Warum verwenden Flugzeuge Wechselstrom?

Wechselstrom ist einfacher mit den Motoren zu erzeugen, die als Generatoren fungieren. Die Motoren haben eine rotierende Welle, die leicht mit magnetischen Dipolen rundum ausgestattet ist.

Dann wird der Strom je nach Gerät entweder direkt verwendet oder durch den Einsatz von Konvertern in Gleichstromform, da er nicht nur einfacher zu erzeugen, sondern auch einfacher zu wandeln ist. Daher können elektronische Geräte, die 12, 5 oder 3 V verwenden, einen eigenen Spannungswandler enthalten (obwohl dies bei modernen effizienten Schaltwandlern immer weniger der Fall ist). Wenn die DC-Umwandlung genauso effizient wäre wie die AC-Umwandlung, würden wir keine Hochspannungsleitungen sehen. Nicht zuletzt ist das Umschalten einfacher, da der Strom zweimal pro Zyklus null ist. Gleichstrom muss bei vollem Strom geschaltet werden, was teuer und gewichtsintensiv ist. (Danke Minuten)

Was die anderen Antworten nicht bemerkt haben, ist, dass es in einem Flugzeug nicht nur Wechselstrom, sondern 3-Phasen-Wechselstrom gibt.

Je nachdem, wie das Flugzeug verkabelt ist, profitieren Sie entweder von einem reduzierten Kabelgewicht oder einer höheren Zuverlässigkeit (oder einer Mischung aus beidem).

Delta

Wenn das Flugzeug mit einem Delta-Transformator verkabelt ist, werden 3 Drähte verwendet, um den Strom zu transportieren. Das Verrückte ist jedoch, dass der Delta-Transformator (oder die Lichtmaschine) mit einer zerstörten Wicklung weiterläuft (wenn auch mit geringerer Kapazität).

Wye

In einer symmetrischen Sternkonfiguration kommen die 4 Drähte vom Transformator. Jeder der ersten drei Drähte führt Strom vom Transformator, wobei der vierte als gemeinsamer "Rücklauf" dient. Da jedoch jeder der Drähte "ausgeglichen" ist, ist der tatsächliche Strom auf dem gemeinsamen ungefähr Null (und nicht der 3 * Strom des Ausgangs). Das bedeutet, dass Ihre 3 "stromführenden" Drähte nur dick genug sein müssen, um den Strom in eine Richtung zu führen. (Normalerweise müssten Sie bei Gleichstrom eine Drahtstärke haben, um den Strom dorthin und dann wieder zurück zu leiten). So können wir im Endeffekt die gleiche Kraftübertragung mit dem halben Gewicht eines DC-Setups erreichen.

Denn in Flugzeugen sind sowohl Redundanz (Sicherheit) als auch Gewicht (Wirtschaftlichkeit) massive Kostenfaktoren. Es ist tatsächlich wirtschaftlich, Strom mit Wechselstrom zu betreiben und bei Bedarf in Gleichstrom umzuwandeln.

Die Größe, das Gewicht und die Kosten von Schaltanlagen für die DC-DC-Umwandlung bei einer gegebenen Leistung sind viel höher als bei der AC-AC- und AC-DC-Umwandlung. Unabhängig davon, ob ein Gerät Wechselstrom oder Gleichstrom benötigt, kann es einfacher von einer Wechselstromquelle als von einer Gleichstromquelle umgewandelt werden - aber was noch wichtiger ist, es kann mit weniger Gewicht, Volumen und Kosten durchgeführt werden.

Aus dem gleichen Grund werden 400 Hz anstelle von 50 Hz oder 60 Hz verwendet - Gewicht. Ein Generator oder Transformator, der eine bestimmte Last bewältigen kann, ist aufgrund von Problemen mit der Kernsättigung bei niedrigeren Frequenzen bei höheren Frequenzen physisch kleiner und leichter. Für höhere Frequenzen kann ein kleinerer, leichterer Kern verwendet werden.

Während sich Schaltanlagen im Laufe der Jahrzehnte weiterentwickelt haben und Gewicht und Kosten nicht mehr so ​​​​wichtig sind wie in der Vergangenheit, muss der Generator selbst immer noch einen Stator und Wicklungen haben, und diese sind immer noch kleiner und leichter für eine bestimmte Leistung Ausgang als der äquivalente Gleichstrom- oder Niederfrequenz-Wechselstromgenerator.

Müssen es flugzeugspezifische Gründe sein? Ich würde mir vorstellen, dass die Gründe nicht unbedingt sehr flugzeugbezogen sind:

• Unterschiedliche Subsysteme benötigen intern unterschiedliche Betriebsspannungen, und die Bereitstellung von Wechselstrom macht es für jede Komponente einfach, sich auf das herunterzuwandeln, was sie benötigt.
• Wenn mechanische Leistung benötigt wird, sind asynchrone AC-Motoren viel einfacher (insbesondere in Bezug auf die Wartungsanforderungen) als DC-Motoren.
• Technische Trägheit. Alle Arten von Komponenten erwarten bereits AC; Selbst wenn Gleichstrom für einige Anwendungen isoliert überlegen ist (wie es bei den heutigen Festkörper-Spannungswandlern für die Elektronik durchaus der Fall sein könnte), würde die Versorgung von Flugzeugsystemen mit Gleichstrom bedeuten, dass Sie zusätzlich zur Wechselstromversorgung ein Gleichstromversorgungsnetz benötigen diejenigen Komponenten, die noch nicht in DC-Versionen verfügbar und zertifiziert sind. Diese zusätzliche Verkabelung allein könnte die Vorteile einiger leichterer Netzteile leicht ausgleichen.

Ich gehe davon aus, dass Flugzeuge sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom zur Stromversorgung der verschiedenen Subsysteme verwenden:

Wenn Energie in Akkumulatoren gespeichert werden muss - nun, sie speichern nur Gleichstrom. Aber wenn Generatoren beteiligt sind, haben Sie keine Chance, Wechselstrom vollständig zu vermeiden, da eine Drehbewegung im Wesentlichen sinusförmig ist:

• Wenn Sie einen rotierenden Magneten in eine Spule stecken, erzeugt er ein magnetisches Wechselfeld in der Spule => die Spule erzeugt Wechselstrom
• und wenn Sie eine rotierende Spule in ein Magnetfeld bringen, wechselt das Feld, indem es in einer Richtung durch die Spule geht und in der anderen wieder Wechselstrom erzeugt.

Man kann nun den Wechselstrom durch einen Gleichrichter leiten oder einen Wischer verwenden (ein Schalter, der den Strom umkehren kann und bei jeder Umdrehung des Generators zweimal mechanisch ausgelöst wird). Aber wenn Sie einen Sinus gleichrichten, erhalten Sie immer noch eine Spannung, die auf und ab geht, nur dass sie den Nullpegel nicht mehr überschreitet. Das bedeutet, dass Sie dem Generator manchmal zu viel Energie entnehmen (bei hoher Spannung) und bei jeder Umdrehung die Spannung kurz auf Null abfällt, sodass Sie überhaupt keine Energie mehr entnehmen können.

Wenn Sie einem Generator nicht ständig Energie entnehmen, vibriert der Generator. Das würde man im Flugzeug nicht mögen, aber es gibt Abhilfe:

Verwendung von Drehstrom: Sie können mit demselben Generator drei Sinuswellen erzeugen, indem Sie Spulen verwenden, die eine Drittelumdrehung voneinander entfernt sind. Wenn die Spannung von einer dieser Spulen abfällt, steigt die Spannung an den beiden anderen Spulen - und die erzeugte Leistung (die linear zum Quadrat der Spannungen ist) summiert sich zu einem konstanten Fluss.

Als nächstes muss man wissen, dass man aus denselben Gründen auch hier drei Wechselstromwellen verwenden muss, wenn man einen konstanten Strom von einem Motor haben möchte.

Normalerweise wird dieser Wechselstrom jedoch aus einer Gleichspannung erzeugt, da Sie möglicherweise die Frequenz, mit der der Motor läuft, oder die von ihm bereitgestellte Leistung anpassen möchten, und daher die Frequenz der Spannung, die der Motor erhält, anpassen möchten.

Dies geht auf die 1930er Jahre zurück und wurde beibehalten, weil es eine gute Lösung war und immer noch funktioniert.

In den 1930er Jahren begann die große elektronische Revolution und beschleunigte sich im Zweiten Weltkrieg. Dies ist natürlich vor dem Transistor, also wurden Vakuumröhren in Radios, Radaren und so weiter verwendet. Die Generatoren an den Motoren waren Gleichstromgeneratoren und speisten Batterien (denken Sie daran, dass für Wechselstromgeneratoren keine Dioden verfügbar sind). Aber die Vakuumröhren-Elektronikboxen brauchten mehrere verschiedene Spannungen im Inneren: etwa 6,3 V zum Heizen und mehrere andere Spannungen, sagen wir 12 V und 400 V. Zur Herstellung waren diese Transformatoren die beste Lösung. Transformatoren müssen jedoch mit Wechselstrom gespeist werden.

Zur Erzeugung von Wechselstrom wurde ein Wechselrichter verwendet. Damals ein Gleichstrommotor, der mit einem Wechselstromgenerator verbunden war. Die Drehzahl des DC-Generators wurde etwas reguliert, um die richtige AC-Frequenz im Baseballstadion zu erhalten.

Da das Gewicht eines Transformators wiederum etwas umgekehrt proportional zur Frequenz ist, möchten Sie eine hohe Frequenz, um das Gewicht niedrig zu halten. Wenn die Verluste wiederum etwas proportional zur Frequenz zunehmen, möchten Sie eine niedrige Frequenz haben. Etwas in der Mitte der Frequenzen landeten die Ingenieure, die übrigens genau wussten, was sie taten, auf 400Hz als vernünftigen Kompromiss.

Und jetzt verwenden wir weiterhin 400 Hz, einfach weil es funktioniert. Alle Komponenten und viele technische Entscheidungen haben sich geändert, aber 400 Hz Wechselstrom ist immer noch ein guter Mittelweg.

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Ein Transformator , der die gleiche Leistung auf eine höhere Frequenz umwandelt, ist viel kleiner und leichter.

Ein modernes Design der kompakten isolierenden Stromversorgung (z. B. 220 V 50 Hz bis 12 V DC) würde häufig einen Frequenzumrichter, dann einen Hochfrequenztransformator und dann einen Gleichrichter enthalten (ein großer 50-Hz-Transformator ist heute ungewöhnlich). Aber vielleicht hat sich der Standard etabliert, bevor diese komplexe Elektronik verfügbar wurde, oder vielleicht, weil höhere Frequenzen Störquellen sein können.