Dans un circuit continu (DC), le produit de « volts x ampères » donne la puissance consommée en watts par le circuit. Cependant, bien que cette formule soit également valable pour les circuits AC purement résistifs, la situation est légèrement plus complexe dans les circuits AC contenant des composants réactifs, car ce produit volt-ampères peut changer avec la fréquence, affectant ainsi la puissance réactive des circuits.

Dans un circuit AC, le produit de la tension et du courant est exprimé en volt-amperes (VA) ou en kilovolt-amperes (kVA) et est connu sous le nom de puissance apparente, symbole S. Dans un circuit non inductif purement résistif tel que les chauffages, les fers, les bouilloires et les ampoules à filament, leur réactance est pratiquement nulle, de sorte que l’impédance du circuit est composée presque entièrement de résistance.

Pour un circuit AC résistif, le courant et la tension sont en phase, et la puissance à un instant donné peut être déterminée en multipliant la tension par le courant à cet instant. En raison de cette relation « en phase », les valeurs efficaces peuvent être utilisées pour trouver la puissance DC équivalente ou l’effet de chauffage.

Cependant, si le circuit contient des composants réactifs, les formes d’onde de tension et de courant seront « hors phase » d’une certaine valeur déterminée par l’angle de phase du circuit. Si l’angle de phase entre la tension et le courant est à son maximum de 90^o, le produit volt-ampères aura des valeurs positives et négatives égales.

En d’autres termes, le circuit réactif restitue autant de puissance à l’alimentation qu’il en consomme, ce qui signifie que la puissance moyenne consommée par le circuit est nulle, car la même quantité d’énergie circule alternativement de la source à la charge et de la charge à la source.

Étant donné que nous avons une tension et un courant mais aucune puissance dissipée, l’expression P = IV (eff) n’est plus valide. Il en découle donc que le produit volt-ampères dans un circuit AC ne donne pas nécessairement la puissance consommée. Pour déterminer la « puissance réelle », également appelée puissance active, symbole P, consommée par un circuit AC, nous devons tenir compte non seulement du produit volt-ampères mais aussi de la différence d’angle de phase entre les formes d’onde de tension et de courant, donnée par l’équation : VI.cosΦ.

Nous pouvons écrire la relation entre la puissance apparente et la puissance active ou réelle comme suit :

Notez que le facteur de puissance (PF) est défini comme le rapport entre la puissance active en watts et la puissance apparente en volt-amperes, et indique combien la puissance électrique est utilisée efficacement. Dans un circuit AC non inductif, la puissance active sera égale à la puissance apparente car la fraction de P/S devient égale à un ou unité. Le facteur de puissance d’un circuit peut être exprimé soit comme une valeur décimale, soit comme un pourcentage.

Mais en plus des puissances active et apparente dans les circuits AC, il existe également un autre composant de puissance présent chaque fois qu’il y a un angle de phase. Ce composant est appelé puissance réactive (parfois référée comme puissance imaginaire) et est exprimé en unités appelées « volt-amperes réactifs » (VAr), symbole Q, donné par l’équation : VI.sinΦ.

La puissance réactive, ou VAr, n’est pas vraiment de la puissance mais représente le produit de volts et d’amperes qui sont hors phase l’un par rapport à l’autre. La puissance réactive est la portion de l’électricité qui aide à établir et à maintenir les champs électriques et magnétiques requis par les équipements à courant alternatif. La quantité de puissance réactive présente dans un circuit AC dépendra du décalage de phase ou de l’angle de phase entre la tension et le courant, et tout comme la puissance active, la puissance réactive est positive lorsqu’elle est « fournie » et négative lorsqu’elle est « consommée ».

La puissance réactive est utilisée par la plupart des types d’équipements électriques qui utilisent un champ magnétique, tels que les moteurs, les générateurs et les transformateurs. Elle est également requise pour compenser les pertes réactives sur les lignes de transmission électrique aériennes.

La relation des trois éléments de puissance, puissance active (watts), puissance apparente (VA) et puissance réactive (VAr) dans un circuit AC peut être représentée par les trois côtés d’un triangle rectangle. Cette représentation est appelée un triangle de puissance comme indiqué :

La Puissance dans un Circuit AC

À partir du triangle de puissance ci-dessus, nous pouvons voir que les circuits AC fournissent ou consomment deux types de puissance : puissance active et puissance réactive. De plus, la puissance active n’est jamais négative, tandis que la puissance réactive peut être soit positive, soit négative, donc il est toujours avantageux de réduire la puissance réactive afin d’améliorer l’efficacité du système.

Le principal avantage de l’utilisation de la distribution de puissance électrique AC est que le niveau de tension d’alimentation peut être modifié à l’aide de transformateurs, mais les transformateurs et les moteurs à induction des appareils ménagers, des climatiseurs et des équipements industriels consomment tous de la puissance réactive, ce qui prend de la place sur les lignes de transmission, car des conducteurs et des transformateurs plus grands sont nécessaires pour traiter les courants plus élevés, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.

Analogie de la Puissance Réactive
Utilisation d’une Pinte de Bière

De plusieurs manières, la puissance réactive peut être comparée à la mousse sur une pinte ou un verre de bière. Vous payez le barman pour un verre plein de bière mais vous ne buvez que le liquide bière lui-même, qui, dans de nombreux cas, est toujours moins qu’un verre plein.

Cela est dû au fait que la mousse (ou écume) de la bière occupe un espace supplémentaire dans le verre, laissant moins de place pour le vrai liquide de bière que vous consommez, et la même idée est vraie sous de nombreux aspects pour la puissance réactive.

Cependant, pour de nombreuses applications industrielles, la puissance réactive est souvent utile pour un circuit électrique. Alors que la puissance réelle ou active est l’énergie fournie pour faire fonctionner un moteur, chauffer une maison ou éclairer une ampoule électrique, la puissance réactive assure la fonction importante de réguler la tension, aidant ainsi à transporter efficacement l’énergie à travers le réseau électrique et les lignes de transmission vers l’endroit où elle est nécessaire.

Bien que réduire la puissance réactive pour améliorer le facteur de puissance et l’efficacité du système soit une bonne chose, l’un des inconvénients de la puissance réactive est qu’une quantité suffisante est nécessaire pour contrôler la tension et surmonter les pertes dans un réseau de transmission. En effet, si la tension du réseau électrique n’est pas suffisamment élevée, la puissance active ne peut pas être fournie. Cependant, avoir trop de puissance réactive circulant dans le réseau peut entraîner un échauffement excessif (pertes I²*R) et des baisses de tension indésirables ainsi qu’une perte de puissance le long des lignes de transmission.

Correction du Facteur de Puissance de la Puissance Réactive

Une façon d’éviter les charges de puissance réactive est d’installer des condensateurs de correction du facteur de puissance. En général, les clients résidentiels ne sont facturés que pour la puissance active consommée en kilowattheures (kWhr) car presque tous les clients résidentiels et les valeurs de facteur de puissance monophasées sont essentiellement les mêmes grâce aux condensateurs de correction du facteur de puissance intégrés dans la plupart des appareils domestiques par le fabricant.

Les clients industriels, en revanche, qui utilisent des alimentations triphasées ont des facteurs de puissance largement différents. Pour cette raison, l’entreprise électrique peut devoir prendre en compte les facteurs de puissance de ces clients industriels, en payant une pénalité si leur facteur de puissance tombe en dessous d’une valeur prescrite, car cela coûte aux entreprises de services publics plus cher de fournir les clients industriels étant donné que de plus grands conducteurs, transformateurs, équipements de commutation, etc., sont nécessaires pour gérer des courants plus importants.

En général, pour une charge avec un facteur de puissance inférieur à 0.95, plus de puissance réactive est nécessaire. Pour une charge avec une valeur de facteur de puissance supérieure à 0.95, elle est considérée comme bonne, car la puissance est consommée de manière plus efficace, et une charge avec un facteur de puissance de 1.0 ou unité est considérée comme parfaite et n’utilise aucune puissance réactive.

Nous avons donc vu que la « puissance apparente » est une combinaison de la « puissance réactive » et de la « puissance active ». La puissance active ou réelle résulte d’un circuit contenant uniquement des composants résistifs, tandis que la puissance réactive résulte d’un circuit contenant soit des composants capacitifs, soit inductifs. Presque tous les circuits AC contiendront une combinaison de ces composants R, L et C.

Étant donné que la puissance réactive réduit la puissance active, elle doit être prise en compte dans un système électrique pour garantir que la puissance apparente fournie est suffisante pour alimenter la charge. C’est un aspect critique de la compréhension des sources de puissance AC, car la source de puissance doit être capable de fournir la puissance nécessaire en volt-ampères (VA) pour toute charge donnée.