Warum wird in den Bordnetzen von Flugzeugen eine Frequenz von 400Hz verwendet?
In der Industrie beträgt die Frequenz von Wechselstromnetzen üblicherweise 50 Hz (z.B. in Europa und Asien) oder 60 Hz (z.B. in Nordamerika). In der zivilen und militärischen Luftfahrt hingegen wird in den Bordnetzen von Flugzeugen eine Frequenz von 400Hz verwendet. Der Grund dafür ist, dass Transformatoren und Motoren, die mit 400Hz betrieben werden, wesentlich kleiner und leichter gebaut werden können als bei einer Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz.
Aber warum ist das so?
Ein Ingenieur würde es folgendermaßen erklären: Die elektro-motorische Kraft (EMK), die in einer Spule erzeugt wird, ist proportional zum magnetischen Fluss und zur Frequenz. Höhere Frequenzen erfordern einen geringeren magnetischen Fluss, sodass im Kern des Transformators weniger Eisen benötigt wird. Auch die Anzahl der Primär- und Sekundärwicklungen, also die Menge an Draht, die um den Kern gewickelt wird, kann bei höheren Frequenzen reduziert werden. Dadurch sinkt sowohl die Größe als auch das Gewicht.
Allerdings hat eine hohe Frequenz wie 400Hz den Nachteil, dass sich elektrischer Strom nicht über längere Distanzen effizient transportieren lässt. Da Stromversorgungsunternehmen auf eine verlustarme Übertragung angewiesen sind, hat man sich international auf niedrigere Netzfrequenzen von 50 Hz bzw. 60 Hz geeinigt, die einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen an Motoren und Transformatoren sowie an die Übertragungseffizienz bieten.
400Hz in der Luftfahrt: Kompakt, leicht und leistungsstark
Einige Bahnnetze, darunter das der Deutschen Bahn, arbeiten noch mit 16,7 Hz. Diese vergleichsweise niedrige Frequenz resultiert aus den technologischen Möglichkeiten der ersten elektrischen Maschinen Anfang des 20. Jahrhunderts, mit denen sich bei niedrigen Frequenzen leistungsstarke Maschinen mit geringen Verlusten bauen ließen. Obwohl dies heute technisch nicht mehr erforderlich ist, wurde die Umstellung auf höhere Frequenzen aus wirtschaftlichen Gründen nicht vorgenommen.
Der Einsatz von 400-Hz-Netzen ist daher auf Anwendungen mit kürzeren Distanzen, wie etwa in Flugzeugen, beschränkt. Zudem liegt die Leistung bei 400-Hz-Anwendungen meist im Bereich von wenigen hundert Kilowatt. Der Hauptvorteil von 400Hz besteht in der kompakteren Bauweise und dem geringeren Gewicht der elektrischen Ausrüstungen, was insbesondere in der Luftfahrt entscheidend ist, um das Gewicht zu minimieren und die Reichweite pro Kraftstoffeinheit zu maximieren.
Gemäß internationalen Normen (DFS 400 und ISO 6858) wird die elektrische Energieversorgung von Flugzeugen derzeit aus dem Niederspannungsnetz (400 V / 230 V, 50 Hz) gespeist und für das Bordnetz auf 200 V / 115 V bei 400Hz umgewandelt. Standardmäßig stehen 400Hz-Umformer mit bis zu 90 kVA Leistung zur Verfügung.
