Pourquoi la fréquence du secteur est-elle de 50 Hz et non de 500 ou 5?

Efficacité du moteur, contrainte de rotation, scintillement, effet de peau et les limites de l'ingénierie des matériaux du XIXe siècle.

50Hz correspond à 3000 tr / min. Cette plage est une vitesse pratique et efficace pour les moteurs à turbine à vapeur qui alimentent la plupart des générateurs et évite ainsi beaucoup d’engrenages supplémentaires.

3000 tr / min est également rapide, mais ce n’est pas le cas. t mettre trop de contraintes mécaniques sur la turbine en rotation ni sur le générateur de courant alternatif. 500 Hz équivaudrait à 30000 tr / min et à cette vitesse, votre générateur se déchirerait probablement. Voici ce qui se passe lorsque vous faites tourner un CD à cette vitesse, et pour le plaisir à 62 000 FPS et 170 000 FPS.

Pourquoi pas plus lentement? Vaciller. Même à 40 Hz, une ampoule à incandescence refroidit légèrement à chaque demi-cycle, réduisant la luminosité et produisant un scintillement notable. La taille du transformateur et du moteur est également directement proportionnelle à la fréquence, une fréquence plus élevée signifie des transformateurs et des moteurs plus petits.

Enfin, il y a l ' effet de peau. À des fréquences plus élevées, le courant alternatif a tendance à se déplacer à la surface d'un conducteur. Cela réduit la section efficace du conducteur et augmente sa résistance provoquant plus de chauffage et de perte de puissance. Il existe des moyens d'atténuer cet effet, et ils sont utilisés dans les fils à haute tension, mais ils sont plus chers et sont donc évités dans le câblage domestique.

Pourrions-nous le faire différemment aujourd'hui? Probablement. Mais ces normes ont été établies à la fin du 19e siècle et elles étaient pratiques et économiques pour la connaissance électrique et matérielle de l'époque.

Certains systèmes fonctionnent à une fréquence d'un ordre de grandeur supérieure à 50 Hz. De nombreux systèmes fermés tels que les navires, les fermes de serveurs informatiques et les avions utilisent 400 Hz. Ils ont leur propre générateur, donc la perte de transmission due à la fréquence plus élevée est moins importante. À des fréquences plus élevées, les transformateurs et les moteurs peuvent être rendus plus petits et plus légers, ce qui a de grandes conséquences dans un espace clos.

Pourquoi la tension secteur est-elle 110-240V et non 10V ou 2000V?

Une tension plus élevée signifie un courant plus faible pour la même puissance. Un courant plus faible signifie moins de perte due à la résistance. Vous voulez donc obtenir votre tension aussi élevée que possible pour une distribution d'énergie efficace et moins de chauffage avec des fils plus fins (et moins chers). Pour cette raison, la puissance est souvent distribuée sur de longues distances en dizaines à centaines de kilovolts.

Pourquoi n’est-elle pas inférieure? Le courant alternatif est directement lié à sa tension. Une alimentation CA à 10 volts aurait du mal à faire fonctionner vos appareils ménagers à plus haute énergie comme les lumières, le chauffage ou le moteur du compresseur de réfrigérateur. Au moment de son développement, le choix de la tension était un compromis entre la tension pour faire fonctionner les lumières, les moteurs et les appareils.

Pourquoi n'est-elle pas plus élevée? Isolation et sécurité. Les fils CA haute tension nécessitent une isolation supplémentaire pour les rendre sûrs au toucher et pour éviter les interférences avec d'autres câbles ou récepteurs radio. Le coût du câblage domestique était une préoccupation majeure lors de l'adoption précoce de l'électricité. Des tensions plus élevées rendraient le câblage domestique plus encombrant, plus coûteux et plus dangereux.

Au final, le choix d'un seul nombre spécifique vient de la nécessité de standardiser, mais on peut faire quelques observations physiques pour comprendre pourquoi ce choix final devait se situer dans une certaine fourchette.

Fréquence

Pourquoi une norme?

Tout d'abord, pourquoi avons-nous même besoin d'une norme? Les appareils individuels ne peuvent-ils pas convertir l'électricité entrante à la fréquence souhaitée? Eh bien, en principe c'est possible, mais c'est plutôt difficile. L'électromagnétisme est fondamentalement invariant dans le temps et linéaire; les équations différentielles que nous utilisons pour le décrire les équations de Maxwell sont telles qu’un système piloté par une entrée sinusoïdale à la fréquence $ \ omega $ ne répond que à cette même fréquence. Pour sortir une fréquence différente de $ \ omega $ , les champs électromagnétiques doivent interagir avec autre chose, notamment de la matière chargée. sous la forme d'un réducteur mécanique ou d'éléments électriques non linéaires tels que des transistors.Les éléments non linéaires tels que le transistor peuvent générer des harmoniques de l'entrée, c'est-à-dire des fréquences $ 2 \ omega $ , $ 3 \ omega $ , etc. Cependant, dans tous les cas, la conversion de fréquence entraîne une perte d'efficacité, un coût et un encombrement du système.

En résumé , en raison de l'invariance temporelle et de la linéarité de l'électromagnétisme, il est considérablement plus pratique de choisir une seule fréquence et de s'y tenir

Scintillement léger

Dans une note historique d'EL Owen (voir références), il est noté que la décision finale entre 50 et 60 Hz était quelque peu arbitraire, mais basée en partie sur la prise en compte du scintillement léger.

Au cours de la conférence, tandis que Bibber a raconté les contributions de Steinmecz aux normes techniques, il a brièvement répété l'histoire des fréquences. Selon lui, «le choix se situait entre 50 et 60 Hz, et les deux étaient également adaptés aux besoins. Lorsque tous les facteurs ont été pris en compte, il n'y avait aucune raison impérieuse de choisir l'une ou l'autre fréquence. Enfin, la décision a été prise de normaliser sur 60 Hz, car on a estimé qu'il était moins susceptible de produire un scintillement gênant de la lumière. »

La prise en compte du scintillement de la lumière revient ailleurs dans les récits historiques et explique pourquoi les très basses fréquences ne pouvaient pas être utilisées. Lorsque nous conduisons une résistance pure avec un courant alternatif $ I (t) = I_0 \ cos (\ omega t) $ , la dissipation de puissance instantanée est proportionnelle à $ I (t) ^ 2 $ . Ce signal oscille dans le temps à une fréquence $ 2 \ omega $ (souvenez-vous de vos identités trigonométriques). Par conséquent, si $ \ omega $ est inférieur à environ 40 $ \ , \ text {Hz} $$ ^ {[a]} $ , la puissance dissipée varie assez lentement pour que vous puissiez la percevoir en tant que stimulus visuel. Cela définit une limite inférieure approximative sur la fréquence que vous pouvez utiliser pour conduire une source lumineuse.Notez que les lampes à arc utilisées lorsque les normes électriques ere développés peuvent ne pas avoir eu de réponse électrique purement résistive (voir la réponse de Schwern où le refroidissement à chaque cycle est mentionné) mais la fréquence source est toujours présente dans la sortie même dans les systèmes non linéaires et filtrés.

Réflexions / adaptation d'impédance

Les signaux de courant alternatif circulant sur un fil obéissent à un comportement ondulatoire.Dans un sens approximatif, plus la fréquence est élevée, plus le signal est ondulé.Une bonne règle de base est que si la longueur des fils est comparable à ou bien plus longue que la longueur d'onde du signal, alors vous devez vous soucier des phénomènes de type onde tels que la réflexion. La longueur d'onde $ \ lambda $ d'un signal électrique est en gros $$ \ lambda = c / f $$ où $ c $ est la vitesse de la lumière et $ f $ est la fréquence. Supposons que nous souhaitons transmettre l'électricité d'une sous-station électrique à une maison et que nous souhaitons garder la longueur d'onde suffisamment grande pour empêcher la physique de réflexion sans avoir à faire face à une adaptation d'impédance prudente. de $ 1000 \, \ text {m} $ pour être prudent. Ensuite, nous obtenons $$ f \ leq c / 1000 \ , \ text {m} = 300 \, \ text {kHz} \,. $$

Tension

Nous parlons de la tension à l'intérieur du bâtiment ici .Notez que l'alimentation est transmise à une tension beaucoup plus élevée, puis réduite près du point final.Le choix du 120 V vient apparemment du fait que l'électricité était à l'origine utilisée pour l'éclairage, et les premières lampes à l'époque, ils étaient plus efficaces à environ 110 V. La valeur 120 V a peut-être été choisie pour compenser la chute de tension dans les fils allant aux sources d'éclairage.

Lectures complémentaires

Document détaillé par EL Owen avec références

$ [a] $ : Je ne suis pas un expert en perception du scintillement humain. Ce nombre est une estimation approximative basée sur l'expérience personnelle et de la littérature.

P.S. Je considère cette réponse comme un travail en cours et j'ajouterai plus au fur et à mesure que j'en apprendrai plus.

Les deux autres réponses abordent le problème de la fréquence. Le problème de la tension est beaucoup plus simple.

Si la tension est trop élevée, vous courez le risque d'arcs entre les conducteurs. La distance minimale entre les conducteurs avant l'apparition d'un arc est proportionnelle à la tension. À 240V, vous vous arc à une distance de quelques millimètres dans l'air, en fonction de l'humidité. Plus de tension devient clairement impraticable ...

Si la tension diminue, en revanche, vous avez besoin de plus de courant pour une puissance donnée. Mais le chauffage des fils est proportionnel au courant au carré: cela signifie qu'il faut un fil plus épais, avec une résistance plus faible. C'est encombrant, cher et rigide (par exemple, un fil de 32 A est à peine assez pliable pour les coins de mur).

Le 120 / 240V choisi reflète donc cet équilibre entre les problèmes d'arc (en particulier autour des connexions) et le chauffage du fil .

J'ai aussi entendu dire que la sécurité dicte une tension élevée afin que les spasmes musculaires vous donnent une chance de laisser tomber tout ce que vous touchez avant de vous brûler jusqu'au cœur. Je ne sais pas dans quelle mesure cela est vrai ...

L'inconvénient d'avoir une fréquence trop basse est que les transformateurs secteur deviennent très gros.

Cependant, il y a eu des standards de fréquence plus bas (25 Hz, 15, ect.) Ils sont utilisés par les trains (principalement les systèmes existants).

Les raisons pratiques incluent l'effet de peau (vous ne voulez pas que votre fréquence dépasse au plus quelques KHz de beaucoup à moins que vous ne soyez prêt à utiliser quelque chose qui ressemble au fil de Litz pour transférer de gros courants) et la taille des noyaux magnétiques pour les transformateurs, qui doivent pouvoir stocker magnétiquement plus que l'énergie maximale à transmettre à chaque cycle, de sorte que leur volume augmente avec la durée du cycle. Cependant, ces contraintes physiques ne définissent pas un optimum net; en tant que tel, 10 Hz ou 500 Hz seraient tout aussi raisonnables et des valeurs similaires sont utilisées dans la pratique même aujourd'hui: les avions modernes ont une alimentation électrique de 400 Hz alors que, au moins en Allemagne, l'alimentation électrique des trains électriques est normalisée à 16 2/3 Hz.

Il y a évidemment un compromis similaire entre la tension et le courant, mais au moins tant que la fréquence choisie vous permet de compenser une tension plus basse avec des fils plus épais et une tension plus élevée avec une isolation plus épaisse, vous pourrait soutenir qu'il s'agit davantage d'un compromis économique ou sécuritaire. Après tout, sur de longues distances, nous nous transformons pour obtenir un meilleur compromis (et devons utiliser le courant alternatif plutôt que le courant continu pour pouvoir toujours le faire, même avec des techniques purement passives, historiquement anciennes). Par conséquent, je soupçonne, sans vraiment savoir, que des raisons historiques, telles que la tension pratique maximale pour laquelle les ampoules pourraient être fabriquées pendant la période de normalisation, ou peut-être des idées d'accompagnement sur ce qui pourrait encore ne pas être trop dangereux pour les usines et les maisons, jouent un rôle rôle.

Il semble que 60 Hz ait pu être sélectionné au lieu de 55 ou 75 simplement parce qu'il y a 60 secondes dans une minute et donc 60 cycles par seconde semblait un nombre confortable.

Au début de la distribution transmission de puissance les fréquences et les tensions auraient été partout. Les limites de ce qui était sûr et pratique auraient été développées grâce à l'expérience pratique.

Les matériaux utilisés pour les transformateurs auraient préféré les basses fréquences. La masse des transformateurs aurait préféré les hautes fréquences. La plage 50-60 était le point idéal et 50 et 60 sont tous les deux des nombres «ronds» qui se divisent bien à des fins de synchronisation.

Les tensions se seraient quelque peu normalisées avec l'équipement fourni, les ampoules, les moteurs et tel aurait été vendu pour correspondre à une alimentation locale et les plages de tension du fournisseur auraient favorisé l'optimisation de la tension de production.