Fréquences des courants industriels
Modèle:Homon Modèle:À sourcer Les fréquences des courants industriels sont partagées par de larges portions de réseaux électriques interconnectés à courant alternatif, chaque fréquence est celle du courant électrique qui est transporté de l'unité de production jusqu'à l'utilisateur final. Dans la plus grande partie du monde, la fréquence est de Modèle:Unité (Europe, Asie, Afrique), contre Modèle:Unité en Amérique du Nord.
Sauf mention explicite du constructeur, la majeure partie des appareils fonctionnent en Modèle:Unité ou Modèle:Unité.
Les moteurs synchrones tournent 20 % plus vite en Modèle:Unité et certaines alimentations à découpage d’ancienne génération se mettent en sécurité (pas de démarrage). Les équipements résistifs (lampes à incandescence, chauffage, fours, plaques de cuissonModèle:Etc.) sont insensibles aux changements de fréquences.
Historique
Facteurs d'utilisation
Plusieurs paramètres influencent le choix de la fréquence d'un système électrique fonctionnant avec un courant alternatif. L'éclairage, les moteurs, les transformateurs, les générateurs et les lignes de transport du courant ont tous des caractéristiques qui dépendent de la fréquence du courant qui les alimentent.
Les premières applications commerciales majeures de l'énergie électrique ont été l'éclairage à incandescence et les moteurs électriques à collecteurs. Ces deux applications fonctionnent bien avec des courants continus, mais ces derniers ne peuvent pas être facilement transportés sur de longues distances à la tension d'utilisation ; or cette tension ne peut pas être facilement modifiée.
En alternatif, les transformateurs peuvent abaisser la tension des courants alternatifs de la tension de transport (haute tension) jusqu'à la tension d'utilisation. Pour un niveau de puissance déterminé, les dimensions des transformateurs sont plus ou moins inversement proportionnelles à la fréquence. Une installation électrique comprenant des transformateurs serait beaucoup plus économique avec une fréquence élevée.
Si une lampe à incandescence est alimentée avec un courant ayant une fréquence faible, le filament refroidit à chaque demi cycle, modifiant de façon perceptible la luminosité de la lampe (clignotement). Cet effet est plus prononcé avec les lampes à arc, les dernières lampes à vapeur de mercure et les lampes fluorescentes.
Les moteurs à collecteurs, dit moteurs universels ne fonctionnent pas correctement avec des courants à haute fréquence car leur inductance s'oppose au courant d'alimentation. Bien qu'à l'heure actuelle les moteurs universels soient communs dans les applications domestiques, ils ne sont utilisés que dans des gammes de puissance faible (typiquement moins d'un kilowatt).
Lorsque les moteurs asynchrones (ou à induction) ont été inventés, il a été constaté qu'ils fonctionnaient mieux à des fréquences de Modèle:Unité à Modèle:Unité qu'à des fréquences plus élevées telles que Modèle:Unité (avec les matériaux disponibles au Modèle:S-).
Le transport du courant électrique est plus efficace à basse fréquence car les effets dus à la capacitance et à l'inductance de la ligne sont moindres.
Les générateurs tournent à une vitesse qui est sous-multiple de la fréquence :
avec :
- = vitesse en tours par seconde
- = fréquence du réseau
- = nombre de paires de pôles
Par suite, une vitesse de rotation standard limite le choix de la fréquence (et réciproquement).
Les générateurs motorisés par des moteurs lents produisent des fréquences plus basses, pour un nombre de pôles fixés, que ceux motorisé, par exemple, par une turbine à vapeur rapide. Pour des vitesses de rotation faibles, il serait plus coûteux de construire un générateur avec suffisamment de pôles pour produire un courant alternatif à haute fréquence. De plus, synchroniser deux générateurs à la même vitesse est plus facile lorsque leurs vitesses de rotation sont faibles.
Les générateurs peuvent seulement être connectés en parallèle s'ils produisent un courant de même fréquence, de même forme et de même phase. La standardisation de la fréquence dans une zone géographique, permet d'interconnecter les générateurs, améliorant la fiabilité et permettant des économies.
Les courants continus n'ont pas été complètement remplacés par les courants alternatifs et étaient utilisés dans les trains et les process électrochimiques. Avant l'invention des redresseurs à mercure, les redresseurs rotatifs étaient utilisés pour produire du courant continu à partir de courant alternatif. Comme les autres machines à collecteurs, ils fonctionnent mieux avec de basses fréquences.
Tous ces facteurs interagissent et font que le choix de la fréquence du courant est crucial. Le choix de la meilleure fréquence est un compromis entre des conditions contradictoires.
Développement technologique
Les réseaux de production de courant alternatif très isolés utilisaient des fréquences arbitraires basées sur la conception de la machine à vapeur, de la turbine hydraulique ou du générateur électrique. Au Modèle:XIXe siècle, les concepteurs ont choisi des fréquences relativement élevées pour les transformateurs et les lampes à arc, afin d'économiser sur la matière; mais choisissaient des fréquences plus basses pour le transport sur de longues distances, pour des moteurs et pour les convertisseurs rotatifs pour la production de courant continu. Des fréquences entre Modèle:Unité et Modèle:Unité ont été utilisées par plusieurs systèmes de production. Par exemple, la ville de Coventry (Angleterre) avait un système de distribution monophasé de Modèle:Unité qui a été en fonctionnement jusqu'en 1906.
Une fois que les moteurs électriques sont devenus très courants, il a été important de standardiser la fréquence du réseau afin d'assurer la compatibilité avec l'équipement des clients. La standardisation sur une fréquence unique a, plus tard, aussi permis l'interconnexion des unités de production en réseaux générant des économies et apportant une sûreté de fonctionnement.
Bien que plusieurs théories et légendes existent, il existe quelques certitudes sur l'historique du Modèle:Unité vs Modèle:Unité. Tout d'abord, les fréquences très en dessous de Modèle:Unité génèrent des clignotements des lampes à arc ou à incandescence.
Peu avant 1892, Westinghouse aux États-Unis choisissait le Modèle:Unité, alors que AEG en Allemagne optait pour le Modèle:Unité en 1899, conduisant à un monde majoritairement coupé en deux.
Nikola Tesla aurait eu une très forte influence sur le choix de Westinghouse. L'utilisation du Modèle:Unité a permis d'utiliser les moteurs à induction à la même vitesse que celle des machines à vapeur standard, machines courantes au Modèle:S-. Toutefois, les premiers générateurs, construits par Westinghouse et installés sur les chutes du Niagara, produisaient du Modèle:Unité car la vitesse de la turbine avait déjà été choisie avant que la standardisation ait été définitivement fixée.
Westinghouse aurait sélectionné une fréquence relativement basse de Modèle:Unité pour les moteurs, mais les turbines pour le projet avaient déjà été commandées et étaient incompatibles pour un fonctionnement avec un générateur à Modèle:Unité. Les trois premières turbines avaient été conçues pour fonctionner avec une vitesse de Modèle:Unité, ce qui conduisait à des fréquences possibles de Modèle:Nombre, 25, Modèle:Nombre. La fréquence de Modèle:Unité n'étant pas possible, c'est Modèle:Unité qui fut choisi comme valeur de compromis[1].
Comme le projet des chutes du Niagara a eu une grande influence sur la conception des systèmes de puissance, le Modèle:Unité s’est imposé comme standard nord américain pour les courants alternatifs à basse fréquence. Une étude Westinghouse a conclu qu’un bon compromis entre l’éclairage, les moteurs et la problématique du transport du courant aurait été le Modèle:Unité. Bien que les fréquences autour de Modèle:Unité aient trouvé quelques applications commerciales, cette fréquence n’a jamais pris le dessus sur les fréquences déjà utilisées (Modèle:Nombre, Modèle:Nombre et Modèle:Unité).
Les commutateurs de fréquence utilisés pour convertir du Modèle:Unité en Modèle:Unité (et réciproquement) étaient difficiles à concevoir ; une machine fonctionnant à Modèle:Unité avec 24 pôles aurait tourné à la même vitesse qu’une machine fonctionnant à Modèle:Unité avec 10 pôles, rendant les machines volumineuses et chères. Un rapport de Modèle:Frac aurait simplifié la conception, mais les installations à Modèle:Unité étaient trop largement implantées pour que ce concept soit économiquement viable.
Certains pensent que le choix d'AEG du Modèle:Unité aurait été fait pour avoir une valeur « ronde ». Cela a pu également avoir été une décision intentionnelle destinée à être incompatible avec les autres fréquences, bien qu'il faille relativiser (de multiples fréquences étaient employées, si bien qu’aucune n’émergeait vraiment). Une pléthore de fréquences a continué à coexister (en 1918, Londres avait Modèle:Nombre différentes). Ce n’est qu’après la Seconde Guerre mondiale, avec la diffusion des biens de consommation électriques, que des normes ont été établies.
D'autres fréquences qui étaient relativement communes dans la première moitié du Modèle:S-, demeurent en service aujourd'hui dans des cas isolés, souvent attachés au système de Modèle:Unité par l'intermédiaire d'un commutateur réalisé par un convertisseur tournant ou un onduleur statique. En raison des coûts, la standardisation ne s’est pas faite immédiatement et quelques parties du réseau de distribution ont pu continuer à opérer avec des fréquences originales. Le Modèle:Unité a été employé en Ontario, au Québec, et dans le nord des États-Unis. Dans les années 1950, beaucoup d’équipements (des générateurs aux appareils électroménagers) fonctionnant à Modèle:Unité, ont été mis à la norme. Cependant, des générateurs de Modèle:Unité existent toujours dans les stations des chutes du Niagara et fournissent de la puissance aux grands clients industriels qui n'ont pas voulu remplacer l'équipement existant. De même, des moteurs à Modèle:Unité équipent quelques pompes à eau installées lors de la crue de La Nouvelle-Orléans [1].
Aux États-Unis, la compagnie d’électricité Southern California Edison, qui avait pour standard le Modèle:Unité, n’a basculé au Modèle:Unité qu’en 1948.
- Fréquences électriques en usage en 1897 en Amérique du nord
| Fréquence (Hz) | Description |
|---|---|
| 140 | Wood arc-lighting dynamo |
| 133 | Stanley-Kelly Company |
| 125 | General Electric single-phase |
| 66.7 | Stanley-Kelly company |
| 62.5 | General Electric "monocyclic" |
| 60 | Many manufacturers, becoming "increasing common" in 1897 |
| 58.3 | General Electric Lachine Rapids |
| 40 | General Electric |
| 33 | General Electric at Portland Oregon for rotary converters |
| 27 | Crocker-Wheeler for calcium carbide furnaces |
| 25 | Westinghouse Niagara Falls 2-phase - for operating motors |
Au milieu du Modèle:S-, les fréquences utilisées n’avaient pas été totalement standardisées aux valeurs actuelles (Modèle:Unité et Modèle:Unité). En 1946, un manuel de référence pour la conception des équipements radio listait (encore) les fréquences électriques obsolètes !
Fréquences électriques en usage en 1946 (autres que le 50 et le 60 Hz)
| Fréquence (Hz) | Region |
|---|---|
| 25 | Canada (Sud Ontario), Panama (Zone du canal)(*), France, Allemagne, Suède, Royaume-Uni, Chine, Hawaii, Inde, Manchourie |
| 40 | Jamaïque, Belgique, Suisse, Royaume-Uni, Malaisie, Égypte, Australie (Est) (*) |
| 42 | Tchécoslovaquie, Hongrie, Italie, Monaco(*), Portugal, Roumanie, Yougoslavie, Libye (Tripoli) |
| 43 | Argentine |
| 45 | Italie, Libye (Tripoli) |
| 76 | Gibraltar(*) |
| 100 | Malte(*), Afrique de l’est britannique |
Dans les zones marquées avec le (*), la fréquence indiquée était la seule en service.
Chemins de fer
D'autres fréquences sont utilisées pour les chemins de fer. L'Allemagne, l'Autriche et la Suisse utilisent du courant alternatif monophasé à Modèle:Unité pour la chaîne de puissance. La fréquence de Modèle:Unité était utilisée sur certaines lignes des chemins de fer autrichiens (Mariazeller Bahn) et quelques lignes dans les États de New York et de Pennsylvanie (Amtrak) aux États-Unis.
Les autres lignes de chemin de fer sont alimentées à des fréquences industrielles (Modèle:Unité ou Modèle:Unité), et dans ce cas le courant destiné à la chaîne de traction est délivré directement via des lignes standards. Dans les pays utilisant le Modèle:Unité il est délivré soit par l'intermédiaire de convertisseurs de fréquences, soit par des unités de production dédiées.
Du Modèle:Unité est utilisé dans les domaines aéronautique et aérospatial, dans la marine[2], dans des alimentations d'ordinateurs dans des applications spéciales et dans des machines-outils portatives. En effet, les transformateurs et les moteurs conçus pour du Modèle:Unité sont beaucoup plus compacts et légers que ceux utilisant du Modèle:Unité/2[3].
Mais le courant à cette fréquence pose des problèmes de transport sur de longues distances, principalement à cause de l'effet de peau qui augmente les pertes en réduisant le diamètre effectif des conducteurs quand la fréquence augmente. C'est pourquoi la distribution de l'énergie électrique à Modèle:Unité reste limitée à ces applications spécifiques.
Réseaux à fréquence variable
Les avions commerciaux récents, comme l'Airbus A380 ou A350, ou encore le Boeing 787 ont abandonné le réseau à fréquence fixe à Modèle:Unité pour des réseaux à fréquence variable. En effet, la régulation de la fréquence sur les alternateurs entraînés par les réacteurs de l'avion nécessitait un système de régulation de vitesse mécanique, donc complexe, coûteux et relativement peu fiable. Les alternateurs sont désormais en prise directe sur le moteur. Par exemple, sur l'A380, la fréquence du réseau peut varier de Modèle:Unité/2 selon le régime des moteurs, chacun des réseaux de bord travaillant à sa propre fréquence[4].
Stabilité de la fréquence
La fréquence des grands réseaux de distribution interconnectés est étroitement réglée afin que la fréquence moyenne soit toujours maintenue à la valeur nominale à quelque cent ppm près. Ceci permet le fonctionnement d’horloges électriques simples basées sur des moteurs électriques synchrones. Mais la raison première du contrôle précis de la fréquence est de permettre le pilotage des générateurs couplés aux réseaux.
La fréquence varie lorsque la charge du réseau varie, ou alors lorsque des générateurs sont couplés ou découplés du réseau. Plus précisément, un surcroît de consommation non compensé par la production fait chuter la fréquence. Le nombre de générateurs couplés au réseau est donc en permanence ajusté de façon que la fréquence du réseau soit constante.
En cas de chute importante de la fréquence, due à une surcharge importante, deux solutions peuvent alors être engagées :
- si la surcharge vient de la perte d’unité de production (à la suite de la perte d’une interconnexion par exemple), des systèmes automatiques lancent alors le délestage de certaines portions du réseau.
- si la surcharge ne vient pas du réseau ou des unités de production, mais uniquement d’une consommation accrue, des unités de production sont mises en service et connectées au réseau.
A contrario, si la consommation baisse, la fréquence va augmenter, il faut alors réduire la production.
La fréquence est donc le facteur de régulation des réseaux. Les fréquences industrielles (Modèle:Unité/2) sont par suite pilotées dans un intervalle de tolérance de ± Modèle:Unité (pour réseaux à l’échelle nationale).
NB : En Angleterre, il existe un site qui affiche en temps réel la fréquence du réseau de distribution[5]
En Suisse, la même information, synchrone par rapport au continent, est également disponible sur Internet[6]
Bruit audible et interférences
Les alimentations peuvent émettre un bourdonnement (que l'on nomme aussi ronflement à Modèle:Unité) à une fréquence multiple de celle du réseau auquel elles sont reliées. Ce bruit peut s'entendre sur certaines enceintes actives de mauvaise qualité.
Aux débuts de la télévision, les systèmes électroniques ne permettaient pas de filtrer parfaitement ce bruit dû à la fréquence du réseau, ce qui entraînait des distorsions de l'image (ondulations, battements, effets stroboscopiques des éclairages artificiels). Les normes de diffusion ont donc opté pour des multiples de la fréquence du réseau comme fréquence de synchronisation verticale de l'image. Cela explique les 25 images par seconde pour les standards européens et 30 images par seconde pour le standard américain[7]. Depuis, les progrès de l'électronique permettent un filtrage efficace du bruit provenant du réseau.
Notes et références
Annexes
Sources
Bibliographie
Articles connexes
- ↑ Modèle:En IEEE power & energy, January/February 2008, pp 84-90
- ↑ Modèle:Lien web
- ↑ Modèle:Lien web
- ↑ Modèle:Lien web
- ↑ Modèle:En How balanced is the UK grid at the moment?, sur le site dynamicdemand.co.uk, consulté le 19 janvier 2013
- ↑ Fréquence du réseau, sur le site swissgrid.ch
- ↑ PAST - Les imperfections de l’œil pour expliquer la télévision