400-Hz-Stromversorgungssysteme für Luft, See und Weltraum

Es mag für einige von Ihnen überraschend sein zu erfahren, dass Massentransportsysteme wie Düsenflugzeuge, Schiffe, U-Boote und Raumfahrzeuge nicht die 50 Hz (220-240V) oder 60 Hz (100-127V) AC-Standards verwenden, die heutzutage für „Netzstrom“ nahezu universell sind (und die weltweit kompatible AC-zu-DC-Wandler mühelos mit einer Reihe von AC-Steckdosenadaptern bewältigen). Stattdessen verlassen sich diese Transportoptionen auf eine 400 Hz AC-Stromübertragung; der US-Militärstandard MIL-STD-704 spezifiziert beispielsweise einen 115V 400 Hz AC-Ansatz. Warum?

Verlauf der Versorgungsunternehmen

Die frühen Tage der Wechselstromversorgung waren tatsächlich von einer Vielfalt an Kombinationen aus Spannung, Frequenz, Strom und anderen Spezifikationen geprägt. Dies lag daran, dass alle versuchten, die oft widersprüchlichen Anforderungen an die Energieoptimierung und -kompromissfindung zu erfüllen:
 
1. Erzeugung an der Quelle

2. Übertragung von der Quelle zum Ziel, und

3. Nutzung am Zielort
 
Frühe Systeme wählten beispielsweise mehr oder weniger willkürlich eine Frequenz, die für den jeweiligen verwendeten Dampfmotor, die Wasserturbine oder andere elektrische Generatoren optimal war. Ein weiterer wichtiger Faktor ist der sogenannte "Kerneffekt", der sich als Tendenz manifestiert, dass Elektronen zunehmend nur den äußeren Bereich eines Drahtes durchqueren—anstatt seinen gesamten Querschnitt—je mehr die Übertragungsfrequenz steigt. Der daraus resultierende Anstieg der Serienimpedanz mit steigender Frequenz—durch die ineffiziente Nichtnutzung des Drahtkerns—führt zu erhöhten Übertragungsverlusten über lange Distanzen. Für Versorgungsunternehmen, die motiviert sind, ihren Kunden so viel Energie wie möglich zu möglichst geringen Kosten zu liefern, ist eine hocheffiziente Übertragung entscheidend.
 
Motoren am Zielort tendierten historisch gesehen ebenfalls dazu, niedrigere Übertragungsfrequenzen zu bevorzugen. Dies liegt daran, dass die Induktivität des Magnetfeldes des Motors schnellen Stromänderungen entgegenwirkte. Materialien, die im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert in frühen Motordesigns verwendet wurden, arbeiteten insbesondere nicht gut oberhalb von 60 Hz. Ironischerweise wurden diese historischen Materialprobleme weitgehend gemildert, und heute ist es so, dass 50 oder 60 Hz (im Vergleich zu 400 Hz oder einer anderen höheren Spannung) eine Obergrenze für die maximale Drehzahl eines Induktionsmotors darstellen.
 
Wechselstrombeleuchtung am Zielort hingegen hat historisch gesehen höhere Übertragungsfrequenzen bevorzugt. Dies liegt daran, dass der Glühwendel einer Glühlampe in jedem Halbwellenzyklus der Wechselspannung abkühlt; je langsamer die Frequenz (d.h. je länger der Zyklus), desto auffälliger das resultierende Flackern der Lampe. Das Durcheinander inkompatibler Energiestandards—manchmal zwischen konkurrierenden Versorgern innerhalb derselben Stadt, weit entfernt von inner- und zwischenstaatlich—benötigte viele Jahrzehnte, um gelöst zu werden, mit Konsolidierungen, die durch Faktoren wie Fusionen zwischen Versorgungsunternehmen, die Massenproduktion elektrizitätsbetriebener Geräte und das verständliche Verlangen der Verbraucher, diese Geräte beim Umzug nicht erneut kaufen zu müssen, vorangetrieben wurden. Bis zur Nachkriegszeit hatte sich der Großteil der Welt weitgehend auf die heutigen beiden dominierenden Standards festgelegt.

Geschlossenes System Divergenz

Warum also haben sich die erwähnten Transportsysteme von dieser Konvergenz entfernt? Zum einen, wie der Titel dieses Abschnitts schon andeutet, sind es geschlossene Systeme. Sie müssen zum Beispiel nicht mit den nahegelegenen Stromnetzen anderer Versorgungsunternehmen interoperieren. Der einzige (ineffiziente) Schritt in Richtung weltweiter „Netz“-Standards besteht beispielsweise darin, den Passagieren 50- und 60-Hz-kompatible Steckdosen zur Verfügung zu stellen, um Geräte mit Strom zu versorgen, die sie an Bord gebracht haben, und die von Wechselrichtern von AC-zu-DC gefolgt von DC-zu-AC umgewandelt werden. Und in dieser Hinsicht hat 400 Hz Vorteile gegenüber 50 Hz und 60 Hz aus einer Stromerzeugungsperspektive; die kürzere Zykluszeit ermöglicht den Einsatz eines kleineren „Droop“-Kondensators als Teil des Gleichrichterkreises.
 
Bedenken Sie auch, dass die stromführenden Kabelbäume in solchen Transportsystemen hunderte Fuß lang sind, nicht hunderte Meilen; die dämpfende Wirkung der Serieninduktivität bei höheren AC-Frequenzen ist in solchen Fällen weniger problematisch. Ein großes Anliegen ist hingegen das Gewicht. 
 
Schiffe, U-Boote, Raumfahrzeuge und andere Fahrzeuge haben die gleichen Anliegen und Motivationen wie Flugzeuge; sie wollen das Gewicht minimieren, um die Reichweite zu maximieren, die sie mit einer bestimmten Menge an gespeicherten Treibstoff an Bord zurücklegen können.
 
Insofern sind die Transformatoren und anderen Schaltungen, die notwendig sind, um inkonsistente, motorbetriebene Wechselstromausgänge in konsistenten Wechselstrom umzuwandeln - und um die Spannung zu variieren, um verschiedene Flugzeug- oder Fahrzeug-Subsysteme zu betreiben - in einem 400-Hz-Ansatz von Natur aus kleiner und leichter als mit einer 50- oder 60-Hz-Alternative. Da die EMK (elektromotorische Kraft), die in einer Spule erzeugt wird, proportional sowohl zum Fluss als auch zur Frequenz ist, erfordern höhere Frequenzen weniger Fluss, daher wird weniger Eisen im Transformatorenkern benötigt. Und je mehr Transformatoren im Einsatz sind, desto größer wird der kumulative Gewichtseinsparungseffekt sein.
 
Insbesondere, wenn das Faradaysche Gesetz der Induktion angewendet wird, um einen Transformator zu beschreiben:
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
Es zeigt (unter anderem), dass die EMK (elektromotorische Kraft) eines Transformators mit der Ableitung des magnetischen Flusses des Kerns zwischen den primären und sekundären Anschlüssen in Bezug auf die Zeit variiert, wobei VP und VS jeweils die primären und sekundären Spannungen sind, NP und NS sind die Anzahl der „Windungen“ der primären und sekundären Wicklungen, Φ ist der magnetische Fluss und t ist die Zeit. Daher gesagt in anderen Worten, die EMK eines Transformators bei gegebener Flussdichte steigt mit der Frequenz... oder anders gesagt, für eine gegebene EMK, die benötigt wird, um eine bestimmte Primär-zu-Sekundär-Spannungs- und Stromtransformation zu implementieren, können sowohl:
 
• Die Menge der Flussdichte, d.h. Kernmaterial, und

• Die Anzahl der primären und sekundären Wicklungswindungen, d.h. die Gesamtmenge des um diesen Kern gewickelten Drahtes, mit zunehmender Betriebsfrequenz in Größe (und Gewicht) verringert werden.