400Hz

Een oude legergenerator om stroom aan vliegtuigen aan de grond te leveren

De 400Hz werd voor het eerst gebruikt in Engeland tijdens de tweede wereldoorlog. Men had meer en meer energie nodig aan boord van de vliegtuigen, maar het was niet mogelijk een nieuw ontwerp van het motorcompartiment te maken. Men moest dus meer energie kunnen opwekken met een generator van dezelfde afmetingen. De ingenieurs kwamen op de proppen met het 400Hz systeem, en die is tot nu toe in gebruik gebleven.

Het vermogen dat in een motor of transformator ontwikkeld kan worden hangt af van de verandering van het magnetisch veld in de wikkelingen. Een transfo die op 400Hz werkt kan dus 8× zoveel stroom transformeren dan een transfo die op 50Hz werkt. Men kan dus kleinere transfo's gebruiken om eenzelfde vermogen te leveren. Dit is uiterst belangrijk in vliegtuigen: ieder kilo telt!

Hetzelfde is natuurlijk waar met motoren, maar hier komt nog een voordeel bij: de rotatiesnelheid van de motoren kan hoger worden. Een motor die met 50Hz gevoed wordt heeft een maximaal toerental van 3000 toeren per minuut. Met een frekwentie van 400Hz is de maximale rotatiesnelheid van een motor 24.000 toeren per minuut. Gyroscopen draaien aan 12.000 toeren/minuut, en een dergelijke rotatiesnelheid is niet haalbaar met een lagere netfrekwentie. Men gebruikt geen "universele" motoren (die niet afhankelijk zijn van de netfrekwentie) omdat deze niet betrouwbaar genoeg zijn en teveel electrosmog veroorzaken (koolborstels).

Het zijn dus historische redenen waarom men deze hoge frekwentie heeft gekozen. Met de komst van de vermogenselectronica vanaf de jaren 1980 kom men motoren aandrijven met electronische omvormers, zodat men precies het juiste toerental kon bereiken. Maar een alternator dat 400Hz levert is nog altijd veel lichter dan eenzelfde exemplaar dat 50 of 60Hz produceert. Daarom is het boordnet in vliegtuigen nog steeds 400Hz (115/200V triphasé).

In vliegtuigen werden er ook magnetische versterkers gebruikt. De eerste gekende toepassing is het geleidingssysteem van de duitse V2 raketten. Een magnetische versterker lijkt op een transformator (maar de werking is totaal verschillend). Met een hogere netfrekwentie kan men lichtere versterkers bouwen (die ook sneller reageren). Al zijn electronische schakelingen nog lichter, men is lang magnetische versterkers blijven gebruiken in plaats van thyristoren omdat ze zo betrouwbaar waren. De Concorde gebruikte bijvoorbeeld magnetische verstekers.

Naast de magnetische versterkers hebben we nog de synchros, selsyns en resolvers die veelvuldig gebruikt worden in de lucht- en scheepvaart. Een praktische toepassing was de rekensynchros die in de mijnenvegers na de tweede wereldoorlog gebruikt werden. Het voordeel van een hogere frekwentie is in deze gevallen een snellere respons van de regellus waarin de versterkers of synchros opgenomen zijn.

De eerste omvormers op schepen waren motor-generatorcombinaties die door het boordnet gevoed werden. Was het boordnet wisselspanning, dan gebruikte men doorgaans een asynchrone motor, was het boordnet gelijkspanning, dan gebruikte men een gelijkspanningsmotor. In beide gevallen was de frekwentie niet echt stabiel, vandaar de noodzaak om een indicator te voorzien om de frekwentie bij te stellen.

Aan de grond wordt het 400Hz net niet gebruikt wegens de verliezen: inductie in ferromagnetisch materiaal in de buurt, verliezen door zelf-inductie en capaciteit tussen de geleiders onderling,... Het skin effekt (de stroom heeft de neiging enkel de buitenkant van een geleider te gebruiken) maakt het de fabrikanten moeilijk: ze moeten talrijke dunne en geïsoleerde individuele geleiders gebruiken.

Nog een kleine historische nota: de eerste grote computers na de tweede wereldoorlog waren voorzien om gevoed te worden met 400Hz. Deze computers werden bijna uitsluitend gebruikt voor militaire doeleinden (simulatie van kernontploffingen en dergelijke). We waren volop bezig met de koude oorlog, remember. Het leger had een overstock aan 400Hz generatoren uit de tweede wereldoorlog. De computers hadden een hoog electrisch verbruik en hadden een zeer constante voedingsspanning nodig (zonder rimpel). Het gebruik van 400Hz maakt het mogelijk elko's te gebruiken die 6× kleiner zijn (met eenzelfde residuele rimpelspanning). Een of twee generatoren werden continu gebruikt voor het voeden van de computer, waardoor men een stabiele netspanning bekwam. De militaire sites waren meestal in afgelegen gebieden gesitueerd, en men had noodgedwongen een eigen stroomvoorziening nodig. Er waren generatoren van 60Hz voor de normale toepassingen (verlichting, enz) en 400Hz voor de computers.

Men is dus 400Hz gaan gebruiken voor militaire computers. Het is dan ook normaal dat het gebruik van de 400Hz werd veralgemeend naar alle militaire toepassingen zoals radarinstallaties (volgradar). Daarom is de 400Hz nog gemeengoed aan boord van militaire schepen. Zeg nu niet dat je niets leert op deze site!

Dit is een vaste 400Hz statische generator, de ingang is 400V 50Hz driefasig en de uitgang 115V 400Hz 6kVA (ook driefasig). De generator wordt gebruikt om toestellen te testen op de werkplaats. Om gewicht te besparen is er geen neutre in bepaalde installaties, de spanning wordt dan afgenomen tussen twee fasen.

In recente commercieele vliegtuigen waarbij de electriciteit geleverd wordt door de hoofdmotoren is de frekwentie niet meer vast, maar verandert met het toerental van de motoren. Er is geen specifieke generator meer voor de boordspanning. Iedere motor levert stroom aan een deel van het net (de netten zijn niet gekoppeld). De frekwentie kan zo varieren van 360 tot 800Hz. Voor electronische apparaten die uitgerust zijn met een gelijkrichter speelt deze variabele frekwentie geen rol (voorbeeld: laptop- en smartphonevoedingen).

Ter vergelijking: een transformator die 12V/5A levert (60VA) en op 50Hz werkt vergeleken met een transformator van 55VA, maar die in een schakelende voeding gebruikt wordt (45kHz).

De normale transfo weegt bijna een kilo, terwijl de transfo van de schakelende voeding minder dan 100g. weegt. Op 400Hz is het verschil niet zo groot, maar iedere kilo die je wint maakt het vliegtuig ongeveer 3 kilo lichter: als je een lichtere transfo of motor kan gebruiken, kan de struktuur ook lichter gemaakt worden (we hebben het hier over luchtvaartmotoren die meerdere kilo's wegen, en er zijn honderden motoren aan boord). Omdat het vliegtuig lichter is, kan het vliegtuig ook verder vliegen met eenzelfde tankinhoud (om men kan de tankinhoud verkleinen).