Кто проезжал по территории Германии или Австрии, то могли обратить внимание на необычные линии электропередачи, на которых расположены четыре провода. Интересно, что это не четырехфазная система или две однофазные сети, а линии, предназначенные для обеспечения питания железной дороги.
Однако почему такая необычная схема и зачем нужно однофазное электроснабжение? Чтобы понять это, стоит обратить внимание на 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 применяют 50 или 60 Гц, у этих стран почему выбор пал на 16,7 Гц. Первоначально 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 путь электрификации.
Они намеревались использовать те же двигатели с последовательным возбуждением постоянного тока для переменного тока, но при частоте 50 Гц эти двигатели выходили бы из строя от 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.
Поэтому было решено уменьшить частоту до одной трети — 50 делим на 3 получаем примерно 16,67, но ее немного округлили до 16,7 Гц. Причем, переход на эту частоту был сделан 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 большинстве территории Швеции электрические железные дороги используют напряжение 15 кВ 16,7 Гц переменного тока. Эта система по протяженности занимает 3-е место (14 %) в мире, 1-е место в западной Европе.
Такую частоту можно получить двумя основными способами: либо преобразованием стандартной промышленной частоты 50 Гц, либо генерацией на отдельных электростанциях. Там в Германии была АЭС и гидроэлектростанция, которын вырабатывают 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 понижают до 15 кВ.
Для преобразования 50 Гц в 16,7 Гц часто используется 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. Содержать оборудование в надлежащем состоянии и улучшать его – пока это выгодно. Нужно работать над обновлением преобразователей, а также совершенствовать 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 у системы 15 кВ, работающей на частоте 16 Гц, в рамках европейских электрифицированных железных дорог.
Однако главным недостатком оборудования, которое функционирует на низкой частоте 16 Гц, является его значительный вес. Для того чтобы уменьшить массогабариты электродвигателя при сохранении той же мощности, необходимо увеличить его рабочую частоту. Именно поэтому в авиации используется бортовая сеть переменного тока на частоте 400 Гц.
Магнитный поток в трансформаторах равен произведению индукции на площадь сечения магнитопровода. Отсюда, подняв частоту в 8 раз (от 50 Гц), во столько же уменьшается площадь сечения магнитопровода. Примерно во столько же уменьшается и вес трансформатора. А вес оборудования в самолетах – важный фактор в их грузоподъемности и экономии.
К этой частоте пришли опытным путем. Пробовали частоты от 200 до 1000 Гц. Установили, что наиболее подходят частоты 400-500 Гц. На частотах ниже слишком тяжелые получаются эл.моторы, трансформаторы. На более высоких частотах также приходится утяжелять оборудование, т.к. происходил сильный нагрев магнитопроводов и нужно было ставить радиаторы для охлаждения.