Les fréquences des courants industriels sont partagées par de larges portions de réseaux électriques interconnectés à courant alternatif, chaque fréquence est celle du courant électrique qui est transporté de l'unité de production jusqu'à l'utilisateur final. Dans la plus grande partie du monde, la fréquence est de (Europe, Asie, Afrique), contre en Amérique du Nord.
Sauf mention explicite du constructeur, la majeure partie des appareils fonctionnent en ou .
Les moteurs synchrones tournent 20 % plus vite en et certaines alimentations à découpage d’ancienne génération se mettent en sécurité (pas de démarrage). Les équipements résistifs (lampes à incandescence, chauffage, fours, plaques de cuisson) sont insensibles aux changements de fréquences.
vignette|redresse=1.8|Tensions et fréquences électriques dans le monde.
Historique Facteurs d'utilisation Plusieurs paramètres influencent le choix de la fréquence d'un système électrique fonctionnant avec un courant alternatif. L'éclairage, les moteurs, les transformateurs, les générateurs et les lignes de transport du courant ont tous des caractéristiques qui dépendent de la fréquence du courant qui les alimentent.
Les premières applications commerciales majeures de l'énergie électrique ont été l'éclairage à incandescence et les moteurs électriques à collecteurs. Ces deux applications fonctionnent bien avec des courants continus, mais ces derniers ne peuvent pas être facilement transportés sur de longues distances à la tension d'utilisation ; or cette tension ne peut pas être facilement modifiée.
En alternatif, les transformateurs peuvent abaisser la tension des courants alternatifs de la tension de transport (haute tension) jusqu'à la tension d'utilisation. Pour un niveau de puissance déterminé, les dimensions des transformateurs sont plus ou moins inversement proportionnelles à la fréquence. Une installation électrique comprenant des transformateurs serait beaucoup plus économique avec une fréquence élevée.
Si une lampe à incandescence est alimentée avec un courant ayant une fréquence faible, le filament refroidit à chaque demi cycle, modifiant de façon perceptible la luminosité de la lampe (clignotement). Cet effet est plus prononcé avec les lampes à arc, les dernières lampes à vapeur de mercure et les lampes fluorescentes.
Les moteurs à collecteurs, dit moteurs universels ne fonctionnent pas correctement avec des courants à haute fréquence car leur inductance s'oppose au courant d'alimentation. Bien qu'à l'heure actuelle les moteurs universels soient communs dans les applications domestiques, ils ne sont utilisés que dans des gammes de puissance faible (typiquement moins d'un kilowatt).
Lorsque les moteurs asynchrones (ou à induction) ont été inventés, il a été constaté qu'ils fonctionnaient mieux à des fréquences de à qu'à des fréquences plus élevées telles que (avec les matériaux disponibles au ).
Le transport du courant électrique est plus efficace à basse fréquence car les effets dus à la capacitance et à l'inductance de la ligne sont moindres.
Les générateurs tournent à une vitesse qui est sous-multiple de la fréquence :
avec : = vitesse en tours par seconde = fréquence du réseau = nombre de paires de pôles
Par suite, une vitesse de rotation standard limite le choix de la fréquence (et réciproquement).
Les générateurs motorisés par des moteurs lents produisent des fréquences plus basses, pour un nombre de pôles fixés, que ceux motorisé, par exemple, par une turbine à vapeur rapide. Pour des vitesses de rotation faibles, il serait plus coûteux de construire un générateur avec suffisamment de pôles pour produire un courant alternatif à haute fréquence. De plus, synchroniser deux générateurs à la même vitesse est plus facile lorsque leurs vitesses de rotation sont faibles.
Les générateurs peuvent seulement être connectés en parallèle s'ils produisent un courant de même fréquence, de même forme et de même phase. La standardisation de la fréquence dans une zone géographique, permet d'interconnecter les générateurs, améliorant la fiabilité et permettant des économies.
Les courants continus n'ont pas été complètement remplacés par les courants alternatifs et étaient utilisés dans les trains et les process électrochimiques. Avant l'invention des redresseurs à mercure, les redresseurs rotatifs étaient utilisés pour produire du courant continu à partir de courant alternatif. Comme les autres machines à collecteurs, ils fonctionnent mieux avec de basses fréquences.
Tous ces facteurs interagissent et font que le choix de la fréquence du courant est crucial. Le choix de la meilleure fréquence est un compromis entre des conditions contradictoires.
Développement technologique Les réseaux de production de courant alternatif très isolés utilisaient des fréquences arbitraires basées sur la conception de la machine à vapeur, de la turbine hydraulique ou du générateur électrique. Au , les concepteurs ont choisi des fréquences relativement élevées pour les transformateurs et les lampes à arc, afin d'économiser sur la matière; mais choisissaient des fréquences plus basses pour le transport sur de longues distances, pour des moteurs et pour les convertisseurs rotatifs pour la production de courant continu. Des fréquences entre et ont été utilisées par plusieurs systèmes de production. Par exemple, la ville de Coventry (Angleterre) avait un système de distribution monophasé de qui a été en fonctionnement jusqu'en 1906.
Une fois que les moteurs électriques sont devenus très courants, il a été important de standardiser la fréquence du réseau afin d'assurer la compatibilité avec l'équipement des clients. La standardisation sur une fréquence unique a, plus tard, aussi permis l'interconnexion des unités de production en réseaux générant des économies et apportant une sûreté de fonctionnement.
Bien que plusieurs théories et légendes existent, il existe quelques certitudes sur l'historique du vs . Tout d'abord, les fréquences très en dessous de génèrent des clignotements des lampes à arc ou à incandescence.
Peu avant 1892, Westinghouse aux États-Unis choisissait le , alors que AEG en Allemagne optait pour le en 1899, conduisant à un monde majoritairement coupé en deux.
Nikola Tesla aurait eu une très forte influence sur le choix de Westinghouse. L'utilisation du a permis d'utiliser les moteurs à induction à la même vitesse que celle des machines à vapeur standard, machines courantes au . Toutefois, les premiers générateurs, construits par Westinghouse et installés sur les chutes du Niagara, produisaient du car la vitesse de la turbine avait déjà été choisie avant que la standardisation ait été définitivement fixée.
Westinghouse aurait sélectionné une fréquence relativement basse de pour les moteurs, mais les turbines pour le projet avaient déjà été commandées et étaient incompatibles pour un fonctionnement avec un générateur à . Les trois premières turbines avaient été conçues pour fonctionner avec une vitesse de , ce qui conduisait à des fréquences possibles de , 25, . La fréquence de n'étant pas possible, c'est qui fut choisi comme valeur de compromis IEEE power & energy, January/February 2008, pp 84-90.
Comme le projet des chutes du Niagara a eu une grande influence sur la conception des systèmes de puissance, le s’est imposé comme standard nord-américain pour les courants alternatifs à basse fréquence. Une étude Westinghouse a conclu qu’un bon compromis entre l’éclairage, les moteurs et la problématique du transport du courant aurait été le . Bien que les fréquences autour de aient trouvé quelques applications commerciales, cette fréquence n’a jamais pris le dessus sur les fréquences déjà utilisées (, et ).
Les commutateurs de fréquence utilisés pour convertir du en (et réciproquement) étaient difficiles à concevoir ; une machine fonctionnant à avec 24 pôles aurait tourné à la même vitesse qu’une machine fonctionnant à avec 10 pôles, rendant les machines volumineuses et chères. Un rapport de aurait simplifié la conception, mais les installations à étaient trop largement implantées pour que ce concept soit économiquement viable.
Certains pensent que le choix d'AEG du aurait été fait pour avoir une valeur « ronde ». Cela a pu également avoir été une décision intentionnelle destinée à être incompatible avec les autres fréquences, bien qu'il faille relativiser (de multiples fréquences étaient employées, si bien qu’aucune n’émergeait vraiment). Une pléthore de fréquences a continué à coexister (en 1918, Londres avait différentes). Ce n’est qu’après la Seconde Guerre mondiale, avec la diffusion des biens de consommation électriques, que des normes ont été établies.
D'autres fréquences qui étaient relativement communes dans la première moitié du , demeurent en service aujourd'hui dans des cas isolés, souvent attachés au système de par l'intermédiaire d'un commutateur réalisé par un convertisseur tournant ou un onduleur statique. En raison des coûts, la standardisation ne s’est pas faite immédiatement et quelques parties du réseau de distribution ont pu continuer à opérer avec des fréquences originales. Le a été employé en Ontario, au Québec, et dans le nord des États-Unis. Dans les années 1950, beaucoup d’équipements (des générateurs aux appareils électroménagers) fonctionnant à , ont été mis à la norme. Cependant, des générateurs de existent toujours dans les stations des chutes du Niagara et fournissent de la puissance aux grands clients industriels qui n'ont pas voulu remplacer l'équipement existant. De même, des moteurs à équipent quelques pompes à eau installées lors de la crue de La Nouvelle-Orléans .
Aux États-Unis, la compagnie d’électricité Southern California Edison, qui avait pour standard le , n’a basculé au qu’en 1948.
Fréquences électriques en usage en 1897 en Amérique du Nord Fréquence (Hz) Description140 Wood arc-lighting dynamo133 Stanley-Kelly Company125 General Electric single-phase66.7 Stanley-Kelly company62.5 General Electric "monocyclic"60 Many manufacturers, becoming "increasing common" in 189758.3 General Electric Lachine Rapids40 General Electric33 General Electric at Portland Oregon for rotary converters27 Crocker-Wheeler for calcium carbide furnaces25 Westinghouse Niagara Falls 2-phase - for operating motors
Au milieu du , les fréquences utilisées n’avaient pas été totalement standardisées aux valeurs actuelles ( et ). En 1946, un manuel de référence pour la conception des équipements radio listait (encore) les fréquences électriques obsolètes !
Fréquences électriques en usage en 1946 (autres que le 50 et le 60 Hz)
Fréquence (Hz) Region25 Canada (Sud Ontario), Panama (Zone du canal)(*), France, Allemagne, Suède, Royaume-Uni, Chine, Hawaii, Inde, Mandchourie40 Jamaïque, Belgique, Suisse, Royaume-Uni, Malaisie, Égypte, Australie (Est) (*)42 Tchécoslovaquie, Hongrie, Italie, Monaco(*), Portugal, Roumanie, Yougoslavie, Libye (Tripoli)43 Argentine45 Italie, Libye (Tripoli)76 Gibraltar(*)100 Malte(*), Afrique de l’est britannique Dans les zones marquées avec le (*), la fréquence indiquée était la seule en service.
Chemins de fer D'autres fréquences sont utilisées pour les chemins de fer. L'Allemagne, l'Autriche et la Suisse utilisent du courant alternatif monophasé à pour la chaîne de puissance. La fréquence de était utilisée sur certaines lignes des chemins de fer autrichiens (Mariazeller Bahn) et quelques lignes dans les États de New York et de Pennsylvanie (Amtrak) aux États-Unis.
Les autres lignes de chemin de fer sont alimentées à des fréquences industrielles ( ou ), et dans ce cas le courant destiné à la chaîne de traction est délivré directement via des lignes standards. Dans les pays utilisant le il est délivré soit par l'intermédiaire de convertisseurs de fréquences, soit par des unités de production dédiées.