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Mesurer la fréquence du courant
Le courant alternatif
Depuis que le courant alternatif a supplanté le courant continu dans les réseaux électriques, il est nécessaire de connaître la fréquence de ce courant pour pouvoir l'exploiter correctement.
Pourquoi est-il donc nécessaire de connaitre ce paramètre ?
On a déjà la tension, l'intensité du courant, la puissance, ! En plus il faut connaitre la fréquence ?
Pas de panique ! Ce paramètre n'est pas important pour l'utilisateur. C'est le producteur qui en a surtout besoin.
Plusieurs raison à cela.
D'abord, au début de l'histoire de l'électricité, plusieurs fréquences du courant étaient retenues par les différents producteurs.
Une fréquence uniformisée
En France, à Paris même, il y avait vers 1900, des réseaux à 25, 42, 50 Hertz.
De tels réseaux ne sont pas "interconnectables" c'est à dire qu'il serait impossible - voir dangereux - de les relier entre eux par des fils, même si la tension est la même (110 V par exemple).
Dans ces conditions, une société productrice ne peut ni être secourue, ni secourir une société concurrente.
Le réseau de ces sociétés est donc fragile et succeptible de pannes graves de nature à priver de courant les clients.
Conscients de ce problème, les électriciens du monde entier ont donc rapidement mis en place une règlementation internationale, pour fixer la fréquence des réseaux et les règles de connection des réseaux entre eux.
Vous savez que de nos jours la fréquence du courant en Europe est fixée à 50 Hz et qu'elle est de 60 Hz aux Etats-Unis et dans d'autres pays anglo-saxons.
L'heure exacte
Fixer cette fréquence n'est pas suffisant. Il faut aussi définir les variations acceptables autour de cette valeur de référence. Une des raisons en est que de nombreuses pendules électriques calculent l'heure à partir de la fréquence du réseau et que ces pendules avancent ou prennent du retard si la fréquence varie ne serait-ce que très peu.
Imaginez que les horloges des gares, des usines, des aéroports varient d'un jour sur l'autre au gré des variations de la fréquence du réseau !! Que de catastrophes en perspectives et une confusion générale qui désorganiserait sans doute notre vie sociale.
Afin de maintenir l'heure avec la plus grande exactitude, les producteurs d'électricité corrigent donc en permanence la fréquence du réseau pour que nos horloges indiquent le temps avec une bonne précision.
Ce sont les hollandais qui contrôlent pour l'ensemble de l'Europe, le bon fonctionnement du système et demandent si besoin aux électriciens de corriger légèrement la fréquence du réseau pendant un certain temps pour remettre les pendules à l'heure.
Le couplage au réseau des machines de production d'électricité
Un autre problème important qui se pose aux producteurs d'électricité est la mise sur le réseau de moyens de production.
Pour assurer une production correspondant à la demande des clients, les électriciens doivent au cours de la journée et suivant les jours de l'année (variations saisonières) mettre en service ou arrêter des unités de production d'électricité.
Couplage au réseau d'une unité de production électrique
La tension, la fréquence et la mise en phase des tensions
sont indispensable pour avoir un couplage de l'alternateur sur le réseau sans risque électromécanique
La fréquence du courant fourni est proportionnelle à la vitesse de rotation des machines.
A la mise en service les machines montent lentement en vitesse. Cette vitesse est stabilisée quand elle atteint la vitesse de synchronisme qui correspond à un courant de 50 Hz en Europe (en général 1500 ou 3000 t/min).
Le couplage d'une machine sur le réseau ne peut se faire que lorsque la fréquence de son courant est rigoureusement la même que celle du réseau. Elle doit donc être mesurée, des deux côtés, avec des appareils de grande qualité.
Alors, la mesure de la fréquence ?
La mesure de la fréquence se fait à l'aide d'appareils de mesure appelés fréquencemètres.
Il existe plusieurs types d'appareils des plus anciens électro-mécaniques aux appareils modernes électroniques et numériques.
Nous allons nous intéresser à un appareil très utilisé, appelé Fréquencemètre à lames vibrantes.
Le fréquencemètre à lames vibrantes
C'est un appareil de conception simple, reconnu pour sa fiabilité, sa précision et sa faible consommation d'énergie.
La photo ci-dessous montre un exemple de réalisation extrêmement classique.
Fréquencemètre à lames vibrantes
Modèle universellement utilisé par les producteurs d'électricité dès les années 1900
Comment fonctionne cet appareil ?
La partie active est formée par une rangée de lames d'acier qui vibrent sous l'excitation de bobines électromagnétiques traversées par le courant à mesurer.
Principe de fonctionnement d'une lame vibrante
L'électroaimant alimenté en courant alternatif
excite la lame qui vibre sur sa fréquence propre
Le détail de l'appareil est montré sur les images ci-dessous.
Chaque lame a une longueur différente qui lui donne une caractéristique vibratoire propre (fréquence propre de vibration).
La première lame de gauche vibre à 45 Hertz exactement à la façon d'un diapason.
La dernière de droite vibre à 55 Hertz, et les lames intermédiaires vibrent à des fréquences comprises entre 45,5 et 54,5 Hertz
La lame centrale vibre bien sûr exactement à 50 Hertz.
Quand la fréquence du courant est correcte, seule la lame centrale vibre, ce qui donne une indication précise et fiable.
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vue de gauche - bobines d'excitation des lames vibrantes
vue de droite - lames vibrantes de caractéristiques différentes (fréquence propre de vibration)
Ce type d'appareil est encore fabriqué de nos jours et est utilisé sur des installations industrielles ou domestiques.
La mesure de larges gammes de fréquences fait appel à des appareils électroniques dont la description dépasse le cadre de ce site.
Standard de Fréquence
Appareil mis au point par le National Physical Laboratory - NPL Londres
pour servir de référence étalon de fréquence (1931 - 1934)
Sources :
- Les sites web sur le sujet
- Photo de l'étalon de fréquence musée du NPL - UK's National Measurement Institute