Электрическая тяга на переменном токе может осуществляться либо на трехфазном токе, либо на однофазном токе пониженной или нормальной частоты. Наиболее современной является система однофазного тока нормальной частоты. Возможность трансформирования переменного тока непосредственно на подвижном составе позволяет применять в контактной сети магистральных дорог высокое напряжение — до 20 кВ и выше, а на электровозе — понижать его до любой величины, удобной для питания тяговых электродвигателей. Эффективность такого трансформирования для системы энергоснабжения видна из следующих данных. Экономически целесообразное расстояние между соседними тяговыми подстанциями при постоянном токе составляет 10—15 км при напряжении 1,5 кВ и 20—30 км при напряжении 3 кВ. При этом суммарное сечение сети для двухпутной линии равно 500—600 мм2 и более. В то же время при системе однофазного переменного тока расстояние между подстанциями при напряжении 22 кВ составляет 60—80 км, а требуемое сечение контактного провода снижается до 100—150 мм2.
При системе однофазного тока нормальной частоты энергия производится на электростанциях общего пользования и передается трехфазной линией передачи, расположенной вдоль железной дороги. Контактная сеть разделена на участки, поочередно питаемые от разных фаз линий передачи через понизительные однофазные трансформаторы. Напряжение контактной сети (16—22 кВ) преобразуется трансформатором, установленным на подвижном составе, до необходимой величины. При данной системе можно применять следующий подвижной состав:
а) с однофазными коллекторными двигателями нормальной частоты;
б) с тяговыми двигателями постоянного тока и преобразователями однофазного переменного тока в постоянный; в) с трехфазными асинхронными двигателями и преобразователями однофазного тока в трехфазный. Из этих трех вариантов простейшим является первый. Основные недостатки однофазных двигателей (тяжелые условия коммутации, особенно при пуске в ход, и низкий коэффициент мощности) при нормальной частоте сказываются гораздо сильнее, чем при пониженной. Использование двигателей постоянного тока требует установки на подвижном составе преобразователей, что по существу превращает электровоз в подвижную тяговую подстанцию.
Рис. 11. Принципиальная схема электроснабжения электрической железной дороги при системе переменного тока нормальной частоты
I — высоковольтная линия электропередачи; II — трансформаторные подстанции: 1— шины первичного напряжения; 2 — понижающие трансформаторы; 3 — шины на 22 кВ; III — контактная сеть на 22 кВ; IV —рельсовая сеть; V — электровоз НО; 1 — понижающий трансформатор; 2 — выпрямители; 3 — тяговые двигатели постоянного тока
К достоинствам системы однофазного тока нормальной частоты относятся простота системы электроснабжения и тесная увязка ее общими сетями трехфазного тока, питающими промышленных потребителей. Недостатками системы являются: а) несимметричная нагрузка отдельных фаз трехфазной линии передачи, отрицательно сказывающаяся на работе двигателей промышленных предприятий; б) сложный и дорогой подвижной состав; в) индуктивное влияние на провода линий связи. На рис. 11 дана принципиальная схема электроснабжения при системе однофазного тока нормальной частоты на 22 кВ — шестиосного электровоза НО с тяговыми двигателями постоянного тока с номинальным напряжением 1500 в. На электровозе установлен понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключается к сети пантографом при помощи воздушного выключателя. Вторичная обмотка трансформатора состоит из трех секций для регулирования напряжения, подводимого к выпрямителям. Вопрос о целесообразности применения переменного тока в контактной сети городского электротранспорта находится в стадии экспериментального исследования.