航空、海洋、宇宙用400Hz電力システム

ジェット機、船舶、潜水艦、宇宙船などの大量輸送システムが、今日ではほぼ普遍的な「商用電源」として使用されている50 Hz（220-240V）または60 Hz（100-127V）のAC規格を使用していないことを知って、少なくとも一部の皆さんは驚くかもしれません（また、世界中で互換性のあるAC-DCコンバーターは、一式のACプラグアダプターと併せて容易に扱えます）。代わりに、これらの輸送オプションは400 HzのAC電力送信に依存しています。例えば、米軍のMIL-STD-704規格では、115V 400 HzのAC方式を指定しています。なぜでしょうか？

ユーティリティ履歴

AC電力の初期は、電圧、周波数、電流、および他の仕様の組み合わせの多様性が特徴でした。これは、電力のしばしば矛盾する要求を最適化し、妥協しようと試みたためです。
 
1. 発電元での発電

2. 発電源から目的地への送電、そして

3. 目的地での使用
 
初期のシステムは、たとえば、使用中の蒸気機関、水車、または他の発電機にとって最適な周波数をやや任意に選んでいました。考慮すべきもう一つの重要な要因は「表皮」効果です。これは、伝送周波数が増加するにつれて、電子がワイヤの全断面積ではなく、ワイヤの外側部分のみを使ってますます多く渡る傾向として現れます。結果として生じる周波数の増加による直列インピーダンスの増加は、ワイヤの芯を非効率的に使用しないために、長距離にわたる送電損失の増加をもたらします。ユーティリティ会社にとって、可能な限り低コストで顧客にできるだけ多くの電力を提供することを目的とするため、高効率な送電は重要です。
 
目的地のモーターも歴史的に低い送電周波数を好む傾向がありました。これは、モーターの磁場のインダクタンスが急速な電流の変化に反対するためです。特に、19世紀末から20世紀初頭の初期のモーターデザインで使用された材料は、60Hzを超えるとうまく機能しませんでした。皮肉なことに、これらの歴史的な材料の問題はほとんど改善され、現在では、50または60Hz（400Hzまたは他の高い電圧と比較して）が誘導モーターの最大RPMの上限を設定しています。
 
一方で、目的地のAC照明は歴史的に高い送電周波数を好んできました。これは、白熱ランプのフィラメントが交流の各半周期で冷却されるため、周波数が遅いほど（つまり、周期が長いほど）、ランプのちらつきがより顕著になるからです。互換性のない電力基準の混乱は、多くの場合、同じ都市内の競争するユーティリティ間や、国内外の間で解決するのに何十年もかかりました。統合は、複数のユーティリティの合併、電気機器の大量生産の共通化、引越し時にそれらの機器を再購入する必要がないことを望む消費者の理解可能な要求などの要因によって促進されました。第二次世界大戦後の時代までに、世界の大部分は今日の2つの支配的な基準にほぼ落ち着きました。

閉系の分岐

では、前述の輸送システムはなぜこの収束から逸れているのでしょうか。一つの理由は、本節のタイトルが示すように、閉じたシステムであることです。他のユーティリティによって組み立てられた近隣の電力網と相互運用する必要はありません。例えば、世界の「メイン」の標準に対して提供する唯一の（非効率的な）対応は、乗客が持ち込んだ機器に電力を供給する際に使う50Hzと60Hz対応の電源コンセントを提供することであり、これはACからDCへの整流器によって生成され、その後DCからACへのインバータで変換されます。そしてその点に関して言えば、DC生成の観点からは400Hzは50Hzや60Hzよりも利点があります。短いサイクル時間は整流回路の一部として使用される「ドロップ」コンデンサのサイズを小さくすることを可能にします。
 
また、そのような輸送システム内の電力を運ぶ配線ハーネスは数百フィート長であり、数百マイル長ではありません。高いAC周波数での直列インダクタンスによる減衰効果はそのような場合にはあまり懸念されません。逆に、最大の懸念は重量です。
 
船舶、潜水艦、宇宙船およびその他の車両は航空機と同様の関心事と動機を持っています。彼らは搭載された燃料の特定量で移動できる距離を最大化するために重量を最小化したいのです。
 
そのため、不規則なエンジン駆動の交流発電機の出力を一貫したAC電力に変換し、様々な飛行機やその他の車両サブシステムに電力を供給するために電圧を変化させる必要がある変圧器およびその他の回路は、50Hzまたは60Hzの代替よりも400Hzのアプローチでは本質的に小さく軽いのです。コイル内で生成される電動力（EMF）は、磁束と周波数の両方に比例するため、高い周波数では磁束が少なくて済みます。したがって、変圧器のコアに必要な鉄が少なくなります。そして使用される変圧器が多いほど、累積的な重量削減効果が大きくなります。
 
特に、ファラデーの誘導法則が変圧器を記述するために適用される場合:
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
それは（その他のことの中で）、変圧器の電動力（EMF）が、時間に関して一次および二次端子の間のコアの磁束の微分によって変化することを明らかにしています。ここで、VP とVS はそれぞれ一次および二次電圧、NP とNS は一次および二次巻線の「ターン」の数、Φは磁束、tは時間です。したがって、別の言い方をすれば、特定の一次から二次への電圧および電流変換を実施するために必要な特定のEMFで、周波数が増加すると変圧器のEMFが増加します。つまり、別の言い方をすれば:
 
• フラックス密度量、つまりコア材料、および

• 一次および二次巻線ターンの数、つまりそのコアに巻かれた合計ワイヤー量は、動作周波数が増加するにつれてサイズ（および重量）を減らすことができます。