Warum wird in den Bordnetzen von Flugzeugen eine Frequenz von 400 Hz verwendet?
In der zivilen und militärischen Luftfahrt wird in den Bordnetzen von Flugzeugen eine Frequenz von 400 Hz verwendet. Der wesentliche Grund dafür ist, dass Transformatoren, Motoren und andere elektrische Komponenten bei 400 Hz deutlich kleiner und leichter gebaut werden können als bei den in öffentlichen Stromnetzen üblichen Frequenzen von 50 bzw. 60 Hz. Das ermöglicht eine kompakte und gewichtsoptimierte elektrische Ausrüstung, was insbesondere für Flugzeuge von großer Bedeutung ist.
Warum sind elektrische Komponenten bei 400 Hz kleiner und leichter?
Die elektromotorische Kraft (EMK), die in einer Spule erzeugt wird, hängt unter anderem von der Frequenz und dem magnetischen Fluss ab. Bei einer höheren Frequenz kann bei gleicher Spannung mit einem geringeren magnetischen Fluss gearbeitet werden. Dadurch kann der Eisenkern eines Transformators kleiner dimensioniert werden. Auch die Anzahl der Primär- und Sekundärwicklungen und damit die benötigte Menge an Kupfer kann reduziert werden. Dadurch lassen sich Transformatoren und andere elektrische Komponenten kompakter und leichter bauen.
Warum werden öffentliche Stromnetze nicht mit 400 Hz betrieben?
Eine hohe Frequenz wie 400 Hz ist für die Übertragung elektrischer Energie über längere Distanzen weniger geeignet. Für öffentliche Stromnetze steht daher eine möglichst verlustarme Energieübertragung über große Entfernungen im Vordergrund. International haben sich deshalb Netzfrequenzen von 50 Hz bzw. 60 Hz etabliert.
Die Frequenz von 50 bzw. 60 Hz stellt dabei einen geeigneten Kompromiss zwischen den Anforderungen an elektrische Maschinen und Transformatoren und einer effizienten Übertragung elektrischer Energie dar. Bei Flugzeugen sind die Übertragungswege dagegen vergleichsweise kurz, sodass die Vorteile einer höheren Frequenz für eine kompakte und leichte elektrische Ausrüstung stärker ins Gewicht fallen.
Welche Vorteile bietet 400 Hz in Flugzeugen?
Ein weiterer Vorteil von 400 Hz liegt in der kompakten und gewichtsoptimierten Bauweise der elektrischen Ausrüstung. Transformatoren, Motoren und andere elektrische Komponenten können bei höherer Frequenz kleiner und leichter ausgelegt werden. Gerade in Flugzeugen spielt jedes eingesparte Kilogramm eine wichtige Rolle, da ein geringeres Gewicht dazu beitragen kann, den Energiebedarf zu reduzieren und die Reichweite zu erhöhen.
Der Einsatz von 400 Hz eignet sich insbesondere für Anwendungen mit vergleichsweise kurzen Übertragungswegen. Im Gegensatz zu öffentlichen Stromnetzen müssen elektrische Leistungen innerhalb eines Flugzeugs nur über begrenzte Entfernungen verteilt werden. Dadurch können die Vorteile der höheren Frequenz genutzt werden, ohne dass die Nachteile bei der Übertragung über große Distanzen eine vergleichbare Bedeutung haben.
Die Kombination aus kompakter Bauweise, geringem Gewicht und einer effizienten elektrischen Energieversorgung macht 400 Hz daher besonders für die Luftfahrt interessant.
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. Eine Umstellung auf höhere Frequenzen wäre mit erheblichen technischen und wirtschaftlichen Anpassungen der bestehenden Infrastruktur verbunden.
In Flugzeugen kommen unterschiedliche elektrische Spannungsebenen zum Einsatz. Welche Rolle 28 V DC, 270 V DC und 115/200 V AC im Zusammenhang mit 400-Hz-Bordnetzen spielen und wie sich diese Spannungsebenen unterscheiden, erfahren Sie in unserem Überblick zu den verschiedenen Spannungsbereichen in der Luftfahrt.
Welche Rolle spielt 400 Hz bei der Bodenstromversorgung?
Die 400-Hz-Technik wird nicht nur im elektrischen Bordnetz von Flugzeugen eingesetzt, sondern spielt auch bei der Bodenstromversorgung eine wichtige Rolle. Während des Aufenthalts am Flughafen können Flugzeuge über eine Ground Power Unit (GPU) mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch können verschiedene elektrische Systeme des Flugzeugs am Boden betrieben werden, ohne dass die bordeigenen Energiequellen dafür dauerhaft genutzt werden müssen. Für die Bodenstromversorgung wird die elektrische Energie aus dem Niederspannungsnetz, beispielsweise mit 400 V / 230 V bei 50 Hz, über entsprechende Umformer auf 200 V / 115 V bei 400 Hz umgewandelt. Standardmäßig stehen 400-Hz-Umformer mit bis zu 90 kVA Leistung zur Verfügung. Die Anforderungen an die elektrische Bodenversorgung von Luftfahrzeugen sind unter anderem in internationalen Standards wie DFS 400 und ISO 6858 beschrieben.
Für die Bodenstromversorgung sind unterschiedliche elektrische Spannungsebenen und Systeme etabliert. Dazu gehören unter anderem 115/200 V AC bei 400 Hz sowie 28 V DC. Die Auswahl richtet sich nach dem jeweiligen Flugzeugtyp und der vorgesehenen Anwendung. Welche Rolle 28 V DC, 270 V DC und 115/200 V AC bei 400 Hz spielen und wie sich diese Spannungsebenen unterscheiden, erfahren Sie in unserem Überblick zu den verschiedenen Spannungsbereichen in der Luftfahrt.
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