Fréquences des courants industriels

Plusieurs paramètres influencent le choix de la fréquence d'un système 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 50 Hz à 60 Hz qu'à des fréquences plus élevées telles que 133 Hz (avec les matériaux disponibles au XIX^e siècle).

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 :

${\displaystyle n=f/p}$

avec :

${\displaystyle n}$ = vitesse en tours par seconde

${\displaystyle f}$ = fréquence du réseau

${\displaystyle p}$ = 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.

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 XIX^e 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 16²⁄₃ Hz et 133 ¹⁄₃Hz ont été utilisées par plusieurs systèmes de production. Par exemple, la ville de Coventry (Angleterre) avait un système de distribution monophasé de 87 Hz 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 60 Hz vs 50 Hz. Tout d'abord, les fréquences très en dessous de 50 Hz génèrent des clignotements des lampes à arc ou à incandescence.

Peu avant 1892, Westinghouse aux États-Unis choisissait le 60 Hz, alors que AEG en Allemagne optait pour le 50 Hz 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 60 Hz a permis d'utiliser les moteurs à induction à la même vitesse que celle des machines à vapeur standard, machines courantes au XIX^e siècle. Toutefois, les premiers générateurs, construits par Westinghouse et installés sur les chutes du Niagara, produisaient du 25 Hz 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 30 Hz pour les moteurs, mais les turbines pour le projet avait déjà été commandées et étaient incompatibles pour un fonctionnement avec un générateur à 30 Hz. Les trois premières turbines avaient été conçues pour fonctionner avec une vitesse de 250 tr/min, ce qui conduisait à des fréquences possibles de 16 ²⁄₃, 25, 33 ¹⁄₃ et 41 ²⁄₃Hz. La fréquence de 30 Hz n'étant pas possible, c'est 25 Hz 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 25 Hz 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 40 Hz. Bien que les fréquences autour de 40 Hz aient trouvé quelques applications commerciales, cette fréquence n’a jamais pris le dessus sur les fréquences déjà utilisées (25, 50 et 60 Hz).

Les commutateurs de fréquence utilisés pour convertir du 25 Hz en 60 Hz (et réciproquement) étaient difficiles à concevoir ; une machine fonctionnant à 60 Hz avec 24 pôles aurait tourné à la même vitesse qu’une machine fonctionnant à 25 Hz avec 10 pôles, rendant les machines volumineuses et chères. Un rapport de ⁶⁰⁄₃₀ aurait simplifié la conception, mais les installations à 25 Hz étaient trop largement implantées pour que ce concept soit économiquement viable.

Certains pensent que le choix d'AEG du 50 Hz 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 10 fréquences 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 XX^e siècle, demeurent en service aujourd'hui dans des cas isolés, souvent attaché au système de 60 Hz 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 25 Hz 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 25 Hz, ont été mis à la norme. Cependant, des générateurs de 25 Hz 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 25 Hz équipent quelques pompes à eau installées lors de la crue de La Nouvelle-Orléans .

Aux États-Unis, la compagnie d’électricité Southern California Edison, qui avait pour standard le 50 Hz, n’a basculé au 60 Hz qu’en 1948.

Fréquences électriques en usage en 1897 en Amérique du nord

Au milieu du XX^e siècle, les fréquences utilisées n’avaient pas été totalement standardisées aux valeurs actuelles (50 Hz et 60 Hz). 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)

Dans les zones marquées avec le (*), la fréquence indiquée était la seule en service.

• (en) E.L. Owen, « The Origins of 60-Hz as a Power Frequency », Industry Applications Magazine, IEEE, vol. 3, n^o 6,‎ novembre-décembre 1997, p. 8, 10, 12-14
• (en) F.A. Furfari, « The Evolution of Power-Line Frequencies 133 1/3 to 25 Hz », Industry Applications Magazine, IEEE, vol. 6, n^o 5,‎ septembre-octobre 2000, p. 12-14 (ISSN 1077-2618)
• (en) D.B. Rushmore, « Frequency », AIEE Transactions, vol. 31,‎ 1912
• (en) Thomas J. Blalock, « Electrification of a Major Steel Mill - Part II Development of the 25 Hz System », Industry Applications Magazine, IEEE,‎ septembre-octobre 2005, p. 9-12 (ISSN 1077-2618)

• (en) Edwin J. Houston et Arthur Kennelly, Recent Types of Dynamo-Electric Machiner, New York, P.F. Collier and Sons, 1902
• (en) Central Station Engineers of the Westinghouse Electric Corporation, Electrical Transmission and Distribution Reference Book, East Pittsburgh, Westinghouse Electric Corporation, 1950, 4^e éd.
• (en) Donald G. Fink et H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, McGraw-Hill, 1978, 11^e éd. (ISBN 0-07-020974-X)
• (en) H.T. Kohlhaas, Reference Data for Radio Engineers, New York, Federal Telephone and Radio Corporation, 1946

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