Systèmes d'alimentation 400 Hz pour l'air, la mer et l'espace

Il peut être surprenant pour au moins certains d'entre vous d'apprendre que les systèmes de transport en commun tels que les avions à réaction, les navires, les sous-marins et les engins spatiaux n'utilisent pas les normes CA de 50 Hz (220-240V) ou 60 Hz (100-127V) qui sont presque universelles pour l'alimentation "secteur" de nos jours (et que les convertisseurs CA-CC compatibles dans le monde entier gèrent avec brio, en conjonction avec un ensemble d'adaptateurs de prise CA). Au lieu de cela, ces options de transport reposent sur la transmission de courant alternatif à 400 Hz ; la norme MIL-STD-704 de l'armée américaine, par exemple, spécifie une approche de CA de 115V à 400 Hz. Pourquoi ?

Historique des services publics

Les débuts de l'alimentation par courant alternatif (CA) étaient en réalité marqués par une diversité de combinaisons de tension, fréquence, courant et autres spécifications. Cela s'explique par le fait qu'ils tentaient tous d'optimiser et de faire des compromis face aux exigences souvent contradictoires de l'énergie :
 
1. Production à la source

2. Transmission de la source à la destination, et

3. Utilisation à la destination
 
Les premiers systèmes, par exemple, choisissaient quelque peu arbitrairement une fréquence qui était optimale pour la machine à vapeur, la turbine hydraulique ou tout autre générateur électrique utilisé. Un autre facteur important à considérer est l'effet de "peau", qui se manifeste par la tendance des électrons à parcourir de plus en plus un fil en n'utilisant que sa partie extérieure, par opposition à l'ensemble de sa section transversale, à mesure que la fréquence de transmission augmente. L'augmentation résultante de l'impédance série avec l'augmentation de la fréquence — en raison de l'inefficacité due à la non-utilisation du cœur du fil — conduit à des pertes de transmission accrues sur de longues distances. Pour les compagnies d'électricité motivées par le fait de fournir autant d'énergie que possible à leurs clients au coût le plus bas possible, une transmission à haute efficacité est cruciale.
 
Les moteurs à la destination avaient également historiquement tendance à préférer des fréquences de transmission plus basses. Cela s'explique par le fait que l'inductance du champ magnétique du moteur s'opposait aux changements rapides de courant. Les matériaux utilisés dans les conceptions de moteurs du début du 19e et du début du 20e siècle en particulier ne fonctionnaient pas bien au-dessus de 60 Hz. Ironiquement, ces problèmes matériels historiques ont largement été atténués et il est maintenant avéré que 50 ou 60 Hz (contre 400 Hz ou une autre tension plus élevée) impose une limite supérieure au nombre de tours par minute maximum d'un moteur à induction.
 
L'éclairage CA à la destination a par contre historiquement préféré des fréquences de transmission plus élevées. Cela s'explique par le fait que le filament d'une lampe à incandescence se refroidit à chaque demi-cycle de courant alternatif ; plus la fréquence est lente (c'est-à-dire plus le cycle est long), plus le scintillement de la lampe résultant est perceptible. Le mélange de normes de puissance incompatibles — parfois entre des services publics concurrents au sein d'une même ville, loin d'être intra- et inter-pays — a pris de nombreuses décennies à être résolu, avec une consolidation alimentée par des facteurs tels que les fusions multi-services, la marchandisation de masse des appareils alimentés par électricité, et le désir compréhensible des consommateurs de ne pas devoir racheter ces appareils lorsqu'ils déménageaient. À l'ère post-Seconde Guerre mondiale, la majeure partie du monde s'était largement fixée sur les deux normes dominantes d'aujourd'hui.

Divergence à système fermé

Pourquoi, alors, les systèmes de transport susmentionnés ont-ils dévié de cette convergence ? D'une part, comme l'indique le titre de cette section, ce sont des systèmes fermés. Ils n'ont pas besoin d'interopérer, par exemple, avec les réseaux électriques voisins assemblés par d'autres services publics. La seule concession (inefficace) qu'ils doivent faire aux normes mondiales est, par exemple, de fournir des prises compatibles 50 et 60 Hz pour que les passagers puissent utiliser leur équipement à bord, générées par des redresseurs AC-DC suivis d'onduleurs DC-AC. Et à ce propos, le 400 Hz présente des avantages par rapport au 50 Hz et au 60 Hz du point de vue de la génération DC ; le temps de cycle plus court permet l'utilisation d'un condensateur de « chute » plus petit dans le circuit de redressement.
 
N'oubliez pas non plus que les harnais de câblage qui transportent l'énergie dans de tels systèmes de transport mesurent des centaines de pieds de long, et non des centaines de miles ; les effets d'atténuation de l'inductance série à des fréquences AC plus élevées sont moins préoccupants dans ces cas. En revanche, le poids est une grande préoccupation. 
 
Les navires, sous-marins, engins spatiaux et autres véhicules ont les mêmes préoccupations et motivations que les aéronefs ; ils veulent minimiser le poids pour maximiser la distance qu'ils peuvent parcourir avec une quantité donnée de carburant stocké à bord.
 
Ainsi, les transformateurs et autres circuits nécessaires pour convertir les sorties incohérentes des alternateurs à moteur en courant alternatif cohérent — et pour faire varier la tension afin d'alimenter divers sous-systèmes d'avion ou d'autres véhicules — sont intrinsèquement plus petits et plus légers dans une approche à 400 Hz que dans une alternative à 50 ou 60 Hz. Puisque la FEM (force électromotrice) générée dans une bobine est proportionnelle à la fois au flux et à la fréquence, les fréquences plus élevées nécessitent moins de flux, donc moins de fer est nécessaire dans le noyau du transformateur. Et plus il y a de transformateurs en utilisation, plus l'effet cumulé d'économie de poids sera important.
 
En particulier, lorsque la loi de l'induction de Faraday est appliquée pour décrire un transformateur :
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
Elle révèle (entre autres) que la FEM (force électromotrice) d'un transformateur varie avec la dérivée du flux magnétique du noyau entre les bornes primaire et secondaire par rapport au temps, où VP et VS sont respectivement les tensions primaires et secondaires, NP et NS sont le nombre de « tours » des enroulements primaires et secondaires, Φ est le flux magnétique, et t est le temps. En d'autres termes, la FEM d'un transformateur à une densité de flux donnée augmente avec la fréquence... ou dit autrement, pour une FEM donnée nécessaire à la réalisation d’une transformation particulière de tension et de courant primaire à secondaire, les deux :
 
• La quantité de densité de flux c.-à-d. le matériau du noyau, et

• Le nombre de tours d'enroulement primaire et secondaire c.-à-d. la quantité totale de fil enroulé autour de ce noyau peut être réduite en taille (et en poids) à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente.