用于航空、海洋和太空的400赫兹电力系统

至少对你们中的一些人来说，可能会感到惊讶的是，诸如喷气式飞机、船只、潜艇和航天器等大众交通系统并不使用如今几乎普遍用于“电力主网”的50 Hz（220-240V）或60 Hz（100-127V）交流电标准（以及能够轻松处理此类标准的全球兼容AC-to-DC转换器和一组AC插头适配器）。相反，这些交通方式依赖于400 Hz交流电传输；例如，美国军用标准MIL-STD-704就规定使用115V 400 Hz交流电方法。为什么？

工具历史

早期的交流电力实际上是由多种电压、频率、电流和其他规格组合标志的。这是因为它们都试图在常常矛盾的电力需求之间进行优化和妥协：
 
1. 在电源处的发电

2. 从电源到目的地的传输，以及

3. 在目的地的使用
 
例如，早期的系统有些随意地选择了适合当时使用的蒸汽机、水轮机或其他电力发电机的频率。另一个需要考虑的重要因素是“集肤”效应，它表现为随着传输频率的增加，电子倾向于仅使用导线的外部区域而不是其整个横截面区域穿过导线。频率增加导致的串联阻抗随之增加——由于导线核心的不高效使用——导致长距离传输损耗增加。对于动力公司来说，高效传输是关键，因为它们的动机是以尽可能低的成本为客户提供尽可能多的电力。
 
目的地的电动机历史上也倾向于选择较低的传输频率。这是因为电动机磁场的电感反对电流的快速变化。特别是19世纪末和20世纪初的早期电动机设计中使用的材料在高于60 Hz时性能不佳。具有讽刺意味的是，这些历史材料问题在很大程度上已得到缓解，现在50或60 Hz（而不是400 Hz或其他更高电压）对感应电动机的最大转速施加了上限。
 
相反，目的地的交流照明历史上倾向于更高的传输频率。这是因为白炽灯的灯丝在每个交流半周期中冷却；频率越慢（即周期越长），灯闪烁越明显。这种不兼容的电力标准的混乱——有时在同一个城市的竞争电力公司之间，而非国家或国际之间——花了几十年时间进行整理，合并的推动因素如多电力公司的合并、电力设备大批量生产商品化，以及消费者希望在搬家时不需要重新购买那些设备的愿望。在二战后时代，世界大部分地区基本上已定居于今天的两个主要标准上。

封闭系统偏差

那么，为什么上述运输系统偏离了这种融合呢？首先，正如本节标题所提示的那样，它们是封闭系统。例如，它们不需要与其他公用事业公司组装的附近电网互操作。它们几乎唯一需要对全球“电源”标准进行的（低效）回应是，例如，提供50和60 Hz兼容的电源插座，供乘客在使用他们带上船的设备时使用。这些插座由AC到DC整流器生成，再由DC到AC逆变器转换。说到这点，从DC生成的角度看，400 Hz比50 Hz和60 Hz有优势；较短的周期时间允许在整流电路中使用较小的“下降”电容。
 
还需记住，在这种运输系统中的载电线束长达数百英尺，而不是数百英里；在较高交流频率下，串联电感的衰减效应在这种情况下较少令人担忧。相反，重量是一个极大的担忧。
 
船只、潜艇、航天器和其他车辆与飞机有相同的关注和动机；它们希望在最大化储存在船上的燃料量的情况下，尽可能地减轻重量从而增加行驶范围。
 
因此，将不一致的发动机驱动交流发电机输出转换为稳定的交流电所需的变压器和其他电路，以及为了为各种飞机或其他车辆子系统供电而改变电压，相比50或60 Hz选择，在400 Hz的情况下固有地更小更轻。因为线圈中产生的EMF（电动势）与磁通和频率成正比，较高的频率需要较少的磁通，因此变压器核心需要较少的铁。而使用的变压器越多，累积的节省重量效果就越明显。
 
具体来说，当法拉第电磁感应定律被应用于描述变压器时：
 
VP = -NP (dΦ/dt)

VS = -NS (dΦ/dt)
 
这显示（就其他事项而言）变压器的EMF（电动势）随着主端和次端之间核心磁通量相对于时间的导数而变化，其中VP和VS分别是主电压和次电压，NP和NS分别是主绕组和次绕组的“匝数”，Φ是磁通，t是时间。因此，换句话说，给定磁通密度下变压器的EMF随着频率的增加而增加……或者再说一遍，对于实现特定主到次电压和电流转换所需的给定EMF，两者：
 
• 磁通密度的量，即核心材料，以及

• 主绕组和次绕组的匝数，即围绕该核心的绕线总量，随着操作频率增加可以减小（以及减轻重量）。