Почему самолеты используют электроэнергию переменного тока?

Переменный ток легче производить с двигателями, которые действуют как генераторы. Двигатели имеют вращающийся вал, который легко оснащается магнитными диполями по всему периметру.

Затем, в зависимости от прибора, ток используется либо напрямую, либо с помощью преобразователей в форме постоянного тока, поскольку его не только легче производить, но и легче преобразовывать. Таким образом, электронные устройства, использующие 12, 5 или 3 В, могут иметь свой собственный преобразователь напряжения (хотя это все менее актуально для современных эффективных преобразователей с импульсным режимом). Если бы преобразование постоянного тока было столь же эффективным, как преобразование переменного тока, мы бы не увидели высоковольтные линии. И последнее, но не менее важное: легче переключаться, потому что ток равен нулю дважды за цикл. Постоянный ток должен переключаться при полном токе, что дорого и дорого. (спасибо мин)

Что другие ответы не смогли отметить, так это то, что в самолете это не просто питание переменного тока, а трехфазное питание переменного тока.

В зависимости от того, как подключен самолет, вы получите либо меньший вес кабеля, либо более высокую надежность (или сочетание того и другого).

Дельта

Если самолет подключен к дельта-трансформатору, то для передачи электричества используются 3 провода. Однако безумием является то, что трансформатор Delta (или генератор переменного тока) будет продолжать работать (хотя и с меньшей мощностью) с разрушенной одной из обмоток.

Уай

В конфигурации сбалансированной звезды 4 провода идут от трансформатора. По каждому из первых трех проводов идет ток от трансформатора, а четвертый является общим «обратным». Однако, поскольку каждый из проводов «сбалансирован», фактический ток на общем проводе приблизительно равен нулю (а не 3 * ток на выходе). Это означает, что ваши 3 «живых» провода должны быть достаточно толстыми, чтобы пропускать ток в одну сторону. (обычно с постоянным током вам потребуется толщина провода, чтобы провести ток туда, а затем обратно). Таким образом, мы можем добиться такой же передачи мощности с половиной веса установки постоянного тока.

Поскольку в самолетах как избыточность (безопасность), так и вес (экономия) являются огромными факторами стоимости. На самом деле экономично использовать питание от переменного тока и при необходимости преобразовывать его в постоянный.

Размер, вес и стоимость распределительного устройства для преобразования постоянного тока в постоянный при любой заданной мощности намного выше, чем для преобразования переменного тока в переменный и переменного тока в постоянный. Таким образом, независимо от того, требует ли часть оборудования переменного или постоянного тока, его легче преобразовать из источника переменного тока, чем из источника постоянного тока, но, что более важно, это можно сделать с меньшим весом, объемом и стоимостью.

По той же причине используется 400 Гц, а не 50 или 60 Гц — вес. Генератор или трансформатор, которые могут справиться с данной нагрузкой, физически меньше и легче на более высоких частотах из-за проблем с насыщением сердечника на более низких частотах. Меньшее и более легкое ядро ​​можно использовать для более высоких частот.

В то время как распределительное устройство развивалось на протяжении десятилетий, а вес и стоимость не являются такой большой проблемой, как в прошлом, сам генератор по-прежнему должен иметь статор и обмотки, а они по-прежнему физически меньше и легче для данной мощности. мощность, чем у эквивалентного генератора постоянного тока или низкочастотного генератора переменного тока.

Должны ли это быть причины, связанные с самолетом? Я бы предположил, что причины не обязательно связаны с самолетами:

• Разные подсистемы требуют разного внутреннего рабочего напряжения, а подача переменного тока позволяет легко преобразовать каждый компонент в то, что ему нужно.
• Там, где требуется механическая энергия, асинхронные двигатели переменного тока намного проще (особенно с точки зрения требований к техническому обслуживанию), чем двигатели постоянного тока.
• Инженерная инерция. Все виды компонентов уже ожидают переменного тока; даже если постоянный ток лучше изолирован для некоторых применений (как это вполне может быть для электроники с современными твердотельными преобразователями напряжения), подача постоянного тока в авиационные системы будет означать, что вам потребуется сеть питания постоянного тока в дополнение к источнику переменного тока для те компоненты, которые еще не доступны и не сертифицированы в версиях DC. Одна только дополнительная проводка может легко компенсировать преимущества более легкого блока питания.

Я предполагаю, что самолеты используют как переменный, так и постоянный ток для питания различных подсистем:

Если энергию надо запасать в аккумуляторах - хорошо, они хранят только постоянный ток. Но если задействованы генераторы, у вас не будет шанса полностью избежать переменного тока, поскольку вращательное движение по сути является синусоидальным:

• Если вы поместите вращающийся магнит в катушку, он создаст переменное магнитное поле в катушке => катушка будет производить переменный ток.
• и если вы поместите вращающуюся катушку в магнитное поле, поле будет чередоваться между прохождением через катушку в одном направлении и в другом, снова создавая переменный ток.

Теперь можно подавать переменный ток через выпрямитель или использовать очиститель (переключатель, который может изменить направление тока и механически срабатывает дважды при каждом обороте генератора). Но если вы исправите синус, вы все равно получите напряжение, которое то растет, то падает, только оно больше не переходит нулевой уровень. Это означает, что вы иногда будете потреблять слишком много энергии от генератора (когда напряжение высокое), и при каждом обороте напряжение будет быстро падать до нуля, что означает, что вы вообще не сможете получать энергию.

Если вы не будете постоянно получать энергию от генератора, генератор будет вибрировать. Вам бы не хотелось этого в самолете, но есть выход:

Использование трехфазного переменного тока: вы можете генерировать три синусоидальные волны с одним и тем же генератором, используя катушки, которые находятся на расстоянии одной трети оборота друг от друга. Когда напряжение на одной из этих катушек падает, напряжение на двух других катушках растет, а производимая мощность (которая линейна по отношению к квадрату напряжения) будет составлять постоянный поток.

Следующее, что нужно знать, это то, что если вам нужен постоянный поток мощности от двигателя, по тем же причинам вы должны использовать и здесь три волны переменного тока.

Обычно этот переменный ток генерируется из постоянного напряжения, потому что вы можете захотеть отрегулировать частоту, с которой работает двигатель, или мощность, которую он обеспечивает, поэтому вы хотите отрегулировать частоту напряжения, которое получает двигатель.

Это восходит к 1930-м годам и было сохранено, потому что это было хорошее решение и все еще работает.

В 1930-х годах началась большая электронная революция, ускорившаяся во время Второй мировой войны. Это, конечно, до транзистора, поэтому электронные лампы использовались в радиоприемниках, радарах и так далее. Генераторы на двигателях были генераторами постоянного тока и питающими батареями (помните, что для генераторов переменного тока не было диодов). Но для электроники Boxen требовалось несколько разных напряжений внутри: что-то вроде 6,3 В для нагрева и несколько других напряжений, скажем, 12 В и 400 В. Для того, чтобы производить эти трансформаторы были лучшим решением. Но трансформаторы должны питаться переменным током.

Для создания переменного тока использовался инвертор. В те времена двигатель постоянного тока подключали к генератору переменного тока. Число оборотов генератора постоянного тока было несколько отрегулировано, чтобы получить приблизительную правильную частоту переменного тока.

Поскольку вес трансформатора, опять же, несколько обратно пропорционален частоте, вам нужна высокая частота, чтобы снизить вес. По мере увеличения потерь, опять же, несколько, пропорционально частоте, вы хотели бы иметь низкую частоту. Где-то посередине частот инженеры, которые, кстати, точно знали, что делают, остановились на 400 Гц в качестве разумного компромисса.

И теперь мы продолжаем использовать 400 Гц просто потому, что это работает. Все компоненты и множество инженерных решений изменились, но 400 Гц переменного тока по-прежнему является хорошим компромиссом.

Возможно, вам будет интересно ознакомиться с этим руководством: электрическая система b24 или электрическая система b17.

Трансформатор , преобразующий ту же мощность в более высокую частоту, намного меньше и легче.

Современная конструкция компактного изолированного источника питания (скажем, от 220 В 50 Гц до 12 В постоянного тока) часто включает преобразователь частоты, затем высокочастотный трансформатор, а затем выпрямитель (большой трансформатор на 50 Гц сейчас встречается редко). Но, возможно, стандарт установился до того, как эта сложная электроника стала доступной, или, может быть, потому, что более высокие частоты могут быть источником помех.