Pourquoi utilisons-nous une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz pour les systèmes électriques

Un système électrique est un réseau de composants électriques qui génèrent, transmettent et distribuent l'électricité aux utilisateurs finaux. Le système électrique fonctionne à une certaine fréquence, qui est le nombre de cycles par seconde du courant alternatif (CA) de tension et de courant. Les fréquences les plus courantes utilisées pour les systèmes électriques sont 50 Hz et 60 Hz, en fonction de la région du monde. Mais pourquoi utilisons-nous ces fréquences et pas d'autres ? Quels sont les avantages et inconvénients des différentes fréquences ? Et comment ces fréquences ont-elles été standardisées ? Cet article répondra à ces questions et expliquera l'histoire et les aspects techniques de la fréquence du système électrique.

Qu'est-ce que la fréquence du système électrique?

La fréquence du système électrique est définie comme le taux de variation de l'angle de phase du voltage ou du courant CA. Elle est mesurée en hertz (Hz), ce qui équivaut à un cycle par seconde. La fréquence d'un système électrique dépend de la vitesse de rotation des générateurs qui produisent le voltage CA. Plus les générateurs tournent rapidement, plus la fréquence est élevée. La fréquence affecte également les performances et la conception de divers appareils et équipements électriques qui utilisent ou produisent de l'électricité.

Comment les fréquences de 50 Hz et 60 Hz sont-elles apparues?

Le choix de la fréquence de 50 Hz ou 60 Hz pour les systèmes électriques n'est pas basé sur des raisons techniques fortes, mais plutôt sur des facteurs historiques et économiques. À la fin du 19e siècle et au début du 20e siècle, lorsque les systèmes électriques commerciaux étaient en développement, il n'y avait aucune standardisation de la fréquence ou de la tension. Différentes régions et pays utilisaient différentes fréquences allant de 16,75 Hz à 133,33 Hz, selon leurs préférences et besoins locaux. Certains des facteurs qui ont influencé le choix de la fréquence étaient :

• L'éclairage : Les faibles fréquences provoquaient un clignotement notable dans les lampes incandescentes et les lampes à arc, qui étaient largement utilisées pour l'éclairage à cette époque. Les fréquences plus élevées réduisaient le clignotement et amélioraient la qualité de l'éclairage.

• Les machines tournantes : Les fréquences plus élevées permettaient des moteurs et des générateurs plus petits et plus légers, ce qui réduisait les coûts de matériaux et de transport. Cependant, les fréquences plus élevées augmentaient également les pertes et le chauffage dans les machines tournantes, réduisant ainsi l'efficacité et la fiabilité.

• La transmission et les transformateurs : Les fréquences plus élevées augmentaient l'impédance des lignes de transmission et des transformateurs, réduisant la capacité de transfert de puissance et augmentant la chute de tension. Les faibles fréquences permettaient des distances de transmission plus longues et des pertes plus faibles.

• L'interconnexion des systèmes : L'interconnexion de systèmes électriques avec des fréquences différentes nécessitait des convertisseurs ou des synchroniseurs complexes et coûteux. Avoir une fréquence commune facilitait l'intégration et la coordination des systèmes.

À mesure que les systèmes électriques s'étendaient et s'interconnectaient, il y avait besoin de standardiser la fréquence pour réduire la complexité et augmenter la compatibilité. Cependant, il y avait également une rivalité entre différents fabricants et régions qui voulaient maintenir leurs propres standards et monopoles. Cela a conduit à une division entre deux groupes principaux : l'un qui a adopté 50 Hz comme fréquence standard, principalement en Europe et en Asie, et l'autre qui a adopté 60 Hz comme fréquence standard, principalement en Amérique du Nord et dans certaines parties de l'Amérique latine. Le Japon était une exception, utilisant les deux fréquences : 50 Hz dans l'est du Japon (y compris Tokyo) et 60 Hz dans l'ouest du Japon (y compris Osaka).

Quels sont les avantages et inconvénients des différentes fréquences?

Il n'y a pas d'avantage ou d'inconvénient clair à utiliser une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz pour les systèmes électriques, car les deux fréquences ont leurs avantages et inconvénients en fonction de divers facteurs. Certains des avantages et inconvénients sont :

• Puissance : Un système de 60 Hz a 20 % de puissance en plus qu'un système de 50 Hz pour la même tension et le même courant. Cela signifie que les machines et moteurs fonctionnant à 60 Hz peuvent tourner plus vite ou produire plus de sortie que ceux fonctionnant à 50 Hz. Cependant, cela signifie également que les machines et moteurs fonctionnant à 60 Hz peuvent avoir besoin de plus de refroidissement ou de protection que ceux fonctionnant à 50 Hz.

• Taille : Une fréquence plus élevée permet des dispositifs et équipements électriques plus petits et plus légers, car elle réduit la taille des noyaux magnétiques dans les transformateurs et les moteurs. Cela peut épargner de l'espace, des matériaux et des coûts de transport. Cependant, cela signifie également que les dispositifs de haute fréquence peuvent avoir une résistance à l'isolement plus faible ou des pertes plus importantes que les dispositifs de basse fréquence.

   

• Pertes : Une fréquence plus élevée augmente les pertes dans les dispositifs et équipements électriques en raison des effets de peau, des courants de Foucault, de l'hystérésis, du chauffage diélectrique, etc. Ces pertes réduisent l'efficacité et augmentent le chauffage dans les dispositifs et équipements électriques. Cependant, ces pertes peuvent être minimisées en utilisant des techniques de conception appropriées telles que le stratifiage, le blindage, le refroidissement, etc.

• Harmoniques : Une fréquence plus élevée produit plus d'harmoniques qu'une fréquence plus faible. Les harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale qui peuvent causer des distorsions, des interférences, des résonances, etc., dans les dispositifs et équipements électriques. Les harmoniques peuvent réduire la qualité et la fiabilité de l'énergie dans les systèmes électriques. Cependant, les harmoniques peuvent être atténués en utilisant des filtres, des compensateurs, des convertisseurs, etc.

Comment la fréquence du système électrique est-elle contrôlée?

La fréquence du système électrique est contrôlée en équilibrant l'offre (génération) et la demande (charge) d'électricité en temps réel. Si l'offre dépasse la demande, la fréquence augmente ; si la demande dépasse l'offre, la fréquence diminue. Les écarts de fréquence peuvent affecter la stabilité et la sécurité des systèmes électriques, ainsi que les performances et le fonctionnement des dispositifs et équipements électriques.

Pour maintenir la fréquence dans des limites acceptables (généralement ±0,5 % autour de la valeur nominale), les systèmes électriques utilisent diverses méthodes telles que :

• Correction d'erreur de temps (CET) : Il s'agit d'une méthode pour ajuster périodiquement la vitesse des générateurs afin de corriger toute erreur de temps accumulée due aux écarts de fréquence sur une longue période. Par exemple, si la fréquence est inférieure à la nominale pendant une longue période (par exemple, en raison d'une charge élevée), les générateurs accéléreront légèrement pour rattraper le temps perdu.

• Contrôle de charge-fréquence (CCF) : Il s'agit d'une méthode pour ajuster automatiquement la production des générateurs afin de correspondre à tout changement de charge dans une certaine zone (par exemple, un État ou un pays). Par exemple, si la charge augmente soudainement (par exemple, en raison de l'allumage d'appareils), les générateurs augmenteront leur production en conséquence pour maintenir la fréquence.

• Taux de variation de la fréquence (TVF) : Il s'agit d'une méthode pour détecter tout changement soudain ou important de la fréquence en raison de perturbations telles que des défauts ou des pannes dans les systèmes électriques. Par exemple, si un grand générateur se déconnecte inopinément (par exemple, en raison d'un défaut), le TVF indiquera à quelle vitesse la fréquence change en raison de cet événement.

• Bruit audible : Il s'agit d'une indication audible de tout changement de fréquence en raison de vibrations mécaniques dans les dispositifs et équipements électriques tels que les transformateurs ou les moteurs. Par exemple, si la fréquence augmente légèrement (par exemple, en raison d'une faible charge), certains dispositifs peuvent produire un son plus aigu que la normale.

Conclusion

La fréquence du système électrique est un paramètre important qui affecte la génération, la transmission, la distribution et la consommation d'électricité. Le choix de la fréquence de 50 Hz ou 60 Hz pour les systèmes électriques est basé sur des raisons historiques et économiques plutôt que techniques. Les deux fréquences ont leurs avantages et inconvénients en fonction de divers facteurs tels que la puissance, la taille, les pertes, les harmoniques, etc. La fréquence du système électrique est contrôlée par diverses méthodes telles que la CET, le CCF, le TVF et le bruit audible pour assurer la stabilité et la fiabilité des systèmes électriques et les performances et le fonctionnement des dispositifs et équipements électriques.

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