¿Por qué los aviones usan energía eléctrica de CA?

La CA es más fácil de producir con los motores, que actúan como generadores. Los motores tienen un eje giratorio que se equipa fácilmente con dipolos magnéticos alrededor.

Luego, dependiendo del instrumento, la corriente se usa directamente o, mediante el uso de convertidores, en forma de CC, ya que no solo es más fácil de producir, sino también más fácil de convertir. Por lo tanto, los dispositivos electrónicos que usan 12, 5 o 3 V pueden contener su propio convertidor de voltaje (aunque esto es cada vez menos cierto con los modernos y eficientes convertidores de modo de conmutación). Si la conversión de CC fuera tan eficiente como la conversión de CA, no veríamos líneas de alto voltaje. Por último, pero no menos importante, es más fácil cambiar, porque la corriente es nula dos veces por ciclo. La CC debe cambiarse a plena corriente, lo cual es costoso y costoso en peso. (gracias minutos)

Lo que las otras respuestas no han notado es que en un avión, no solo se trata de alimentación de CA, sino de alimentación de CA trifásica.

Dependiendo de cómo esté cableado el avión, obtendrá el beneficio de un peso reducido del cable o una mayor confiabilidad (o una combinación de ambos).

Delta

Si el avión está cableado con un transformador Delta, se utilizan 3 cables para transportar la electricidad. Sin embargo, lo loco es que el transformador Delta (o alternador) continuará funcionando (aunque a una capacidad menor) con uno de los devanados destruido.

Y

En una configuración en estrella balanceada, los 4 cables provienen del transformador. Cada uno de los primeros tres cables transporta corriente desde el transformador, con el cuarto como el "retorno" común. Sin embargo, dado que cada uno de los cables está "equilibrado", la corriente real en el común es aproximadamente cero (y no la corriente 3 * de la salida). Eso significa que sus 3 cables "vivos" solo necesitan ser lo suficientemente gruesos para transportar la corriente de una manera. (por lo general, con CC, necesitaría tener un grosor de cable para llevar la corriente allí y luego regresar). Entonces, en efecto, podemos lograr la misma transmisión de potencia con la mitad del peso de una configuración de CC.

Dado que en los aviones, tanto la redundancia (seguridad) como el peso (economía) son factores importantes en el costo. En realidad, es económico hacer funcionar la alimentación con CA y convertirla a CC cuando sea necesario.

El tamaño, el peso y el costo de la aparamenta para la conversión CC-CC a cualquier potencia dada es mucho mayor que la conversión CA-CA y CA-CC. Entonces, ya sea que un equipo requiera CA o CC, se puede convertir más fácilmente de una fuente de CA que de una fuente de CC, pero lo que es más importante, se puede hacer con menos peso, volumen y costo.

Es la misma razón por la que se usa 400 Hz en lugar de 50 Hz o 60 Hz - peso. Un generador o transformador que puede manejar una carga determinada es físicamente más pequeño y liviano a frecuencias más altas debido a problemas con la saturación del núcleo a frecuencias más bajas. Se puede usar un núcleo más pequeño y liviano para frecuencias más altas.

Si bien la aparamenta ha evolucionado a lo largo de las décadas, y el peso y el costo no son un problema tan grande como lo eran en el pasado, el generador en sí aún debe tener un estator y devanados, y estos aún son físicamente más pequeños y livianos para una potencia determinada. salida que el equivalente de CC o generador de CA de baja frecuencia.

¿Tiene que ser razones específicas de la aeronave? Me imagino que las razones no están necesariamente muy relacionadas con los aviones:

• Los diferentes subsistemas necesitan diferentes voltajes de trabajo internamente, y el suministro de CA facilita que cada componente se transforme en lo que necesite.
• Cuando se necesita energía mecánica, los motores de CA asíncronos son mucho más simples (especialmente en términos de requisitos de mantenimiento) que los motores de CC.
• Inercia de ingeniería. Todo tipo de componentes ya vienen esperando AC; incluso si la CC es aisladamente superior para algunos usos (como bien podría ser para la electrónica, con los convertidores de voltaje de estado sólido de hoy en día), el suministro de CC a los sistemas de aeronaves significaría que necesita tener una red de suministro de CC además del suministro de CA para aquellos componentes que aún no están disponibles y certificados en versiones DC. Ese cableado adicional por sí solo podría compensar fácilmente las ventajas de tener algunas fuentes de alimentación más ligeras.

Supongo que los aviones usan CA y CC para alimentar los diversos subsistemas:

Si la energía debe almacenarse en acumuladores, bueno, solo almacenan corriente continua. Pero si hay generadores involucrados, no tendrá la posibilidad de evitar totalmente la CA, ya que un movimiento giratorio es esencialmente sinusoidal:

• Si coloca un imán giratorio en una bobina, producirá un campo magnético alterno en la bobina => la bobina producirá CA
• y si coloca una bobina giratoria en un campo magnético, el campo alternará entre atravesar la bobina en una dirección y en la otra, produciendo nuevamente corriente alterna.

Ahora se puede poner la CA a través de un rectificador o usar un limpiaparabrisas (un interruptor que puede invertir la corriente y se activa mecánicamente dos veces en cada revolución del generador). Pero si rectifica un seno, aún obtiene un voltaje que sube y baja, solo que ya no pasa el nivel cero. Esto significa que a veces extraerá demasiada energía del generador (cuando el voltaje es alto) y en cada revolución, el voltaje caerá rápidamente a cero, lo que significa que no podrá extraer energía en absoluto.

Si no extrae energía constantemente de un generador, el generador vibrará. No te gustaría eso en un avión, pero hay un remedio:

Usando CA trifásica: puede generar tres ondas sinusoidales con el mismo generador usando bobinas que están separadas por un tercio de revolución. Cuando el voltaje de una de estas bobinas cae, el voltaje en las otras dos bobinas aumenta, y la potencia producida (que es lineal a los voltajes al cuadrado) se sumará a un flujo constante.

Lo siguiente que hay que saber es que si desea un flujo constante de energía de un motor, las mismas razones hacen que también use tres ondas de CA aquí.

Sin embargo, normalmente esta CA se genera a partir de un voltaje de CC, ya que es posible que desee ajustar la frecuencia a la que funciona el motor o la cantidad de energía que proporciona, por lo que desea ajustar la frecuencia del voltaje que obtiene el motor.

Esto se remonta a la década de 1930 y se ha conservado porque era una buena solución y aún funciona.

En la década de 1930 comenzó la gran revolución electrónica que se aceleró en la segunda guerra mundial. Esto es, por supuesto, antes del transistor, por lo que los tubos de vacío se usaban en radios, radares, etc. Los generadores de los motores eran generadores de CC y baterías de alimentación (recuerde, no hay diodos disponibles para generadores de CA). Pero la caja electrónica del tubo de vacío necesitaba varios voltajes diferentes en el interior: algo así como 6.3V para calefacción y varios otros voltajes, digamos 12V y 400V. Para producir estos transformadores fueron la mejor solución. Pero los transformadores deben alimentarse con CA.

Para crear CA se utilizó un inversor. En aquellos días, un motor de CC conectado a un generador de CA. Las RPM del generador de CC fueron, de alguna manera, reguladas para obtener la frecuencia de CA correcta del estadio de béisbol.

Como el peso de un transformador es, de nuevo, inversamente proporcional a la frecuencia, desearía una frecuencia alta para mantener el peso bajo. A medida que aumentan las pérdidas, nuevamente un poco, proporcional a la frecuencia, querrá tener una frecuencia baja. Algo en el medio de las frecuencias, los ingenieros, que por cierto sabían exactamente lo que estaban haciendo, llegaron a 400 Hz como un compromiso razonable.

Y ahora seguimos usando 400Hz, simplemente porque funciona. Todos los componentes y muchas de las decisiones de ingeniería han cambiado, pero 400 Hz AC todavía es un buen compromiso intermedio.

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Un transformador que convierte la misma potencia en una frecuencia más alta es mucho más pequeño y liviano.

Un diseño moderno de la fuente de alimentación aislada compacta (digamos 220 V 50 Hz a 12 V CC) a menudo incluiría un convertidor de frecuencia, luego un transformador de alta frecuencia y luego un rectificador (un transformador grande de 50 Hz ahora es poco común). Pero tal vez el estándar se haya establecido antes de que esta electrónica compleja estuviera disponible, o tal vez porque las frecuencias más altas pueden ser una fuente de interferencia.