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Straßenbahnen und U-Bahnen werden im Regelfall mit Gleichstrom betrieben. Die Deutsche Bahn hingegen betreibt ihre Bahnen mit Wechselstrom.

Fahrleitung

Gleichstrom



Gleichstrom ist fahrzeugseitig die einfachste Lösung. Es ist kein (schwerer) Transformator notwendig. Zudem sind Gleichstrommotoren bei gleicher Leistung kleiner als Wechselstrommotoren, was insbesondere bei beengten Raumverhältnissen günstig ist. Die Leistungssteuerung der Motoren kann zudem recht einfach, aber verlustreich über Vorwiderstände erfolgen, über die die Motorspannung reguliert wird.

Gleichstromsysteme eignen sich daher besonders für Untergrund-, Stadt- und Straßenbahnen. Bei U-Bahnen werden in der Regel Stromschienen verwendet, weil eine Oberleitung ein größeres Tunnelprofil erfordern würde. Stromschienen können aber aus Sicherheitsgründen nur mit niedrigen Spannungen (in der Regel 500–1200 V) betrieben werden. Bei Straßenbahnen spielen neben den technisch einfacheren Fahrzeugen ebenfalls Sicherheitsgründe eine Rolle, denn ein Hochspannungs-Oberleitungsnetz über Straßen und zwischen Gebäuden wäre zu gefährlich.

Wechselstrom

Wechselstrom kann als Bahnstrom, genauso wie für die öffentliche Elektrizitätsversorgung, sehr einfach erzeugt (Generator) und in Transformatoren umgespannt werden und verteilt werden. Es ist damit auch für elektrische Bahnen einfach verfügbar.

Das Stromsystem des Antriebs ist dabei von dem der Energiezuführung zu unterscheiden. Es gibt für jeden Anwendungsfall eine passende Möglichkeit, beliebige Stromsysteme auf Antriebs- und Netz-Seite mittels Leistungselektronik miteinander zu koppeln. Bei elektronisch geregelten Bahnfahrzeugen mit entsprechenden Wechselrichtern kann der elektrische Energiefluss dabei in beiden Richtungen erfolgen, d. h. das Fahrzeug entnimmt bei Beschleunigung elektrische Energie aus der Versorgungssystem und beim Abbremsen des Fahrzeugs wird ein Teil der elektrischen Energie zurück in das Netz gespeist.

Wechselstrom mit verminderter Frequenz

In einigen europäischen Ländern (Deutschland, Österreich, Schweiz, Schweden, Norwegen) fahren die Eisenbahnen mit Einphasenwechselstrom mit einer gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderten Frequenz von 16,7 Hz statt 50 Hz.

Außerdem gibt es auch Bahnstromsysteme mit 25 Hz. Noch heute werden der Abschnitt New York–Washington des Ostküstennetzes in den USA sowie die Mariazellerbahn mit dieser Frequenz betrieben.

Da Wechselstrom eine Transformierung der Fahrdrahtspannung auf die für die Motoren geeignete Spannung zulässt, kann eine deutlich höhere Fahrdrahtspannung gewählt werden als bei Gleichstrombetrieb (anfangs ca. 5 kV, heute in den am Anfang des Abschnitts genannten Ländern 15 kV). Die Transformatoren sind als Stelltransformatoren ausgeführt (siehe auch Stufenschalter für Leistungstransformatoren) und ermöglichen eine Spannungsregelung ohne Verwendung von Widerständen. Das Gewicht dieser Transformatoren ist der leistungsbegrenzende Faktor bei Elektrolokomotiven.

Die gegenüber den öffentlichen Stromnetzen verminderte Frequenz wurde Anfang des 20. Jahrhunderts gewählt, weil es nicht möglich war, große Einphasen-Elektromotoren mit hohen Frequenzen zu betreiben, da es dabei durch die sogenannte transformatorische Spannung zu übermäßiger Funkenbildung am Kommutator kam. Historisch bedingt wurde mit Maschinenumformern oder Generatoren gearbeitet, durch deren Polteilung die Netzfrequenz von 50 Hz gedrittelt wurde, also 162/3 Hz als Frequenz des Bahnstroms ergab. Der tatsächliche Wert der Frequenz schwankte jedoch abhängig von der Drehzahlkonstanz des Generators.

Bei der Umformung der Bahnenergie mittels Synchron-Synchron-Umformern beträgt die Frequenz des Bahnstroms in der Praxis exakt ein Drittel der momentanen Netzfrequenz des speisenden Landesnetzes. Derartige Umformer sind unter anderem in Schweden und im Nordosten Deutschlands in Betrieb.

Die verminderte Netzfrequenz hat jedoch auch Nachteile. Zum einen müssen die Transformatoren größer sein, zum anderen kann Strom aus dem öffentlichen Stromnetz nicht direkt bzw. durch einfache Herabtransformierung verwendet werden. Oft werden aus diesem Grund völlig unabhängige Netze mit Bahnstromleitungen unterhalten. Die Masten dieses Netzes haben üblicherweise zwei Leiterpaare (2 × Einphasenleitung).

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Broschüre Bahnstrom DB-Energie, PDF-Datei

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