دلیل استفاده از برق 400 هرتز در هواپیما

در طراحی هواپیما مهندسین می بایست یکسری توافقات را به منظور موازنه بهینه در خصوص راه حل ها در نظر بگیرند که گاهی ممکن است بین یکی با دیگری تناقض بوجود آید. یک مثال خوب در این رابطه سیستم الکتریکی هواپیماست. کوچک وسبک تر شدن منابع تغذیه  مزیت استفاده از سیستم برق 400هرتز به جای 60 هرتزمی باشد. داخل هواپیما که محدودیت جا وجود دارد این یک مزیت بسیارمهم بشمار می آید و کاهش وزن به منظور حصول حداکثر کارایی الزامی است. با این حال برای  کاهش وزن بهایی باید پرداخت وآن بهره وری کمتر سیستم های الکتریکی فزکانس بالاست. حال اجازه دهید برای درک بهتر اهمیت موازنه در طراحی وارد مبحث سیستم های الکتریکی هواپیما شویم. هواپیماهای اولیه بدلیل اینکه فاقد تجهیزاتی بودند که مصرف کننده برق باشند نیازی به الکتریسیته نداشتند. تغییرات از دهه سوم قرن معاصر میلادی که هواپیماها مجهز به رادیوها وتجهیزات ناوبری که با جریانDCباطریها تغذیه می شدند شروع شد. پیشرفت های بعدی باعث شد ژنراتورهای کوچکی که توان DC(معمولا” 28 ولت ) تولید  می کردند بکار گرفته شود. امروزه بجز هواپیماهای کوچک معمولی تمایلی به استفاده از سیستم های الکتریکی یکسویه وجود ندارد.همزمان با عصر ظهور موتورهای جت ، هواپیماها بصورت چشمگیری پیچیده شدند و طیف گسترده ای از تجهیزات الکتریکی بکار گرفته شد. هواپیما های مدرن نظامی با رادارهای قدرتمند ، حسگرها، تسلیحات ، ونمایشگرهای مدرن داخل کاکپیت تجهیز شده اند که برای کار نیاز به مقدار زیادی الکتریسیته دارند. هواپیماهای تجاری نیز برای سیستم های تهویه ، آشپزخانه ، نمایشگر های کاکپیت ، تجهیزات ارتباط رادیویی ، رادارهای هواشناسی و سیستم های سرگرمی داخل پرواز نیاز به توان الکتریکی دارند. منابع تغذیه DCجوابگوی نیازهای الکتریکی جهت تجهیزات عملیات پرواز ، راه اندازی ، تجهیزات گرمایی ، تجهیزات اویونیک ، چراغ های روشنایی داخل وخارج در هواپیماهای بزرگ نمی باشند.

این هواپیماها در عوض سیستم های الکتریکی   AC را بکار  می گیرند که معمولا” برق 115 ولت با فرکانس 400 هرتز تولید می کند. هواپیماها به تعدادی از سیستم های تولید الکتریسیته ، شامل هردوسیستم اصلی وجایگزین به منظور تغذیه بدون وقفه تجهیزات حیاتی در شرایط اضطراری  مجهز هستند . توان اصلی) (mainمعمولا”  توسط ژنراتورهای ACکه مستقیما” به موتورهای  JETمتصل هستند فراهم می شود. هواپیماهای تجاری و بعضی از هواپیماهای نظامی به یک واحد تغذیه کمکی به نام APU     (auxiliary power unit)  مجهز هستند که اساسا” یک موتور جت کوچک است که از آن به عنوان یک منبع اضافی تولید  توان  استفاده می گردد. APU همیشه در حال کار و مکمل منبع تغذیه اصلی وهمچنین جایگزین آن در مواقع از دست دادن موتور می باشد.

APU

  چنانچه APU هم از دست برود ، بسیاری از هواپیماها به یک منبع تغذیه دیگری به نام RAT (ram air turbine)که می تواند هنگام نیاز وارد عمل شود مجهز هستند. RAT در مواقع اضطراری برای تولید توان کافی به منظور پرواز هواپیما تا جایی که بتواند فرود امنی داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین RAT مانندAPUعمل می نماید. با این تفاوت که APU اساسا” یک موتور جت کوچک می باشد که برای تولید توان پشتیبان از همان سوخت معمول JETاستفاده می نماید ، ولی RATاز یک موتور ملخی تشکیل شده است که با جریان هوایی که از سرعت حرکت هواپیما تولید می شود می چرخد. این ملخ گردان ، توان لازم برای  حرکت یک توربین را  فراهم می نماید تا الکتریسیته ضروری که برای فعال نگه داشتن سیستم های حیاتی هواپیما مانند هیدرولیک ، تجهیزات کنترل پرواز وهمچنین دستگاههای کلیدی خودکار هواپیما(avionic)نیاز است را تولید کند. در شرایط عادی پرواز کل این مجموعه به داخل بدنه یا بال های هواپیما تا شده و مخفی می گردد.  

RAT

ژنراتورهای هواپیما که با استفاده از یک آلترناتور، برق 115 ولت در فرکانس 400 هرتز تولید می کنند توان AC  مورد نیاز را فراهم می نمایند. مزیت آلترناتورهای فرکانس بالا نیاز  آن به حلقه های مسی کمتر برای تولید جریان الکتریکی مورد نیاز می باشد.این کاهش در مواد تشکیل دهنده به آلترناتورها اجازه می دهد تا ضمن کوچک شدن وزن وفضای کمتری را به خود اختصاص دهند.

گرچه  فرکانس کاری قریب به اتفاق شبکه های توزیع برق 50 یا 60 هرتز می باشد با این وجود هواپیماهای بزرگ به طور معمول از سیستم های قدرت با فرکانس 400 هرتز بهره می گیرند. مطابق با یک قاعده مرسوم در طراحی هواپیما  با کاهش یک پوند از وزن طراحی در واقع حداقل 5 پوند از وزن نهایی هواپیما کاسته می شود. دلیل این امر کاهش سوخت وهمچنین سبک تر شدن  ساختار بدنه هواپیما برای حمل سوخت کمتر تا رسیدن به مقصد می باشد. از آنجایی که کاهش وزن  ودر نتیجه کاهش هزینه های یک هواپیما اهمیت  بسزایی دارد ، استفاده از ژنراتورهای الکتریکی سبک وکوچک 400 هرتز ، یک مزیت مهم در مقایسه با سیستم های 50 یا 60 هرتز به شمار می رود. با توجه به اینکه توان با ولتاژ متناسب است  (P = VI)و طبق فرمول : V_l  = L di/dt  در یک میدان مغناطیسی با در نظر گرفتن قانون القای فاراده  چنانچه فرکانس افزایش یابد ، dtکاهش یافته (f=1/t)  یعنی سرعت قطع شار مغناطیسی توسط هادی بالارفته در نتیجه کاهش جریانی که به دلیل کاهش وزن سیم پیچ وهسته رخ می دهد را جبران می نماید  پس برای داشتن یک توان ثابت ، با کاهش dt ، diنیز باید کاهش یابد واین بدان معنی است که جریان کمتری مورد نیاز است تا همان مقدار توان حاصل شود ودر نتیجه به میدان مغناطیسی که با هسته وسیم پیچ های کمتری ایجاد شده نیاز خواهد بود. واین یعنی کاهش وزن بنابراین ظرفیت ترابری  هواپیما افزایش میابد.

حال به معایب کار در فرکانس 400 هرتز می پردازیم ، اشکال کار در فرکانس 400 هرتز این است که سیستم های فرکانس بالا دچار افت ولتاژ   می شوند. مهمترین این افت ها از افت راکتیو نتیجه می شود. تلفات به دو دلیل یک طول هادی و دیگری فرکانس داخل هادی می باشد. با افزایش فرکانس افت ولتاز بیشتری اتفاق می افتد. در فرکانس 400 هرتز افت راکتیو می تواند تا هفت برابر بزرگتر از فرکانس 60 هرتز باشد .            

این اختلاف به فهم اینکه چرا درشبکه های توزیع برق ازفرکانس 60هرتز به جای 400 هرتز داخل هواپیما استفاده می شود کمک می کند. فرکانس پائین تر افت توان را در مسافت های طولانی کاهش می دهد. طول هواپیما در مقایسه با ابعاد شبکه توزیع دلیل خوبی است که از افت ناشی از فرکانس 400 هرتز در مقایسه با مزیت دیگر آن بطور کامل چشم پوشی کنیم. در پایان به این نکته نیز باید توجه نمود که با توجه به مزیت فرکانس بالا برای استفاده در هواپیما چرا از فرکانس های بالاتر از 400 هرتز استفاده نمی گردد تا سیستم های الکتریکی داخل هواپیما فوق العاده سبکتر شود ، دلیل آن این است که فرکانس 400 هرتز بهینه بوده و در صورت بکارگیری فرکانس های بیشتر از آن ، مدارات شروع به تشعشع می نمایند که خود باعث ایجاد اختلال در عملکرد سیستم های الکترونیکی خواهد شد.

 

 

 

تهیه وترجمه :

محمدرضا غلامحسینی – اداره مهندسی الکترونیک هواپیمائی فرودگاه امام (ره) – واحد رادارواتوماسیون  خرداد 91