travail utile. Lorsqu’il descend, par exemple à 0,8, 0,7 ou 0,6, une partie plus importante de ce qui circule dans l’installation correspond à de la puissance réactive.

Cette puissance réactive est nécessaire au fonctionnement de certains équipements, notamment ceux comportant des éléments inductifs comme les moteurs ou les transformateurs. Le problème n’est donc pas qu’elle soit inutile. Le problème apparaît lorsqu’elle devient trop importante.

Plus le cos φ s’éloigne de 1, plus l’installation doit transporter de courant pour fournir la même puissance active.

Pour la même puissance, davantage de courant circule

C’est probablement la conséquence la plus simple à comprendre.

Prenons un équipement triphasé qui demande 10 kW de puissance active sous 400 V. Avec un cos φ de 1, le courant est d’environ 14,4 A. Avec un cos φ de 0,7, il faut environ 20,6 A pour fournir exactement les mêmes 10 kW. La machine n’effectue pas davantage de travail. Pourtant, près de 6 A supplémentaires circulent dans les conducteurs.

C’est tout le problème d’un cos φ faible : pour obtenir le même résultat utile, l’installation doit transporter davantage de courant. Et dès que le courant augmente, d’autres conséquences apparaissent.

Plus de courant signifie davantage de pertes et d’échauffement

Un conducteur possède une résistance. Lorsqu’un courant le traverse, une partie de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur. Et ces pertes augmentent rapidement avec l’intensité.

Si un mauvais cos φ oblige l’installation à faire circuler davantage de courant, les câbles, les connexions, les transformateurs et certains appareillages sont donc davantage sollicités. Cela peut se traduire par plus d’échauffement et davantage de pertes dans l’installation.

Sur une petite installation, l’effet peut rester limité. Sur un atelier, un bâtiment tertiaire ou une installation comportant plusieurs moteurs, il peut devenir beaucoup plus significatif.

Faire circuler 20 A lorsqu’on pourrait n’en transporter que 15 n’est jamais totalement neutre.

Une partie de la capacité de l’installation est occupée pour rien de plus

Un câble, un disjoncteur, un transformateur ou une alimentation possède une capacité limitée. Si une partie de cette capacité est utilisée pour transporter du courant réactif, elle n’est plus disponible pour alimenter d’autres équipements.

Prenons un circuit capable de supporter une certaine intensité. Avec un bon cos φ, cette intensité correspond principalement à de la puissance utile. Avec un cos φ faible, une partie du courant transporté ne produit pas de puissance active supplémentaire.

On peut donc arriver plus rapidement aux limites de l’installation alors que la puissance réellement utilisée reste relativement modeste. C’est particulièrement important lorsqu’on dimensionne une liaison, un transformateur, un groupe électrogène ou une installation triphasée.

Un mauvais cos φ peut donner l’impression que l’installation manque de capacité alors qu’une partie de celle-ci est simplement mal utilisée.

Les chutes de tension peuvent également augmenter

Plus le courant augmente dans un conducteur, plus la chute de tension peut devenir importante. Un cos φ faible peut donc aggraver un problème déjà présent sur une liaison longue ou fortement chargée.

Sur quelques mètres, la différence sera parfois négligeable. Mais sur une alimentation longue, avec des puissances importantes, chaque ampère supplémentaire compte. C’est aussi pour cette raison qu’un calcul de chute de tension ne doit pas uniquement regarder la puissance annoncée de l’équipement.

Il faut également tenir compte de l’intensité réellement appelée. Et cette intensité dépend notamment du cos φ.

Et sur la facture d’électricité ?

C’est ici qu’il faut éviter une idée reçue. Un mauvais cos φ ne signifie pas automatiquement qu’un particulier verra sa facture d’électricité exploser. Pour la plupart des installations domestiques, l’énergie facturée correspond principalement à l’énergie active consommée.

En revanche, sur certaines installations professionnelles ou industrielles, une consommation importante d’énergie réactive peut avoir des conséquences économiques selon le contrat et les conditions appliquées par le fournisseur ou le gestionnaire.

Même sans pénalité directe, un mauvais cos φ peut également coûter indirectement : davantage de pertes, installation plus fortement dimensionnée, transformateur ou groupe électrogène plus sollicité, capacité disponible réduite.

Le coût d’un mauvais cos φ ne se trouve donc pas toujours directement sur la ligne “électricité” de la facture. Il peut aussi se cacher dans le dimensionnement et le fonctionnement de l’installation.

Comment améliorer un cos φ trop faible ?

Lorsqu’une installation comporte beaucoup de charges inductives, il est possible de compenser une partie de la puissance réactive. La solution classique consiste à utiliser des condensateurs, souvent regroupés dans une batterie de compensation.Ils fournissent localement une partie de la puissance réactive demandée par l’installation.

Résultat : moins de puissance réactive doit être transportée depuis le réseau et le courant appelé en amont diminue.

Mais la compensation ne consiste pas à ajouter des condensateurs au hasard. Elle doit être adaptée à l’installation, aux équipements réellement utilisés et à leur fonctionnement. Une compensation excessive peut elle aussi créer des problèmes. Sur les installations importantes, il faut également tenir compte de la présence éventuelle d’harmoniques. L’objectif n’est donc pas d’obtenir “le plus de condensateurs possible”. L’objectif est simplement de ramener le facteur de puissance à une valeur cohérente avec l’installation.

Quand faut-il réellement s’en préoccuper ?

Dans une habitation classique, le cos φ n’est généralement pas la première préoccupation de l’électricien.

Le sujet devient beaucoup plus important lorsque l’installation comporte de nombreuses charges inductives ou des puissances importantes. C’est notamment le cas avec certains moteurs, transformateurs, machines, installations de ventilation, pompes ou équipements industriels.

Il devient également important lorsqu’on doit dimensionner une alimentation, vérifier la puissance disponible, choisir un groupe électrogène, calculer une intensité triphasée ou analyser une installation qui semble fortement chargée.

Dans ces situations, oublier le cos φ peut conduire à sous-estimer l’intensité réellement appelée. La puissance indiquée sur la machine ne raconte donc pas toujours toute l’histoire.

Conclusion ?

Un mauvais cos φ ne signifie pas qu’une machine travaille davantage. C’est même plutôt l’inverse : l’installation doit transporter davantage de courant pour fournir la même puissance utile.

Ce courant supplémentaire augmente les pertes, l’échauffement et les chutes de tension, tout en occupant une partie de la capacité des câbles, protections, transformateurs ou alimentations. C’est pourquoi le cos φ devient important dès que l’on travaille avec des puissances significatives ou des équipements inductifs.

La logique peut finalement se résumer très simplement : à puissance utile identique, plus le cos φ baisse, plus l’intensité augmente.

Et en électricité, davantage de courant finit presque toujours par avoir des conséquences quelque part.

À retenir quand le cos φ est faible

1 - davantage de courant circule pour la même puissance utile
2 - les pertes dans les conducteurs augmentent
3 - l’échauffement peut devenir plus important
4 - les chutes de tension peuvent augmenter
5 - une partie de la capacité de l’installation est moins bien utilisée
6 - certaines installations professionnelles peuvent subir un coût supplémentaire lié à l’énergie réactive
7 - une compensation adaptée peut améliorer la situation

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