Sistemi di alimentazione a 400 Hz per aria, mare e spazio

Può essere una sorpresa per alcuni di voi sapere che i sistemi di trasporto di massa come aerei a reazione, navi, sottomarini e veicoli spaziali non utilizzano gli standard AC 50 Hz (220-240V) o 60 Hz (100-127V) che sono quasi universali per la corrente elettrica "di rete" oggigiorno (e che i convertitori da AC a DC compatibili a livello mondiale gestiscono con disinvoltura, in congiunzione con un set di adattatori per spine AC). Invece, queste opzioni di trasporto si affidano alla trasmissione di potenza AC a 400 Hz; lo Standard Militare USA MIL-STD-704, per esempio, specifica un approccio AC a 115V e 400 Hz. Perché?

Cronologia delle Utilità

I primi giorni dell'alimentazione elettrica AC erano effettivamente caratterizzati da una diversità di combinazioni di specifiche di tensione, frequenza, corrente e altre. Questo perché tutti cercavano di ottimizzare e trovare compromessi tra requisiti di alimentazione spesso contraddittori:
 
1. Generazione alla fonte

2. Trasmissione dalla fonte alla destinazione, e

3. Utilizzo alla destinazione
 
I primi sistemi, ad esempio, sceglievano in modo alquanto arbitrario una frequenza che fosse ottimale per qualunque motore a vapore, turbina idraulica o altro generatore elettrico in uso. Un altro fattore importante da considerare è l'effetto "pelle", che si manifesta come la tendenza degli elettroni a percorrere un filo utilizzando solo la sua parte esterna—invece che tutta l'area della sua sezione trasversale—con l'aumento della frequenza di trasmissione. L'aumento risultante dell'impedenza in serie con l'aumento della frequenza—a causa del non utilizzo inefficiente del nucleo del filo—porta a maggiori perdite di trasmissione su lunghe distanze. Per le compagnie elettriche motivate a fornire quanta più energia possibile ai propri clienti al costo più basso possibile, la trasmissione ad alta efficienza è critica.
 
I motori alla destinazione storicamente tendevano anche a preferire frequenze di trasmissione più basse. Questo perché l'induttanza del campo magnetico del motore si opponeva ai rapidi cambiamenti di corrente. I materiali utilizzati nei primi progetti di motori tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo in particolare non funzionavano bene sopra i 60 Hz. Ironia della sorte, questi problemi di materiali storici sono stati in gran parte risolti ed è ora il caso che 50 o 60 Hz (rispetto a 400 Hz o altre frequenze più alte) pongano un limite massimo al numero di giri al minuto di un motore a induzione.
 
L'illuminazione AC alla destinazione, al contrario, storicamente ha preferito frequenze di trasmissione più alte. Questo perché il filamento di una lampada a incandescenza si raffredda a ogni semionda di corrente alternata; più lenta è la frequenza (cioè più lungo è il ciclo), più evidente è lo sfarfallio della lampada risultante. Il miscuglio di standard di potenza incompatibili—a volte tra società elettriche concorrenti all'interno della stessa città, lontano dal contesto intra- e inter-paese—ha richiesto molti decenni per essere risolto, con la consolidazione alimentata da fattori come fusioni multi-utility, la massificazione della produzione di apparecchi alimentati elettricamente e il comprensibile desiderio dei consumatori di non dover riacquistare quegli apparecchi quando si trasferiscono. Nel periodo post-Seconda Guerra Mondiale, la maggior parte del mondo si era largamente orientata sui due standard dominanti odierni.

Divergenza a Sistema Chiuso

Perché, allora, i suddetti sistemi di trasporto si sono allontanati da questa convergenza? Innanzitutto, come suggerisce il titolo di questa sezione, sono sistemi chiusi. Non hanno bisogno di interoperare, per esempio, con le reti elettriche vicine assemblate da altre utility. Circa l'unico riferimento (inefficiente) agli standard mondiali di "rete elettrica" che devono fornire è, ad esempio, offrire prese di corrente compatibili con 50 e 60 Hz per i passeggeri da utilizzare quando alimentano le apparecchiature che hanno portato a bordo, e generate da raddrizzatori AC-to-DC seguiti da inverter DC-to-AC. E a proposito di questo, 400 Hz ha vantaggi rispetto a 50 Hz e 60 Hz dal punto di vista della generazione DC; il tempo di ciclo più breve permette l'uso di un condensatore di "droop" più piccolo come parte del circuito del raddrizzatore.
 
Ricorda anche che i cablaggi portatori di energia in tali sistemi di trasporto sono lunghi centinaia di piedi, non centinaia di miglia; gli effetti di attenuazione dell'induttanza in serie a frequenze AC più elevate sono meno preoccupanti in tali casi. Di grande preoccupazione, invece, è il peso. 
 
Navi, sottomarini, veicoli spaziali e altri veicoli hanno le stesse preoccupazioni e motivazioni degli aeromobili; vogliono minimizzare il peso per massimizzare il range che possono percorrere con una determinata quantità di carburante immagazzinato a bordo.
 
Per questo motivo, i trasformatori e altri circuiti necessari a convertire le uscite incoerenti degli alternatori azionati dal motore in corrente AC coerente—e a variare la tensione per alimentare vari sottosistemi di aeroplani o altri veicoli—sono intrinsecamente più piccoli e leggeri in un approccio a 400 Hz rispetto a un'alternativa a 50 o 60 Hz. Poiché la forza elettromotrice (EMF) generata in una bobina è proporzionale sia al flusso che alla frequenza, frequenze più elevate richiedono meno flusso, quindi è necessario meno ferro nel nucleo del trasformatore. E quanto più trasformatori sono in uso, maggiore sarà l'effetto cumulativo di risparmio di peso.
 
In particolare, quando la Legge di Faraday dell'Induzione viene applicata per descrivere un trasformatore:
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
Rivela (tra le altre cose) che la forza elettromotrice (EMF) di un trasformatore varia con la derivata del flusso magnetico del nucleo tra i terminali primario e secondario rispetto al tempo, dove VP e VS sono rispettivamente le tensioni primarie e secondarie, NP e NS sono il numero di "giri" degli avvolgimenti primario e secondario, Φ è il flusso magnetico e t è il tempo. Pertanto, detto in un altro modo, l'EMF di un trasformatore a una data densità di flusso aumenta con la frequenza...o detto in un terzo modo, per una data EMF necessaria a implementare una particolare trasformazione di tensione e corrente da primario a secondario, sia:
 
• La quantità di densità di flusso ossia materiale del nucleo, e

• Il numero di giri degli avvolgimenti primario e secondario ossia la quantità totale di filo avvolto attorno a quel nucleo può essere ridotta in dimensioni (e peso) man mano che la frequenza operativa aumenta.