Systèmes électriques de 400 Hz pour les airs, la mer et l’espace

Histoire de l’alimentation électrique

Les débuts de l’alimentation électrique en c.a. ont été marqués par la diversité des tensions, des fréquences, du courant et des autres combinaisons de spécifications. Cela était dû aux multiples tentatives d’optimisation et de compromis pour répondre aux exigences souvent contradictoires en matière d’alimentation :

1. Génération à la source

2. Transmission à partir de la source vers la destination et

3. Utilisation à destination



Certains systèmes utilisaient, par exemple, une fréquence choisie de façon quelque peu arbitraire car elle était optimale pour les moteurs à vapeur, les turbines hydrauliques et les générateurs électriques en usage. L’effet de peau est un autre facteur important. Il s’agit de la tendance des électrons à parcourir de plus en plus un conducteur en surface, plutôt que de circuler dans la section entière, à mesure que la fréquence augmente. L’impédance en série qui en résulte à haute fréquence, étant donné que le centre du câble est inutilisé, conduit à une augmentation des pertes de transmission sur de longues distances. Pour les fournisseurs d’électricité qui veulent fournir le plus d’électricité possible à leurs clients à faible coût, l’efficacité de la transmission est essentielle.



Les moteurs qui recevaient le courant préféraient aussi les basses fréquences car L’inductance du champ magnétique des moteurs résistait aux changements de courant rapides. Les matériaux utilisés pour la construction des moteurs à la fin du 19e et au début du 20e siècle ne fonctionnaient pas bien au-delà de 60 Hz. Mais l’ironie veut que ces matériaux ont été grandement améliorés et que le couple maximal d’un moteur à induction est maintenant limité par les fréquences de 50 ou 60 Hz (ce qui n’est pas le cas avec la fréquence de 400 Hz ou des tensions plus élevées).



À l’inverse, l’éclairage qui recevait du c.a. préférait les hautes fréquences car les filaments d’une lampe à incandescence refroidissent à chaque demi-cycle de courant alternatif. Ainsi, plus la fréquence est basse (c.-à-d. plus le cycle est long) et plus l’oscillation de la lampe est visible. Il a fallu des dizaines d’années pour remettre de l’ordre parmi ces normes incompatibles, parfois même entre des fournisseurs concurrents de la même ville. Les fusions entre fournisseurs, la marchandisation des appareils électriques produits en quantité et le souhait compréhensible des consommateurs de ne pas avoir à changer d’appareils en cas de déménagement ont contribué à cette harmonisation. À l’époque de la deuxième guerre mondiale, la plus grande partie du monde avait adopté les deux standards aujourd’hui dominants.

Divergence des systèmes fermés

Pourquoi les moyens de transport déjà mentionnés ont-ils alors dévié de ces normes ? Tout d’abord, comme il est mentionné dans le titre ci-dessus, il s’agit de systèmes fermés. Ils n’ont pas besoin de fonctionner avec d’autres systèmes, par exemple avec le réseau électrique proche mis en place par des fournisseurs. La seule concession qu’ils doivent faire aux standards utilisés dans le monde est, par exemple, de fournir aux passagers des prises compatibles de 50 et 60 Hz pour faire fonctionner les appareils qu’ils apportent à bord, alimentées par des redresseurs de c.a. en c.c. et des convertisseurs de c.c. en c.a. D’ailleurs, la fréquence de 400 Hz présente des avantages en matière de génération de courant continu par rapport aux fréquences de 50 et 60 Hz. Un cycle plus court permet l’utilisation de condensateurs plus petits dans le circuit des redresseurs.



Sans oublier que les faisceaux de câblage électrique de ces moyens de transport mesurent des dizaines de mètres et non des dizaines de kilomètres. L’effet d’atténuation de l’inductance en série à des fréquences élevées ne pose pas problème ici. Par contre, le poids est un enjeu important. 



Les problèmes et les objectifs sont les mêmes pour les navires, les sous-marins, les engins spatiaux, ou d’autres véhicules, et les avions. Il faut réduire leur poids pour augmenter la distance parcourue avec une quantité donnée de carburant.



À ce sujet, les transformateurs et autres circuits utiles pour convertir en c.a. le courant produit par les alternateurs actionnés par les moteurs, et pour faire varier la tension afin d’alimenter les différents sous-systèmes de ces moyens de transport, sont plus petits et plus légers dans une approche de 400 Hz par rapport à une architecture de 50 ou 60 Hz. Puisque la force électromotrice générée dans une bobine est proportionnelle à la fois au flux et à la fréquence, des fréquences plus élevées nécessitent moins de flux, par conséquent le cœur du transformateur a besoin de moins de fer. Et plus il y a de transformateurs, plus l’effet des économies de poids cumulées sera important.



On peut appliquer la loi de Faraday aux transformateurs :



V_P = -N_P (dΦ/dt)

V_S = -N_S (dΦ/dt)



On comprend, entre autres, que la force électromotrice d’un transformateur varie avec la dérivée du flux magnétique du centre entre le terminal primaire et le terminal secondaire en fonction de la durée. V_P et V_S sont les tensions primaire et secondaire ; N_P et N_S représentent le nombre de « tours » des bobinages primaire et secondaire ; Φ est le flux magnétique et t la durée. Donc, la force électromotrice d’un transformateur pour une densité de flux donnée augmente avec la fréquence... autrement dit, pour une force électromotrice voulue afin de mettre en œuvre une certaine tension primaire-secondaire et la transformation de courant :

• la quantité de densité de flux, c’est à dire de matériau de cœur, et

• le nombre de bobinages primaire et secondaire, soit la quantité totale de câble autour du cœur, peuvent être réduits (en taille et en poids) à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente.