항공, 해상 및 우주용 400Hz 전원 시스템

여러분 중 적어도 일부는 제트 비행기, 선박, 잠수함, 우주선과 같은 대중교통 시스템이 요즘 거의 보편적인 "주 전원" 용도로 사용되는 50 Hz (220-240V) 또는 60 Hz (100-127V) AC 표준을 사용하지 않는다는 것을 알고 놀랄 수 있습니다 (그리고 전 세계적으로 호환 가능한 AC-to-DC 변환기가 일련의 AC 플러그 어댑터와 함께 손쉽게 처리합니다). 대신, 이러한 교통 옵션은 400 Hz AC 전력 전송에 의존합니다; 예를 들어, 미국 군사 표준 MIL-STD-704는 115V 400 Hz AC 접근을 명시하고 있습니다. 왜일까요?

유틸리티 기록

AC 유틸리티 전력의 초기 시절은 실제로 전압, 주파수, 전류 및 다른 사양 조합의 다양성으로 특징지어졌습니다. 이는 모두 전력의 종종 모순된 요구 사항을 최적화하고 타협하려고 시도했기 때문입니다:
 
1. 공급원에서의 발전

2. 공급원에서 목적지까지의 전송, 그리고

3. 목적지에서의 사용
 
예를 들어 초기 시스템은 현재 사용 중인 증기 엔진, 수력 터빈 또는 다른 전기 발생기에 최적화된 주파수를 다소 임의로 선택했습니다. 또 다른 중요한 요소는 "스킨" 효과를 고려하는 것입니다. 이것은 전송 주파수가 증가함에 따라 전자들이 전체 횡단면적이 아닌 외부 부분만을 사용하여 점점 더 많이 전선을 지나가는 경향으로 나타납니다. 전선의 핵심을 비효율적으로 사용하지 않음으로 인해 주파수가 증가하면 직렬 임피던스가 증가하고, 이는 장거리 전송 손실을 증가시킵니다. 가능한 한 낮은 비용으로 가능한 한 많은 전력을 고객에게 제공하려는 유틸리티 회사에게 높은 효율의 전송은 매우 중요합니다.
 
목적지에서의 모터도 역사적으로 낮은 전송 주파수를 선호하는 경향이 있었습니다. 이는 모터의 자기장의 인덕턴스가 전류의 급격한 변화를 방해하기 때문입니다. 특히 19세기 말과 20세기 초의 초기 모터 설계에 사용된 재료는 60 Hz 이상에서 제대로 작동하지 않았습니다. 아이러니하게도, 이러한 역사적인 재료 문제는 대체로 해소되었고 이제는 50 또는 60 Hz (400 Hz 또는 기타 더 높은 전압) 대신 유도 모터의 최대 RPM에 상한선을 설정합니다.
 
반면 목적지에서의 AC 조명은 역사적으로 더 높은 전송 주파수를 선호해 왔습니다. 이는 백열 램프의 필라멘트가 각 교류 반주기마다 냉각되기 때문입니다. 주파수가 느릴수록 (즉, 주기가 길수록) 램프 깜박임이 더 두드러지게 느껴집니다. 동일한 도시 내에서 경쟁하는 유틸리티들 사이에서, 국내외에서의 비호환 전력 표준의 난맥상은 여러 유틸리티의 합병, 전기로 구동되는 가전제품의 대량 생산 상업화, 소비자들이 이사를 가면서 이러한 가전제품을 재구매할 필요가 없다는 이해할 수 있는 욕구와 같은 요인에 의해 많은 시간을 거쳐 해결되었습니다. 제2차 세계 대전 이후 시대에는, 세계 대부분이 오늘날의 두 가지 지배적인 표준에 주로 정착되었습니다.

폐쇄 시스템 발산

그렇다면 왜 앞서 언급한 교통 시스템은 이러한 수렴에서 벗어났습니까? 한 가지 이유는, 이 섹션의 제목이 암시하듯이, 그들은 폐쇄 시스템이기 때문입니다. 예를 들어, 다른 유틸리티에 의해 조립된 인근 전력망과 상호 운용할 필요가 없습니다. 전 세계적인 "메인" 표준에 대해 제공해야 할 거의 유일한 (비효율적인) 점은 AC-DC 정류기에 의해 생성된 후 DC-AC 인버터를 통해 생성되는 50 및 60 Hz 호환 전원 콘센트를 탑승자들이 가져온 장비를 작동할 때 사용하기 위해 제공하는 것입니다. 그리고 그 점에서, DC 생성 관점에서는 400 Hz가 50 Hz 및 60 Hz에 비해 장점이 있습니다; 짧은 주기 시간은 정류기 회로의 일부로 더 작은 "드룹" 커패시터를 사용할 수 있게 해줍니다.
 
또한 이러한 교통 시스템의 전력 전달 배선 하니스는 수백 피트 길이지, 수백 마일 길이가 아닙니다; 높은 AC 주파수에서의 직렬 유도의 감쇠 효과는 그러한 경우에서 덜 우려됩니다. 반대로, 큰 걱정거리는 무게입니다. 
 
배, 잠수함, 우주선 및 기타 차량은 항공기와 동일한 관심사와 동기를 가지고 있습니다; 그들은 보드에 저장된 일정량의 연료로 여행할 수 있는 범위를 최대화하기 위해 무게를 최소화하고자 합니다.
 
따라서 일관되지 않은 엔진 구동 발전기 출력을 일관된 AC 전력으로 변환하고 다양한 비행기 또는 기타 차량 하위 시스템에 전력을 공급하기 위해 전압을 변화시키기 위해 필요한 변압기 및 기타 회로는 50- 또는 60-Hz 대안보다 400-Hz 접근 방식에서 본질적으로 더 작고 가볍습니다. 코일에서 생성된 EMF(전자기 유도력)는 플럭스와 주파수 모두에 비례하기 때문에, 더 높은 주파수는 더 적은 플럭스를 요구하므로 변압기 코어에 더 적은 철이 필요하게 됩니다. 그리고 사용 중인 변압기의 수가 많을수록, 누적되는 무게 절약 효과가 더 커질 것입니다.
 
구체적으로, Faraday의 유도 법칙이 변압기를 설명하는 데 적용될 때:
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
이는 변압기의 EMF(전자기 유도력)가 시간이 지남에 따라 1차 및 2차 단자 사이의 코어 자기 플럭스의 도함수와 함께 변한다는 것을 (다른 것과 함께) 보여줍니다. 여기서 VP 및 VS는 각각 기본 및 2차 전압이며, NP 및 NS는 기본 및 2차 권선 회전 수, Φ는 자기 플럭스, t는 시간입니다. 따라서, 달리 말하면, 주어진 플럭스 밀도에서의 변압기의 EMF는 주파수와 함께 증가합니다... 또는, 주어진 1차-2차 전압 및 전류 변환을 구현하기 위해 필요한 EMF를 위한 또 다른 방식으로, 다음 둘 다:
 
• 플럭스 밀도 즉, 코어 재료의 양, 그리고

• 기본 및 2차 권선 회전 수 즉, 그 코어 주위에 감긴 총 와이어 양이 작아질 수 있습니다(그리고 주파수 증가에 따라 무게가 가벼워질 수 있습니다).