Varför kör svenska tåg på 16 2/3 Hz?

2012-05-22 23:00  

Läsarna vet besked.

Fråga:

Varför använder man inte standard 50 Hz växelström till svenska järnvägar, utan frekvens­omformar till 16 2/3 Hz?

Lars Holmgren, Luxemburg

Svar:

När man i början av 1900-talet elektrifierade järnvägarna ville man använda växelström. Ofta användes kontaktorlok, vilka hade en enfas växelströmsmotor. De krävde mycket stor diameter, eftersom hastigheten reglerades genom att lindningarna kopplades ihop i olika kombinationer med hjälp av kontaktorer – stora strömbrytare – som styrdes av den vev som föraren hade som pådragsreglage. Den stora diametern gjorde att motorn satt uppe i vagnskorgen och via en reduktionsväxel drev en blindaxel, som i sin tur med hjälp av vevstakar drev hjulaxlarna.

Den enfasiga motorn krävde alltså en mycket stor diameter för att klara hastighetsregleringen, men om man hade lägre frekvens gick det lättare.

Därför beslöt man i bland annat Sverige och Tyskland att använda 1/3 av den normala frekvensen 50 Hz, det vill säga 16 2/3 Hz. Vid den tiden byggde järnvägen egna kraftverk som direkt genererade denna frekvens. Sverige använde enfas generatorer i Porjus för malmbanan till Narvik, och Tyskland har fortfarande egna kraftverk och egna kraftledningar för järnvägen.

 I Sverige övergick man dock tidigt till att låta det vanliga kraftnätet driva omformarstationer (kostsamma och med omkring 10–20 procent värmeförluster) för att skapa ström för järnvägen.

Kontaktorloken kom så småningom att ersättas av tyristorlok, försedda med  halvledare som snabbt kan bryta mycket stora strömmar. Genom att datorstyra tyristorerna kunde man effektivt generera en relativt jämn likström. Det möjliggjorde användning av likströmsmotorer, som kan göras små och som har stort vridmoment. De kunde därför monteras med en reduktionsväxel direkt på drivaxlarna mellan hjulen. Man slapp på så vis vevstakarna och fick en effektiv hastighetsreglering.

Dessa tyristorlok har på senare tid kommit att ersättas av asynkronlok som huvudsakligen används i dag.

I dem har man efter tyristorlikriktarna kopplat in en växelriktare som genom datorstyrning kan generera trefas växelström med variabel frekvens. Detta möjliggör användningen av  trefas asynkronmotorer, som är mycket enkla och små. Hastighetsregleringen är nu betydligt enklare, eftersom datorer enkelt kan öka frekvensen på växelströmmen.

Timo Kivisaari

Svar:

Förluster i ledningar ökar med frekvensen. Lägre frekvens (16 2/3) ger möjlighet till längre ledningar, vilket är intressant i tågsammanhang.

Gregor Shapiro

Svar:

De första elektriska järnvägarna byggdes för likström, mest spårvagnar. Huvudanledningen var att den då allenarådande motorn för drivning av hjulen var seriemotorn (rotor och stator i serie) med kommutator. Denna motor har samma med hastigheten hyperboliskt avtagande vridmoment som ångmaskinen i ett ånglok och kunde enkelt regleras genom byte mellan parallell- och seriekoppling, olika inkopplingar av statorlindningen och seriemotstånd. När man gick över till att elektrifiera fullskalejärnvägar blev de låga spänningar som en sådan motor kan arbeta med besvärande, med stora spänningsfall i kontaktledningen. Ett sätt att minska problemen var att för vanliga järnvägar höja spänningen från spårvagnens typiska 600 V till 1.5 kV (den maximala spänningen man kunde använda en kommutatormotor utan besvärande gnistbildning) som t ex i Frankrike och Nederländerna eller tre 3 kV (alltid minst två motorer seriekopplade eller motorer med dubbla kommutatorer) som t ex i Italien och Polen.

En annan väg var att gå över till en högre växelspänning och anordna en transformator på loket där man styr motorspänningen med lindningskopplare. Matar man en seriemotor med växelström inducerar rotor och stator i varandra transformatoriskt växelspänningar som leder till besvärande gnistbildning och slitage hos kommutatorn, man behöver bara tänka på borrmaskinen hemma. En teknisk kompromiss blev då att välja en växelspänning så låg, att kommutatorn får en rimlig livslängd, men tillräckligt hög för att transformatorerna och generatorerna inte blir för otympliga. Man kom fram till att 15 Hz var en lämplig frekvens och de första större växelströmselektrifieringarna (bl a malmbanan i Lappland) gjordes för denna frekvens, med egna kraftverk och generatorer För roterande omformare från 50 Hz är dock 50/3 = 16 2/3 Hz ett lämpligare värde, För exakt 100 år sedan,1912, kom först några tyska järnvägsbolag överens om att använda växelström med 15 kV och 16 2/3 Hz, snart anslöt sig Schweiz, Österrike, Sverige och Norge till detta. I USA valda man 25 Hz, i Costa Rica 20 Hz. Hos 15 Hz-banorna justerades frekvensen så småningom till 16 2/3 Hz. I dag matas dessa banor med en för länderna olika mix av direktgenerering, roterande omformare och statiska omriktare.

Under mellankrigstiden gjordes i Ungern och Tyskland (Höllentalbahn) försök med 50 Hz, där olika metoder (kvicksilverlikriktare, speciella kommutatorer, induktionsmotorer mm ) testades. Efter kriget hamnade Höllentalbahn i den franska ockupationszonen och fransmännen som blev less på de stora spänningsfallen i sitt 1.5 kV DC-system gjorde där och på egna teststräckor framgångsrika försök med först 20 kV, sedan 25 kV och 50 Hz. Denna lösning spred sig sedan först i Frankrike och sedan i många länder som nyelektrifierade sina järnvägar, även med 60 Hz. Den vanligaste loktypen blev först likriktarloken, sedan övertogs deras roll, som i dag för alla andra spänningsarter också, av lok med omriktarmatade trefasmotorer. Den högre spänningen behövdes eftersom det induktiva spänningsfallet blir tre gånger större än för 16 2/3 Hz. Eftersom nätbolagen inte tillåter större enfaslaster och utjämningsströmmar genom kontaktledningen matas de olika kontaktledningsavsnitten för sig, vilket jämfört med parallellmatning hos banor med 16 2/3 Hz eller DC leder till en rad nackdelar: högre spänningsfall, stora laständringar när tåget byter till nästa matningsavsnitt och fartförluster eftersom tåget måste passera skyddssektionen mellan matningsavsnitten utan pådrag; även återmatning av enfasig bromseffekt är i regel inte tillåten. Detta leder till att man hos många 50 Hz-järnvägar avundsjukt tittar på de länder som kör med 16 2/3 Hz och att man börjar fundera över att mata även dessa järnvägar genom mot trefasnätet ”snälla” omriktare för att bli kvitt enfaslasten och kunna parallellmata, även återmatningen av bromsenergi blir då möjligt. För nyelektrifieringar borde egentligen kombinationen 25 kV 16 2/3 Hz vara den optimala!

Thorsten Schütte, Västerås

Svar:

Jag antar att frågan om 16 2/3Hz gäller järnvägens strömförsörjning. Bakgrunden till detta är reglerteknisk. På den tiden när järnvägen elektriferades (alltså tidigt 1900-tal) så var likström den vanligaste tekniken för strömförsörning av eldrivna saker som behövde relgerbar hastighet. I fordonet reglerades hastigheten genom att fordonet motorer kopplades om mellan olika varianter på serie och parallellkoppling, samt med shuntmotstånd för att få fler reglersteg. Likströmmen skapades i roterande omformare eller egna generatorer - inga halvledare fanns ju ännu. Denna teknik fungerade ganska bra i spårvagnar och andra lättare fordon, och användes i spårvagnar fram till åtminstone 1960-talet.

För tunga tåg på Malmbanan behövdes dock kraftigare doningar. Att elda elektroner i shuntmotstånd var inte en framkomlig väg för så stora lok. Återstod då den tidens andra metod för att reglera spänning och ström - att använda en transformator. Men en sådan kräver ju som bekant växelström för att fungera. Växelströmsmotorers varvtal styrs å andra sidan av strömmens frekvens, tillskillnad från likströmsmotorer som styrs med spänningen. Inga likriktare fanns ju som sagt, så här fick man alltså ta till ett knep. En seriemagnetiseradlikströmsmotor kan köras på växelström eftersom både statorns och rotorns fält kommer att växla samtidigt. Därmed blir momentet åt samma håll hela tiden. I övrigt beter den sig som en likströmsmotor. Kruxet är att det blir stora förluster i motorn om dess fält växlar för ofta. En rimlig kompromiss blev att använda 15Hz växelström. Då blev förlusterna i motorn rimliga och man kunde hålla transformatorn i en vettig storlek (dessa behöver vara större för lägre frekvenser). Så länge järnvägen hade egna kraftverk gick det bra med 15Hz. När man ville börja använda ström från 50Hz elnätet var man tvungen att ändra till 16 2/3 Hz för att det skulle gå att bygga en enkel roterande omformare.

Varför byter man inte till 50Hz då? Tja, det finns i dag inte så mycket att vinna på det. Alltför mycket både av infrastrukturen och fordonen skulle behöva byggas om och alla moderna fordon går lika bra på både 50 och 16 2/3 Hz. Dessutom finns en liten fördel för den lägre frekvensen i form av lägre förluster vid långa överföringar.

PN

Kommentar:

En komplettering till signaturen Petters svar i Teknikfrågan nr 20/2012: Även Pågatågen och SJ:s snabbtåg kör högertrafik i Citytunneln i Malmö. Man behöver därför inte vara rädd för att de ska krocka med Öresundstågen.

Barbro Frisk, Lund

Nu över till veckans nya ­frågor:

Fråga

Hur har man gjort för att inte järnvägens luftledningar ska slitas ut? Att strömavtagaren hela tiden glider mot kontaktledningen borde snabbt slita ut både den och ledningen kan man tycka. Att det blixtrar vid strömöverslag och snö på ledningen borde också slita på materialet. Att byta slitdelar på lokens strömavtagare låter ju inte så komplicerat, men kontaktledningen byter man inte så smidigt. Vad är det för supermaterial man använder?

Håkan Jacobsson, Tranås

Fråga:

Vad är det som skiljer halogenlampor från vanliga glödlampor? Glödtråden i halogenlampor har ju högre temperatur och ger därför vitare ljus. Men vad är det som gör att vanliga glödlampor inte kan hålla lika hög temperatur? Att glödtråden förångas är ett problem i båda typer av lampor, men hur kan halogengaserna göra denna process långsammare? Vad brukar de vanliga glödlamporna vara fyllda med?

Leif Nyholm

Skicka in era svar och nya intrikata frågor till teknikfragan@nyteknik.se

Det är ni, kära läsare, som både frågar och svarar i Teknikfrågans spalter.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt