Sistemas de potencia de 400 Hz para aire, mar y espacio

Puede ser una sorpresa para algunos de ustedes saber que los sistemas de transporte masivo, como los aviones a reacción, barcos, submarinos y naves espaciales, no utilizan los estándares de CA de 50 Hz (220-240V) o 60 Hz (100-127V) que son casi universales para la energía de “red” hoy en día (y que los convertidores de CA a CC compatibles a nivel mundial manejan con destreza, en conjunto con un conjunto de adaptadores de enchufe de CA). En su lugar, estas opciones de transporte dependen de la transmisión de energía de CA de 400 Hz; el Estándar Militar de EE.UU. MIL-STD-704, por ejemplo, especifica un enfoque de CA de 115V 400 Hz. ¿Por qué?

Historial de Utilidad

Los primeros días de la energía eléctrica AC estuvieron marcados por una diversidad de combinaciones de voltaje, frecuencia, corriente y otras especificaciones. Esto se debe a que intentaban optimizar y comprometerse frente a requisitos de energía a menudo contradictorios:
 
1. Generación en la fuente

2. Transmisión desde la fuente al destino, y

3. Uso en el destino
 
Los primeros sistemas, por ejemplo, elegían de manera algo arbitraria una frecuencia que era óptima para la máquina de vapor, la turbina de agua u otro generador eléctrico que se estuviera utilizando. Otro factor importante a considerar es el efecto "skin", que se manifiesta como la tendencia de los electrones a recorrer un alambre usando solo su región exterior —en lugar de toda su sección transversal— a medida que aumenta la frecuencia de transmisión. El aumento resultante en la impedancia en serie con el aumento de la frecuencia—debido al uso ineficiente del núcleo del cable—conduce a mayores pérdidas de transmisión a largas distancias. Para las compañías eléctricas motivadas para proporcionar la mayor cantidad de energía posible a sus clientes al menor costo posible, la transmisión de alta eficiencia es crítica.
 
Los motores en el destino también históricamente tendían a preferir frecuencias de transmisión más bajas. Esto se debe a que la inductancia del campo magnético del motor se opone a cambios rápidos de corriente. Los materiales utilizados en los diseños de motores a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, en particular, no funcionaban bien por encima de los 60 Hz. Ironicamente, estos problemas materiales históricos se han mitigado en gran medida y ahora es un hecho que 50 o 60 Hz (en lugar de 400 Hz u algún otro voltaje más alto) ponen un límite máximo al RPM máximo de un motor de inducción.
 
La iluminación AC en el destino, por el contrario, históricamente ha preferido frecuencias de transmisión más altas. Esto se debe a que el filamento de una lámpara incandescente se enfría en cada medio ciclo de corriente alterna; cuanto más lenta es la frecuencia (es decir, cuanto más largo es el ciclo), más notable es el parpadeo resultante de la lámpara. El desorden de estándares de energía incompatibles —a veces entre servicios eléctricos competidores dentro de la misma ciudad, lejos de intra- e interpaís— llevó muchas décadas para resolverse, con una consolidación impulsada por factores como fusiones entre múltiples servicios eléctricos, la producción en masa de electrodomésticos eléctricos, y el comprensible deseo de los consumidores de no necesitar volver a comprar esos electrodomésticos cuando se mudaban. Para la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, gran parte del mundo se había establecido en gran medida en los dos estándares dominantes de hoy.

Divergencia de Sistemas Cerrados

¿Por qué, entonces, los sistemas de transporte mencionados han desviado de esta convergencia? Por un lado, como lo indica el título de esta sección, son sistemas cerrados. No necesitan interoperar, por ejemplo, con las redes eléctricas cercanas montadas por otras compañías. Casi el único gesto (ineficiente) que necesitan proporcionar a los estándares mundiales de "red" es, por ejemplo, ofrecer enchufes compatibles con 50 y 60 Hz para que los pasajeros usen cuando alimentan equipos que han traído a bordo, y generados por rectificadores de CA a CC seguidos de inversores de CC a CA. Y en ese sentido, 400 Hz tiene ventajas sobre 50 Hz y 60 Hz desde un punto de vista de generación de CC; el tiempo de ciclo más corto permite el uso de un condensador de "caída" más pequeño como parte del circuito rectificador.
 
También tenga en cuenta que los arneses de cableado que transportan energía en dichos sistemas de transporte tienen cientos de pies de longitud, no cientos de millas; los efectos atenuantes de la inductancia en serie a frecuencias CA más altas son menos preocupantes en tales casos. Por el contrario, el peso es de gran preocupación. 
 
Los barcos, submarinos, naves espaciales y otros vehículos tienen las mismas preocupaciones y motivaciones que los aviones; quieren minimizar el peso para maximizar el alcance que pueden viajar con una cantidad determinada de combustible almacenado a bordo.
 
Como tal, los transformadores y otros circuitos necesarios para convertir las salidas inconsistentes de los alternadores impulsados por motores en energía CA consistente—y variar el voltaje para alimentar varios subsistemas de aviones u otros vehículos—son inherentemente más pequeños y ligeros en un enfoque de 400 Hz que con una alternativa de 50 o 60 Hz. Dado que la FEM (fuerza electromotriz) generada en una bobina es proporcional tanto al flujo como a la frecuencia, las frecuencias más altas requieren menos flujo, por lo tanto, se necesita menos hierro en el núcleo del transformador. Y cuanto más transformadores estén en uso, mayor será el efecto acumulado de ahorro de peso.
 
Específicamente, cuando se aplica la Ley de Inducción de Faraday para describir un transformador:
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
Revela (entre otras cosas) que la FEM (fuerza electromotriz) de un transformador varía con la derivada del flujo magnético del núcleo entre los terminales primario y secundario con respecto al tiempo, donde VP y VS son respectivamente los voltajes primario y secundario, NP y NS son el número de "vueltas" de los devanados primario y secundario, Φ es el flujo magnético, y t es el tiempo. Por lo tanto, dicho de otra manera, la FEM de un transformador en una densidad de flujo dada aumenta con la frecuencia... o, dicho de una tercera manera, para una FEM específica necesaria para implementar una transformación particular de voltaje y corriente de primario a secundario, ambos:
 
• La cantidad de densidad de flujo, es decir, el material del núcleo, y

• La cantidad de vueltas de los devanados primario y secundario, es decir, la cantidad total de alambre enrollado alrededor de ese núcleo puede disminuir en tamaño (y peso) a medida que aumenta la frecuencia de operación.