Те, кто проезжал по территории Германии или Австрии, могли заметить необычные линии электропередачи, где размещены четыре провода. Интересно, что это не четырехфазная система или две однофазные сети, а линии, предназначенные для электроснабжения железных дорог.
Но почему выбрана такая необычная схема и для чего необходимо однофазное электроснабжение? Чтобы разобраться в этом, стоит исследовать историю. В Германии, Австрии, Швейцарии, Швеции и Норвегии для питания железнодорожных систем используется контактная сеть с напряжением 15 киловольт и частотой 16,7 Гц.
В то время как большинство стран используют 50 или 60 Гц, именно эти страны выбрали 16,7 Гц. Изначально железные дороги работали на постоянном токе с напряжением 1,5 и 3 кВ, используя двигатели с последовательным возбуждением. Когда мир стал переходить на переменный ток, эти страны выбрали уникальный подход к электрификации.
Они планировали использовать те же двигатели с последовательным возбуждением постоянного тока для переменного тока, но при частоте 50 Гц эти двигатели могли бы выйти из строя из-за чрезмерного нагрева и потерь.
Электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения способен работать и на переменном токе, поскольку направления тока и магнитного потока меняются одновременно. Однако переменный магнитный поток электродвигателя приводит к возникновению так называемой трансформаторной ЭДС в обмотке якоря двигателя. При значительной ЭДС появляется сильное искрение под щетками, вплоть до кругового огня по коллектору при коммутации. Чтобы избежать этого, необходимо снизить частоту тока.
Таким образом, было принято решение уменьшить частоту до одной трети — 50 делим на 3, что дает примерно 16,67, но округлили до 16,7 Гц. При этом переход на эту частоту произошел относительно недавно. Австрия, Швейцария и Южная Германия перевели свои электростанции для ЖД на частоту 16,7 Гц 16 октября 1995 года.
В Норвегии и на большей части территории Швеции электрические железные дороги используют напряжение 15 кВ 16,7 Гц переменного тока. Эта система занимает 3-е место в мире по протяженности (14 %) и 1-е в Западной Европе.
Такую частоту можно получить двумя основными способами: либо преобразованием стандартной промышленной частоты 50 Гц, либо генерацией на отдельных электростанциях. В Германии существуют АЭС и гидроэлектростанции, которые производят 16,7 Гц исключительно для нужд железнодорожного транспорта. По стране проложены воздушные линии электропередач с однофазными линиями, работающими на 110 киловольт с частотой 16,7 Гц. На подстанциях у ЖД напряжение понижается до 15 кВ.
Для преобразования 50 Гц в 16,7 Гц часто применяется машинный преобразователь, где трехфазный приводной двигатель на 50 Гц вращает генератор для получения меньшей частоты. Замена существующей сети на 25-27 киловольт, как в Восточной Европе, становится экономически нецелесообразной из-за высокой стоимости обновления инфраструктуры. Поддерживать оборудование в надлежащем состоянии и улучшать его – пока это выгодно. Нужно работать над обновлением преобразователей, а также улучшать систему распределения энергии, оставаясь на уровне функциональности 16 Гц.
Чешские железные дороги столкнулись с проблемой снижения энергопотребления низкочастотных трансформаторов, когда они перестроили некоторые локомотивы 25 кВ переменного тока, 50 Гц (серия 340) для работы на линиях 15 кВ переменного тока, 16,7 Гц. В результате использования одних и тех же сердечников трансформатора (первоначально разработанных для 50 Гц) на более низкой частоте мощность трансформаторов пришлось снизить до одной трети их первоначальной мощности, тем самым снизив доступное тяговое усилие на ту же величину.
Вот такие интересные факты о системе 15 кВ, работающей на частоте 16 Гц, в рамках европейских электрифицированных железных дорог.
Тем не менее, основным недостатком оборудования, функционирующего на низкой частоте 16 Гц, является его значительный вес. Чтобы сократить размеры электродвигателя при сохранении той же мощности, необходимо увеличить его рабочую частоту. Именно по этой причине в авиации используется бортовая сеть переменного тока на частоте 400 Гц.
Магнитный поток в трансформаторах равен произведению индукции на площадь сечения магнитопровода. Следовательно, увеличив частоту в 8 раз (от 50 Гц), во столько же уменьшается площадь сечения магнитопровода. Примерно на такую же величину уменьшается и вес трансформатора. А вес оборудования в самолетах – важный фактор в их грузоподъемности и экономии.
К этой частоте пришли опытным путем. Испробовали частоты от 200 до 1000 Гц. Установили, что наиболее подходят частоты 400-500 Гц. На более низких частотах электродвигатели и трансформаторы получаются слишком тяжелыми. На более высоких частотах также приходится увеличивать вес оборудования, так как происходит сильный нагрев магнитопроводов и требуется установка радиаторов для охлаждения.