La tension et la fréquence
dans les différents pays
Electricité
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Peut-on utiliser en Europe un appareil destiné aux Etats-Unis (ou l'inverse). Deux paramètres doivent être pris en compte: la tension et la fréquence.
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Un appareil qui est conçu pour une tension donnée ne peut pas être utilisée sous une autre tension. Un transformateur permet d'adapter la tension d'alimentation. La plupart des appareils peuvent fonctionner sur 50 ou 60Hz.

Blocs d'alimentation et
alimentations à commutation

Les blocs d'alimentation modernes peuvent fonctionner sous toutes les tensions et toutes les fréquences. Il s'agit des blocs d'alimentation pour les smartphones et de nombreux appareils portables.

L'autocollant d'identification permet de controler la tension d'alimentation de l'appareil: 110/240V 50-60Hz, c'est tout bon. Il s'agit ici du chargeur d'une tablette.

Les blocs d'alimentation rectangulaires (et plus lourds) contiennent un transfo et ne peuvent fonctionner que sous une seule tension. Ce sont des blocs d'alimentation plus anciens, la tendance est d'utiliser des blocs d'alimentation à commutation qui sont plus petits.

Les appareils qui ont un transfo d'alimentation (comme les anciennes chaines hifi) ne peuvent fonctionner que sur une seule tension, mais certains appareils ont un commutateur 110/220V.



La seconde image concerne l'alimentation d'un écran d'ordinateur qui dispose d'un interrupteur pour sélectionner la tension d'alimentation (100-120V ou 200-240V).

Les appareils modernes comme les téléviseurs ont une alimentation à commutation qui accepte toutes les tensions. Les fabricants peuvent ainsi utiliser la même plaquette d'alimentation dans tous les appareils. Tous les appreils n'ont pas nécessairement une alimentation universelle et il faut controler la plaquette signalétique.

La fréquence ne joue aucun rôle pour les alimentations à commutation, la tension est d'abord rectifiée avant d'être transformée.

Moteurs

Les moteurs asynchrones sont normalement utilisés dans des installations fixes: pompes, machines à laver, ventilateurs, installations frigorifiques,... tandis que les moteurs universels sont utilisés dans les petits appareils: foreuses, disqueuses, rasoirs électriques,...

Les moteurs universels peuvent peuven,t être utilisés sur toutes les fréquences. Le rendement est un peu moindre sur du 60Hz, mais l'effet n'est pas notable.

Les moteurs à induction (moteurs asynchrones ou à cage d'écureuil)vont tourner plus lentement ou plus rapidement selon la fréquence. Il y a également une perte de rendement. Il faut controler que le moteur ne travaille pas à charge maximale et que la charge peut accepter une vitesse de rotation plus élevée.

Un moteur asynchrone 50Hz qui est alimenté en 60Hz va tourner 20% plus vite, mais avec un couple plus faible. Pour obtenir le même couple, il faut augmenter la tension d'alimentation de 230V à 276V (l'intensité du courant est alors la même).

Il faut faire attention avec certaines applications où la charge augmente de façon quadratique avec la vitesse: il s'agit en particulier des ventilateurs, de certaines pompes et compresseurs. Il faut controler que le moteur peut entrainer la charge à une vitesse 20% plus élevée. Le moteur va surchauffer s'il ne peut pas atteindre sa vitesse nominale pour la fréquence donnée (par exemple 1450 tours sous 50Hz et 1740 tours sous 60Hz.

Les autres types de moteurs sont parfois utilisés dans l'industrie, mais il s'agit généralement d'applications très pointues où on utilise un variateur de fréquence. Le variateur de fréquence peut fonctionner sous 50 ou 60Hz: la tension est tout d'abord redressée.


Les différentes prises qu'on trouve dans le monde. La tension van de 100 à 240V et la fréquence est de 50 ou 60Hz (et même 400Hz dans les avions et sur les navires militaires).

Transformateurs

Pour modifier une tension qui n'est pas conforme, il faut utiliser un transformateur. La fréquence reste la même. Il faut choisir un transfo adapté à la tension de réseau.

Un transfo qui est spécifié pour du 50Hz peut fonctionner sur du 60Hz et inversément, mais le rendement sera moindre (le transfo chauffera plus). Les transfo's ne peuvent pas être utilisés à leur puissance nominale, mais à une puissance de 75% environ. Il faut controler que le transfo ne chauffe pas trop.

Un transfo conçu pour le 60Hz a moins de fer qu'un transfo 50Hz de même puissance. Si le transfo est utilisé sur le réseau 50Hz, les tôles peuvent entrer en saturation avec un très fort appel de courant. Cela se produit très peu, les transfos sont construits avec des marges très importantes. Un transfo 60Hz qui est utilisé sur du 50Hz doit travailler sur une tension plus basse pour éviter tout problème.

La fréquence n'est donc pas tellement importante pour les appareils qui ont un transfo intégré (par exemple des anciennes chaines hifi, les vielles radios,...). L'appareil ne peut pas fonctionner à sa puissance nominale et il faut controler l'échauffement du trasfo. De nombreux appareils électroniques sont équipés d'un transfo, mais la tendance est d'utiliser une alimentation à découpage qui a un meilleur rendement et un meilleur facteur de puissance et de crête.

Appareils de chauffage

La fréquence ne joue aucun rôle pour les appareils de chauffage (et l'éclairage à incandescence). La tension doit être dans les limites: une augmentation de 10% de la tension augmente la puissance de 21%. Une lampe à incandescence ne va tenir le coup que 250 heures au lieu de 1000 heures. Pour les appareils de chauffage, il faut aussi tenir compte de la puissance qui sera dissipée, elle croit au carré avec la tension.

Eclairage

La fréquence est importante pour les lampes à décharge (TL, lampes au mercure haute pression, sodium,...). Le ballast détermine le courant correct qui doit circuler dans la lampe. Une lampe avec bllast magnétique doit être alimenté avec la tension et la fréquence correcte.

Les ballasts électroniques peuvent être utilisés sous toutes les fréquences. Dans ce même groupe on place également les alimentations à commutation pour les lampes halogène basse tension et les lampes led. Les blocs d'alimentation peuevnt travailler sous toutes les fréquences et sont parfois multi-tension.

Générateurs

On peut parfois trouver sur certains sites de vente de surplus militaire des générateurs en provenance de l'OTAN. Peut-on les adapter pour produire du 50Hz au lieu du 60Hz? On trouve toutes les informations sur la page des générateurs 60Hz.

Convertisseurs

Quand on doit transformer le 50Hz en 60Hz ou inversément, on utilise des convertisseurs statiques. Le Japon a un réseau 50Hz dans une partie du pays et un réseau 60Hz dans l'autre partie (informations en bas de page).

On utilise également de tels convertisseurs pour transformer le courant alternatif en courant continu très haute tension quand il doit être transporté sur de très longues distances (il y a moins de pertes avec le continu). A l'arrivée, il faut à nouveau transformer le continu en laternatif.

On a utilisé très longtemps des convertisseurs rotatifs car on ne disposait pas de l'électronique de puissance nécessaire, mais les convertisseurs rotatifs ont des avantages par rapport aux convertisseurs statiques:

  • Les convertisseurs rotatifs résistent mieux aux surcharges, ils peuvent fournir un courant triple pendat un court instant.

  • Le courant de cours circuit est automatiquement limité par l'entrefer à une valeur 5× surérieure au courant nominal. Les fusibles peuvent être de calibre plus faible (ils ne doivent pas être en mesure de sectionner un courant de cours circuit extrèmement élevé).

  • L'énergie cinétique accumulée dans le convertisseur permet d'absorber les chutes de tension momentanées. La demande d'énergie est un peu étalée dans le temps.

  • Le moteur synchrone peut être utilisé pour corriger le facteur de puissance du réseau primaire: si on augmente l'excitation du moteur, on lui fait produire de l'énergie réactive. le moteur peut ainsi être utilisé comme compensateur synchrone (en plus de sa fonction de moteur).
Il s'agit naturellement d'appareils mécaniques qui doivent régulièrement être entretenus. Le poids dela combinaison moteur-générateur est très élevé.

Les convertisseurs rotatifs sont souvent utilisés dans l'armée, non pas parce qu'elle aime les vieux trucs plein de rouille, mais parce que les convertisseurs rotatifs résistent mieux à un usage militaire (surcharge, surtension,...). Une armée de l'OTAN a des machines qui travaillent sur le 50Hz et sur le 60Hz.

A droite la plaquette d'identification du moteur et du générateur. Comme il n'y a pas d'engrenage, les deux machines travaillent à la même vitesse. La vitesse de rotation est de 600 tours/minute: avec 5 paires de pôles on obtient du 50Hz et avec 6 paires de pôles du 60Hz.

Le moteur est alimenté en 6kV sous 56A (1270kW). Il s'agit d'un moteur synchrone pour éviter que la fréquence en sortie ne change trop. Le démarrage est effectué à vide et le moteur a une petite cage d'écureuil pour permettre le démarrage comme un moteur asynchrone. Une fois que la vitesse synchrone est presque atteinte on enclenche l'alimentation de la roue polaire et le moteur travaille comme un moteur synchrone.

Le générateur fournit une tension de 6300/3640V (montage étoile ou triangle) avec une puissance de 1500kVA acec un facteur de puissance de 0.8 (1200kW). L'excitation est de 280V 46A (12.88kW). Il s'agit d'un alternateur simple étage avec des balais pour transmettre l'excitation à la roue polaire.

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