Не все знают, что в самолетах и в некоторой военной технике используется электричество с частотой 400 Гц. Тогда как в обычной электросети – 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц). С чем связана такая большая разница по частоте переменного тока?
Связанно это с эффективностью и с компактностью оборудования, как следствие. Чем выше частота напряжения в проводке, тем меньших размеров можно изготовить трансформаторы, катушки, электродвигатели при тех же характеристиках. А вес в авиации - очень важный показатель, где важен каждый килограмм летательного аппарата.
Как связаны эффективность работы этого электрического оборудования и частота питающего их напряжения? При повышенной частоте происходит снижение потерь энергии. Т.к. при высокой частоте уменьшаются потери в магнитных материалах, что повышает общую эффективность энергосистемы. И при сохранении тех же характеристик мощности и преобразования электроэнергии в магнитные поля, можно снизить габариты, массу трансформаторов, катушек.
Это легко проверить по формуле выходной ЭДС.
E = 4,44*f*w*Ф; где f – частота, w – количество витков, Ф – магнитный поток.
В формуле магнитный поток Ф равен произведению индукции B на площадь сечения магнитопровода S. Получается, сохранив требуемое Е, подняв частоту в 8 раз, во столько же уменьшается площадь сечения магнитопровода. Примерно во столько же уменьшается и вес трансформатора.
Еще увеличивается точность работы оборудования (сельсины, СКВТ, электродвигатели). При 400 Гц этот показатель значительно выше, чем при частоте 50 Гц. Электродвигатели и генераторы, работающие на высокой частоте, имеют лучшие динамические характеристики и быстрее реагируют на изменения нагрузки. Это важно для систем управления самолетом, таких как гидравлические насосы и системы кондиционирования воздуха.
Использование частоты 400 Гц в авиации регламентировано ГОСТ Р 54073-2017 - национальным стандартом Российской Федерации «Системы электроснабжения самолётов и вертолётов. Общие требования и нормы качества электроэнергии».
Часто в самолетах используется основная система питания трехфазным переменным током напряжением 115V частотой 400Hz и сиcтема питания постоянным током напряжением 28V. Например, аварийным источником переменного тока служит турбина, которая раскручивается набегающим потоком воздуха. Выпускается из корпуса вручную или автоматически, когда исчезает напряжение основных генераторов. Генератор дает мощность 15kVA переменного трехфазного тока 115V 400Hz. А размер его совсем небольшой.
Еще пример небольших размеров электрооборудования в самолете – выпрямители переменного тока:
Они преобразуют переменный ток 115В 400Гц в постоянный 28В.
Почему же тогда 400 Гц не используется в наземных и бытовых сетях? Существует такая характеристика, как индуктивное сопротивление провода:
RL = 3,14*f*L; где f – частота, L – индуктивность провода.
С ростом частоты пропорционально увеличивается индуктивное сопротивление. Для коротких электрических линий в самолетах эти потери несущественны. А на линиях электропередач длиной в многие сотни километров, индуктивное сопротивление проводов приведет к значительным потерям.
Частота 400 Гц давно стала стандартом в авиации. Если сделать выше, то будет большое индуктивное сопротивление, ниже – придется увеличивать размер и массу трансформаторов и генераторов.