Pourquoi les réseaux électriques sont à 50 ou 60 hertz ?

Pourquoi les réseaux électriques sont à 50 ou 60 hertz ?

Pour des raisons techniques et historiques, le courant alternatif s'est imposé face au courant continu, en particulier pour la distribution aux particuliers. Il a désormais une place quasi-hégémonique. En France, il oscille 50 fois par seconde : il a une fréquence de 50 Hz. Cette fréquence n'est pas universelle : il y en a quelques autres en fonction des pays et des applications. Par le passé, un grand nombre de fréquences ont même cohabité, avant de disparaître au cours d'un long processus d'harmonisation. Les fréquences actuelles sont par conséquent en nombre réduit, malgré la grande variété des usages de l'électricité.

Quelles contraintes imposent les différents usages de l'électricité sur la fréquence ? Quelles sont les fréquences standards retenues ? Comment s'est effectué ce choix ? Cet article apporte une réponse à ces questions, en présentant les problèmes techniques liés au courant alternatif, les fréquences standards utilisées pour les résoudre, et le processus qui a mené vers ce choix. Vous pourrez alors, si vous le souhaitez, épater la galerie en expliquant pourquoi on utilise désormais le 50 Hz et pas le 42 Hz¹ !

En avant !

À chaque application ses contraintes

Éclairage électrique et scintillement

Au début de l'ère électrique, l'essentiel de la consommation est due à l'éclairage public ; il y a beaucoup de lampes à arc et d'ampoules à incandescence en service. En courant alternatif, ces deux types de lampes éclairent par intermittence, elles scintillent. À chaque demi-période, l'arc s'allume puis s'éteint et le filament des lampes à incandescence chauffe jusqu'à l'incandescence puis se refroidit.

Le scintillement d'une lampe est désagréable s'il est trop perceptible. L’œil permet de ne pas le percevoir pour peu qu'il soit assez rapide, et impose ainsi une fréquence minimale. La fréquence minimale de confort est d'environ 40 Hz, mais plus la fréquence est |élevée, moins l'effet est perceptible.

Machines électriques et vitesse de rotation

Les premiers générateurs électriques étaient entraînés par des moteurs thermiques (machines à vapeurs, moteurs Diesel, etc.) plutôt lents, effectuant au plus quelques centaines de tours par minute, autrement dit quelques hertz. Pour obtenir un courant de fréquence élevée, deux solutions sont possibles : rajouter une transmission mécanique avec une forte démultiplication ou fabriquer des générateurs avec de nombreux pôles (ce qui permet d'augmenter la fréquence électrique sans entraîner la machine plus rapidement).

Il y avait peu de contraintes sur les fréquences et plus de contraintes techniques, telles que la facilité de fabrication et la fiabilité. L'entraînement direct (sans transmission) a été préféré pour sa solidité. Il favorise une fréquence faible, pour s'adapter aux moteurs d'entraînement. Cependant, une rotation lente aurait produit un courant de fréquence faible et des clignotements pour l'éclairage. Il aurait donc été nécessaire de construire une machine avec plusieurs dizaines de pôles pour atteindre les fréquences usuelles de l'époque (environ 130 Hz). C'était prohibitif² ! Il a donc été décidé d'utiliser une fréquence limitée (plus de |40 Hz, mais moins de 100 Hz) pour s'adapter aux méthodes de production d'électricité tout en évitant les |clignotements.

Les machines électriques peuvent être utilisée également comme moteurs. Les technologies anciennes |favorisaient des vitesses lentes, à cause des étincelles produites par les collecteurs, qui usaient les machines rapidement. Pour les applications où la fiabilité et les puissances en jeux étaient |importantes, une fréquence de quelques hertz était souhaitable.

Transport d'électricité et effet de peau

Pour le transport d'électricité, un autre phénomène physique vient mettre son grain de sel : l'effet de peau. |Plus la fréquence du courant est élevée, moins le courant passe par le cœur du câble ; il se concentre en surface, la peau du câble. La section du câble effectivement utilisée s'en trouve réduite, ce qui augmente la résistance au passage du courant et les pertes associées. Ainsi, une fréquence faible cause moins de pertes |d'énergie, une fréquence la plus basse possible est donc souhaitable.

Un autre phénomène physique voisin est la chute de tension provoquée par l'inductance des câbles, qui se comportent comme des bobines et s'opposent à l'alternance du courant. Ce phénomène est d'autant plus intense que la fréquence est grande. Une fréquence faible permet d'éviter une tension faiblarde à l'arrivée !

Aviation et poids des transformateurs

Pour augmenter ou diminuer la tension d'un courant alternatif, on utilise des transformateurs. Ces transformateurs sont essentiels pour les réseaux de distribution, mais aussi pour les réseaux de bord dans les avions. Ils ont néanmoins un inconvénient majeur : ils sont lourds et encombrants.

Les transformateurs fonctionnent en convertissant l'énergie électrique en énergie magnétique, qui est ensuite transformée de nouveau en énergie électrique. Cette conversion se fait via deux bobines couplées par un circuit magnétique en fer. Cette masse de métal est importante et rend le transformateur lourd et encombrant. Pour la diminuer, il est possible d'augmenter la fréquence, sans avoir à modifier le coefficient de conversion de la tension.

Pour cette application, plus la fréquence est élevée, mieux c'est ! Il faut tout de même faire attention à |l'effet de peau, qui devient de plus en plus important avec la fréquence.

Maintenant que nous avons vu les contraintes sur la fréquence, il est temps de parler des standards utilisés |de nos jours pour les différentes applications.

Principales fréquences standards

Pour les réseaux de distribution

Les réseaux électriques de distribution sont les infrastructures qui transportent l'électricité des centrales électriques vers les consommateurs (vous !).

La fréquence des réseaux de distribution est la plus importante, puisque c'est celle de tous les usages |utilisant directement le courant du réseau : l'éclairage, les moteurs industriels, le transport d'électricité, |les appareils ménagers etc. Il faut une fréquence de plus de 40 Hz pour éviter le scintillement de |l'éclairage, mais trop élevée non plus pour pouvoir construire simplement des moteurs et générateurs |électriques. Il faut également que l'effet de peau soit peu important. Les fréquences qui ont fait consensus |sont le 50 Hz et le 60 Hz.

La fréquence de 50 Hz est utilisée majoritairement en Europe, en Asie, en Afrique, et en Océanie. La fréquence de 60 Hz est utilisée en Amérique du Nord et Centrale, et au Japon. L'Amérique du Sud se partage entre 50 Hz au Sud et 60 Hz au Nord. Quelques pays font tout de même exception dans leur zone géographique.

Pour la traction ferroviaire

Les moteurs électriques sont couramment employés dans les locomotives. L'alimentation est parfois en courant continu, mais bien souvent en courant alternatif. Dans ce cas, les fréquences les plus courantes sont celles du réseau électrique national ; on retrouve ainsi le 50 et le 60 Hz. Les réseaux ferroviaires sont alors connectés au réseau national comme un consommateur industriel normal.

Il existe cependant des fréquences plus exotiques, comme le 16,7 Hz, qu'on retrouve en Allemagne, Autriche, et Suisse ! Dans ce cas, les réseaux ferroviaires nécessitent des convertisseurs de fréquence, ou leurs propres générateurs électriques. Ils ne peuvent effectivement pas utiliser directement le réseau de distribution, puisque les fréquences ne sont pas compatibles.

Cette fréquence a été choisie parce qu'elle est plus basse que le 50 Hz, ce qui cause moins de problèmes liés |aux commutateurs des moteurs, qui s'usent plus vite à haute fréquence. Elle est aussi facile à produire à |partir du 50 Hz, parce que c'est un sous multiple (50/3 = 16,7) Les moteurs ont fait depuis des progrès |techniques, mais la fréquence est restée.

Pour l'aviation

Dans les avions, le réseau de bord est alimenté généralement a une fréquence de 400 Hz. Le courant est produit à partir d'un générateur relié aux réacteurs via un dispositif variateur de vitesse, pour que la fréquence de sortie soit constante malgré la fréquence variable des réacteurs. On rencontre cependant dans les avions les plus récents une fréquence variable entre 380 et 800 Hz, car les générateurs sont désormais en prise directe sur le réacteur, afin de simplifier la mécanique.

Cette fréquence élevée permet d'avoir des transformateurs léger et compact en comparaison de ceux pour le 50 |Hz, ce qui est idéal pour les avions.

Le choix des fréquences actuels peut sembler arbitraire, mais il résulte en fait d'un long processus |d'harmonisation, qui a duré plusieurs dizaines d'années.

Historique de la standardisation

Chaos au début de l’ère électrique

Au début de l'électricité industrielle, à la fin du XIX^e siècle, les fréquences sont nombreuses. Comme les réseaux électriques ne sont pas très étendus, chaque ville a ses propres niveaux de tension et fréquence, quand ce n'est pas un réseau en courant continu. Certaines villes ont même plusieurs fréquences. À Paris, au début du XX^e siècle, on trouve des réseaux à 25, 42, 50, ou encore 53 Hz… Et Londres eût jusqu'à 10 fréquences ! L'ancien réseau de Coventry (Angleterre) est aussi remarquable, avec sa fréquence de 87 Hz.

Ce large éventail de technologies est tout fait similaire à celui de l'informatique grand public des années 1980. Rien n'est compatible avec rien, et un industriel qui souhaite changer de fournisseur d'électricité doit changer ses machines ! Ce phénomène est d'autant plus important que les convertisseurs électroniques de grande puissance ne sont pas disponibles, et que les cyclo-convertisseurs³ sont alors chers et compliqués à construire.

Début de l'harmonisation

Un besoin d'harmonisation se fait pressant, afin de relier les différents réseaux électriques et de simplifier la fabrication d'équipements électriques. La standardisation permet en effet de baisser les coûts, en limitant le nombre de produits différents et en facilitant la production en série.

Les deux grandes fréquences utilisées actuellement pour les réseaux de distribution sont dues à deux entreprises existant toujours : Westinghouse et AEG. Westinghouse est une entreprise américaine ayant choisi le 60 Hz ; AEG est une entreprise allemande ayant choisi le 50 Hz. Le succès de ces entreprises fera de ces fréquences des standards. Choisies à la toute fin du XIX^e, elles sont issues d'un compromis entre les principaux usages de l'époque : éclairage, motorisation électrique, et transport d'électricité sur de longues distances.

À partir des années 1920, les réseaux électriques commencent à s'interconnecter, et le nombre de fréquences en service diminue, puisque pour s'interconnecter deux réseaux doivent être de même fréquence. Cependant, à la fin de la seconde guerre mondiale, de nombreuses fréquences continuent à cohabiter, bien que le 50 Hz et le 60 Hz se taillent une part croissante.

Standardisation

Après la seconde guerre mondiale, les particuliers ont un accès croissant à l'électricité, et les équipements électriques se répandent dans les foyers. C'est à ce moment que des normes sont établies, afin que tous puissent faire fonctionner leurs appareils électriques chez eux, sans soucis de compatibilité.

Les fréquences retenues ont été naturellement les deux fréquences les plus répandues : 60 Hz en Amérique du Nord et 50 Hz pour l'Europe. Le Japon a gardé jusqu'à aujourd'hui les deux fréquences en usage à l'époque⁴. Il est amusant de noter que si en Europe, la fréquence est fixée à 50 Hz par des accords entre pays, ce n'est pas le cas en Amérique du Nord, où la fréquence 60 Hz est un standard de facto.

Il n'y a aucune volonté d'uniformisation de la fréquence au niveau mondial. Ce ne serait d'ailleurs pas très utile, puisque qu'on sait désormais faire facilement des conversions de fréquences et que certains équipements sont compatibles avec les deux fréquences (les moteurs électriques notamment).

Pour en savoir plus

• Utility frequency sur Wikipédia et ses références
• Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen également sur Wikipédia.