¿Por qué los aviones usan 400 Hz AC en lugar de 50/60 Hz?

A veces me han hecho esta pregunta tan interesante. ¿Por qué los aviones usan 400 Hz AC en lugar de 50/60 Hz? La pregunta no está del todo bien formulada. Para empezar hay que decir que no todos los aviones utilizan este tipo de corriente. Algunos, como el RJ145 de Embraer utiliza DC. Otros, como los modernismo A220 (CSeries) Aunque utilizan AC, no tienen 400Hz sino una frecuencia variable como veremos más adelante. La pregunta, por lo tanto, se refiere a los aviones "clásicos" comerciales, donde lo usual es 115V, 3 fases y 400Hz.

Vamos a intentar dar una respuesta sencilla, porque la cuestión es más compleja de lo que parece. Como sabemos, en la mayoría de aviones comerciales, el motor de la aeronave dispone de un generador AC llamado IDG (Integrated Driven Generator) que está conectado a la caja de engranajes del motor. Este IDG o generador es el que produce energía eléctrica en los aviones en condiciones normales.

Un IDG "clásico", proporciona: 115/200V AC, 3 fases, 400 Hz. Como el sistema eléctrico de la aeronave necesita 400 Hz constantes y las RPM del motor aumentan o disminuyen, se necesita un sistema de estabilización para que las revoluciones del IDG sean constantes.

Entonces, ¿por qué no usar 50/60 Hz como en casa? Estas son las razones si usamos 50-60 Hz:

1. Los motores serían grandes.
2. Los transformadores serían pesados.
3. Los generadores serían más grandes.
4. Como resultado, los aviones serían más pesados.
5. Aumentaría el consumo de combustible, lo que no es eficiente para la aviación.

Utilizar una frecuencia más alta (400 Hz) significa tener equipo más pequeños, porque a 400 Hz:

1. Los transformadores se vuelven pequeños
2. Los motores se vuelven pequeños
3. Los generadores se vuelven pequeños

El sistema de cableado se vuelve más ligero, por lo que los aviones ahorran peso, lo cual quiere decir que se dispone de más espacio y se reduce el consumo de combustible. En los aviones, el peso es muy importante, porque más peso  siemre significa más consumo de combustible.

Por lo tanto, el IDG proporciona constantemente 115/200V, 400 Hz a luces de cabina, servicios, paquetes de aire acondicionado, bombas hidráulicas y otros sistemas de aviones grandes. Por esta razón, se utilizan 400 Hz en lugar de 50-60 Hz.

Imaginemos un Boeing 747 o un Airbus A350. Si estos aviones utilizaran tecnología de 60 Hz, los generadores y transformadores serían masivos. Usar 400 Hz permite reducir el peso de los sistemas eléctricos en un 70% o incluso más.

Ahora podríamos  preguntarnos, ¿por qué no más de 400?

400 Hz es el mejor equilibrio y si se usa más que eso podríamoss tener equipos más  pequeños y menor pesa, pero los problemas aumentan.

• Más pérdidas eléctricas
• Más interferencia electromagnética (EMI) (afecta a la aviónica, radios)
• La contratación se vuelve más crítica
• Los generadores y motores se vuelven más complejos
• Más aislamiento + más problemas de mantenimiento
• La fiabilidad del sistema disminuye

El aumento de la frecuencia también hará que sea menos eficiente y demasiado ruidoso (EMI)

Por qué no lo usamos en casa

Si los 400 Hz son tan eficientes en tamaño, ¿por qué no los usamos en nuestras ciudades? La respuesta es la pérdida por transmisión.

A frecuencias altas, la reactancia inductiva de los cables aumenta, lo que provoca que la electricidad se "pierda" más fácilmente en trayectos largos.

• En un avión: Los cables solo recorren unos pocos metros desde los motores a la cabina.

• En la ciudad: La electricidad viaja kilómetros, por lo que los 400 Hz serían extremadamente ineficientes.

Un poco de historia

Algunas personas sostienen que los 400 Hz es un legado de los antiguos giróscopos utilizados en los instrumentos del avión. En realidad los primeros instrumentos giroscópicos fueron accionados por bombas de vacío, pero si es cierto que los primeros instrumentos giroscópicos eléctricos fueron estandarizados a 400 Hz. 

El papel de los giróscopos en el origen

En los inicios de la aviación moderna, los instrumentos de vuelo (como el horizonte artificial o el coordinador de giro) dependían de giróscopos mecánicos. Para que un giróscopo sea preciso y estable frente a las turbulencias, necesita dos cosas: momento angular y velocidad.

• Velocidad de rotación: Un motor de inducción gira a una velocidad proporcional a la frecuencia ("f"). Con 60 Hz, un motor alcanza un máximo teórico de 3.600 RPM. Con 400 Hz, ese mismo motor puede girar a 24.000 RPM.

• Estabilidad: A 24.000 RPM, el giróscopo es increíblemente rígido en el espacio, lo que permite una navegación mucho más precisa sin necesidad de motores enormes y pesados dentro del panel de instrumentos.

¿Por qué se quedó en 400 Hz?

A mediados del siglo XX, cuando los aviones se volvieron más complejos, los ingenieros tuvieron que elegir un estándar. Se dieron cuenta de que los 400 Hz eran el "punto dulce" (sweet spot) por varias razones:

• Sincronización: Ya tenían los instrumentos funcionando a esa frecuencia; era más fácil diseñar el resto del sistema eléctrico (luces, bombas, calefacción) para que fuera compatible.

• Motores de inducción: Los motores de 400 Hz son extremadamente simples y robustos. No necesitan escobillas (que chisporrotean y fallan a gran altura), lo que los hace ideales para mover superficies de control o bombas de combustible.

• El límite físico: Si subían mucho más de 400 Hz (por ejemplo, a 1000 Hz), los problemas de ruido electromagnético y el calentamiento de los cables por el "efecto pelicular" se volvían inmanejables.

La tecnología actual

Hoy en día, muchos aviones modernos (como el Boeing 787 Dreamliner o el A220) están empezando a usar frecuencia variable (entre 360 y 800 Hz) para ahorrar aún más peso, eliminando la pesada caja de engranajes que obligaba a los generadores del motor a girar siempre a una velocidad constante para dar exactamente 400 Hz. El A220 del que he dado clase tiene precisamente los generadores de Frecuencia Variable.

¿como afecta esta frcuencia variable a los elementos que tienen que usarla, tienen dentro algún sistema para estabilizarla?

A diferencia de los aviones clásicos que usan un IDG (Integrated Drive Generator) —que incluye una compleja y pesada transmisión mecánica para mantener las 400 Hz constantes—, el A220 utiliza generadores acoplados directamente al motor. Esto significa que la frecuencia eléctrica fluctúa (generalmente entre 360 Hz y 800 Hz) dependiendo de si el motor está en ralentí o a plena potencia.

¿Cómo sobreviven los sistemas a este "caos" de frecuencia? 

Aquí está el truco:

1. Cargas "insensibles" a la frecuencia: Muchos sistemas del avión no necesitan una frecuencia exacta para funcionar. A estos se les alimenta directamente con la corriente alterna variable (Variable Frequency AC): Calefacción de ventanas y sondas: Las resistencias térmicas solo necesitan energía, no les importa a qué ritmo oscilan los electrones. Iluminación: Los sistemas modernos de LED convierten la CA en CC internamente. Motores de ventiladores simples: Se diseñan para tolerar el rango de frecuencias sin sobrecalentarse.
2. Conversión a Corriente Continua (DC): Gran parte de la aviónica crítica (ordenadores de vuelo, pantallas, sensores) no funciona con corriente alterna, sino con 28V DC. El avión utiliza TRU (Transformer Rectifier Units). Estos dispositivos "beben" la frecuencia variable, la transforman y la rectifican a una corriente continua estable y limpia. Al no haber motores girando en este paso, la variación de hercios no afecta al resultado final.
3. Electrónica de Potencia (Motor Controllers): Para los motores que sí necesitan girar a una velocidad específica (como las bombas de combustible o hidráulicas), el A220 utiliza convertidores estáticos de estado sólido. En lugar de depender de la frecuencia de la red, estos controladores toman la energía variable, la convierten internamente y generan su propia frecuencia controlada para el motor. Es básicamente como tener un "variador de frecuencia" industrial para cada bomba crítica.
4. ¿Y los instrumentos viejos de 400 Hz?: Si el avión todavía tiene algún componente legacy que requiere estrictamente 400 Hz ± 1%, se utiliza un Inversor Estático. Este componente electrónico toma la corriente continua (que ya es estable) y la "pica" para recrear una onda senoidal perfecta de 400 Hz.

En resumen: El "Cerebro" Eléctrico. En el A220, la estabilidad no se logra mecánicamente en el generador (que era el método antiguo, pesado y propenso a fallos), sino de forma electrónica y distribuida. Cada sistema "limpia" la energía que necesita. ¿Qué ganamos con esto? El A220 ahorra cientos de kilos al eliminar la transmisión de velocidad constante del motor, lo que lo hace uno de los aviones más eficientes de su categoría.

...entonces, ¿por qué el Embraer 145 fue creado desde el principio para utilizar solo DC?

El Embraer 145 (ERJ-145) es, efectivamente, la "rara avis" de los jets regionales porque rompió la norma de los 400 Hz AC para apostar casi todo al 28V DC. No fue un error de diseño, sino una decisión de ingeniería sumamente pragmática basada en el tipo de misiones para las que fue creado. 

Aquí está el "porqué" de esta arquitectura tan particular:

1. Simplicidad y Robustez (Filosofía Regional)

El ERJ-145 nació como una evolución del turbohélice EMB-120 Brasilia, que ya utilizaba un sistema de 28V DC. Al mantener esta arquitectura:

• Mantenimiento: Los mecánicos ya conocían el sistema. No necesitaban formación compleja en sistemas de frecuencia constante (IDGs) que son piezas de relojería suizas muy delicadas.

• Coste: Un generador de DC acoplado directamente al motor es mucho más barato de fabricar y mantener que un complejo IDG de corriente alterna.

2. Eliminación del "Peso Muerto" del IDG

Como hablamos antes, para obtener 400 Hz constantes, los aviones "viejos" necesitaban una transmisión mecánica pesada. Embraer calculó que, para un avión de ese tamaño (50 plazas), el peso de cinco generadores de DC era menor que el peso de dos IDGs de AC y sus sistemas de control.

Pero... ¿Cómo maneja el AC que necesita?

Aunque es un "avión DC", el ERJ-145 todavía tiene componentes que necesitan corriente alterna (como algunos sistemas de evitación del terreno (EGPWS) y anticolisión (TCAS). Para solucionar esto, utiliza Inversores Estáticos. El sistema genera 28V DC masivamente. Unos dispositivos electrónicos (inversores) transforman una pequeña parte de esa energía en 115V AC a 400 Hz. Así, el avión tiene "lo mejor de los dos mundos": la simplicidad del DC para la potencia principal y pequeñas dosis de AC donde es estrictamente necesario.

El ERJ-145 es el ejemplo perfecto de que, en aviación, la "mejor" tecnología no es siempre la más avanzada, sino la que mejor se adapta al modelo de negocio.

Otros relacionados:

PBIT, BITE, MTBF y Lusser's law

Industria, legislación y fallo catastrófico